Способ уравновешивания мостов переменного тока и устройство для его осуществления

 

1. Способ уравновешивания мостов переменного тока, основанный на сравнении активных выходных величин ветвей объекта измерения и образцовой меры и последующем сведении их разности к нулю путем изменений численного значения N кода уравновешивающего элемента, в том числе таких, при которых числу N придают нормированные значения, а результат измерений вычисляют с учетом этих значений и индицируют в виде числа с количеством разрядов большим, чем количество разрядов уравновешивающего элемента, отличающийся тем, что, с целью повьщ1ения быстродействия измерения и упрощения, уравновешивание моста производят по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента и, если N лежит в пределах , производят смену диапазона измерений на более младший, устанавливают М равным 9, численное значение кода дополнительного уравновешивающего элемента - равным значению N - 0,9, где N - численное значение кода основного .уравновешивающего элемента, полученное при уравновешивании по двум старшим разрядам, приводят мост в состояние полного равновесия изменением численного, значения N, младших разрядов кода основного уравновешивающего элемента, определяя число , соответствующее результату измерений, из соотношения ,9+N,+ N. 2.Способ по п. 1, отличи ющ и и с я тем, что значение К N i -0,9 определяют путем уравновеши (О вания моста изменением состояния дополнительного уравновешиваю1дего элемента до достижения такого состояния измерительной цепи, которое было получено при уравновешивании по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента. 3.Устройство для уравновешивания мостов переменного тока, содержащее ел источник питания, основной трансфорСХ ) матор напряжения, первичная обмотка Is9 которого подключена к источнику пита00 ния, начало первой вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения Измеряемого объекта, а конец ее соединен с общей шиной, начало второй вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, компаратор токов, начало первой обмотки которого соединено с второй клеммой для подключения измеряемого обт.екта, а конец ее соединен с обшей шичой, начало второй обмотки соединено с вто

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„,Я0„„11О5823 зЮ G 01 R 17/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И СТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .. (21) 3489495/18-21 (22) 08. 09. 82 (46) 30.07.84, Бюл. N - 28 (72) Р.Д.Тучин (53) 621. 317. 733 (088. 8) (56) 1. Орнатский П П. Автоматические измерения и приборы. Киев, "Вища школа", 1980.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 915015, кл. G 01 R 17/ 10, 07.04.80.

3. Мост переменного тока автоматйческий Р5016. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СПОСОБ УРАВНОВЕШИВАНИЯ МОСТОВ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ . (57) 1. Способ уравновешивания мостов переменного тока, основанный на сравнении активных выходных величин ветвей объекта измерения и образцовой меры и последующем сведении их разности .к нулю путем изменений численного значения N кода уравновешивающего элемента, в том числе таких, при которых числу N придают нормированные значения, а результат измерений вычисляют с учетом этих значений и индицируют в виде числа с количеством разрядов большим, чем количество разрядов уравновешивающего элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия измерения и упрощения, уравновешивание моста производят по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента и, если N лежит в пределах

1 4й4 3, производят смену диапазона измерений на более младший, устанавливают и равным 9, N" — численное значение кода дополнительного уравновешивающего элемента — равным значению

N — 0,9, где N — численное значение кода основного .уравновешивающего элемента, полученное при уравновешивании по двум старшим разрядам, приводят мост в состояние полного равновесия изменением численного значения N младших разрядов кода основно1 го уравновешивающего элемента, определяя число N>, соответствук;ее результату измерений, из соотношения м ., =О. 9+ 1,+

2. Способпоп. 1, отличaioшийся тем что значение N." = Я

1

-0,9 определяют путем уравновешивания моста изменением состояния дополнительного уравновешивающего элемента до достижения такого состояния измерительной цепи. которое было получено при уравновешивании по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента.

3. Устройство для уравновешивания мостов переменного тока, содержащее 4Р источник питания, основной трансфор- .Ю матор напряжения, первичная обмотка 00 которого подключена к источнику пита- Я ния, начало первой вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения измеряемого объекта, а конец ее соединен с общей шиной, начало второй. вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, компаратор токов, начало первой обмотки которого соединено с второй клеммой для подключения измеряемого объекта, а конец ее соединен с обшей шиной, начало второй обмотки соепинено с вто11058 рой клеммой для подключения реактивной образцовой меры и первой клеммой для подключения активной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало третьей обмотки соединено с входом детектора равновесия, а конец ее соединен с общей шиной, первый выход детектора РлвнОвееия через реверсивный счетчик вспомогательного уравновешивающего элемента соединен с отсчетным блоком по тангенсу угла потерь, второй выход сое динен с блоком управления, первый выход которого соединен с реверсивным счетчиком диапазонов, третий выход детектора равновесия через реверсивный счетчик основного уравновешивающего элемента соединен с первым, вторым, третьим разрядами основного отсчетного блока по емкости, вспомогательный трансформатор напряжения, начало первичной обмотки которого соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало вторичной обмотки соединено с второй клеммой для подключения ак23 тивной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, блок управле ния, реверсивный счетчик диапазонов, реверсивные счетчики основного и вспомогательного уравновешивающих элементов, отсчетные индикаторные блоки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены реверсивный счетчик дополнительного уравновешивающего элемента, блок анализа и управления, блок памяти, третья вторичная обмотка основного трансформатора напряжения, причем начало третьей вторичной обмотки основного трансформатора напряжения соединено с концом второй вторичной обмотки этого же трансформатора, четвертый выход детектора равновесия соединен с реверсивным счетчиком дополнительного уравновешивающего элемента,,вторые выходы блока управления и реверсивного счетчика основного уравновешивающего эле" мента соединены с входами блока памяти, а выход его соединен с первым разрядом основного отсчетного блока по емкости и с дополнительным одноразрядным счетным элементом.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении мостов переменного тока как с автоматическим, так и с ручным уравновешиванием, пред- назначенных для измерения параметров комплексных сопротивлений.

Известен способ уравновешивания цифровых мостов переменного тока с десятичными диапазонами измерения !о и ограниченным числом десятичных разрядов (декад) уравновешивающего эле" мента, при котором сравнивают активные выходные величины (ток или напряжение) ветвей объекта измерения и об- 15 разцовой меры и изменением численного значения 1Ч кода уравновешивающего элемента сводят их разность к нулю (1 j.

Этот способ положен в основу подавляющего большинства выпускаемых в настоящее время цифровых мостов переменного тока, например, таких как

Р589, Р5016, Р5079.

Недостатком известного способа является снижение точности измерения при уменьшении набора на декадах, при помощи которых осуществляется уравновешивание, за счет роста погрешности от дискретности. Как известно, эта погрешность может быть уменьшена путем введения более младшего разряда (декады) уравновешивания. Однако это приводит к усложнению конструкции приборов, так как требует усложнения структуры и конструкции всего тракта обработки сигнала неравновесия, а также решения сложных проблем обеспечения устойчивости и экранирования, связанных с увеличением коэффициента усиления усилителя неравновесия. Особенно это затруднительно сделать в приборах, у которых уже имеется предельно возможное с точки зрения устойчивости и чувствительности. количество уравновешивающих разрядов, например в мостах

Р5016, Ð5079.

1105823

Известен также способ уравновешивания цифровых приборов сравнения, основанный на сравнении активных выходных величин ветвей объекта измерения и образцовой меры и последующем сведении их разности к нулю путем изменения численного значения N кода уравновешивающего элемента, при котором каждый десятичный диапазон делят на п субдиапазонов, уравновешивая

10 прибор на каждом i-том субдиапазоне изменением численного значения кода уравновешивающего элемента в интерва М ;„; до М ном B области максимальных числовых значений кода уравновешивающего элемента и удовлетворяющем условию

N мах i

1((10, и осуществляют выбор

min i субдиапазона измерения в зависимости от измеряемой величины изменением номинального отношения коэффициентов передачи ветвей объекта измеg=i М реннв н образцовой меры в Il

1сщ1 min 1с-1

N раэ до достижения равновесия, делят численное значение кода уравновеши4=i Я веющего элемента на П " по- ЗО

k--1 min k-e лученное число округляют и индицируют в виде числа с количеством разрядов большим, чем количество разрядов уравновешивающего элемента f23 °

Благодаря описанным операциям погрешность от дискретности, связанная с ограниченным числом десятичных разрядов уравновешивающего элемента прибора, уменьшается в и раз без введе- 40 ния более мр адшего разряда уравновешивающего элемента.

Однако одним из недостатков известного способа является сложность процесса уравновешивания, обусловлен- 45 ная необходимостью многократного изменения номинального отношения коэффициентов передачи ветвей объекта измерения и образцовой меры в строго нормированное число раз (и), для чего требуется пропорциональное числу и количество дополнительных высокоточных образцовых мер, в том числе и дополнительных обмоток, связанных тесной индуктивной связью (в случае использования трансформаторных мостов), и тому подобных образцовых элементов, а также соответствующее количество коммутаторов и устройств для их управления, что усложняет конструкцию прибора и увеличивает аппаратурные затраты.

Кроме того, в тех случаях, когда точность средства измерения уже достаточно высока, осуществление таких операций, как изменение масштабных коэффициентов измерительной цепи в строго нормированное число раз

k= 1 /ч

П ы в раз) н последующее n l-1 деление в такое же число раз численного значения кода уравновешивающего элемента, должно происходить с точностью не менее чем в 3-5 раз большей той, которую обеспечивает само средство измерения. Применительно к мосту Р5016, например, имеющему погрешность измерения 0,02Х точность указанных операций должна быть не хуже 0,004 — 0,0067. Осуществление такого рода операций представляет собой достаточно сложную и не всегда технически осуществимую задачу. Следовательно„область наиболее целесообразного, применения известного способа уравновешивания — приборы среднего класса точности, результат измерений у которых представляет трех- или четырехразрядным числом.

Другой недостаток известного способа заключается в снижении быстродействия. Это связано с тем, что в процессе многократного изменения масштабных коэффициентов измерительной цепи необходимо столь же многократно коммутировать образцовые меры, что, как правило, осуществляют при помощи реле — весьма инерционных элементов.

Инерционная коммутация высоких уровней измерительных напряжений или токов, имеющая место при смене образцовых мер, приводит к длительным переходным процессам и, таким образом, к снижению быстродействия.

Известен цифровой автоматический мост переменного тока Р5016 содержащий источник питания, основной и вспомогательный трансформаторы напряжения, вторичные обмотки которых входят в состав основного и вспомогательного уравновешивающих элементов соответственно, компзратор токов, образцовые меры, детектор равновесия, блок управления, реверсивный счетчик диапазонов, реверсивные счетчики основного и вспомогательного уравновешивающих элементов и отсчетные инди1105823 каторные блоки, в том числе пятиразрядный отсчетный блок по основному измеряемому параметру (3 $.

При измерении величин, численное значения которых начинается с цдини- 5 цы, погрешность от дискретности моста Р5016 составляет 0,01 . Это не позволяет эффективно использовать заложенную в нем разрешающую способность и лишает возможности получать высококачественную измерительную информацию о состоянии широкого класса метрологических объектов, что сужает область применения моста.

Погрешность от дискретности моста

Р5016 может быть уменьшена, напри" мер, до значения 0,003 — 0,006 за счет применения известного способа уравновешивания приборов сравнения.

Однако это приводит к резкому усложнению конструкции моста, так как требует применения сложных вычислительных устройств и дополнительного метрологического оборудования, способных совместно решить проблему дополнительных преобразований измерительных сигналов с точностью не менее значения ожидаемой при этом погрешности от дискретности, т.е. с точностью (0,004 — 0,006 ). Кроме того, быстродействие моста Р5016 при этом заметно уменьшается.

Цель изобретения — повышение быстродействия измерения и упрощение.

Поставленная цель достигается тем, 35 что согласно способу уравновешивания мостов переменного тока, основанному на сравнении активных выходных величин ветвей объекта измерения и обраэ40 цовой меры и последующем сведении их разности к нулю путем изменений численного значения N кода уравновешивающего элемента, в том числе таких, при которых числу N придают нор45 мированные значения, а результат измерений вычисляют с учетом этих значений и индицируют в виде числа с количеством разрядов большим, чем количество разрядов уравновешивающего элемента, уравновешивают мост по двух старшим разрядам основного уравновешивающего элемента и, если N лежит в пределах 1<К<3, производят смену диапазона измерений на более младший, устанавливают N равным 9, и

М вЂ” численное значение кода дополнительного уравновешивающего элементаравным значению N - 0,9, где N численное значение кода основного уравновешивающего элемента, полученное при уравновешивании по двум старшим разрядам, приводят мост в состояние полного равновесия изменением численного значения N младших разряI дов кода основного уравновешивающего элемента, определяя число М М> д, соответствующее результату измерений, из соотношения изм 0 9+" + " Кроме того, значение М"= М„ -0,9 определяют путем уравновешивания моста изменением состояния дополнительного уравновешивающего элемента до достижения такого состояния измерительной цепи, которое было получено при уравновешивании по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента.

В устройство для уравновешивания мостов переменного тока, содержащее источник питания, основной трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к источнику питания, начало первой вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения измеряемого объекта, а конец ее соединен с общей шиной,-начало второй вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, компаратор токов, начало первой обмотки которого соединено с второй клеммой для подключения измеряемого объекта, а конец ее соединен с общей шиной, начало второй обмотки соединено с второй клеммой для подключения реактивной образцовой меры и первой клеммой для подключения активной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало третьей обмотки соединено с входом детектора равновесия, а конец ее соединен с общей шиной, первый выход детектора равно весия через реверсивный счетчик вспомогательного уравновешивающего элемента соединен с отсчетным блоком по тангенсу угла потерь, второй выход соединен с блоком управления, первый выход которого соединен с реверсивным счетчиком диапазонов, третий выход детектора равновесия через реверсивный счетчик основного уравновешивающего элемента соединен с первым, вторым, третьим разрядами основного отсчетного блока по емкости, вспомогательный трансформатор на1105823 8!

15 форматора напряжения соединено с кон- 20

ZS блока памяти, а выход его соединен с первым разрядом основного отсчетно- З0

Предлагаемый способ может быть ! рассмотрен на примере работы цифро- З5 вого автоматического моста с трансформаторной измерительйбй цепью, предназначенного, например, для измерения емкости и тангенса угла потерь.

На чертеже представлена структур- 40 ная схема устройства.

Устройство содержит измерительную цепь 1, состоящую из источника питания

2, основного трансформатора 3 напряжения

55 кости), блок 22 анализа и управления, реверсивный счетчик 23 дополнительного уравновешивающего элемента (дополпряжения, начало первичной обмотки ,которого соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало вторичной обмотки соединено с второй клеммой для подключения активной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, блок управления, реверсивный счетчик диапазонов, реверсивные счетчики основного и вспомогательного уравновешивающих элементов, отсчетные индикаторные блоки, введены реверсивный счетчик дополнительного уравновешивающего элемента, блок анализа и управления, блок памяти, третья вторичная обмотка основного трансформатора напряжения, причем начало третьей вторичной обмотки основного трансцом второй вторичной обмотки этого же трансформатора, четвертый выход детектора равновесия соединен с реверсивным счетчиком дополнительного уравновешивающего элемента, вторые выходы блока управления и реверсивного счетчика основного уравновешивающего элемента соединены с входами го блока по еМкости и с дополнительным одноразрядным отсчетным элеменroM. с первичной обмоткой 4 и вторичными обмотками 5 — 7,измеряемого объекта 8, компаратора 9 токов с обмотками

10 - 12, образцовых мер 13 и 14, вспомогательного трансформатора 15 напряжения с первичной обмоткой 16 и вторичной обмоткой 17; реверсивный счетчик 18 диапазонов, детектор 19 равновесия, блок 20 управления, реверсивный счетчик 21 основного уравновешивающего элемента (счетчик ем5

50 нительный счетчик емкости), блок 24 памяти, дополнительный одноразрядный отсчетный элемент 25 по емкости, основной четырехразрядный отсчетный блок 26 по емкости с первым разрядом

27, вторым разрядом 28, третьим раз:рядом 29 и четвертым разрядом 30, реверсивный счетчик 31 вспомогательного уравновешивающего элемента (счетчик тангенса угла потерь). отсчетный блок 32 по тангенсу угла потерь.

Работа моста осуществляется следующим образом.

Предположим, что измерению подлежит конденсатор, действительное значение емкости которого составляет

1,2004 пФ. Конденсатор подключают к мосту и регулировкой числа витков обмоток 5 и 10 основного трансформатора 3 напряжения и компаратора 9 токов соответственно осуществляют выбор диапазона измерений. Затем регулировкой числа витков обмотки 6, осуществляемой при помощи реверсивного счетчика 21, уравновешивают мост по двум старшим разрядам, т.е. изменяют численное значение N кода основного уравновешивающего элемента в объеме двух десятичных разрядов. С учетом состояния реверсивного счетчика 18 диапазонов, т.е. с учетом положения запятой, N пропорционально отсчету

1.200 пФ. Обозначим численное,,значение кода, пропорциональное этому отсчету, через М„.

Состояние основного уравновешивающего элемента оценивается блоком 22 анализа и управления. По результатам анализа блок 20 управления осуществляет последовательно следующие операции: запись состояния реверсивного счетчика 21 в блок 24 памяти; установку старшего разряда реверсивного счетчика 21 в 9; смену диапазо" на измерений на более младший путем изменения на порядок числа витков обмотки 10 компаратора 9. После выполнения указанных операций численное значение N кода основного уравновешивающего элемента, т.е. состояние реверсивного счетчика 21 становится пропорциональным отсчету, равному 900,0 пФ. Затем мост по команде блока 20 управления переводят на уравновешивание при помощи дополнительного, уравновешивающего элемента. Для этого счетные импульсы, вырабатываемые

10 рядах — втором 28, третьем 29, четвертом 30 — индицируется число, пропорциональное численному значению N

1 младших разрядов кода основного уравновешивающего элемента, т.е. пропорциональное состоянию младших разрядов реверсивного счетчика 21 и равное по результатам уравновешивания 004. На основном четырехразрядном отсчетном блоке 2б и дополнительном одноразрядном отсчетном элементе 25 будет индицироваться результат измерений в виде пятиразрядного числа, равного 1,2004 пФ, что эквивалентно осуществлению операции суммирования, представляемой выражением иэм

Погрешность от дискретности в этом случае составляет 0,01Х т.е. в 10 раз меньше той, которая имела бы место у места с четырехразрядным уравновешивающим элементом без использования данного способа уравновешивания.

Предлагаемый способ основан на более простых операциях — вычитании и суммировании, не требующих многократного изменения масштабных коэффициентов ветвей измерительной цепи и смены образцовых мер. Это упрощает как сам процесс уравновешивания, так и его реализацию, освобождая от необходимости применять функционально сложные вычислительные устройства и от необходимости дополнительной коммутации нормирующих элементов, приводящей к затратам времени измерения, а также способствует тому, что предлагаемый способ может быть применен в мостах с ручным уравновешиванием,,которые н ироко используются там, где специфика процесса измерений исключает его автоматизацию, например в области электрохимии, метрологии и т.п.

Снижение погрешности от дискретности в общем случае достаточно производить не для всех численных значений кода основного уравновешивающего элемента, а только для тех из них, которые лежат в пределах 1 N< 3. Or раничение 1 48 3 упрощает конструкцию приборов, так как упрощает реализацию дополнительного уравновешивающего элемента, а также блока памяти и блока анализа и управления, уменьшая связанные с ними аппаратурные затраты.

Таким образом, данный способ уравновешивания может бь.ть эффективно применен для усовершенствования та9

1 105 823 детектором 19 равновесия, подают на вход реверсивного счетчика 23, связанного с коммутирующими элементами обмотки 7, и уравновешивают мост до тех пор, пока не будет достигнуто такое состояние равновесия, которое уже было получено при уравновешивании по двух старшим разрядам основного уравновешивающего эле ента, (т.е когда численное значение N кода это- 10 го элемента соответствует отсчету по емкости, равному 1,200 пФ.

После осуществления указанного уравновешивания численное значение

N" кода дополнительного уравновеши- 1 вающего элемента пропорционально отсчету, равному 30 лФ. Иными словами, такое уравновешивание становится эквивалентным осуществлению операции вычитания, представляемой аналитичес- 2п ки как И =И1-0,9.

Если число витков, приходящихся на шаг старшей и младшей декад основного и дополнительного уравновешивающих элементов соответственно„выбрать 2S одинаковым, то отсчет, соответствующий состоянию декад дополнительного уравновешивающего элемента, составит

0,4 пФ, из чего видно, что во всех случаях необходимое число декад дополнительного уравновешивающего элемента не превышает двух.

Затем путем изменения численного значения N младших разрядов кода

1 основного уравновешивающего элемента

35 и изменением состояния вспомогательного уравновешивающего элемента (обмотка 17, счетчик 31, блок 32) мост приводят в состояние полного равновесия. Численное значение кода основно-4О го уравновешивающего элемента, равное 0,9+ N„, составит при этом величину, пропорциональную отсчету по емкости, равному 900,4 пФ.

Далее информация, записанная в блоке 24 памяти, по команде блока 20 управления переносится в дополнительный одноразрядный стсчетный элемент

25 и основной четырехразрядный отсчетный блок 26 таким образом, что

"единица", соответствовавшая состоянию первого (старшего) разряда реверсивного счетчика 21, индицируется на дополнительном отсчетном элементе 25, а двойка, соответствовавшая состоя- нию второго разряда реверсивного счетчика 21, индицируется на первом разряде 27. На остальных, младших, раз11 1105823 12 ких серийно выпускаемых мостов пере- тов в результате применения предламенного тока как Р501б, Р5079 и др. гаемого способа уравновешивания с

Погрешность от дискретности этих мос- учетом условия 1 М 3 составит 0,001

Составитель В.Семенчук

Редактор М.Циткина Техред И. Асталош Корректор N.Øàðoøè

Заказ 5595/35 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4