Квазиуравновешенный мост для измерения параметров четырехэлементных rlc-двухполюсников

 

Изобретение может быть использовано для измерения электрических параметров электроакустических преобразователей . Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит источник 1 частотно-модулированного сигнала, операционный усилитель 3, фазочувствительный выпрямитель 13, управляемые делители 18 и 19 напряжения , интегрирующий усилитель 21 и амплитудный детектор 26. Введение операционного усилителя 4, сумматоров 10-12 напряжения, фазочувствительных выпрямителей 14 и 15, выпрямителей 16 и 17, управляемого делителя 20 напряжения, дифференцирукщего усилителя 22, делителей 23 и 24 напряжения, переключателя 25 и амплитудного детектора 27 обеспечивает раздельное измерение четырехэлементных двухполюсников. 1 ил. с S (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (5046 01 R 17 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY CBNQETEJlbCTB Y (21).4118146/24-21 (22) 04.06.86 (46) 23..06.88. Бюл. У 23 (71) Ивано-Франковский институт нефти и газа (72) Е.Е.Добров и Б.Д.Мелинишин (53) 621.317.733 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 954891, кл. G 01 R 27/02, 1982.

Авторское свидетельство СССР

В 527721, кл. С 01 R 27/00, .1977. (54) КВАЗИУРАВНОВЕШЕННЫЙ МОСТ ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЧЕТЫРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ К? С-ДВУХПОЛЮСНИКОВ (57) Изобретение может быть использовано для измерения электрических параметров электроакустических преобразователей. Цель изобретениярасширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит источник 1 частотно-модулированного сигнала, операционный усилитель 3, фазочувствительный выпрямитель 13, управляемые делители 18 и 19 напряжения, интегрирующий усилитель 21 и амплитудный детектор 26. Введение операционного усилителя 4, сумматоров

10-12 напряжения, фазочувствительных выпрямителей 14 и 15, выпрямителей 16 и 17, управляемого делителя 20 напряжения, дифференцирующего усилителя 22, делителей 23 и 24 напряжения, переключателя 25 и амплитудного детектора 27 обеспечивае ет раздельное измерение чечырехэлементных двухполюсников ° 1 ил.

1404957

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрических параметров электроакустичес5 ких преобразователей, струнных и накладных электромагнитных датчиков, магнитострикционных преобразователей и др.

Цель изобретения — расширение фун- 10 кциональных возможностей устройства за счет обеспечения раздельного измерения параметров четырехэлементных двухполюсников, содержащих последовательный или параллельный RLC-контур 15 и включенный соответственно параллельно или последовательно обособленный элемент.

На чертеже приведена функциональная схема квазиуравновешенного моста 2р для измерения параметров четырехэлементного двухполюсника, состоящего, например, из последовательно соединенных резистора и параллельно RLCконтура. 25

Мост содержит источник 1 частотномодулированного сигнала, образцовый резистор 2, операционные усилители

3 и 4, исследуемый двухполюсник 5, состоящий из обособленного элемента

6, в данном случае резистора, резистора 7, конденсатора 8, катушки 9 индуктивности, сумматоры 10-12 напряжения, фазочувствительные выпрямители 13-15, выпрямители 16 и 17, управляемые делители 18-20 напряжения, 35 интегрирующий 21 и дифференцирующий

22 усилители, делители 23 и 24 напряжения, переключатель 25 и амплитудные детекторы 26 и 27. Источник 1 частотно-модулированного сигнала через управляемые делители 19 и 20 напряжения соединен соответственно с сумматорами

11 и 12 напряжения, а через образцовый резистор 2 и управляемый делитель

18 — соответственно с операционными усилителями 3 и 4, выходы которых соединены с входами сумматора 10 напряжения. В цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 3 включены зажимы для подключения исследуемого двухполюсника 5. Выход сумматора 10 через интегрирукпций 21 и дифференцирующий 22 усилители соединен с переключателем 25, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом сумматора 12 и одним из входов фазочувсгвительног()

ВыпрямитеJ(p, 4 )3торой вход к()т()ро го соединен с входом выпрямителя 17 и выходом сумматора 12. Выходы фазочувствительного выпрямителя 14 и выпря-) мителя 17 через делитель 24 напряжения и амплитудный детектор 26 соединены с управляющим входом управляе-, мого делителя 20. Кроме того, выход сумматора 10 соединен с входом сумматора 11, выпрямителя 16 и первыми входами фазочувствительных выпрямителей 13 и 15, а вторые вхады последних соединены соответственно с выходом сумматора 11 и источника 1 частотно-модулированного сигнала. Управляющий вход управляемого делителя 19 соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 13, а управляемого делителя 18 через амплитудный детектор

27 соединен с выходом делителя 23 напряжения, входы которого соединены с выходами фазочувствительного выпрямителя 15 и выпрямителя 16.

Квазиуравновешенный мост работает следующим образом.

Измерительная цепь приводится в первое состояние квазиравновесия путем изменения коэффициента передачи управляемого делителя 18 при помощи амплитудного детектора 27. Указанное состояние квазиравновесия наступает при достижении частотной независимости напряжения на выходе делителя 23 напряжения. В этом состоянии по коэффициенту передачи управляемого делителя 18 отсчитывают сопротивление резистора 6.

Последующие состояния квазиравновесия взаимно независимы. Сопротивление резистора 7 отсчитывается по коэффициенту передачи управляемого делителя 19 во втором состоянии квазиравновесия, которое достигается путем изменения коэффициента передачи этого делителя при помощи фазочувствительного выпрямителя 13 до получения квадратуры выходных сигналов сумматоров 10 и 11.

Третье и четвертое состояния квазиравновесия определяются по частотной независимости выходного сигнала делителя 24 напряжения, которое достигается при помощи амплитудного детектора 26 путем изменения коэффициента передачи управляемого делителя 20. При этом последовательность измерения реактивных элементов 8 и

9 зависит от положения переключателя

25. .В указанном положении переключа04957

К Ъ R2

"(О = -П(7 (6) к7 (1-Я CgLg+j«1Lgl

25

30 (8) U,à = U(caLg(Кй

35 частоты:

Re(W< (jQ)) = ——

1 (2) (9) к, =к„

U(2 U22 где (ю — сдвиг фаз между напряжениями О.(и U(»

=U(К20 2+« к71

Кр (1-QzC

Re(Uqp ) — вещественная часть напряжения U(по отношению к О(.

С учетом (3) выходной сигнал делигДе 22 —,)«Z 2 <Р теля 23 напряжения описывается выра- 55 жением — выходное напряжение дифференцирующего усилителя 22; — постоянная времени ,дифференцирования;

U

2ъ 0((12

221 (4) 3 14 теля измеряется значение емкости конденсатора 8. В противоположном положении по значению того же коэффициента передачи управляемого делителя

20 отсчитывается значение индуктивности катушки 9.

Рассмотрим работу устройства во всех состояниях квазиравновесия. При этом следует отметить, что при активном характере обособленного элемента 6 операционный усилитель 4 является неинвертирующим усилителем. Для простоты считают его повторителем.

Тогда напряжение на выходе сумматора 10 описывается выражением где U(— выходные напряжения источника 1 частотно-модулированного сигнала;

К(— коэффициент передачи управляемого делителя 18, 1 2» RO»

R - сопротивление резисторов

2, 6 и 7;

Cg, — емкость конденсатора 8;

Lg — индуктивность катушки 9; круговая частота.

При выполнении условия К

Кб — — вещественная часть отношения кг напряжений W(= х- не зависит от ию

Выделение сигнала, пропорционального RejW((jhow)J осуществляет часть схемы, состоящая из фазочувствительного выпрямителя 15, выпрямителя 16 и делителя 23 напряжения. При этом выходной сигнал фазочувствительного выпрямителя 15

U(U(g =U(cos (о = — 1<е(П(9 ), (3) Ъо что соответствует выражению вещественной части отношения двух комплексных напряжений. Амплитудный детектор

27 выделяет огибающую выходного сиг5 нала делителя 23 и изменяет коэффициент передачи управляемого делителя

18 напряжения до выполнения условия (2). В этом состоянии по значению коэффициента передачи делителя 18 отсчитывают сопротивление резистора 6

После достижения первого квазиравновесия (1) примет вид

Тогда выходное напряжение сумматора 11

Би = U(o + К(g.U( (7)

К7К(д (1-tJzCgL9)+ QLg (К(9-К7)

R7 (1-(BzCgL4) jQL9 где Ktg — коэффициент передачи управляемого делителя 19 напряжения.

Фазочувствительный детектор выделяет вещественную часть напряжения

U« zzo отношению к напряжению 6(((.

Своим выходным сигналом детектор изменяет коэффициент передачи управляемого делителя 19 до выполнения условия

40 что соответствует второму состоянию квазиравновесия. При этом по значению коэффициента передачи делителя

19 отсчитывают сопротивление резистора 7.

Третье состояние квазиравновесия

45 достигается при указанном положении

1 переключателя 25. При этом выходное напряжение сумматора 12 описывается выражением

U20 = (10)

9 (К20СЪ (.22)+ <Л.9К20

g Lg )+jQL9

1404957

"йо =

К20

При выполнении

Е

1Р выражение

Ф

U1z О( (12) Rp(1-t0zCgLg)+jcJLg

15 Выходное напряжение дифференцирующего усилителя 22 сд г гг RqL д

"» "" К„(1-aLg)+jVL

2р С учетом (16) и (17) выходной сигнал делителя 24 напряжения описывается выражением (13) гг Ку-г 2 С 1 ггг

24 -432 а22Lg Г22

Как и в предыдущем случае, амплитудный детектор 26 огибающей изменяет коэффициент передачи управляемого делителя 20 напряжения до достижения .1р частотной независимости напряжения

UZ4. Она достигается при выполнении условия четвертого квазиравновесия:

Lg = 2< Кто г (19) Выражения (5), (9), (11) и.(19) показывают возможность отсчета параметров исследуемого двухполюсника по значениям коэффициентов передачи управляемых делителей напряжения в че4р тырех состояниях квазиравновесия мостовой измерительной цепи.

При индуктивном или емкостном характере обособленного элемента 6 исследуемоro двухполюсника операци45 онный усилитель 4 выполняет соответственно дифференцирование или интегрирование выходного сигнала управляемого делителя 18 напряжения.

При этом по значению коэффициента передачи-последнего отсчитывают соответственно значение индуктивности или емко сти обособленного элемента.

В остальном работа устройства не изменяется.

Для измерения параметров двухполюсника, состоящего из соединенных параллельно обособленного элемента и последовательноro RLС-контура, образцовый резистор 2 включают в обВыходное напряжение интегрирующего усилителя 21

1, RyLg рЪ ° г U(o

Ы Ъ t ãi где С - постоянная времени интегрирования.

Вещественная часть отношения двух

Ь2 наЩ яжений Wy =, с учетом (12) ПИ

Re(4)>(j41)7 = (14) Ь9 не зависит от частоты,.что соответствует третьему состоянию квазиравновесия.

Напряжение, пропорциональное значению Rely(j(0)J, выделяет часть схемы, состоящая из выпрямителя 17, фазочувствительноro выпрямителя 14 и делителя 24 напряжения. Ее принцип действия аналогичен описанному для первого состояния квазиравновесия:

П Р U qz cps 2, (15)

Пи Пг где 4 2 — сдвиг фаз между напряжениями U

Uz4 что соответствует выполнению условия (11). При этом по значению коэффициента передачи управляемого делителя 20 отсчитывают емкость конденсатора 8 согласно выраженил (11).

Перевод переключателя в противоположное указанному положение позволяет измерить значение индуктивности катушки 9 в момент четвертого квазиравнове сия. В этом случае выход операционного усилителя 3 соединен с входом сумматора 12 через интегрирующий усилитель 21, а с входом фазочувствительного выпрямителя 14 и выпрямителя 17 — через дифференцирующий усилитель 22.

Тогда выходное напряжение сумматора 12 описывается выражением

П(2 = 02 + 020 (16)

Rg(Kzoг2с -Ь )-(472RyC Ь9К2 + (ДЬ К Ц

7 1404957

30

55 ратную связь, а исследуемый двухполюсник — в прямую связь операционного усилителя 3. При активном характере обособленного элемента операционный усилитель 4 является повторителем, при индуктивном — интегратором, а при емкостном — дифференциатором.

При этом значении обособленного элемента отсчитывают в первом состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи управляемого делителя 18, а значение активного сопротивления последовательного RLCконтура отсчитывают во втором состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи управляемого делителя 19. Порядок измерения реактивных параметров последовательного

К1.С-контура изменяется на обратный по сравнению с описанным для параллельного контура. Указанное положение переключателя 25 соответствует измерению индуктивного параметра контура, значение ко торо ro о тсчитыв ае тся в третьем состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи управляемого делителя 20. Для измерения емкостного параметра контура переключатель 25 переводится в противоположное указанному положение.

Тогда в четвертом состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи делителя 20 отсчитывают значение емкости контура. Работа самого устройства, при этом не изменяется.

Отличительной особенностью предлагаемого квазиуравновешенного моста является взаимная независимость контуров уравновешивания. Измерение параметров RLC-контура исследуемого двухполюсника возможно после достижения первого квазиравновесия. Однако производимые регулировки для достижения остальных состояний квазиравновесия взаимно независимы и не нарушают условий первого квазиравновесия. Это позволяет производить измерение в широком диапазоне изменения параметров исследуемых двухполюсников, в том числе и в предельных случаях, когда указанные четырехэле— ментные И.С-двухполюсники преобразуются в трехэлементные двухполюсники различной конфигурации.

Таким образом обеспечение раздельного измерения параметров четырехэлементных К?.С-двухполюсников, а также

50 трехэлементных двухполюсников произвольной конфигурации значительно расширяет функциональные возможности устройства по сравнению с известным.

Формула изобретения

Квазиуравновешенный мост для измерения параметров четырехэлементных

Ы.С-двухполюсников, содержащий источник часто тно-модулиров анно го сигнала, первый операционный усилитель, образцовый резистор1первый и второй управляемые делители напряжения, интегрирующий усилитель, первый фазочув с тв ительный выпрямитель, пе рвый амплитудный детектор, первый и второй зажимы для подключения исследуемого двухполюсника, первый из которых соединен с входом первого операционного усилителя, а выход источника частотно-модулированного сигнала соединен с первым входом первого фазочувствительного выпрямителя и входом первого управляемого делителя напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом первого амплитудного детектора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй операционный усилитель, второй амплитудный детектор, третий управляемый делитель напряжения, дифференцирующий усилитель, второй и третий фазочувствительные выпрямители, первый и второй выпрямители, первый и второй, целители напряжения, первый, второй и третий сумматоры напряжения и переключатель, причем источник частотно-модулированного сигнала через образцовый резистор соединен с входом первого операционного усилителя, а через. второй и третий управляемые делители напряжения — соответственно с входом второго операционного усилителя и первым входом третьего сумматора напряжения, при этом второй зажим для подключения исследуемого двухполюсника соединен с выходом первого операционного усилителя, входы первого сумматора напряжения соединены соответственно с выходами операционных усилителей, а его выход соединен с входом первого выпрямителя, вторым входом первого и первым входом третьего фазочувстнительных выпрямителей и вторым входом

Составитель В. Семенчук

Редактор Н. Бобкова Техред А. Кр а в чук Корректор А. Обручар

° ЙВ Ю.Заказ 3098/48 Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 1404 третьег< сумматора напряжения, а также с входами интегрирующего и дифференцирующего усилителей, причем выходы последних соединены с входами переключателя,. выходы первого выпря5 мителя и первого фазочувствительного выпрямителя через первый делитель напряжения и второй амплитудный детектор соединены с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения, выкод третьего сумматора напряжения соединен с вторым входом третьего фазочувствительноro выпря.мителя, а выход последнего соединен с управляющим входом третьего управ957 10 ляемого делителя напряжения, при этом входы второго сумматора напряжения соединены с выходом первого управляемого делителя напряжения и первым выходом переключателя соответственно, а его выход соединен с входом второго выпрямителя и первым входом второго фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого соединен с вторым выходом переключателя, а выходы второго выпрямителя и второго фазочувствительного выпрямителя че" рез второй делитель напряжения соединен с входом первого амплитудного детектора.