Автоматический мост переменного тока

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения комплексного сопротивления. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения за счет регулировки сдвига фаз между напряжениями первого и второго преобразователей постоянного напряжения в переменное. Для этого в автоматический мост введены второй счетчик и регистр, причем младшие разряды счетчика выполнены по схеме кольцевого счетчика. Блок автоматического уравновешивания моста включает в себя микроЭВМ и интерфейсный адаптер, детектор равновесия избирательный усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, ограничитель, компаратор и регистр. Такая структура позволяет исключить в измерительной цепи моста вторую ветвь сравнения с присущими ей амплитудными и фазовыми погрешностями, являющимися составными погрешностями измерения. Введение второго счетчика и регистра дает возможность регулировать ток ветви сравнения как по амплитуде, так и по фазе, что позволяет уравновешивать мост при любом характере реактивности объекта измерения, причем независимо от вида используемой образцовой меры. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ1524005 (51)4 0 01 R 17/12

It....f. .. П „;;,, I

П т .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

-менное.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21 ) 4387628/24-21 (22) 03.03.88 (46) 23.11.89.Бюл. М 43 (71 ) Институт электродинамики АН УССР (72 ) Б. А, Кромпляс, В . Г, Мельник, М. Н. Сурду и И.А. Скрипченко (53) 621,317,733 (088,8) (56) Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов,/

Под ред.С.Л,Эпштейна и др, — М.:

Советское радио, 1978, с.68,69, рис.3.11в °

Авторское свидетельство СССР

N 1265624, кл, G О1 R 17/12, !984. (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА

1 (571 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения комплексноГо сопротивления. Цель изобретения— расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения за счет регулировки сдвига фаэ между напряжениями первого и второго преобразователей постоянного напряжеИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров компленсньм сопро тивле н ий .

Цель из обре тенин — р асширение функциональных воэможностей и повышение точности измерения за счет регулировки сдвига фаз между напряжениями первого и в торо го греобразователей постоянного напряжения в пере2 ния в переменное. Для этого в автоматический мост введены второй счетI чик и регистр, причем младшие разряды счетчика выполнены по схеме кольцевого счетчика. Блок автоматического уравновешивания моста включает в себя микроЭВМ и интерфейсный адаптер, детектор равновесия, избирательный усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, ограничитель, компаратор и регистр. Такая структура позволяет исключить в измерительной цепи моста вторую ветвь сравнения с присущими ей амплитудными и фазовыми погрешностями, являющимися составными погрешностями измерения. Введение второго счетчика и регистра дает возможность регулировать ток ветви сравнения как по амплитуде, так и по фазе, что позволяет уравновешивать мост при любом характере реактивности объекта измерения, причем независимо от вида используемой образцовой меры. 3 э.п, ф-лы, 4 ил.

На фиг. 1 представлена структурная схема автоматического моста переменного тока; на фиг, 2 — структурная схема детектора равновесия;на фиг. 3— временные диаграммы работы тактового генератора, ключевых преобразователеЙ, ограничителя и избирательного усилителя, на фиг ° 4 — фазовые диаграммы напряжений и токов преобразователей и избирательного усилителя.

1 524005

Устройство содержит генератор опорного напряжения, выход которого через первый ключевой преобразователь

2 постоянного напряжения в переменное

5 подключен к первому зажиму 3 для подключения объекта измерения, и через последовательно соединенные делитель 4 напряжения, второй преобразователь 5 постоянного напряжения в переменное, образцовую меру 6 — к второму зажиму 7 для подключения объекта измерения и входу 8 детектора 9 равновесия, первый выход 10 которого подключен к входу блока 11 автоматического уравновешивания, тактовый генератора 12, который выходом подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 13 и 14 соответственно, первые группы выходов которых подключены к управляющим входам соответственно первого и второго ключевых преобразователей 2 и 5 постоянного напряжения в переменное, выход переноса первого счетчика 13 подключен к 25 входу з яп иси в то ро го счетчика 1 4, выходы первой и второй групп выходов которого подключены к информационным входам первой группы регистра 5, вь1ходы разрядов которого подключены к входам разрядов второго счетчика 14 и к входам первой группы входов блока 11 автоматического уравновешивания, группа выходов которого подключена к управляющим входам делителя 4 напряжения, информационным входам второй группы регистра 15 и к входам группы 16 входов детектора

9 равновесия, выходы группь1 17 которого подключены к входам второй груп—

40 пы входов блока 11 автоматического уравновешивания, входы сброса первого и второго счетчиков 3 и 14 подключены соответственно к второму и третьему выходам 18 и 19 детектора 9 45 равновестия, к первому выходу 10 которогo подключен вход записи регHoòра 15.

Блок 11 автоматического уравновешиванияя содержит микроЭВМ 20 и ин—

50 терфейсный адаптер 21, причем микроЭВМ 20 соединена с входами и выходами блока 1! явт- матического уравновешивания чер з интерфейсный адаптер

21 °

Детектор 9 равновесия (фиг. ) .2

55 содержит последовательно соединенные избиратель lt t It t ус: илитель 22, ампл итуд— ный детект 1р 3 и аналого — ttttltp«»«и преобразователь 24, а также регистр

25 и посл довательно соединенные ограничитель 26, компаратор 27 и элемент И 28, выход которого подключен к первому выходу 10 детектора 9 равновесия, к входу 8 которого подключен вход избирательного усилителя 22, к выходу которого подключен вход ограничителя 26, входы регистра 25 являются входами группы регистров 15 входов детектора 9 равновесия, выходами группы 17 выходов которого являются разрядные выходы аналого-цифрового преобразователя 24. Выходы разрядов регистра 25 годключены: первого и второго разрядов — соответственно к второму и третьему выходам 18 и 19 детектора 9 равновесия, третье— го и четвертого разрядов — к вторым входам соответственно, избирательного усилителя 22 и аналого-цифрового преобразователя 24, пятого разряда — к второму входу элемента И 28.

Устройство работает следующим образом.

В результате уравновешивания моста определяют модуль проводимости ! и фазовый угол l „ „ oáúåêòà измерения У „ (фиг. 1), представляемого в виде " .„ = Y „ å ". На основании измеренных параметров и 1„ микроЭВМ

20 моста по заданной программе производит вычисление по известным зависимостям любую требуемую пару параметров комплексíîro сопротивления объекта измерения. Дпя уравновешивания моста на объект измерения Y х и образцовую меру Y подаются квазисинусоидяльные напряжения, которые синтезируются ключевыми преобразователями 2 и 5 постоянного напряжения ь переменное соответственно (фиг.3б)

Амплитуда этих напряжений определяется уровнем постоянного опорного напряжения, поступающего с генератора 1 ня вход преобразователя 2 непо< редственно, а ня вход преобраз эвателя 5 — через делитель 4 напряжения °

Управление ключами преобразователей

2 и 5 осуществляет я с выходов старших К- разрядов 1- разрядных счетчиков

13 и 14 соответственно, причем К число ступенек в периоде квазисину— соиды. Эти стар лие К-разрядов организованы ио схеме кольцевого счетчика. Младшие (1! — К -разрядов счетчи1 ков l и 4 выполнень; по схеме дво524005 6 коду, записанному в регистр 15. Таким образом, производится уравновешинание тока )., по фазе с дискретностьн1, определяемого соотношение частот Г раб и Р . После уравновешивания моста код делителя 4 напря4 Fрак т S

В результате приложения квазиси — 20 нусоидального напряжения к объекту измерения Ух è образцовой мере на вход 8 детектора 9 равновесия поступают точки 1 „и т,, причем

ix UÓ„, bio =Йтуо где Vi ИU 25 напряжение преобразователей 2 и 5 соответственно. Эти токи вычитаются на входе избирательного усилителя 22 (фиг.2) детектора 9 равновесия. Для получения разности i „- i, = 0 регулируется амплитуда и фаза напряжения

U на выходе преобразонате;fH 5 пост тоянного напряжения в переменное.

Амплитуда регулируется посредством изменения коэффициента деления дели35 теля 4 напряжения, который в свою очередь определяется кодом, записываемым во входной perистр делителя 4.

Входы последнего подключены к выходам интерфейсного адапте.ра, что дает возможность управлять делителем 4 со стороны микроЭВМ 20, В качестве такого делителя может использоваться прецизионный ЦАП постоянного тока. Для регулирования фазы напряжение U< относительно О, в И-разрядный регистр

15 записывается опргделенный код, В момент прохождения импульса переноса из счетчика 13 на вход записи счетчика 14 код регистра записывается в соответствующие разряды счетчика 14, в результате чего срабатывает определенная комбинация ключей преобразователя 5, на выходе которого устанавливается определенный уровень напря55 жения (фиг.Зд) . В дальнейшем преоб— разователи 2 и 5 генерируют квазисинусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на угол, пропорциональный

5 1

Ф ичных счетчиков и служат для делег!ия частоты импульсов тактового генератора 12 до значения Р,„„z" К (где

F — рабочая частота моста).

Частота F> импульсов тактового генератора 12, поступающих на счетные входы счетчиков 13 и 14 (фиг.3а) равна: где $ — дискретность отсчета по фаэовому углу Ц „, тогда общее количество N разрядов счетчиков 13 и 14 определяется как т

N=K+lop

К. жения пропорционален модулю проводимости объекта У„, а код регистра 15 фазовому углу объекта.

Процесс уравновешивания выполняется н следующем порядке.

Синхронизация работы всех узлов и управляющие воздействия осуществляет микроЭВМ 20, шины данных и синхронизации которой через соответствующие входы и выходы интерфейсного адаптера 21 соединены с нходами узлов моста.

В начале уравновешивания в регистр

25 детектора 9 равновесия записывается код, формирующий сигнал для закрывания элемента И 28 (фиг.2), устанавливающий в избирательном усилителе 22 номинальное усиление и уровень логической единицы на выходе 18 детектора 9 равновесия, Этот уровень удерживает счетчик 13 н нуле и соответственно нуленое напряжение на выходе преобразователя 2 постоянного напряжения. В дел,1-.епь 4 напряжения записывается код Р,, соответстнун1щий минимальному коэффициенту деления, Затем производится измерение амплитуды ь выходного сигнала избиратель ного усилигеля 22, для чего запускается аналого-цифровой прсобразова .ель

24 соэтветствуюппгм л->гпчески:1 -уровнем напряжения, по1 гупанцич с выхода чет— нертог разряда регистра 25. Запуск производится с милроЭВМ 20 путем за— писи сог тветстнующей кодо.—:ой ком= бинапии и регистр 25 . !1змерецное начение W с выхода аналого -цифрового преобразователя 24 эапоситоя в

ОЗУ микроЭВМ 20. После нь1 о;.нения этих операций в тре гий разряд реГистра 25 эаписыгэается код, устанавливающий в избирате.ьном усилителе 22 максимальное усиление. На его выходе появится ".èãíàë W,, пропорциональный

/ току i фиг.4), фаэа которого относительно напряжения Г определяются фазовым углом Р меры у, и фазовым сднигом Q „, вносимым избирательным усилителем 22 (пример Q = 0 предо станлен на диаграмме напряжений фиг.4). Вследствие большого усиления тока 1 выходной сигнал Wz усилителя

22 близок к меандру, амплитуда кото—

1 524005

50 рого ограничивается ограничителем 26 (фиг ° Зв) . Максимальное усиление необходимо для получения максимальной крутизны фронтов, что дает возможность с большой точностью определить фазовый угол Ц,. Для этого код регистра 25 модифицируется так, чтобы в пятом разряде появилась логическая единица, которая открывает по второ10 му входу элемент И 28 ° В момент прохождения ня выходе ограничителя 26 переднего фронта меандра срабатывает компаратор 27 и на выходе элемента

И 28 (соответственно, и на выходе 10

15 детектора 9 равновесия) появляется положительный перепад нап»зяжения.

По фронту этого перепадя производится запись кодовой комбинации N,, пропорциональный углу g » с выходов счетчика 14 в регистр 15. Этот же

20 перепад в микроЭВМ 20 выэывает подпрограмму занесения значения N в собственное ОЗУ, после выполнения которой микроЭВМ 20 записывает в делитель 4 напряжения код, устанавливающий нулевой коэффициент передачи последнего, что обеспечивает Й = 0 и — О. Для запуска преобразователя и

2 снимается потенциал сброса из счет30 чика 13. В результате приложения к объекту измерения Г„кв аэисинусоидального напряжения U, возникший ток ветви 1 „вызывает HB выходе избирательного усипителя 22 сигнал W, (фиг.4), фазовый угол Ц которого относительно Н „определяется суммой фазового угла Р, „объекта измерения и собственным вносимым фазовым сдвигом

Получение и запоминание цифрового отсчета И, значения угла Q (ф»»г.3г) производится аналогично, как и угла

4,, с выхода счетчика 14. Для этого счетчики 13 и 14 синхрониэируются путем одновременного снятия потенциалов сброса на их соответствующих входах, для чего такой потенциал подается предварительно на вход счетчика 14 с выхода 19 детектора 9 равновесия.

Синхронизацию счетчиков 13 и 14 осуществляет микроЭВМ 20 модификацией кода регистра 25. На основании Г, и Q определяется сдвиг фаз между

1 напряжениями U и, I, необходимый

5." для уравнове»»(и»»ян»»н токов,„и, по фазе. Из диаграммы (фиг.4) следует, что угол сдвига .1 „между н;ш— ряжениями Н, и П„:;), = (+ 6 причем Двн = V б — n где q м — фззовый угол обраэцовои меры Yp . Дпя нашего примера <,(„= О, поэтому Ц, определяется только вносимым фазовым сдвигом избирательного усилителя:

» = Д

Для этого микроЭВМ 20 записывает по второй групге информационных входов в регистр 15 код N) который вычислен из соотношения:

1 г — — — — + N,— (1,— N ), Ц м где N, — кодовая комбинация, соответ— ствующяя фазе Ц = 2 Г. Одновременно микроЭВМ снимает логический уровень сброса с входа сброса счетчика 14, путем записи соответствующей кодовой комбинации в регистр 25 детектора 9 равновесия. Первьп» же импульс переноса из счетчика 13 установит тре— буемую для уравновешивания фазу напряжения Й1, в результате чего мост окажется уравновешенным по фазовому углу, и степень неравновесия W определяется лишь разностью амплитуд (или модулей) токов i„ »» i, IIo величине фазового угла Я, (соответственно по значению отсчета N )

1 определяется вид реактивности объекта . ( измерения. На фиг.4 (вектор i>) и фиг. Зе приведен пример измерения объекта с другим характером реактивности, чем в рассмотренном примере. Знак результат» сравнения отсчета N, (или

N ) с значением N„/2 указывает на

1 характер реактивности измеряемого объекта (для второго пр»»» ера

Н

N (2

Ni< где — — = (() . Эти операции производит микроЭВМ 20.

Для уравновешивания моста по модулю токов микроЭВМ 20 производит в детекторе 9 равновесия следующие,действияия . Устанавливает в избирательном усилителе 22 номинальное усиление и »п.еле установления < игняла на выходе последнего запускает аналогоци, ровой преобразователь 24 . Эти действия осуществляются путем записи со< тветственных кодовых комбинаций в р<.г»»< тр 25. Результат измерения

I амплитуды сигнала неравновесия W „

4005 10 тового генератора, причем выходы первой группы выходов первого счетчика соединены с управляющими входами перв го ключевого преобразонателя постоянного напряжения в переменное, группа выходов блока автоматического уравновешивания соединена с управляющими нходямц делителя напряжения, отличающийся тем, 2р что, с цельн> расширения функциональ— ньгх возможностей и повышения точнос— ти, в него введены второй счетчик и регистр, причем счетный вход второго счетчика соединен с выходом тактового

25 генератора, вход записи — с выходом переноса первого счетчика, управляющие входы второго преобразователя постоянного напряжения в переменное соединены с выходами первой группы ньгод: н втор го счетчика, I> ã.oäû .-.е-,вой и второ и групп выходов которого соединены с первыми информационными и:.одя и регис: . я, раз рядн; нь>ходя; которого соединены с входами j. я рядов второго счетчика и Bxäìè первой группы входа.> блок;. янтомяiцчегкого уряв>1овешцнянця, r,.уппа вь.ходов которого соединена с вторыми ии>орма— ционнымц входами реги .тра и с вхо40 дами д тектора равновесия, выходы которого соединены с входами второй группы входов олокя автоматического уравновешивания, входы сброся;:еpB — гo ц второго счетчиков соединен.„ со45 ответственно с вторым и третьим .„ь>ход;мц детектора равновесия, первый выход которого соединен с входом записи рег цст»я.

2. Иост по п.I, о т,t ич аю шийся тем, %To детектор равновесия содержит избирательный усилитель, амплитудный детектор и аналогоцифроной преобразователь, соединенные последовательно регистр, последовательно соединенные ограничитель, кам55 паратор и элемент И, выход которого является первым выходом детектора равновесия, вход детектора равновесия у

Р р о 1

1, Автоматический мост переменного тока, содержащий источник опорного напряжения, выход котс.к>го через перный ключевой преобразователь постоянного напряжения в переменное соединен с первым зажцмгм для подключения объекта измерения и через после— донательно соединенные делитель напряжения, второй ключевой г>реобразова9 152 с выхода амплитудного детектора 23 зяггоминяется в микро0>ВИ 20. На основании полученных данных производится вычисление степени неравновесия

4Р„ по модулю:

ЛР = -- — — Г х о затем урявновешивяние моста изменением кода делителя 4 напряжения на величину йРх. Остаточцое неравновесие, вызванное погрешностями опре— деления 4Р и Q доурянновешинаетх у> ся одним из известных способов экстремального уравновешивания путем по/ очереднкх н ярияций параметрами P и II с последун>щим анализом знака приращения амплитуды сигнала неравновесия, Для этого избирательный усилитель 22 переводится в режим максимального усиления ° IIo полученным в результате уравновешивания значениям

Р „ и М„ микро".>ВМ 20 вычисляет пара— метры y и Р „ объекта измерения: х

2> > 1х

Ц вЂ” — (>>х»м

Х Д (Таким образом, автоматический мост переменного тока по сравнению с извеСтНЫМ ОбЛадаЕт ряС>хцр ."»>;Ì I фуНК,цпнапьными возможностями, а цме>ц.с он позволяет измерять пяряметрь> объектов измерений независимо от характера их реактивных составлю>щцх. При этом не предъявляется ник,>кцк требонаний к виду испо>;и зуем >х образцовых мер.

В данном устройстне достигается б>олее высокая точность измерения, вследствие отсутствия второй не гни сравнения н измерител> ной цепи прибора, а.-п>литудные и фя.>оные погрешности элементов которой непосредственно влияют на точность уравновешивания.

Формул я изобретения тель постоянного напряжения в переменное, образцовую меру — с вторым зя— жимом для подключения объекта измерения и с входом детектора равновесия, блок автоматического уравновешивания, вход которого соединен с выходом детектора равновесия, тактовый генератор и первый счетчик, счетный вход которого соединен с выходом таксоединен с первым входом избиратель1524005

12 ного усилителя, выход которого соединен с входом ограничителя, выходы разрядов аналого — цифрового преобразова— теля являются выходами детектора равновесия, входы которого соединены с

5 входами разрядов регистра, выходы первого и второго разрядов которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами детектора равновесия, третьего и четвертого разрядов с вторыми входами соответственно избирательного усилителя и аналогоцифрового преобразователя, выход пятого разряда регистра соединен с вторым входом элемента И.

3. Мост по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что блок автоматического уравновешивания содержит последовательно соединенные микроЭВМ и интерфейсный адаптер, который соединен с соответствующими входами и выходами блока автоматического уравновешивания °

4. Мост по и ° 1, о т л и ч а ю шийся тем, что в первом и втором счетчиках старшие разряды выполнены по схеме кольцевого счетчика, а их выходы являются выходами первой группы выходов счетчика, младшие разряды счетчиков выполнены по схеме двоичного счетчика и их выходы являются выходами второй группы выходов счетчика.

1524005

"тг а и, 04)

Составитель В. Семенчух

Техред M.Õîäàíè÷ Корректор Э.Лончакова

Редактор Н.Рогулич

Заказ 7039/48 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101