Устройство для измерения параметров комплексного сопротивления

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных сопротивлений или пассивных двухполюсных радиоцепей с сосредоточеннымипостоянными (активного и реактивного сопротивлений, активной и реактивной проводимостей, индуктивности и добротности катушек индуктивности, емкости, тангенса угла потерь конденсаторов). Цель изобретения - повышение точности измерений за счет повышения помехозащищенности и уменьшения влияния нелинейных искажений, вызываемых высшими гармониками в измерительных сигналах. Цель достигается введением в устройство, содержащее генератор 1 синусоидального напряжения, преобра^ователь 2 сопротивление - напряжение, детектор 6 среднего значения, блок 11 деления, преобразователь 14 периоднапряжение, коммутатор 15, детектора 7 среднего значения, блоков 12. 13 деления, блоков 3-5 перемножения, квадраторов 8. 9 и сумматора 10. 1 ил.(Лс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4749266/21 (22) 11.10.89 (46) 23.02.92. Бюл. N 7 (72) В.Н. Чинков, А.Л, Савицкий и В.А. Бернадский (53) 621 .317.332 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1307390, кл. G 01 R 27/02, 1987.

Авторское свидетельство СССР

М 1068839, кл. G 01 R 27/02, 1984..(54) УСТРОЙСТВО 4ЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных сопротивлений или пассивных двухполюсных радиоцепей с сосредоточенными

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных сопротивлений или пассивных двухполюсных электрорадиоцепей с сосредоточенными постоянными (активного и реактивного сопротивлений, активной и реактивной проводимостей, индуктивности и добротности катушек индуктивности, емкости и тангенса угла потерь конденсаторов).

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет повышения помехозащищенности и уменьшения влияния нелинейных искажений, вызываемых высшими гармониками в измерительных сигналах. к у

„,!Ы„„1714533А1 (51) 5 G 01 R 27/02 постоянными (активного и реактивного сопротивлений, активной и реактивной проводимостей, индуктивности и добротности катушек индуктивности, емкости, тангенса угла потерь конденсаторов). Цель изобретения — повышение точности измерений за счет повышения помехозащищенности и уменьшения влияния нелинейных искажений, вызываемых высшими гармониками в измерительных сигналах. Цель достигается введением в устройство, содержащее генератор 1 синусоидального напряжения, преобразователь 2 сопротивление напряжение, детектор 6 среднего значения, блок 11 деления, преобразователь 14 период — напряжение, коммутатор 15, детектора

7 среднего значения, блоков 12, 13 деления, блоков 3 — 5 перемножения, квадраторов 8, 9 и сумматора 10. 1 ил.

Ъ

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения параметров ком- а плексного сопротивления,.

Устройство для измерения параметров у комплексного сопротивления содержит генератор 1 синусоидального напряжения, преобразователь 2 сопротивление — напряжение, блоки 3 — 5 перемножения, детекторы

6, 7 среднего значения, квадраторы 8 и 9, сумматор 1D, блоки 11 — 13 дал алия, лраобразователь 14 период — напряжение и коммутатор 15.

Первый выход генератора 1 синусоидального напряжения подключен к входу преобразователя 2 сопротивление — напряжение, к входу преобразователя 14 период — напряжение и первому входу блока 3 перемножения. Второй выход генератора 1 си1714533 нусоидального напряжения соединен с первым входом блока 4 перемножения. Вторые входы блоков перемножения соединены с входами детекторов 6 и 7 среднего значения. Выход детектора 6 среднего значения подключен к входу квадратора 8, первому входу блока 11 деления и первому входу коммутатора 15, а выход детектора 7 среднего значения — к входу квадратора 9, первому входу блока 12 деления и второму входу коммутатора 15. Выходы квадраторов

8 и 9 соединены с первым и вторым входами сумматор" 10, выход которого подключен к вторым входам блоков 11 и 12 деления. Выходы блоков 11 и 12 деления соединены соответственно с третьим и четвертым входами коммутатора 15, пятый вход которого подключен к выходу преобразователя 14 период — напряжение. Первый и второй выходы коммутатора 15 соединены с первым и вторым входами блока 13 деления, а третий и четвертый выходы коммутатора 15 — c г!epвым и вторым входами блока 5 перемножения, Шестой вход коммутатора 15 соединен с шиной управления, Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 синусоидального напряжения формирует два синусоидальных напряжения, сдвинутых по фазе на 90

U !(t) = Um sin ал, (1) () = U (cur — — ), (2) где Um, со — амплитуда и круговая частота напряжений, Напряжение U<(t) с первого выхода генератора 1 поступает на входы преобразователя 2 сопротивление — напряжение и преобразователя 14 период — напряжение и на первый вход блока 3 перемножения, а напряжение Uz(t) с второго выхода генератора 1 — на первый вход блока 4 перемножения, На вторые входы блоков 3 и 4 перемножения подается напряжение с выхода преобразователя 2 сопротивление— напряжение u (t), пропорциональное току в цепи измеряемого полного сопротивления.

Предположим, что в общем случае эта цепь нелинейна, и ток в ней представим рядом Фурье

i (t) =g ivm sin (vmt+pv) (3) Р = где 1 — номера гармоник = 1, со;

Ivm, pv- амплитуда и начальная фазанов и гармоники.

Начальная фаза pv совпадает с фазовblм сдвигîM V-й гармоники тока относительно напряжения U(t), начальная фаза которого принята равной нулю (для упрощения записей), что не меняет существа дальнейших математических выкладок. Это означает, что pv представляет аргумент полногосопротивления Едля каждой из rap5 моник тока.

Преобразователь 2 сопротивление — напряжение представляет собой обычно последовательное соединение образцового

Ro и измеряемого Z сопротивлений, Причем

10 его выходное напряжение Ui(t) снимается с образцового сопротивления Ro, которое выбирают из условия Ro«Z. Тогда, с учетом . равенства (3), получают

ui(t)=R. i(t)=F4.u :

V=1 — з!и (vcut +pv), 1

Zy (4) где !р„= Um/Zv;

20 Zy — полное сопротивление цепи для -й гармоники тока.

Напряжение Ui(t) подается с выхода преобразователя 2 сопротивление — напряжение на вторые входы блоков 3 и 4 пере-, 25 множения, на выходах которых образуются напряжения, пропорциональные соответственно произведениям К!01(с)0.(с) и К1 Uz(t)

uL(t), где K> — коэффициент передачи блоков 3 — 5

30 перемножения. Выходные напряжения блоков 3 и 4 перемножения поступают на детекторы 6 и 7 среднего значения, напряжения на выходах которых определяются выражениями

1Т

Ug =K1 K2 — Х U1(t) LI(t)dt; (5)

1 т

ub = К Кз — f u (т) U(с) di, (6)

40 где Kz — коэффициенты передачи детекторов

6 и 7 среднего значения;

Т вЂ” период выходных напряжений гене.ратора 1 синусоидального напряжения.

45 Индексы g и Ь в условных обозначениях напряжений Ug u Ub на выходах детекторов

6 и 7 среднего значения приняты для отражения того, что эти напряжения, как будет показано ниже, пропорциональны активной

50 и реактивной проводимостям.

Подставив в выражения (5), (6) равенства (1}, (2), (4) и проведя вычисления, получают

55 Ug К1 К2 Ro U — соз p1—

2 1

=К! "! cosp! =Ку g (7) где U = Um/ V2 — среднеквадратическое значение выходного напряжения генератора 1;

1714533

Z> — составляющая полного сопротивления для первой гармоники тока;

У1 = 1/Z> — составляющая полной проводимости для первой гармоники тока;

g — измеряемая активная проводимость;

Ку = K> K2 R>-U — коэффициент передачи

2 устройства по проводимости.

После аналогичных преобразований выражения (6) получают

0ь = К1 Кг Ro,. U — sin p< = г.1.

= Ky Y< sin p> = Ky Ь1, (8) где Ь1 = Y1 sin pi — измеряемая реактивная проводимость для первой гармоники тока.

Из выражений (7), (8) следует, что напряжения Ug, Ub на выходах детекторов 6 и 7 среднего значения пропорциональны активной g и реактивной Ь1 составляющим полной проводимости У1 для первой гармоники тока исследуемой цепи.

Для измерения активного и реактивного составлящих полного сопротивления Z< для первой гармоники тока исследуемой цепи выходные напряжения Ug u Ub детекторов 6 и 7 среднего значения подаются на квадраторы 8 и 9, на выходах которых образуются напряжения, пропорциональные

Ug, U3. Эти напряжения поступают на вхог ды сумматора 10 и на его выходе получают напряжение

+= K3 K4 (Ug + Я), (9) где Кз и K4 — коэффициенты передачи квадраторов 8, 9 и сумматора 10 соответственно.

Учитывая равенства (11), (12), имеют

0а = Кз К4 (K У1 сов p> +

+Ку Y3 sin у)=Кз К4 Ку Y), (10)

В ыходное нап ряжение 0 сумматора 10 подается на объединенные между собой вторые входы (входы делителя) блоков 11, 12, деления, а на первые входы (входы делимого) этих блоков поступают выходные напряжения Ug, 0ь детекторов 6 и 7 среднего значения соответственно. На выходах блоков 11 и 12 деления образуются сооТВВТсТвенно напряжения

U, Ub

0Я.= К5 ; 13х = К5 —, Н * U гдЕ K5 — кОЭффициЕнт пЕрЕдачи блаксв 1113 деления.

С учетом равенств (7), (8), (10) получают

K5 К1 3 с0$ Я 1

Кз К4 К Y)

К5

Кз. К . Ку Ъ1 созф1 — Кт

Кь. Kv Y sin yi X.

Кз К4 Ку

К5 — - Z) sin jo1 = Kz Х1, 4 Y (12) где R = Z> cos р — активное сопротивление исследуемой цепи;

Х1 = Zi sin p1 — реактивное сопротивление для первой гармоники тока исследуемой цепи;

К5

10 Кг =,, — коэффициент nepeK3 К4 КУ дачи устройства по сопротивлению.

Из выражений (11), (12) видно, что напряжения UR, UX на выходах блоков 11, 12 деления пропорциональны активной R и реактивной Х составляющим полного сопротивления для первой гармоники тока.

Для измерения индуктивности и добротности катушки индуктивности, емкости и тангенса угла потерь конденсатора выходные напряжения детекторов 6 и 7 среднего значения, блоков 11, 12 деления и преобразователя 14 период — напряжение подаются соответственно на первый, второй, третий, четвертый и пятый входы (каналы) коммутатора 15, который может быть выполнен механическим или электронным, В зависимости от измеряемой величины с помощью шины управления через шестой вход коммутатора 15 устанавливается требуемое положение коммутатора 15 и на одну из пар

его выходов: либо на первый и второй, либо на третий и четвертый подаются соответствующие два входных напряжения коммутатора 15, Так, при измерении индуктивности коммутатор 15 устанавливается в состояние, при котором на его третий и четвертый выходы и далее на входы блока 5 перемножения поступают напряжение Ux с выхода

40. блока 12 деления и напряжение U1. с выхода преобразователя 14 период — напряжение, которое определяется соотношением

UT= K6 Т, (13)

45 где K6 — коэффициент передачи преобразователя 14 период — напряжение.

На выходе блока 5 перемножения образуется напряжение

UL= K1 KZ К6 27&1.= Кг L, гдЕ К1 = К1 К. К6 2 — кОЭффициЕнт передачи устройства по индуктивности.

При измерении добротности катушки индуктивности по первому и второму выходам коммутатора 15 подаются напряжение с выхода детектора 7 среднего значения н; вход делимого и напряжение с выхода де тектора 6 среднего значения на вход дели теля блока 13 деления, На выходе блока 1:

1714533 деления образуется напряжение, для которого с учетом равенства (7), (8) имеют

0о =К5 =К5

Ub 1 цц Ку у1 сов у1

Kg tgР1 =KS О, где Q = tg о1 — добротность катушки индуктивности.

При измерении емкости конденсатора по первому и второму выходам коммутатора

15 на входы делимого и делителя блока 13 деления подаются соответственно напряжения 0т с выхода преобразователя 14 период — напряжение и напряжение Ux c выхода блока 12 деления. Для напряжения на выходе блока 13 деления с учетом раВ8НсТВ (12), (13) получают

К К6 2тг С =К С

К

Ks Ro 2 где Кс = — коэффициент переК дачи устройства по емкости.

При измерении тангенса угла потерь конденсатора по первому и второму выходам коммутатора 35 на входы делимого и делителя блока 13 деления поступают соответственно напряжения U< и Ub с выходов детекторов 6 и 7 среднего значения. Тогда с учетом выражений (7), (8) для напряжения на выходе блока 13 деления получают д =й =К5

Ub Sin Р1

К5 ст9 pt = К5 t9 о где tg О = ctg p1 — тангенс угла потерь .конденсатора. В предлагаемом устройстве для измерения параметров комплексного сопротивления повышается помехозащищенность измерений, так как измерение параметров сопротивления основано на корреляционной обработке сигналов (или методе синхронного детектирования), которая обеспечивает максимально возможную помехозащищенность, т.е. является оптимальной по помехозащищенности; кроме того, исключается влияние высших гармоник в кривой тока при нелинейном характере исследуемой цепи, так ка.к корреляционная обработка, как известно, представляет собой идеальный фильтр для гармонической составляющей, определяемой частотой опорного или базисного синусоидального сигнала генератора 1.

Повышение помехозащищенности и исключение влияния высших гармоник позволяют повысить точность измерений.

Формула изобретения .Устройство для измерения параметров комплексного сопротивления, содержащее последовательно соединенные генератор еинусоидального напряжения и преобразователь сопротивление — напряжение, преобразователь период — напряжение, последовательно соединенные первый детектор среднего значения, коммутатор и первый блок деления, первый и второй выходы коммутатора подключены к первому и второму входам первого блока деления, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены второй детектор среднего значения, второй и третий блоки деления, первый, второй и третий блоки перемножения, два квадратора и сумматор, первые входы первого и второго блоков перемножения соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора синусоидального напряжения, вторые входы первого и второго блоков перемножения подключены к выходу преобразователя сопротивление — напряжение, выходы первого и второго блоков перемно-. жения соединены с входами первого и второго детекторов среднего значения, выход первого детектора среднего значения подключен к входу первого квадратора и первому входу второго блока деления, выход второго детектора среднего значения соединен с вторым входом коммутатора, входом второгО квадратора и первым входом третьего блока деления, выходы первого и второго квадраторов подключены к первому и второму входам сумматора соответственно, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего блоков деления, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам коммутатора, пятый вход которого соединен с выходом преобразователя период — напряжение, а третий и четвертый выходы — с первым и вторым входами первого блока перемножения, вход преобразователя период — напряжение соединен с первым выходом генератора синусоидального напряжения, генератор синусоидального напряжения выполнен двухфазным, шестой вход коммутатора соединен шиной управления, 1714533

30

40

50

Составитель Ю, Минкин

Техред М.Моргентал Корректор Т. Малец

Редактор Т. Иванова

Заказ 691,Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5 !

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