Цифровой мост переменного тока

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения комплексных электрических сопротивлений . Цель - повышение точности измерения. Устройство содержит масштабирующий усилитель 1, блок 3 автоматического уравновешивания, образцовую меру 4 сопротивления, генератор 5, регистр 6 результата , вычислительный блок7, блок8управления , ключ 9, дополнительную меру 10 сопротивления, цифровой отсчетный блок 11. Точность повышается на 2-3 порядка. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) ((1) (s()s G 01 R 17/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОГ1 И САН И Е И ЗОБ РЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4816948/21 (22) 23.04.90 (46) 30.08.92. Бюл. ¹ 32 (71) Институт электродинамики АН УССР (72) М,Н. Сурду, И.В. Третяк и Е.М. Лысак (56) Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. Новосибирск, 1964.

Новик А.И. Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. Киев: Наукова думка, 1983.

Приборы и системы управления, 1971, № 3, с.13-18. (54) ЦИФРОВОЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения комплексных электрических сопротивлений. Цель — повышение точности измерения. Устройство содержит масштабирующий усилитель 1, блок 3 автоматического уравновешивания, образцовую меру 4 сопротивления, генератор 5, регистр б результата, вычислительный блок 7, блок 8 управления, ключ 9., дополнительную меру 10 сопротивления, цифровой отсчетный блок

11. Точность повышается на 2 — 3 порядка.

2 ил.

22 !

1758564

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения комплексных электрических со-. противлений и может найти широкое применение при измерении параметров комплексных сопротивлений, неэлектрических величин, в научных исследованиях, в различных технологических процессах.

Известен ряд устройств, обеспечивающих измерение параметров комплексного сопротивления, в основу которых положены уравновешенные цепи переменного тока, включающие активные элементы — операционные усилители (ОУ), Эти устройства обладают небольшими габаритами и весом, технологичны.

Однако известные устройства характеризуются недостатком — погрешностью измерения, . возникающей за счет неидеальности используемых ОУ, а именно конечного значения коэффициента передачи ОУ.

Известны устройства. реализующие способы измерения, обеспечивающие уменьшение погрешности определения сопротивления.

Однако улучшение метрологических характеристик в этом случае достигается путем усложнения измерительной цепи в результате введения дополнительных активных элементов (ОУ) и точных мер сопротивления, т. е. значительных аппаратурных затрат.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, представляющее собой микропроцессорный мост переменного тока, измерительная цепь которого реализована на ОУ.

На фиг. 1 изображена упрощенная функциональная схема устройства; на фиг. 2— расширенная схема предлагаемого устройство.

Устройство содержит мостовую измерительную цепь, плечи которой образованы инвертирующим масштабирующим усилителем 1 (ИМУ), состоящим из делителя обратной связи (Z1, Z2) и операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого и общая точка делителя соединены, выход которого соединен с одним из выводов объекта 2 измерения (Zx), второй вывод которого соединен с входом системы 3 автоматического уравновешивания (САУ) и с одним иэ выводов образцовой меры 4 сопротивления (Zo), другой вывод которой соединен с выходом генератора 5 (Г) и входом инвертирующего масштабирующего усилителя 1. Выход системы 3 автоматического уравновешивания соединен с цифровым входам образцовой меры 4 сопротивления, (3) где К вЂ” коэффициент передачи реального

ОУ.

Решая совместно уравнения (2) и (3), получаем

0,2г (х

ZxZ1(1 + — ) рК

Учитывая (1) входом цифрового отсчетного устройства 6, а общий провод генератора 5 соединен с общим проводом.

Известное устройство работает следую5 щим образом.

Под действием вырабатываемого генератора 5 напряжения в ветвях измеритель.ной цепи протекает ток lo в образцовой ветви, образованной инвертирующим мас10 штабирующим усилителем 1 и объектом 2 измерения.

На цифровые входы образцовой меры

Zo с выхода САУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которыми из15 меняется величина сопротивления Zo и, следовательно, ток образцовой ветви Io.

Меняя код на входах управления Zo u анализируя токиобразцовой ветви и ветви объекта Ix, САУ устанавливает равенство

20 Io = Ix ° (1)

При этом код сопротивления поступает на вход цифрового отсчетного устройства, которое индицирует значение измеряемого комплексного сопротивления.

25 Ток в образцовой ветви определяется следующим образом: o = —, Ur (2) о где 0г — напряжение генератора;

30 Zo — значения сопротивления образцовой меры 2о.

Ток в цепи объекта:

Ix =— -х где Zx — значение сопротивления объекта;

U> — напряжение на выходе инвертирующего масштабирующего усилителя, Можно показать, что

U 2г . 1

40, у„ (1+ ) где 2 . Zz — значение сопротивлений образцовых мер 7 и 8 соответственно, входящих в состав инвертирующего масштабирующего усилителя 1;

К вЂ” коэффициент усиления напряжения

ОУ

Z>

21+Z2 (4)

1758564

Ог Za

Zi {1 + -К )

1 или относительно Z><

0г 2 (5)

2, {1 + 1 )

Величина произведения ВК в выражении (4) является неизвестной и вносит систематическую неучиты ваемую погрешность при определении значения сопротивления объекта измерения. Кроме того, вследствие частотной зависимости ВК, ухудшается точность измерения Zx в широком диапазоне частот, что снижает функциональные воэможности устройства, Например, в диапазоне частот 10 — 100 кГц значение,В К реального ОУ (например К544УД2) изменяется в пределах от

1000 до 100, вследствие чего, погрешность определения Zx составляет 0,1...1 .

Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность измерения сопротивления объекта.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что цифровой мост переменного тока, содержащий генератор, блок автоматического уравновешивания, первую и вторую клеммы для подключения объекта измерения, образцовую меру сопротивления, цифровой отсчетный блок и масштабный усилитель, выход которого соединен с первой клеммой для подключения объекта измерения, а вход — с первым выводом образцовой меры сопротивления и с первым выводом генератора, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом вторая клемма для подключения объекта измерения и второй вывод образцовой меры сопротивления соединены с входом блока автоматического уравновешивания, выходы которого соединены с входом управления образцовой меры сопротивления, снабжен последовательно соединенными ключом и дополнительной образцовой мерой сопротивления, регистром результата, вычислительным блоком, блоком управления, состоящим из последовательно соединенных тактового генератора и счетного триггера, при этом второй вывод ключа соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод дополнительной образцовой меры сопротивления соединен с общей шиной, управляющий вход ключа соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом вычислительного блока, выходы

ЗО

55 блока автоматического уравновешивания соединены с информационными входами вычислительного блока регистра результата, вход записи которого соединен с первым выходом блока управления, выход регистра результата соединен со вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом цифрового отсчетного блока.

Отличительными признаками предложенного устройства являются: дополнительная образцовая мера сопротивления, ключ, блок управления, регистр результата, вычислительное устройство совместно с НоВЫМИ СВЯЗЯМИ, Образцовая мера, ключ, вычислительное устройство, регистр результата — это известные признаки, широко используемые в цифровых мостах переменного тока. Однако функции, выполняемые ими в предлагаемом устройстве, отличаются от обычных.

В частности, вычислительное устройство в предлагаемом цифровом мосте переменного тока используется для вычисления значения измеряемого сопротивления по вы веден ной авто рами формуле.

Регистр результата служит для запоминания результата одного из двух измеренных значений искомого сопротивления 2х.

Образцовая мера сопротивления Ел, соединенная последовательно с ключом, служит для изменения коэффициента обратной связи инвертирующего масштабирующего усилителя с последующим повторным уравновешиванием цифрового моста переменного тока, Это дает возможность получить второе уравнение равновесия мостовой цепи с последующим исключением неизвестного коэффициента передачи К.

Положительный эффект объясняется тем, что при вариации коэффициента обратной связи инвертирующего масштабирующего усилителя получено дополнительное уравнение равновесия мостовой цепи, что дает воэможность исключить из расчетов неизвестный коэффициент усиления ОУ, входящего в состав этого усилителя.

Предлагаемый цифровой мост переменного тока (фиг. 2) содержит масштабирующий усилитель 1, состоящий из делителя обратной связи (Z<, Zz) и операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого и общая точка делителя соединены, выход которого соединен с одним из выводов объекта 2 измерения (Zx), второй вывод которого соединен с входом блока 3 автоматического уравновешивания (БАУ) и с одним иэ выводов образцовой меры 4 сопротивления (Z>), другой вывод которой соединен с выходом генератора 5 (Г) и входом масштабирующего усилителя 1. Выход бло1758564 8 ка 3 автоматического уравновешивания соединен с цифровым входом образцовой меры 4 сопротивления и информационным входом 1 регистра 6 результата и информационным входом 2 вычислительного блока

7, информационный вход 1 которого соединен с выходом регистра 6 результата. Выход

2 блока 8 управления соединен с управляющим входом 3 вычислительного блока 7, а выход 1 блока управления 8 соединен с входом 2 управления регистра 6 результата и управляющим входом ключа 9. Последний последовательно с дополнительной мерой

10 соединен с точкой соединения делителя обратной связи Z1, Zz с инвертирующим входом ОУ, а другой вывод дополнительной образцовой меры и общий вывод генератора 5 соединены с общим проводом мостовой цепи. Выход вычислительного блока 7 соединен с входом цифрового отсчетного блока 11.

Цифровой мост переменного тока работает следующим образом.

Процесс определения значения комплексного сопротивления объекта измерения состоит из двух этапов, На первом этапе измерения конфигурация измерительной мостовой цепи идентична с прототипом, Пад действием вырабатываемого генератором напряжения в ветвях измерительной цепи протекают токи: I01 — в образцовой ветви, образованной образцовой мерой 4 сопротивления; Ix1 — в ветви объекта, образованной инвертирующим масштабирующим усилителем 1 и объектом 2 измерения.

Ключ 9 разомкнут.

На цифровые входы образцовой меры

Zo с выхода БАУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которым изменяется величина сопротивления Z< и, следовательно, ток образцовой ветви I01.

Ток в образцовой ветви определяется следующим образом:

01 = — 1

Ur

201 (1 ) где Ur — напряжение генератора;

Z01 — значение сопротивления образцовой меры для первого измерения, Ток в цепи объекта и»

Iõ1 х где Zx — значение сопротивления объекта;

U11 — напряжение на выходе инвертирующего масштабирующего усилителя.

Можно показать, что:

011 Z2 1 (3 )

"(1 рК) 5

55 где К вЂ” коэффициент усиления напряжения

ОУ, Меняя код на входах управления Z> и анализируя токи образцовой ветви и ветви объекта ы, БАУ устанавливает равенство !

01 = IX1. (2 )

При этом код сопротивления поступает на информационный вход регистра результата, а на управляющий вход регистра результата с выхода блока управления подается импульс, который фиксирует код в регистре результата и одновременно замыкает ключ 9.

Записав выражения (1 ), (2), (3) и решив их совместно, определим значение Zx х- (5 )

Z1(1 + )

Полученное уравнение изоморфное уравнени1о (5 ) позволяет определить значение сопротивления объекта Zx с учетом неидеальности ОУ, т. е. конечного значения коэффициента усиления ОУ, Отсюда следует, что

Zx, определенное на основании данных первого этапа измерения, будет содержать составляющую погрешности, определяемую

1 сомножителем . Следовательно, + pg для нахождения точного значения необходимо исключить влияние этого сомножителя, для чего вводится второй этап измерений. Первый этап измерения заканчивается в момент замыкания ключа 9 и подключения дополнительной образцовой меры к инвертирующему входу ОУ и общей точке делителя обратной связи.

На цифровые входы образцовой меры

Z> с выхода БАУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которыми изменяется величина сопротивления Zo и, следовательно, ток образцовой ветви !Ог, Меняя код на входах управления Zo и анализируя токи образцовой ветви и ветви объекта Ix, БАУ устанавливает равенство

IOZ — IxZ (6)

При этом на вход 2 вычислительного блока

7 поступает код сопротивления, полученный на втором этапе измерения, при замкнутом ключе 9; на вход 1 — код сопротивления, полученный при разомкнутом ключе.

Ток в образцовой ветви определяется следующим образом:

Ur (7) где 2о — значение сопротивления образцовой меры.

Ток в цепи объекта

1758564

012

1хг {8)

Zx где 012 — напряжение на выходе инвертирующего усилителя, Запишем

012 Z2 (9)

Z, (1 + " )

p ê где p — коэффициент обратной связи;

Ед — сопротивление добавочной образцовой меры, Д1 -"1 д {10)

Z1Z2+Zд Z2+ Z1Zд

Учитывая (6) и (9), можем записать юг Ur

Ъ ог следовательно

Ur 02 -1 д(1+ 1 ) Z

P К откуда определяем Zx (11)

Z1(1 +," ) фК

СовМестное решение уравнений {5 ) и (11) позволяет получить выражение для Zx, не зависящее от коэффициента передачи

ОУ: 2 (p Zo2 ф -01)

Р -й .Определяем погрешность измерения

Zx. Для этого вначале предполагаем, что ОУ является идеальным, т. е. К-: оо -2

Zx — -ои С4 где Zo — значение сопротивления образцовой кодоуправляемой меры, измеренное в случае идеального ОУ.

Таким образом, уравнение (5) можно записать

Ех = (Еои + ЛЕ) Z (1 + р к) где Ы вЂ” приращение измеряемого сопротивления (Zo) за счет неидеальности ОУ.

Z Z Я и+Л2 72 (1 + 1 ) х ои Z1 Д К

Очевидно, что с учетом (13) погрешность измерения Zx определяется следующим образом;

КР 2 (14)

Тогда значение Zx определяется выражением

Z2 1

2х =Уои 1 +-д z»

Используя уравнения (5 ) и (11), определяем, 1 чему равно значение кД $ (zoи Ь zàþ

1М

10 7 2ои

M=202 Z ои, где Ж вЂ” приращение измеряемого (Z0) сопротивления за счет неидеального ОУ для второго измерения.

Таким образом —, = . д2

h.Z

-- — = д Zo — погрешность измерения

20 Zo

Можно записать

Zo1 Z2

2- х Z, 1

"+дно

Z1 2л

21 22+222Д+21 Ед Уд

25

2л + Z21

Z1 +Ег

80 "д

Z1 Z2 21 z +2 отсюда

1 Z — äZ *

KP Zg+Z21

Для реального существующего случая

2д < Z21 —,",,д о л

40 С учетом (14) погрешность, с которой рассчитывается 2» (BZx) для рассматриваемого устройства, определяется точностью используемой для вариации добавочной меры сопротивления Ед, точностью измерения

45 значения Zo и классом постоянных л1ер сопротивления Z1, Z2, Меры Z1, Z2, Zo заданы с высокой точностью и поэтому их вкладом в погрешность измерения можно пренебречь, учитывая

50 лишь влияние Ед.

Например, для того, чтобы вычислить Zx на частоте 100 кГц (где К>100) с погрешностью не более 104, достаточно выбрать дополнительную меру 7д с точностью 10 .

55 Тогда, учитывая, что погрешность определения д () должна быть 10 . В этом случае

-2

{14) BZx = 10 . Из этого следует, что дополнительная образцовая мера может быть вы1758564

12 брана на 2 — 3 порядка менее точной, чем меры Z>, Zz.

Таким образом, в предлагаемом устройстве, по сравнению с прототипом, на 2 — 3 порядка повышена точность определения измеряемого сопротивления.

Ф (г,1

Составитель И. Третяк

Редактор С. Лисина Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Н. Ревская

Заказ 2997 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

Формула изобретения

Цифровой мост переменного тока, содержащий генератор, блок автоматического уравновешивания, первую и вторую клеммы

:для подключения объекта измерения, образцовую меру сопротивления, цифровой отсчетный блок и масштабный усилитель, выход которого соединен с первой клеммой для подключения объекта измерения, а вход — с первым выводом образцовой меры сопротивления и с первым выводом генератора, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом вторая клемма для подключения объекта измерения и второй вывод образцовой меры сопротивления соединены с входом блока автоматического уравновешивания, выходы которого соединены с входами управления образцовой меры сопротивления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные ключ и дополнительная

5 образцовая мера сопротивления, регистр результата, вычислительный блок, блок управления, состоящий из последовательно соединенных тактового генератора и счетного триггера, при этом второй вывод ключа

10 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод дополнительной образцовой меры сопротивления соединен с общей шиной, управляющий вход ключа соединен с первым выходом

15 блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом вычислительного блока, выходы блока автоматического уравновешивания соединены с информационными входами вычислитель20 ного блока и регистра результата, вход записи которого соединен с первым выходом блока управления, выход регистра результата соединен с вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с

25 входом цифрового отсчетного блока.