Устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

)i с »

1(омитет Росснйской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4950197/21 (22) 25.06.91 (46) 15.11.93 Бюп. Ию 41-42 (71) Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете (72) Парусов В.П.; Репьев В.Н. (73) Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете им.Н.ГЧернышевского (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ (67) Использование: в любой области техники, где требуется получение раздельной и независимой информации о составляющих комплексного сопротивления. Сущность изобретения: устройство содержит усипитепь 1, частотно-независимый мост с термистором в одном из плеч 2, сопротивпение 3, измерительный копебатепьный контур 4, сумматор

5. Введение сумматора 5 с подкпючением одного из входов к выходу мост;2,,а другого — к усилитеп о 1 увеличило разрешающую способность преобразования активной составпяющей комплексного сопротивления в амплитуду гармонического сигнапа. Кроме того, второй вход сумматора 5 может быть подкпючен к выходу усилителя, соединенного с термистором. 1 з.ф-пы, 1 ип, 2 табл.

2003123

Изобретение относится к злектроиэмерительной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники, где требуется получение раздельной и независимой информации о саставля:ащих ком- 5 плекснога сопротивления (проводимости) исследуемых объектов, Известен автагенераторный преобразователь составляющих комплексного сопротивления (Попов Г.M„×àñòîòíûé датчик. Авт.св. 202759, кл. Н 03 С 13/20, 1967), выполненный в виде автагенератора с RC-четырехполюсником в одной цепи обратной связи и термистором в другой цепи обратной связи, Отличающийся тем, чта, с целью дискретно-частотной селекции сигналов, последовательна с RC-четырехполюсникам, например, Г-образным, с ту же цепь обратной связи включен резонансный

1 С-контур. 20

Недостатком этога устройства является высокая нестабильность частоты, влияющая

Н8 тОчнОсть преобразования параметров датчика в частоту, Известно также устройство для измере- 25 ния составляющих комплексного сопротивления (Попов В.С. Автомат:ический частотно-зависимый измерительный мост.

Авт, св. 8 143913, кл. 21е 29/02, 1962), содержащее частотно-.зависимый измеритель- 30

HblA мост с термистаром в G+HGM из flite B качестве регулируемого (уравновешивающего) сопротивления, измеряемого вспомогательным мостам, и с частотомером для фиксации частоты равновесия моста, атли- 35 чающийся тем, что, с целью измерения двух составляющих комплекснога сопротивления при.изменении обеих его составляющих в измерительную диагональ моста включен широкополосный усилитель, к выходу кото- 40 рого присоединена диагональ питания.

Недостатком данного устройства является также сравнительно.высокая нестабильность частоты, что отражается на точности преобразования параметров датчика в частоту, Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления (Парусов B.Ï., Двинских В,A. Устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления. Авт. св. М 359619, кл. 6 01 R 27/26, 1972), содержащее частотна-независимый усилитель с измерительным колебательным контуром в цепи положительной обратной связи и частотно-независимый мост, в одно иэ плеч которого вкл очен термистар, причем одна диагональ моста подключена к выходу усилителя, другая через активное сопротивление — к измерительному колебательному контуру.

Такой преобразователь отличается Goлее высокой стабильностью частоты и позволяет проводить раздельное и независимое преобразование активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления (проводимости) высокопотерных объектов в амплитуду и частоту гармонического сигнала соответственно.

Кроме того, а работе(Парусов В.П„Репьев

В.Н. Цифровой прибор на основе автогенератарнаго преобразователя для измерения емкости при больших потерях. ПТЭ, 1989, М

1, с. 123-124) описано устройство, выполненное на основе данного в прототипе преобразователя, где получена возможность увеличения разрешающей способности преобразования реактивной составляющей датчика в частоту.

Однако, к недостатку данного устройства следует отнести недостаточну о разрешающую способность преобразования активной составляющей комплексного сопротивления (проводимости) в амплитуду гармонического сигнала, измеряемого индикаторным прибором на выходной диагонали моста, поскольку изменение величины сигнала несущего информацию аб активной составляющей осуществляется на фоне напряжения разбаланса, моста, и кроме того, существует температурный дрейф напряжения разбаланса.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности преобразования активной составляющей комплексного сопротивления в амплитуду гармонического сигнала.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления, содержащее усилитель с измерительным колебательным контуром в цепи положительной обратной связи, ñтотно-независимый мост, одна диагональ катарога подключена к выходу усилителя, а другая — через сопротивление к измерительному колебательному контуру, термистар в одном из плеч частотно-независимого моста, введен сумматор, один вход которого подключен к выходу частотно-независимого моста, а второй — к усилителю.

Кроме того, второй вход сумматора подключен к выходу усилителя, соединенного с термистором, Известнога в науке и технике решения не обнаружено. Результат, полученный у предлагаемого технического решения, не достигается в известных решениях.

2003123

50

Введение сумматора с разными коэффициентами передач по входам позволяет увеличить разрешающую способность и уменьшить погрешность преобразования активной составляющей комплексного сопротивления (проводимости) датчика в амплитуду гармони <еского сигнала.

Действительно, введение сумматора позволяет скомпенсировать напряжение разбаланса частотна-независимого моста противофазным сигналам, поступающим на один из входов сумматора с усилителя. Т.е. на выходе сумматора, в отсутствие обьекта исследования, можно получить напряжение, близкое ипи равное нулю (в зависимости от поставленной задачи), что позволяет увеличить разрешающую способность преобразования (особенно малых проводимостей, изменение величины напряжения на выходе частотно-независимого моста, от которых на один, два порядка меньше, чем напряжение разбаланса данного моста), Введение сумматора позволяет также уменьшить температурную погрешность преобразования активной составляющей датчика, в амплитуду гармонического сигнала,. поскольку температурный дрейф рабочей точки, термистора, вызывающий изменение исходной величины напряжения разбапанса частотно-независимого моста, приводит и к изменению амплитуды сигнала в усилителе, Таким образом, температурное изменение одного сигнала в сумматоре компенсирует температурное изменение другого сигнала, чта также увеличивает разрешаю щую способность преобразователя. Кроме того, при использовании сумматора, обеспечивающего полную компенсацию напряжения разбапанса (с соответствующими коэффициентами передач па входам), можно получить непосредственный отсче; активной составляющей датчика. по показаниям индикаторного прибора, что в свою очередь, сокращает время измерения, так как нет необходимости из инфармационнога сигнала вычитать величину напряжения разбапанса частотно-независимого моста, Следует отметить, чта наилучшим образом поставленная цепь достигается, когда второй вход сумматора подключен к выходу усилителя, соединенному с термистором, поскольку в данном случае сигналы íà входах сумматора будут практически в противофазе и на "îëåå высоких частотах, что очень важно для достижения полной компенсации, т.е. нуля на выходе сумматора. Противафазность сигналов в указанном случае обуславливается тем, чта мост, на входную диагональ которого поступают противофаэные сигналы с выхода усилителя, является частотно-независимым, в то время как в усилителе имеются реактивности (входные, проходные и т.д. емкости транзисторов). Поэтому у сигнала, который поучается на второй вход сумматора не с выхода усилителя, а с колпекторной (стоковай) нагрузки нечетных каскадов усилителя или с эмиттерной (истоковай) нагрузки четных каскадов усилителя (расположенных перед последним каскадом усилителя), с павы шением частоты автоколебаний появится фазовый сдвиг по отношению к сигналу, подаваемому на второй вход сумматора с выхода усилителя, и тем больше, чем выше частота автокопебаний.,".ри этом следуетотметить, что подключение датчика с исследуемым обьектом к преобразователю, приводящее к изменени а частоты автакопебаний, вызовет в таком случае дополнительный фазовый сдвиг между сравниваемыми сигналами, что увеличит погрешность преобразования.

На чертеже приведена функциональная схема предложенного устройства.

Предлагаемое устройство состоит из усилителя 1, частотно-независимого моста 2 с термистором 8 одном из плеч, сопротивления 3, измерительного колебательного контура 4 и сумматора сигналов 5, один вход которого подключен к выхрдной диагонали частотно-независимого моста 2, а второй вход — к усилителю 1 или к выходу усилителя 1, соединенному с термистором. Усилитель 1, частотно-нeзависимый мост 2, входная диагональ которого. подключена к выходу усилителя 1, и делитель в цепи попо>китепьнай обратной связи, составленный из сопротивления 3 и измерительного колебатепьного контура 4, образуют автогенератор, исходная частота которого определяется характеристиками измерительного колебательного контура ». а амплитуда — характеристиками частотна-независимога моста 2

Устройство работает следующим обраSOM.

При;подключении датчика с исследуемым абьектам параллельна иэмерительнаму колебательному контуру 4 (если калебательный контур — параллельный), или последовательно с измерительным колебательным контуром 4 (еспи капебательный контур- последовательный), происходит изменение частоты автоколебаний преобразователя и изменение амплиту.-,ы автокапебаний на выходе (на выходной диаго али) частотно-независимого моста 2. При этом изменение астоты ввтаколебаний дает инфармацию о реактивной составляю2003123 щей комплексного сопротивления (проводимости) датчика, а изменение амплитуды на выходе частотно-независимого моста 2 определяет величину активной составляющей датчика. С выхода частотно-независимого моста 2 сигнал поступает на один из двух входов сумматора 5, на второй вход которого подается сигнал с какого-либо каскада усилителя 1 (подключение каскадов к сумматору 5 оговаривается выше), или с выхода усилителя 1, соединенного с термистором..Оба сигнала, поступающие на входы сумматора 5, находятся в противофазе, поэтому при соответствующем выборе коэффициентов передач по входам сумматора 5, в нем достигается частичная или полная компенсация напряжения разбаланса частотна-независимого моста 2, т. е, на выходе сумматора 5 будем иметь напряжение, . близкое или равное нулю. Поскольку при подключении датчика с исследуемым"объектом к измерительному колебательному контуру, амплитуда автоколебаний в усилителе.

1 и на выходе усилителя 1 не изменяется, то изменение напряжения на выходе сумматора 5 определяет величину активной составляющей комплексного сопротмвления (проводимости) датчика и происходит на уровне сигнала близкого или равного нулю.

Очевидно, что для поучения нуля на выходе сумматора 5, необходимо, чтобы отношение коэффициентов передач по входам сумматора 5, было обратно пропорционально отношению напряжений, действующих на соответствующих входах, и как говорилось ранее эти напряжения должны быть строго в противофазе.

Кроме того, при изменении температуры окружающей среды, а следовательно при изменении характеристики термистора, происходит изменение амплитуды автоколебаний как на выходе частотно-независимого моста 2 с термистором.в одном из плеч, так и в усилителе 1, поскольку сигнал с выхода частотно-независимого моста 2 через делитель в цепи положительной обратной . связи, составленный из сопротивления 3 и измерительного колебательного контура 4, поступает на вход усилителя 1. Поэтому, компенсируя в сумматоре 5 напряжение разбаланса частотно-независимого моста 2 (в отсутствии исследуемого обьекта) сигна. лом с усилителя 1 или с выхода усилителя 1, .тем самым компенсируем и температурное изменение напряжения на выходе частотнонезависимого моста 2, т.е, уменьшаем температурную погрешность преобразования активной составляющей датчика. Теоретическая оценка температурной погрешности преобразования активной составляющей

25 ных между собой. Другой вывод у одного

35 второй вход сумматора 5 подавался как с

50

10 датчика показала, что у предлагаемого решения данная погрешность меньше, чем у прототипа, и не зависит от величины измеряемого активного сопротивления (проводимости) датчика, в то время как в прототипе она растет с уменьшением активной проводимости(ростом активного сопротивления} датчика.

Для экспериментальной оценки проведены измерения с помощью прототипа и предлагаемого решения. С этой целью к измерительному колебательному контуру 4 подключились резисторы разной величины и измерялось соответствующее каждому резистору напряжение на выходе частотно-независимого моста 2 и на выходе сумматора

5. Проводилось измерение исходных напряжений на данных выходах при изменении температуры. При этом сумматор сигналов

5 был выполнен в двух вариантах. В одном случае он был собран на двух последовательно соединенных резисторах, один из которых — регулируемый. Выходной сигнал снимался с выводов резисторов, соединенрезистора. подключался к выходу частотнонезависимого моста 2, а у второго резистора — к усилителю 1, В другом случае сумматор сигналов 5 был выполнен на основе операционного усилителя, на вход которого подавались напряжения (подлежащие сложению (компенсации)) через те же резисторы; что были использованы в первом варианте сумматора сигналов 5. Кроме того, сигнал на усилителя 1 (со стоковой нагрузки первого каскада усилителя 1), так и с выхода усилителя 1, соединенного с термистором. Частота автоколебаний при этом составила 20 и 2 кГц.

В табл. 1 приведены экспериментальные результаты измерения напряжений на выходе частотно-независимого моста 2 (U ) и на выходе сумматора 5(U<), собранного из резисторов в зависимости от частоты (f) и температуры (t ), причем в 1 случае (¹) второй вход сумматора 5 был подключен к первому каскаду усилителя 1, а в 2 случае (¹)— к выходу. усилителя 1, Из табл. 1 видно, что при подключении второго входа сумматора 5 к выходу усилителя 1 и с понижением частоты автоколебаний, лучше удается скомпенсировать напряжение разбаланса частотно-независимого моста 2, кроме того, при изменении температуры, изменение напряжения на выходе сумматора 5 во много раз меньше, чем уход напряжения на выходе частотнонезависимого моста 2.

2003123

Таким образом, предлагаемое устройство, позволяющее получить раздельную и независимую информацию о составляющих комплексного сопротивления нелинейных и

5 высакапотерных абьектав, отличается бо.лее высокой разрешающеь. способностью преобразования активной составляющей в амплитуду гармонического сигнала, чта важно при измерении девиаций малых про10 вадимастей. Кроме того, устройство позволяет уменьшить температурную погрешность преобразования активной проводимости, получить непосредственный отсчет данной составляющей, а следова15 тельна, и сократить время ее измерения.

f, кГi

20 35 50

0,2 0,2 0,3

84 76 65

20 35 50

2,8 2,9 3,3

84 75 65

z . С

Ис. мВ

1 ., мВ

20 35 50

О, 0,1 0,2

86 79 66

20 35 50

1,3 1,4 1,6

86 79 66

Таблица 2

Не подключен

1,0

86,0

R, кОм

100,5

87,0

95,5

И,,,мВ

UM, мВ

181,0

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОГО СО- 30

ПРОТИВЛЕНИЯ, содержащее усилитель с измерител ьн ым колебательным контуром в цепи положительной обратной связи, частотна-независимый мост с термисторам в одном из плеч моста, одна диагональ кота- 35 рого подключена к выходу усилителя, а другая через сопротивление - к измерительному колебательному контуру, отличающееся тем, чта, с целью увеличения разрешающей способности преобразования активной составляющей камплекснага сопротивления в амплитуду гармонического сигнала, в нега введен сумматор, один вход которого подключен к выходу частотна-независимага моста, а второй - к усилителю, 2. Устройство па п.1, отличающееся тем, чта, с целью повышения точности, второй вход сумматора подключен к выходу усилителя, соединенного с термистарам, В табл. 2 приведены результаты измерения тех же выходных напряжений (U и

U>) до и после подключения резисторов к измерительному колебательному контуру 4, при этом использовался сумматор 5, реализованный на основе операционного усилителя с коэффициентам передачи, равным по одному входу 1, по другому — 100, Частота автоколебаний преобразователя составляла 2 кГц. Второй вход сумматора 5 был подключен к выходу усилителя 1.

Из табл. 2 видно, что у предлагаемого решения разрешающая способность увеличилась по сравнению с прототипом и не надо проводить операцию вычитания для определения активной составляющей исследуемого абьекта, как в прототипе. (56) Авторское свидетельства СССР

М 359619, кл, 6 01 R 27/26, апублик. 1972.