Способ определения параметров двухполюсника
Владельцы патента RU 2260809:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" (RU)
Способ может быть использован для измерения параметров выпускаемых электрорадиоизделий (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), а также датчиков параметров физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах. Формируют синусоидальное напряжение на измеряемом двухполюснике на n частотах, где n - число элементов двухполюсника в схеме его замещения. Измеряют величины комплексных токов через двухполюсник и эталон на каждой из n частот. Параметры двухполюсника определяют по схеме его замещения и зафиксированным результатам измерения комплексных токов через двухполюсник и эталон на каждой из n частот. Способ позволяет измерять параметры двухполюсника, удаленного от средств измерений. Способ также позволяет упростить конструкцию средств измерений, сохранив их высокие метрологические качества, за счет упрощения последовательности действий. 5 ил.
Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, что представляет существенный практический интерес для контроля широкой гаммы выпускаемых электрорадиоизделий (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), а также двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах.
Известен способ определения параметров двухполюсника, описанный в патенте № 2144196, кл. G 01 R 17/10, 27/02, заключающийся в уравновешивании моста на первой частоте с использованием знака информационной проекции сигнала разбаланса на второй частоте, задающий размер регулируемых воздействий по изменению одного из трех регулируемых параметров плеча сравнения в определении по модулю сигнала разбаланса на второй частоте, а их направление выбирают по знаку приращения этого модуля при пробном измерении третьего параметра плеча сравнения относительно установленного его значения.
К недостаткам аналога относится низкая точность определения параметров удаленного на некоторое расстояние двухполюсника (например, емкостного датчика уровня), низкое быстродействие в ряде случаев его использования, например, в устройствах сигнализации прохождения уровнем неэлектропроводной жидкости заданных высот бака.
Специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники для проведения измерения параметров двухполюсников выставляет свои требования, способствующие поиску новых технических решений в области измерений. Обозначим наиболее характерные из них:
- удаленность до 500 метров объекта измерения от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика контроля уровня заправки, вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время ее заправки компонентами топлива;
- высокая точность измерения параметров удаленного двухполюсника, коим является емкостной датчик уровня. Очевидно, что точность измерения напрямую связана с объемом гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность, тем меньше гарантийные запасы топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую полезную нагрузку;
- требование высокой технологичности подготовки ракеты, исключающее процедуру предварительной настройки аппаратуры измерения человеком-оператором;
- высокое быстродействие определения параметров двухполюсника, позволяющее расширить функциональные возможности способа измерения и использовать его аналогичным образом в уровнемере бортовой терминальной системы автоматического управления, которой является система управления расходом топлива ракеты.
Вышеперечисленные требования являются предпосылками для поиска более эффективных способов определения параметров двухполюсников.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному способу является способ, описанный в статье авторов Ю.Р.Агамалова, Д.А.Бобылева, В.Ю.Кнеллера \Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ\ в журнале \Измерительная техника\, 1996, №6, выбранный в качестве прототипа или в литературе [1].
Способ определения параметров двухполюсника, заключающийся в формировании синусоидального напряжения на двухполюснике, измерении комплексного тока через эталон с последующим определением параметров двухполюсника с учетом схемы его замещения.
В основу способа положен один из методов косвенного измерения параметров иммитанса при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. Согласно этому способу измеряются два комплексных тока, которые преобразуются в пропорциональные напряжения, напряжение на объекте измерения и на резистивной мере. Чтобы получить измерительную информацию, необходимую при вычислении комплексного сопротивления или проводимости, циклически по сигналам с ПЭВМ производится подключение измерительной цепи сначала к объекту измерения, а затем к резистивной мере с соответствующими переключениями фазы опорного напряжения с дискретностью , где n - целое число. В результате каждого измерительного цикла получается напряжение, которое соответствует проекции вектора измеряемого напряжения на вектор фазосдвигающего опорного напряжения (симметричный прямоугольный меандр). Коды, несущие информацию о проекциях вектора измеряемого напряжения на вектор опорного напряжения, поступают в персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) для вычисления действительной и мнимой составляющих напряжений на объекте измерения и резистивной мере. Из описания видно, что способ измерения, использованный в прототипе, требует фазовых измерений и четырехпроводной схемы подключения измеряемого двухполюсника.
При использовании прототипа для измерения параметров удаленного объекта измерения получается результат с большой погрешностью измерения. Это объясняется тем, что синусоидальное воздействие на удаленном объекте измерения получит неоднозначный фазовый сдвиг за счет влияния длинной линии, и поэтому по отношению к циклически фазосдвигающему опорному меандру синусоидальное воздействие будет иметь неопределенный фазовый сдвиг, что приведет к появлению значительной погрешности измерения.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность измерения на достаточно удаленном от измерительной цепи объекте измерения.
В связи со сказанным выше, задачей предлагаемого способа определения параметров двухполюсника является расширение функциональных возможностей, заключающееся в возможности определения параметров двухполюсника, удаленного с помощью длинной линии от средства измерения. Причем создаваемые на его основе средства измерения при сохранении высоких метрологических качеств с одновременным упрощением последовательности действий, связанных с определением параметров, достаточно просты.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения параметров двухполюсника, заключающемся в формировании синусоидального напряжения на двухполюснике, измерении комплексного тока через эталон с последующим определением параметров двухполюсника с учетом схемы его замещения, в отличие от прототипа, производят формирование синусоидальных напряжений на n-заданных частотах, где n - число элементов двухполюсника, производят последовательно измерение величин комплексных токов через двухполюсник и эталон на каждой из n-частот, причем, после каждого измерения производят фиксацию их результатов, определение параметров двухполюсника производят по схеме его замещения и по фиксированным результатам измерения на каждой из заданных частот комплексных токов через двухполюсник и эталон.
Совокупность признаков, позволяющая в заявленном способе использовать амплитудные измерения на n - частотах, в отличие от прототипа, где использованы фазовые измерения, дает возможность расширить функциональные возможности способа и при создании реальных средств измерения получить существенные технические преимущества, а именно:
- производить через длинную линию определение параметров двухполюсника без заметного снижения метрологических характеристик (в ряде практических случаев длина соединительной линии может достигать 100-500 метров);
- существенно упростить структурную схему средства измерения и, соответственно, его схемотехнику и стоимость.
Для практической реализации заявленного способа авторами использована технология автоматизированного проектирования электронных схем, построенная на применении программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) разработки фирмы Xilinx. При этом используется программное обеспечение Foundation Series. Данный пакет проектирования включает в себя комплекс средств, позволяющих осуществить разработку ПЛИС фирмы Xilinx, начиная от описания внутреннего содержимого устройства до загрузки конфигурации ПЛИС и отладки непосредственно на печатной плате. Программное обеспечение Foundation Series позволяет реализовать все необходимые функции, включая реализацию численных методов вычисления значений.
На фиг.1 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементы которого - индуктивность и резистор - соединены последовательно.
На фиг.2 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементы которого, являющиеся емкостью и индуктивностью, соединены параллельно.
На фиг.3 представлена схема замещения четырехэлементного двухполюсника.
На фиг.4 представлена векторная диаграмма схемы замещения двухполюсника согласно фиг.3.
На фиг.5 представлена схема замещения емкостного датчика уровня заправки.
Осуществление способа рассмотрим на следующих примерах. На фиг.1 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементы которого являются резистором и индуктивностью, соединенными последовательно. Представленный двухполюсник, параметры которого нужно определить, может быть подключен к средству измерения через длинную линию.
В результате формирования на двухполюснике синусоидального напряжения через него протекает ток, значение которого определяется средством измерения. Так как двухполюсник двухзвенный, то в соответствии с признаком формулы изобретения необходимо измерение комплексного тока IР осуществлять на двух частотах ω1 и ω2. В этом случае справедливы следующие соотношения:
Для определения значения напряжений Vω1, Vω2 на двухполюснике, согласно предлагаемому изобретению производят измерение значений комплексных токов через эталон, например, резистор сопротивлением RЭТ. Результаты измерений фиксируют, то есть заносят в память вычислительного устройства.
Значения токов через эталон соответствуют выражениям:
Итак, в соответствии с вышеописанными признаками формулы изобретения величины Iω1, Iω2, 
, 
измерены и зафиксированы. В конечном счете, получаем два уравнения (1), (2) и два неизвестных параметра R, C.
Решая эти уравнения согласно схеме замещения двухполюсника, представленной на фиг.1, имеем следующие выражения для определения его параметров:
В качестве средства измерения, как вариант, может быть использовано устройство, включающее генератор синусоидального напряжения, управляемый по частоте, запитывающий измеряемую цепь, а также преобразователь ток-напряжение, последовательно соединенный с аналогово-цифровым преобразователем. Последний соединен с вычислительным устройством, которое фиксирует результаты измерений токов через двухполюсник и эталон и в соответствии с выражениями (5) и (6) определяет параметры двухполюсника.
В выражениях (5) и (6) величины Iω1, Iω2, 
, 
измерены и зафиксированы, RЭТ, ω1, ω2 заданы. Поэтому значения параметров R, L определяются зависимостями (5) и (6) при использовании фиксированных и заданных параметров. При необходимости могут быть определены тангенс угла сдвига между током и напряжением, то есть могут быть определены все параметры двухполюсника.
Рассмотрим другой пример реализации способа. На фиг.2 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементами которого являются индуктивность и электрическая емкость и которые соединены параллельно.
В результате формирования на двухполюснике синусоидального напряжения через него протекает комплексный ток, который является суммой двух токов, имеющих следующий вид:
Так как двухполюсник двухзвенный, то в соответствии с признаком формулы изобретения измерение комплексного тока необходимо проводить на двух частотах ω1 и ω2. В этом случае для суммы токов справедливы следующие выражения:
Далее согласно признаку формулы изобретения последовательно производят измерение значений комплексных токов через двухполюсник и эталон. Значения токов через эталон соответствуют выражениям (3) и (4).
Согласно заданной схеме замещения двухполюсника, представленной на фиг.2, имеем следующие выражения для определения его параметров:
В выражениях (11) и (12) величины Iω1, Iω2, 
, 
измерены и зафиксированы, RЭТ, ω1, ω2 заданы. Поэтому параметры С и L определяются по зависимостям однозначно.
Рассмотрим более общий случай использования способа.
На фиг.3 представлена схема замещения четырехзвенного двухполюсника, а на фиг.4 - его векторная диаграмма.
В результате формирования на двухполюснике синусоидального напряжения через него протекает комплексный ток.
Активные составляющие токов по цепям двухполюсника соответствуют выражениям:
Активную составляющую тока в цепи полного тока можно записать следующим выражением
Реактивные составляющие токов по цепям двухполюсника описываются выражениями:
Тогда реактивная составляющая комплексного тока в цепи двухполюсника запишется соотношением
Из выражений (13)-(18) следует, что комплексный ток через двухполюсник зависит от параметров элементов (R1, R2, С, L) и параметров его питания (V, ω).
Согласно признаку формулы изобретения последовательно производят измерения комплексных токов через двухполюсник и эталон на каждой из четырех заданных частот. Результаты измерений фиксируют. После чего, согласно заданной схеме замещения по четырем зависимостям рассчитывают четыре параметра двухполюсника, используя при этом зафиксированные и заданные величины.
В качестве прикладного примера осуществления способа рассмотрим измерение параметров емкостного датчика уровня заправки бака, заполняемого диэлектрической жидкостью (например, керосином).
Емкостному датчику уровня соответствует схема замещения, приведенная на фиг.5, где: СР есть рабочая электрическая емкость датчика, которая несет полезную информацию об уровне заправки бака. СР при заправке бака является величиной переменной, так как изменение в значение электрической емкости вносит диэлектрическая проницаемость неэлектропроводной жидкости, заполняющей датчик в баке; R - сопротивление тока утечки через диэлектрик, которое зависит от сортности керосина и состояния сопротивления кабельной сети. В силу специфики эксплуатации изделий ракетно-космической техники емкостной датчик уровня может быть удален на расстояние до 500 метров от средства измерения. Как выше было показано, прототип в условиях наличия длиной линии произведет определение параметров емкостного датчика очень грубо. Поэтому с целью определения параметров удаленного датчика уровня заправки, применен заявленный способ.
В результате формирования синусоидального напряжения на двухполюснике, схема замещения которого представлена на фиг.5, для токов схемы справедливы следующие выражения:
IC=V·ω·C;
Согласно предлагаемому изобретению последовательно производят измерение значений комплексных токов через двухполюсник и эталон на двух частотах. Модули измеряемых полных токов через двухполюсник можно записать следующим выражением:
Значения токов через эталон соответствуют выражениям (3) и (4).
Согласно заданной схеме замещения двухполюсника имеем следующие выражения для определения его параметров:
Очевидно, что способ определения параметров двухполюсника по отношению к прототипу позволяет расширить его функциональные возможности. Расширение функциональных возможностей заключается в определении параметров удаленного на расстояние двухполюсника. В примере конкретной реализации способа с высокой точностью определяются: емкостная составляющая полного сопротивления емкостного датчика, зависящая от степени заполнения его жидкостью; активная составляющая, которая характеризуется сортностью керосина и состоянием сопротивления изоляции кабельной сети. Учет активной составляющей диэлектрической жидкости, заполняющей датчик, при определении уровня существенным образом повышается точность измерения уровня заправки, соответственно повышается эффективность ракеты за счет снижения гарантийных запасов топлива.
Используемая литература
1. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ. Измерительная техника. 1996, №6, с.56-60.
2. К.Б.Карандеев, Ф.Б.Гриневич, А.И.Новик. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М., \Энергия\, 1966, c.135.
3. А.И.Новик. \Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока\, Киев: Наукова Думка, 1983, с.9-10.
4. Патент РФ №2025666, кл. G 01 F 23/26, \Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)\.
5. Патент №2144196, кл. G 01 R 17/10, 27/02, \Способ измерения параметров трехэлементных двухполюсников частотно-независимыми мостами переменного тока\.
Способ определения параметров двухполюсника, заключающийся в формировании синусоидального напряжения на двухполюснике, измерении комплексного тока через эталон с последующим определением параметров двухполюсника с учетом его схемы замещения, отличающийся тем, что производят формирование синусоидальных напряжений на n заданных частотах, где n - число элементов двухполюсника, производят последовательно измерение величин комплексных токов через двухполюсник и эталон на каждой из n частот, причем после каждого измерения производят фиксацию их результатов, определение параметров двухполюсника проводят по схеме его замещения и по фиксированным результатам измерения на каждой из заданных частот комплексных токов через двухполюсник и эталон.
