Способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к электроизмерительной технике, а именно к измерению активного, реактивного и полного сопротивления двухполюсника, и могут быть использованы для измерения параметров пассивных электрических цепей. Способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника включает предварительное определение полного сопротивления двухполюсника постоянному току и определение значения модуля полного сопротивления на измеряемой частоте, находящейся в диапазоне рабочих частот двухполюсника. При определении активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей изменением выходного тока управляемого преобразователя напряжение-ток устанавливают значение постоянного напряжения на двухполюснике, равное верхнему пределу измерения напряжения на входе микроконтроллера. При определении емкостной составляющей изменением частоты управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений устанавливают амплитуду переменного напряжения на двухполюснике в два раза меньше, чем постоянное напряжение. Определение активной составляющей двухполюсника с индуктивной составляющей производят путем установки выходного постоянного тока, равного верхнему пределу рабочего диапазона управляемого преобразователя напряжение-ток, протекающего через двухполюсник. Индуктивную составляющую двухполюсника определяют на частоте, при которой амплитуда переменного напряжения на двухполюснике в полтора раза больше, чем постоянное напряжение на нем. Определение параметров полного сопротивления двухполюсника проводят по формулам. Устройство для определения параметров полного сопротивления двухполюсника содержит первую и вторую входные клеммы для подключения измеряемого полного сопротивления, синхронный детектор, вход которого соединен с первой входной клеммой, а выход соединен с фильтром нижних частот, первый и второй мультиплексоры, источник питания, управляемый генератор синусоидальных напряжений, управляющий вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера. Выход источника питания подключен к первому входу второго мультиплексора. Выход фильтра нижних частот подключен к первому входу микроконтроллера, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входом буквенно-цифрового индикатора. Выход пульта ручного управления соединен со вторым входом микроконтроллера. Выход второго мультиплексора соединен с управляющим входом синхронного детектора. Управляющий вход первого мультиплексора подключен к пятому выходу микроконтроллера. Вход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен с выходом первого мультиплексора. Первый выход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к первой входной клемме. Второй выход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен со второй входной клеммой и общим проводом устройства. Первый вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора, третий вход которого подключен к выходу косинусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений. Вторые входы первого и второго мультиплексоров соединены с выходом синусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений. Управляющие входы второго мультиплексора подключены к шестому и седьмому выходам микроконтроллера. Управляющий вход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к восьмому выходу микроконтроллера. Техническим результатом, наблюдаемым при реализации заявленного решения, выступает упрощение способа и устройства определения параметров полного сопротивления двухполюсника без потери точности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретения относятся к электроизмерительной технике, а именно к измерению активного, реактивного и полного сопротивления двухполюсника и могут быть использованы для измерения параметров пассивных электрических цепей.

Известен способ определения заземленных параллельно включенных емкости C и сопротивления R пассивного двухполюсника [RU 2365925 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 27.08.2009], включающий измерение длительности импульсов, соответствующих времени разряда конденсатора, и вычисление значений емкости C и сопротивления R. Способ основан на формировании прямоугольных импульсов различной длительности, получаемых в процессе разряда измерительной цепи, состоящей из источника питания, блока коммутации, двухпорогового компаратора с двумя опорными напряжениями нижнего U_н и верхнего U_в уровней, эталонного конденсатора и вычислительного устройства. Путем изменения топологии измерительной цепи вначале подключают собственную цепь двухполюсника и измеряют длительность разряда T_р1, затем подключают в цепь эталонный конденсатор C₀ и определяют длительность разряда T_р2, а значения емкости C и сопротивления R вычисляют по формулам

, .

Устройство, реализующее данный способ [RU 2365925 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 27.08.2009], содержит источник питания, к выходу которого через первый переключающий элемент подключен измеряемый пассивный двухполюсник в виде параллельно включенных сопротивления и емкости, к которому посредством второго переключающего элемента подключен эталонный конденсатор, блок коммутации, двухпороговый компаратор, к которому подключено вычислительное устройство. Входы управления первого и второго переключающих элементов соединены с выходом блока коммутации, вход управления которого подключен к выходу двухпорогового компаратора.

Недостатком этих решений является их высокая сложность, обусловленная использованием эталонного конденсатора и двухпорогового компаратора. Кроме этого, нестабильность опорных уровней двухпорогового компаратора приводит к снижению точности определения значений емкости и сопротивления двухполюсника.

Известен способ измерения параметров полного сопротивления [п. 1 ф-лы RU 2092861 C1, МПК G01R27/02 (1995.01), опубл. 10.10.1997], заключающийся в том, что нормируют первое синусоидальное напряжение, которое подают на измеряемое полное сопротивление, на выходе которого формируется второе синусоидальное напряжение, пропорциональное модулю измеряемого полного сопротивления и со сдвигом фазы относительно первого синусоидального напряжения, равным базовому сдвигу измеряемого полного сопротивления. Второе синусоидальное напряжение фильтруют и интегрируют в течение периода, причем в течение одного полупериода интегрируют без изменения знака интегрируемого напряжения, а в течение другого полупериода с изменением его знака на противоположный. Для измерения активной составляющей полного сопротивления процесс интегрирования начинают в момент перехода через нуль первого синусоидального напряжения, а для измерения реактивной составляющей – в момент достижения максимального по абсолютной величине значения первого синусоидального напряжения. По соответствующим результатам интегрирования судят о значениях активной и реактивной составляющих измеряемого полного сопротивления.

Устройство для измерения параметров полного сопротивления [п. 2 ф-лы RU 2092861 C1, МПК G01R27/02 (1995.01), опубл. 10.10.1997], содержит генератор, к первому выходу которого подключены последовательно соединенные измерительная цепь, содержащая измеряемое полное сопротивление, фильтр, управляемый интегратор, блок памяти и блок нормирования управляющих сигналов, вход которого подключен ко второму выходу генератора, второй и третий выходы к одноименным входам управляемого интегратора, первый вход которого соединен с выходом фильтра. Выход управляемого интегратора соединен с первым входом блока памяти, второй вход которого подключен к первому выходу блока формирования управляющих сигналов, а выход является выходом устройства.

Недостатком этих технических решений является их высокая сложность из-за использования блока памяти и управляемого интегратора, интегрирующего напряжение без и с инверсией в течение полупериодов его входного напряжения. К другим негативным влияющим факторам относятся высокая погрешность определения значений активной и реактивной составляющих измеряемого полного сопротивления из-за аддитивной и мультипликативной погрешности основного узла – управляемого интегратора и низкой точности определения момента перехода через нуль и момента достижения максимального значения первого синусоидального напряжения.

Известен способ измерения параметров полного сопротивления [SU 1411683 А1, МКИ G01R27/02, опубл. 23.07.1988], заключающийся в том, что для измерительной цепи, состоящей из полного сопротивления, включенного последовательно с эталонным сопротивлением, измеряют отношение синфазной и квадратурной составляющих напряжения эталонного сопротивления. Определение уровней напряжений, пропорциональных реактивным составляющим и добротности полного сопротивления, производят компенсацией разбаланса измерительной цепи путем сравнения напряжения генератора синусоидального напряжения с квадратурной составляющей напряжения эталонного сопротивления и регулировкой коэффициента передачи цепи подачи синусоидального напряжения на измерительную цепь. По результатам измерения напряжений, пропорциональных реактивным составляющим и добротности полного сопротивления, осуществляют расчет активной и реактивной составляющих полного сопротивления и его добротности.

Устройство, реализующее данный способ [SU 1411683 А1, МКИ G01R27/02, опубл. 23.07.1988], содержит генератор синусоидального напряжения, первый переключатель с двумя парами неподвижных и одной парой подвижных контактов, измерительную цепь, образованную последовательно соединенными объектом измерения и эталонным сопротивлением и подключенную к контактам подвижной пары переключателя, амплитудный и два синхронных детектора, фазовращатель, усилитель напряжения, блок вычитания, три измерителя отношения напряжений, управляемый масштабный преобразователь, узел сравнения напряжений и второй переключатель. Выход измерительной цепи непосредственно подключен к входу амплитудного и управляющему входу первого синхронного детектора, а через усилитель напряжения – к управляющему входу второго синхронного детектора. Информационные входы синхронных детекторов, у первого через фазовращатель и у второго непосредственно, подключены к первому контакту первой неподвижной пары первого переключателя и второму контакту второй неподвижной пары этого переключателя. Входы блока вычитания соединены с выходами амплитудного и второго синхронного детекторов, входы измерителей отношения напряжений попарно подключены к выходам блока вычитания, первого синхронного и амплитудного детекторов. Подвижный контакт второго переключателя соединен с одним из входов узла сравнения напряжений, а неподвижные контакты второго переключателя подключены к выходам первого синхронного и амплитудного детекторов. Другой вход узла сравнения напряжений и информационный вход управляемого масштабного преобразователя соединены с выходом генератора. Выход узла сравнения напряжений подключен к управляющему входу управляемого масштабного преобразователя, выход которого соединен с входом фазовращателя и управляющим входом второго синхронного детектора.

Этот способ осуществлен с помощью устройства повышенной сложности из-за использования эталонного сопротивления, амплитудного детектора, фазовращателя, усилителя напряжения, блока вычитания, измерителей отношения напряжений.

Известен способ определения полных сопротивлений электрических цепей [п. 1 ф-лы RU 2301425 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 20.06.2007], выбранный в качестве прототипа, включающий определение на измеряемой частоте значения модуля полного сопротивления последовательно соединенных полного сопротивления измеряемого двухполюсника и эталонного сопротивления и расчет полного сопротивления двухполюсника. Предварительно определяют полное сопротивление двухполюсника постоянному току и значение названного модуля на другой частоте, находящейся в диапазоне рабочих частот двухполюсника.. Затем определяют характер реактивности полного сопротивления двухполюсника по увеличению или уменьшению значения названного модуля, считая, что полное сопротивление двухполюсника содержит индуктивную составляющую, если значение модуля увеличивается с ростом частоты, или емкостную составляющую, если значение модуля уменьшается с ростом частоты. Расчет полного сопротивления на измеряемой частоте производят, используя соотношение:

,

где U_о – напряжение на последовательно соединенных полном сопротивлении двухполюсника и эталонном сопротивлении R_э;

U_э – напряжение на эталонном сопротивлении;

R_э – эталонное сопротивление;

R и X – активная и реактивная составляющие полного сопротивления двухполюсника Z =R ± jX.

Известно устройство для измерения полных сопротивлений двухполюсников [п. 2 ф-лы RU 2301425 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 20.06.2007], выбранное в качестве прототипа, содержащее две входные клеммы для подключения измеряемого полного сопротивления двухполюсника, эталонное сопротивление, первый конец которого соединен с первой входной клеммой, усилитель переменного напряжения, первый и второй ключевые синхронные детекторы, первый и второй двухканальные переключатели, источник питания, источник постоянного тока, генератор синусоидальных напряжений, выполненный в виде каскадно соединенных микроконтроллера, к первому и второму входам которого подключен частотозадающий элемент, синтезатора частот, вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера, сдвигового регистра с обратной связью, цифроаналогового преобразователя, усилителя переменного напряжения и дополнительного сопротивления.

Выход источника постоянного тока подключен к первому входу первого двухканального переключателя. Первый вывод дополнительного сопротивления соединен с выходом усилителя переменного напряжения, а второй вывод – со вторым входом первого двухканального переключателя. Входы первого и второго фильтров нижних частот подключены соответственно к выходам первого и второго ключевых синхронных детекторов, а их выходы соединены соответственно с третьим и четвертым входами микроконтроллера. Три входа буквенно-цифрового индикатора соединены со вторым - четвертым выходами микроконтроллера. Выходы пульта ручного управления соединены с пятым - десятым входами микроконтроллера. Выход первого двухканального переключателя соединен со второй входной клеммой и входом второго ключевого синхронного детектора. Первый и второй входы второго двухканального переключателя соединены соответственно с одним из выходов источника питания и одним из выводов сдвигового регистра с обратной связью. Выход второго двухканального переключателя соединен с управляющими входами обоих ключевых синхронных детекторов. Управляющие входы первого и второго двухканальных переключателей подключены к пятому выходу микроконтроллера. Вход первого ключевого синхронного детектора подключен к первой входной клемме, а второй конец эталонного сопротивления соединен с общим проводом устройства.

Расчёт активной и реактивной составляющих полного сопротивления двухполюсника согласно этим изобретениям возможен только по результатам измерения напряжений на полном сопротивлении и эталонном сопротивлении, используя структурно сложное устройство, содержащее эталонное сопротивление и дополнительный измерительный канал, состоящий из синхронного детектора и фильтра нижних частот. Генератор синусоидальных напряжений реализован на основе синтезатора частот, сдвигового регистра с обратной связью и цифроаналогового преобразователя.

Наличие эталонного сопротивления и дополнительных синхронного детектора и фильтра нижних частот приводит к усложнению изобретений.

Техническим результатом изобретений является упрощение способа и устройства для определения параметров полного сопротивления двухполюсника.

Предложенный способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника, также как в прототипе, включает предварительное определение полного сопротивления двухполюсника постоянному току и определение значения модуля полного сопротивления на измеряемой частоте, находящейся в диапазоне рабочих частот двухполюсника.

Согласно изобретению при определении активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей изменением выходного тока управляемого преобразователя напряжение-ток устанавливают значение постоянного напряжения на двухполюснике, равное верхнему пределу измерения напряжения на входе микроконтроллера. При определении емкостной составляющей изменением частоты управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений устанавливают амплитуду переменного напряжения на двухполюснике в два раза меньше, чем постоянное напряжение. Определение активной составляющей двухполюсника с индуктивной составляющей производят путем установки выходного постоянного тока, равного верхнему пределу рабочего диапазона управляемого преобразователя напряжение-ток, протекающего через двухполюсник. Индуктивную составляющую двухполюсника определяют на частоте, при которой амплитуда переменного напряжения на двухполюснике в полтора раза больше, чем постоянное напряжение на нем. Определение параметров полного сопротивления двухполюсника проводят по формулам

где R_c , R_L – активные составляющие двухполюсника с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

C, L – емкостная и индуктивная составляющие двухполюсника соответственно;

Z_cm, Z_Lm – модули полных сопротивлений двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

U_zсmax0 – максимальное падение постоянного напряжения на двухполюснике с емкостной составляющей;

I_п1 – постоянный ток двухполюсника с емкостной составляющей;

U_ZL0 – падение постоянного напряжения на двухполюснике с индуктивной составляющей;

I_пmax0 – максимальный постоянный ток двухполюсника с индуктивной составляющей;

U_Zcm, U_ZLm – амплитуды напряжений на полных сопротивлениях двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

I_п1m , I_п2m – амплитуды выходных токов управляемого преобразователя напряжение-ток, нагруженного на полные сопротивления двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

ω₁, ω₂ – круговые частоты управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений.

Устройство для определения параметров полного сопротивления двухполюсника, также как в прототипе, содержит первую и вторую входные клеммы для подключения измеряемого полного сопротивления, синхронный детектор, вход которого соединен с первой входной клеммой, а выход соединен с фильтром нижних частот, первый и второй мультиплексоры, источник питания, управляемый генератор синусоидальных напряжений, управляющий вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера, выход источника питания подключен к первому входу второго мультиплексора, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу микроконтроллера, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входом буквенно-цифрового индикатора, выход пульта ручного управления соединен со вторым входом микроконтроллера, выход второго мультиплексора соединен с управляющим входом синхронного детектора, управляющий вход первого мультиплексора подключен к пятому выходу микроконтроллера.

В отличие от прототипа вход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен с выходом первого мультиплексора. Первый выход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к первой входной клемме. Второй выход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен со второй входной клеммой и общим проводом устройства. Первый вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора, третий вход которого подключен к выходу косинусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений. Вторые входы первого и второго мультиплексоров соединены с выходом синусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений. Управляющие входы второго мультиплексора подключены к шестому и седьмому выходам микроконтроллера. Управляющий вход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к восьмому выходу микроконтроллера.

Определение параметров полного сопротивления двухполюсника производится на постоянном и переменном токе путем измерения напряжения только на двухполюснике одним измерительным каналом, состоящим из синхронного детектора и фильтра нижних частот. Использование управляемого преобразователя напряжение-ток позволяет устанавливать постоянное напряжение, равное верхнему пределу измерения напряжения на первом входе микроконтроллера, на активной составляющей двухполюсника. При этом микроконтроллер обеспечивает высокую точность измерения этого напряжения. В случае измерения реактивной составляющей двухполюсника частота управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений устанавливаются такой, чтобы постоянное напряжение на первом входе микроконтроллера, пропорциональное синфазной составляющей напряжения на двухполюснике, было в два раза меньше постоянного напряжения на активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей и в два раза больше – для случая двухполюсника с индуктивной составляющей. Двукратное отличие напряжений при определении активной и реактивной составляющих полного сопротивления двухполюсника позволяет исключить процедуру и средства измерения напряжения на эталонном сопротивлении (усилитель переменного напряжения, дополнительные синхронный детектор и фильтр нижних частот) как в прототипе, что упрощает способ и устройство определения параметров полного сопротивления двухполюсника.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства реализующего предлагаемый способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника.

На фиг. 2 приведены эквивалентные схемы двухполюсников, где а) – двухполюсник с емкостной составляющей, б) – двухполюсник с индуктивной составляющей.

Устройство определения параметров полного сопротивления двухполюсника содержит синхронный детектор 1 (СД), вход 2 которого соединен с первой входной клеммой 3 устройства и с первым выходом 4 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), второй выход 6 которого соединен со второй входной клеммой 7 устройства и общим проводом устройства. Вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) соединен с выходом первого мультиплексора 8 (М1). Первый вход 9 первого мультиплексора 8 (М1) и первый вход 10 второго мультиплексора 11 (М2) подключены к выходу источника питания 12 (ИП). Вторые входы 13, 14 первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров соответственно подключены к выходу синусоидального напряжения 15 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН), к дополнительному выходу косинусоидального напряжения 17 подключен третий вход 18 второго мультиплексора 11 (М2). Выход синхронного детектора 1 (СД) соединен с входом фильтра нижних частот 19 (ФНЧ), выход которого подключен к первому входу 20 микроконтроллера 21 (МК). Второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК) соединен с выходом пульта ручного управления 23 (ПУ). Первый выход 24 микроконтроллера 21 (МК) подключен к управляющему входу управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН). Второй 25, третий 26 и четвертый 27 выходы микроконтроллера 21 (МК) соединены с входами буквенно-цифрового индикатора 28 (БЦИ). Пятый выход 29 микроконтроллера 21 (МК) подключен к управляющему входу первого мультиплексора 8 (М1). Шестой 30, седьмой 31 выходы микроконтроллера 21 (МК) соединены с управляющими входами второго мультиплексора 11 (М2). Восьмой выход 32 микроконтроллера 21 (МК) соединен с управляющим входом управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ).

Опытный экземпляр устройства для определения полного сопротивления двухполюсника был выполнен на аналоговых и цифровых микросхемах.

Синхронный детектор 1 (СД) выполнен на микросхеме AD630, представляющей собой интегральный балансный модулятор/демодулятор. Коэффициент преобразования равен единице. Управляемый преобразователь напряжение-ток 5 (УПНТ) выполнен на операционных усилителях AD620 и OPА454. Входное напряжение – 1 В, выходной ток 0,01…10 мА. Управляемый аналоговый генератор синусоидальных напряжений 15 (УГСН) выполнен в виде квадратурного генератора на инверторе и двух интеграторах на операционных усилителях OP27 и 544УД2. Диапазон частот 10…100000 Гц. Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) выполнен на операционном усилителе OP27 в виде активного фильтра Баттерворта первого порядка. В качестве мультиплексоров 8 (М1), 11 (М2) использовалась интегральная микросхема ADG509, представляющая собой аналоговый коммутатор с четырьмя аналоговыми входами, одним выходом и цифровыми адресными входами. Источник напряжения 12 (ИП) выполнен на основе интегральных стабилизаторов 7812, 7912 с выходными напряжениями ± 12 В, стабилизатора 7805 с выходным напряжением +5 В. Микроконтроллер 21 (МК) выполнен на основе интегральной микросхемы Atmega 328P. Программа работы микроконтроллера написана на языке С⁺⁺. Буквенно-цифровой индикатор 28 (БЦИ) выполнен на основе графического OLED индикатора типа REG010016AYPP5N00000. Пульт управления 23 (ПУ) выполнен на клавиатуре типа AK304NWWB, организованной в виде матрицы клавиш 4×3.

К входным клеммам 3 и 7 устройства (фиг. 1) подключили двухполюсник с емкостной составляющей (фиг. 2, а)). Двухполюсник составлен из двух элементов – прецизионного резистора типа С2-29А с номинальным сопротивлением Rс_н = 10 кОм и относительной погрешностью ± 0,1 % и прецизионного конденсатора типа К71-7 с номинальной емкостью

С_н = 0,01 мкФ и относительной погрешностью ± 0,1 %.

При включении источника питания 12 (ИП) первый – четвертый выходы 24 – 27 и пятый – восьмой выходы 29 – 32 микроконтроллера 21 (МК) устанавливают следующие начальные состояния блоков устройства: выходы первого мультиплексора 8 (М1) и второго мультиплексора 11 (М2) переключаются на свои первые входы 9 и 10 соответственно; на выходах синусоидального и косинусоидального напряжений 15, 17 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) генерируются гармонические напряжения с амплитудой 1 В и частотой

1 кГц; на буквенно-цифровом индикаторе 28 (БЦИ) высвечиваются нули.

По сигналу с пульта управления 23 (ПУ), поступающему на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК), коэффициент преобразования управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) посредством сигнала с восьмого выхода 32 микроконтроллера 21 (МК) устанавливается равным минимальному значению K_пmin = 0,01 мА/В. Постоянное положительное напряжение U_оп =1 В с источника питания 12 (ИП) поступает через первый вход 9 первого мультиплексора 8 (М1) на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), на первом выходе 4 которого устанавливается ток I_п0 = U_оп∙K_пmin = (1 В)∙(0,01 мА/В) = 0,01 мА. Так как второй выход 6 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) соединен со второй входной клеммой 7 устройства, то на активной составляющей двухполюсника создается падение напряжения U_Rc0 = I_п0∙R_c = (0,01 мА) (10 кОм) = 0,1 В, поступающее на вход 2 синхронного детектора 1 (СД). При этом на его управляющий вход через первый вход 10 второго мультиплексора 11 (М2) поступает напряжение U_оп с источника питания 12 (ИП). Коэффициент преобразования K_сд синхронного детектора 1 (СД) равен единице. Учитывая, что для пассивного фильтра нижних частот 19 (ФНЧ) коэффициент передачи K_ф = 1, входное напряжение на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) равно

U₁ = K_сд∙K_ф∙U_Rc0 = K_сд∙K_ф∙I_п0∙R_c = I_п0∙R_c = (0,01 мА) (10 кОм) = 0,1 В, (1)

где K_сд – коэффициент преобразования синхронного детектора;

K_ф – коэффициент передачи фильтра нижних частот;

U_Rc0 – падение напряжения на активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей;

I_п0 – выходной постоянный ток управляемого преобразователя напряжение-ток;

R_c – активная составляющая двухполюсника с емкостной составляющей.

Точность определения активной составляющей двухполюсника зависит от погрешности измерения микроконтроллером 21 (МК) напряжения U₁ и погрешности установки выходного тока I_п0 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ).

Точность измерения напряжения U₁ выше при выполнении условия

U_max ≥ U₁ ≥ 0,3U_max , (2)

где U_max – верхний предел измерения напряжения на первом входе микроконтроллера 21 (МК), равный 5 В.

Если напряжение U₁, не удовлетворяет условию (2), то микроконтроллер 21 (МК) устанавливает новое большее значение коэффициента преобразования K_п1 > K_пmin управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) и соответственно большее значение выходного тока I_п1 > I_п0 последнего. Например, при K_п1 = 0,2 мА/В на первом выходе 4 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) устанавливается ток I_п1 = U_оп∙K_п1 = (1 В)∙(0,2 мА/В) = 0,2 мА. Тогда из (1) следует, что при таком токе на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) действует напряжение

= K_сд∙K_ф∙U_Rc1 = K_сд∙K_ф∙I_п1∙R_c = I_п1∙R_c = (0,2∙мА)∙(10 кОм) = 2 В,

где – максимальное значение падения напряжения постоянного тока на двухполюснике с емкостной составляющей.

Значение напряжения удовлетворяет условию (2).

Активную составляющую двухполюсника определяют по формуле:

= = 10 кОм.

Измерение емкости двухполюсника с емкостной составляющей ( а) на фиг. 2) осуществляется на переменном токе. Вначале измеряют синфазную составляющую падения напряжения на двухполюснике. Для этого по сигналам управления с пятого – седьмого выходов 29, 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выходы первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров переключаются на вторые входы 13 и 14 соответственно.

Сигнал U_син с амплитудой 1 В с выхода синусоидального напряжения 15 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через первый мультиплексор 8 (М1) поступает на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), а через второй мультиплексор 11 (М2) – на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Переменный выходной ток управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) с круговой частотой ω и амплитудой I_п1m, равной значению постоянного тока I_п1, создает падение напряжения на полном сопротивлении двухполюсника

в виде

,

где U_сфс – синфазная составляющая напряжения , совпадающая по фазе с напряжением U_син;

U_квс – квадратурная составляющая напряжения , сдвинутая по фазе на +90 градусов или -90 градусов относительно напряжения U_син или совпадающая по фазе с напряжением U_кос на дополнительном выходе косинусоидального напряжения 17 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН).

Так как на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД) поступает напряжение U_син, то он выделяет только синфазную составляющую U_сфс напряжения на двухполюснике.

Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) преобразует переменное напряжение с выхода синхронного детектора 1 (СД) в постоянное напряжение, которое поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК).

Повышенная точность измерения емкости двухполюсника обеспечивается при выполнении условия

, (3)

где U_синс0 – постоянное напряжение на аналоговом входе микроконтроллера.

Для выполнения условия (3) микроконтроллер 21 (МК) сигналами управления с первого выхода 24 изменяет частоту управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН), а, следовательно, полное сопротивление двухполюсника Z_с и падение напряжения на нем. При частоте ω₁ = 20000 рад/сек напряжение U_синс1 на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) будет равно 0,25 В, что соответствует выражению (3), то есть находится в зоне от 0,2 В до 1,0 В.

Далее измеряют квадратурную составляющую падения напряжения на двухполюснике. Для этого по сигналам управления с шестого и седьмого выходов 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выход второго мультиплексора 11 (М2) переключается на третий вход 18. Сигнал U_кос с амплитудой 1 В с выхода косинусоидального напряжения 17 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через мультиплексор М2 поступает на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Вследствие этого последний выделяет только квадратурную составляющую напряжения U_квс на двухполюснике. Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) преобразует переменное напряжение с выхода синхронного детектора 1 (СД) в постоянное напряжение U_квс1 = 0,5 В, которое поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК), где по измеренным напряжениям U_синс1 и U_квс1 рассчитывают амплитуду напряжения на полном сопротивлении Z_с

= = 0,887 В

и модуль полного сопротивления

= = 4385 Ом.

Определение искомой емкости С производят по формуле

= = 0,0102 мкФ.

Для двухполюсника с емкостной составляющей (фиг. 2, а)) с параметрами

R_с = Rс_н = 10 кОм, С = С_н = 0,01 мкФ

номинальное значение полного сопротивления Z_сmн, определяемое по формуле

,

равно

= 4472 Ом.

Относительные погрешности определения полного сопротивления, его активной и емкостной составляющих рассчитывают по формулам:

= = 1,9 %,

= = 0 %,

= = -2 %.

Результаты расчетов полного сопротивления, активной и емкостной составляющих двухполюсника Z_Сm = 4385 Ом, R_С = 10 кОм и С = 0,0102 мкФ соответственно, а также их погрешности δZ_сm = 1,9 %, δR_С = 0 %, δС = -2 % отображаются на буквенно-цифровом индикаторе 28 (БЦИ) по сигналу управления, поступающему с пульта управления 23 на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК).

При измерении параметров полного сопротивления двухполюсника с индуктивной составляющей ( б) на фиг. 2), на вход устройства подключили меру индуктивности Р5111 с номинальной индуктивностью L_н = 30 мГн с относительной погрешностью ± 0,02 % и номинальным сопротивлением R_Lн = 50 Ом с относительной погрешностью ± 0,02 %.

При измерении активной составляющей двухполюсника с индуктивной составляющей исходное состояние узлов аналогично предыдущему. По сигналу с пульта управления 23 (ПУ), поступающему на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК), коэффициент преобразования управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) устанавливается равным максимальному значению K_пmax = 10 мА/В. Постоянное напряжение U_оп с источника питания 12 (ИП) поступает через первый вход 9 первого мультиплексора 8 (М1) на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), на выходе которого устанавливается максимальный ток I_пmax0 = U_оп∙K_пmax = (1В) (10 мА/В) = 10 мА. Под действием этого тока на активной составляющей двухполюсника создается падение напряжения, измеряемое синхронным детектором 1 (СД).

Коэффициент преобразования синхронного детектора 1 (СД) и коэффициент передачи фильтра нижних частот 19 (ФНЧ) равны единице. Поэтому входное напряжение на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) равно

U₂ = K_сд∙K_ф∙U_RL0 = U_ZL0 = I_пmax0 ∙R_L = (10 мА)∙(50 Ом) = 500 мВ,

где U_ZL0 – падение напряжения постоянного тока на двухполюснике; R_L – активная составляющая двухполюсника.

Определяют активную составляющую двухполюсника R_L по формуле

= (500 мВ)/(10 мА) = 50 Ом.

Измерение индуктивной составляющей двухполюсника (фиг. 2, б)) осуществляется на переменном токе. Последовательность проведения операций такая же, как и при определении емкости двухполюсника с емкостной составляющей. На первом этапе измеряется синфазная составляющая падения напряжения на двухполюснике. По сигналам управления с пятого – седьмого выходов 29, 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выходы первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров переключаются на вторые входы 13 и 14 соответственно. Сигнал U_син с выхода синусоидального напряжения 15 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через первый мультиплексор 8 (М1) поступает на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), а через второй мультиплексор 11 (М2) на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Переменный выходной ток управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) с амплитудой I_п2m, равной значению постоянного тока I_пmax0, создает на полном сопротивлении двухполюсника падение напряжения

,

где U_сфL – синфазная составляющая напряжения ;

U_квL – квадратурная составляющая напряжения .

При указанных выше состояниях первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров синхронный детектор 1 (СД) выделяет только синфазную составляющую U_сфL напряжения на двухполюснике. Это напряжение посредством фильтра нижних частот 19 (ФНЧ) преобразуется в постоянное напряжение U_синL0, которое поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК).

Повышение точности измерения индуктивности двухполюсника обеспечивается при условии

. (4)

Для выполнения этого условия микроконтроллер 21 (МК) сигналом управления с первого выхода 24 изменяет частоту управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН), а, следовательно, полное сопротивление двухполюсника Z_L и падение напряжения на нем. При частоте ω₂, равной 21990 рад/cек, напряжение U_синL2 на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) будет равно 0,539 В, что удовлетворяет условию (4), то есть находится в зоне [500 мВ, 750 мВ].

Далее измеряют квадратурную составляющую падения напряжения на двухполюснике. По сигналам управления с шестого и седьмого выходов 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выход второго мультиплексора 11 (М2) переключается на третий вход 18. Сигнал U_кос с выхода косинусоидального напряжения 17 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через мультиплексор 11 (М2) поступает на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Вследствие этого последний выделяет только квадратурную составляющую U_квL напряжения на двухполюснике. Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) преобразует переменное напряжение с выхода синхронного детектора 1 (СД) в постоянное напряжение U_квL2, равное 4,097 В. Это напряжение поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК).

По измеренным напряжениям U_синL2 = 0,539 В и U_квL2 = 4,097 В рассчитывают амплитуду напряжения на полном сопротивлении Z_L

= = 6,49 В.

и модуль полного сопротивления

= = 649 Ом.

Определяют индуктивную составляющую двухполюсника L по формуле

= = 29,4 мГн .

Для двухполюсника с индуктивной составляющей (фиг. 2,б) с номинальными параметрами R_Lн = 50 Ом, L_н = 30 мГн номинальное значение полного сопротивления Z_Lmн, определяемое по формуле

,

равно = 661,6 Ом.

Относительные погрешности определения полного сопротивления, его активной и индуктивной составляющих рассчитывают по формулам:

= = 1,9 %,

= 0 %,

= 2 %.

Результаты определения полного сопротивления, активной и индуктивной составляющих двухполюсника Z_Lm = 649 Ом, R_L = 50 Ом и

L = 29,4 мГн соответственно, а также их погрешности δZ_Lm = 1,9 %, δR_L = 0 %,

δL = 2 % отображаются на буквенно-цифровом индикаторе 28 (БЦИ) по сигналу управления, поступающему с пульта управления 23 на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК).

Экспериментальными исследованиями установлено, что в диапазоне частот 10 Гц…100 кГц и диапазоне измерения активной составляющей и полного сопротивления 20 Ом…200 кОм, емкости 0,001 мкФ…0,1 мкФ и индуктивности 0,01 мГн… 100 мГн относительная погрешность измерения не превышает ± 2 %. Таким образом, предлагаемое устройство по точности определения активной, реактивных составляющих и полного сопротивления двухполюсника не уступает прототипу при существенно меньших аппаратных затратах.

1.Способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника, включающий предварительное определение полного сопротивления двухполюсника постоянному току и определение значения модуля полного сопротивления на измеряемой частоте, находящейся в диапазоне рабочих частот двухполюсника, отличающийся тем, что при определении активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей изменением выходного тока управляемого преобразователя напряжение-ток устанавливают значение постоянного напряжения на двухполюснике, равное верхнему пределу измерения напряжения на входе микроконтроллера, а при определении емкостной составляющей изменением частоты управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений устанавливают амплитуду переменного напряжения на двухполюснике в два раза меньше, чем постоянное напряжение, а определение активной составляющей двухполюсника с индуктивной составляющей производят путем установки выходного постоянного тока, равного верхнему пределу рабочего диапазона управляемого преобразователя напряжение-ток, протекающего через двухполюсник, индуктивную составляющую двухполюсника определяют на частоте, при которой амплитуда переменного напряжения на двухполюснике в полтора раза больше, чем постоянное напряжение на нем, определение параметров полного сопротивления двухполюсника проводят по формулам

где R_c , R_L – активные составляющие двухполюсника с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

C, L – емкостная и индуктивная составляющие двухполюсника соответственно;

Z_cm, Z_Lm – модули полных сопротивлений двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

U_zсmax0 – максимальное падение постоянного напряжения на двухполюснике с емкостной составляющей;

I_п1 – постоянный ток двухполюсника с емкостной составляющей;

U_ZL0 – падение постоянного напряжения на двухполюснике с индуктивной составляющей;

I_пmax0 – максимальный постоянный ток двухполюсника с индуктивной составляющей;

U_Zcm, U_ZLm – амплитуды напряжений на полных сопротивлениях двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

I_п1m , I_п2m – амплитуды выходных токов управляемого преобразователя напряжение-ток, нагруженного на полные сопротивления двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;

ω₁, ω₂ – круговые частоты управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений.

2. Устройство для определения параметров полного сопротивления двухполюсника, содержащее первую и вторую входные клеммы для подключения измеряемого полного сопротивления, синхронный детектор, вход которого соединен с первой входной клеммой, а выход соединен с фильтром нижних частот, первый и второй мультиплексоры, источник питания, управляемый генератор синусоидальных напряжений, управляющий вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера, выход источника питания подключен к первому входу второго мультиплексора, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу микроконтроллера, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входом буквенно-цифрового индикатора, выход пульта ручного управления соединен со вторым входом микроконтроллера, выход второго мультиплексора соединен с управляющим входом синхронного детектора, управляющий вход первого мультиплексора подключен к пятому выходу микроконтроллера, отличающийся тем, что вход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен с выходом первого мультиплексора, первый выход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к первой входной клемме, второй выход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен со второй входной клеммой и общим проводом устройства, первый вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора, третий вход которого подключен к выходу косинусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений, вторые входы первого и второго мультиплексоров соединены с выходом синусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений, управляющие входы второго мультиплексора подключены к шестому и седьмому выходам микроконтроллера, управляющий вход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к восьмому выходу микроконтроллера.