Цифровой мост для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов

 

ОП ИСАНИЕ изав итиния

0>) 608103

Своа Сомтсних

Соир алистимеских

Республик я ввтоикомю ее етельствю (6l) Доиолянтелыюв. к авт. евяд-ву (22) Занвлано 04.04.74(2t)2016292/21 с врнсоедяненнем заявка И(5!) М. Кл.

&01 В 17/10 (23) ПряорнтетГесударстееиимй комитет

6еаатв 1йииистраа СССР ие делам иэееретений и еткрытий (43) Ояублиноваяо23.08 78 Бюллетень Ю lg (46) Дата овубликоеанян ояяеавинп.05 .78 (53) УДК 621.317.7ЭЗ (088,8) (33) Авторы язобратеняа

В. Г. Давндовнч, С. S. Копобов, Г. И. Литвинов н Э. В. Плакова (71) Заявитель (54) ИИФРОВОЙ МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ

И ТАНГЕНСА УГЛА ПОТЕРЬ КОНДЕНСАТОРОВ

1 . 3

Изобретение относится к измерительной тех- Однако в этом устройстве измерение емкоснике и может быть использовано нри создании ти методом прямого уравновешивания ие предбыстродействующих измерителей комплексных ставляется возможным, так как напряжение сопротивлений. разбаланса схемы не определяет однозначно

Известны устройства прямого уравиовеши- величину измеряемой емкости. Реактивная сосвамия комплексных величин переменного тока, > тавляющая в известном устройстве определяетиспользуемые в цифровых автокомпенсацнон- ся по методу взвешивания, при котором число ных системах и содержащие нуль-орган, ре- тактов,.затрачиваемых на отработку емкости, версивные сче-чики, дешифраторы, цифровые равно количеству весовых мер по емкости. Это . указатели и генераторы (1}. приводит к значительному увеличению времени

Эти устройства имеют высокое быстродей- @ уравновешивания по сравнению .со способом ствие, однако, они не дают возможности изме- прямого уравновешивания. Помимо этого, изрять относительные параметры.комплекcныx ве- мереиие прямым способом величины tg6 моличин. Кроме того, так как при прямом нреоб- жет быть реализовано в известном устройстве разовании сигнала разбаланса в цифровой код . лишь в узком диапазоне измеряемых величии в известных устройствах не меняется коэффи- tg6; Таким образом, оно не обеспечивает суциент усиления усилителя сигнала разбалан- t$ щественного повышения быстродействия. Обса, оии не обеспечивают измерений с высокой щее время измерения в известном устройстве точностью. еще более увеличивается нз-за последователь. Известен также цифровой мост для измере- ного во. времени уравновешивания — сначала ни» емкости н тангеиса угла потерь конденса- ио емкости, а затем по 1д6, торов, содержащий мостовую измерительную Целью изобретения является повышение схему, генератор . переменного напряжения, быстродействия как для параллельной, так и включенный в диагональ питания мостовой из- .. для последовательной схем замещения коиденмерительной схемы, нуль-орган, включенный иа сатора.

:выходе мостовой измерительной схемы, норо.- Достигается это тем, что цифровой мост говые схемы, блок управления и отечетиое уст- для измерения емкости и тангеиса угла потерь, ройство 12). 3$ содержащий мостовую измерительную схему, 3 608103 4 генератор переменного напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной схемы, нуль-орган, включенный на выходе мостовой измерительной схемы, пороговые схе мы, блок управления и отсчетное устройство, снабжен двумя переключателями, тремя дифференцирующими каскадами, двумя ключевыми схемами, двумя формирователями стробимпульсов, формирователем опорного напряжения, двумя регистрами, причем один из переключателей включен между четырехполюсником и операционными усилителями мостовой . измерительной схемы н входами нуль-органа, управляющий вход которого соединен с блоком управления, который соединен с регистрами, а выход соединен с входами пороговых схем, при этом один из входов первой пороговой схемы соединен с выходом нуль-органа через один дифференцирующий каскад, а другой вход этой же пороговой схемы соединен с выходом одного из операционных усилителей мостовой измерительной схемы и через другой дифференцнрующий каскад н один из формирователей строб-импульсов q вторым переключателем, другой вход второй пороговой схемы через формирователь опорного напряжения и третий дифференцирующий каскад подключен к генератору напряжения, выходы же обоих пороговых 25 .схем подключены через ключевые схемы к регистрам, выходы которых соединены с входами отсчетного устройства, причем управляющий вход одной из ключевых схем соединен с генератором напряжения через другой формирователь строб-импульсов и вторым переключателем, а управляющий вход. другой пороговой схемы — с этим же переключателем.

На фиг. 1 дана схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие работу устройства. 35

Устройство содержит измерительный мост 1, генератор напряжения 2, измеряемое комплексное сопротивление 3 (Cx и tg6x), операционные усилители 4 и 5, охваченные глубокой .отрицательной обратной связью, выходное напряжение которых пропорционально соответствен- 4О но току через измеряемое комплексное сопротивление и падению напряжения на нем; четырехполюсник 6 с регулируемым коэффициентом передачи, равным (1 — jв к) для параллельной схемы замещения и (!+,!о)к) для последова- 4 тельной схемы замещения измеряемого конденсатора, где К вЂ” коэффициент, регулируемый при уравновешивании tg6; образцовые меры

«Сз отработки емкостной составляющей комплексного сопротивления (КС) 7; дифференцирующий каскад 8, формирователь 9 опорного напряжения (ФОН) пороговых схем по емкости; дифференцирующий каскад 10; формирователи 11, 12 строб-импульсов (ФСИ), формирующие короткие импульсы в момент равенства нулю амплитуды. синусоидального напряжения, подаваемого на вход ФСИ, переключатель 13, нуль-орган (Н-0) 14, компаратор напряже: ния 15, усилитель 16 с дискретно-регулируемым коэфФициентом усиления; пороговые схемы !7

18 (ПС) соответственно по tg6 и С; ключевую схему 19, дифференцирующий каскад 20, клю- 4о чевую схему 21, декадные регистры 22, 23, соответственно по tgA и С. Количество декад определяется количеством цифр в мантиссах отсчета по С и tg6, блок управления 24, синхрониэирующий и управляющий работой устройства, цифровое отсчетное устройство 25.

Фиг. 2а поясняет работу предлагаемого устройства для. последовательной схемы эамец(еиия конденсатора, где

U j — напряжение на выходе усилителя 4;

Uj) — на выходе четырехполюсника 6 при регулировке по tg6;

U3 — на выходе усилителя 5 при регулировке по емкости;

AU(, AU — на входе компаратора 15 соответственно до регулировки весов по С и

tg6 v после первой регулировки;

О(о —— U)е ° — иа выходе дифференцнрующего каскада 10;

AU(0 — — Л0(е — на выходе дифференци рующего каскада 20;

U = !OU ое » — на выходе формирователя 9;

U<« — проекция вектора напряжения разбаланса до начала уравновешивания на ось

U,.å т;

U â — емкостная составляющая вектора напряжения разбаланса до начала уравновешивания;

U4, — вектор емкостной составляющей напряжения на измеряемом конденсаторе, равный по величине единице опорного напряжения по емкости;

U«q, U — векторы активной составляющей напряжения раэбаланса до начала ураеновешнвания для разных схем .замещения конденсатора;

U 4 — напряжение 4 Uae», сдвинутое на угол —.

Л

Я» J 050K о! напряжение на выходе усилителя 4.

На выходе четырехполюсника 6 напряжение— о„= (),(jwjaaj() = -U, — — (I+jam) о) о 1+ !1 дм

Из уравнения (1) видно, что прн регулировке схемы по tg6 путем изменения коэффициента К конец вектора Uj i. перемещается по прямой аа (см. фиг, 2а).

Напряжение на ° выходе усилителя 5

Ц= -1- оJ. К)С(Из уравнения (2) видно, что конец вектора Оз также перемещается по прямой ОК при балансировке схемы по емкости. Таким образом, вектор, напряжения раэбаланса на входе компаратора !5 при регулировке по-tg6 и С однимконцом перемещается по прямой ав, другим— по прямой ОК. Вследствие этого, проекция вектора напряжения разбаланса Ь0, или 614 на прямую ае, отнесенная к опорному напряжению U()4, однозначно определяет величину разбаланса измерительного моста по tg6, а проекция. вектора напряжения разбаланса на

6081» .13

0 а на сигнальном входе ПС по tg6 17 напряжение равно 11»а е, где напряжение Йа е» есть повернутое на 90 напряжение Uae: Таким образом, пороговая схема 17 покажет отношение двух напряжений JLloel l)0ae,, т. е. при еди5 ничиом коэффициенте усиления H — О получается отсчет первой цифры по tg6. Результат сравнения запоминается в 1-ой декаде регистра 22.

После получения результата сравнения по

С и tgá блок управления выдает команду на одновременное подключение соответствующих весов в первом разряде по С и tgá, а также увеличивает коэффициент усиления Н вЂ” О в

10 раз, При этом начинается следующий такт, в конце которого по величине сигнала раэбаЛ ланса производится оценка 2-ой цифры по С и tg6. Пусть, например, после l-ro такта на вход Н-О поступает напряженке Лйх, которое является разностью двух напряжений U и Up.

Составляющая вектора hU>, равная» о, соответствует остаточной емкостной составляю»цей.

Она определяется путем сравнения усиленного в 10 раз сигнала ЛБ с вектором U> в момент

U» p —— О. В результате сравнения определяется

2-я цифра по емкости.

Составляющая рп вектора h,U> характерид зует несбалансированную величину tg6. Усиленный в 10 раэ отрезок рп (на выходе ключевой схемы 19 сдвинутый на 90 ; сравнивается при помощи пороговой схемы снова с напряжением Uoe (в момент Up — — О) и в долях Uoe пороговой схемы определяют 2-ую цифру по эо tgá и т. д.

Возможные при коммутации с помощью пороговой схемы ошибки подключения весов по С и tg6 исключаются известными для прямого уравновешиванйя способами.

Процесс измерения С и tgá при параллельной схеме замещения отличается от последовательной тем, что определение цифр по ем. кости и tgá происходит в один и тот же момент времени, когда Оо — — О. В этот момент времени пороговая схема по емкости определяет величину отношения 1»", а пороговая схема .Ug по tg6 где Up — — 10Upe" .О.л

При йсцользовании предлагаемого моста для измерения емкости, возможно испольэова»»»»е прямого метода уравновешивания и одновременной коммутации весов по С и tg6 для двух схем замещения конденсатора, что обеспечивает высокое быстродействие .устройства, 5 прямую ОК, отнесенная к проекции вектора . опорного напряжения U> на ту же прямую, однозначно определяет величину разбаланса моста по емкости.

Для параллельной схемы замещения (см. фиг. 2,б), когда переключатели находятся в противоположном состоянии, напряжение равно

О, =, -Оойо)юсх(1 — jtg6x) (3)

О»».= -Upj Р»С (1 — jppk) (4)

Как видно иэ уравнений (3} и (4), один конец вектора напряжения разбаланса неподвижен (точка а), а другой перемещается при регулировке схемы по tgá по прямой, параллельной

»»tg при регулировке по емкости — по прямой, параллельной ОК.

Вследствие этого, проекция вектора напряжения разбаланса на прямую, параллельную

АВ, и отнесенная к опорному напряжению U,ç однозначно определяет величину tgá, а проекция того же вектора на прямую, параллельную

ОК, отнесенная к вектору опорного напряжения U2, однозначно определяет величину емкости.

Оценка величины емкости для последовательной схемы замещения конденсатора про. изводится в момент времени, формируемый формирователем 12.

При U» p —— 0 на выходе ФСИ 12 появляется строб-импульс, открывающий ключевую схе- му 21 по емкости.

Оценка. величины tgá производится в момент времени, формируемый формирователем строб-импульсов 1.

При Up —— 0 на выходе формирователя строб-импульсов 11 появляется строб-импульс, открывающий ключевую схему 19 по tgá (и ключевую схему 21 по емкости при параллель . ной схеме замещения).

Процесс уравновешивания по емкости сводится к измерению величины вектора О» относительно величины вектора U

Формула изобретения

tg6 = -Π— = — —, и подключении соответствуUo»» Uae .

14е ющих весов по tg6.

Указанные операции деления для получения каждой цифры мантиссы по С и 1д6 производятся с помощью ПС.

В момент времени, когда 0» = О, вектор опорного напряжения U> оказывается равным

1Ор1созб = 101ОО1 созб = 100 . Bэтотже момент на сигнальный вход пороговой схемы 18 поступает напряжение AU Полученное показание пороговой схемы при коэффициепте уснления Н вЂ” О, равном 1, определяет цифровое значение емкости в первом разряде и запоминается в 1-ой декаде регистра 23 по емкости.

В момент времени„когда Up О, напряжение О» оказывается равным по величине fUpg

Цифровой мост для измерения емкости и таигенеа угла потерь конденсаторов; содержащий мостовую измерительную схему, генератор переменного напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной схемы, нуль-орган, включенный на выходе мостовой измерительной схемы; пороговые схемы, блок управления и отсчетное устройство, отличаюи(ийся тем, что, с целью повышени1» быстродействия как для параллельной, так и для после608103 4 и к

@иа Р

Редактор Е. Гончар

Заказ 2795/30

0НИИПИ Государственного комитета овета Министров СССР по делам изобретения н открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент>, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 довательной схем эамещення конденсатора, он снабжен двумя переключателями, тремя днфференцнрующнмн каскадамн, двумя ключевымн схемами, двумя формирователями стробнмнульсов, формирователем опорного напряження, двумя регистрами, прячем один нэ переключателей включен между четырехполюсннком н операцноннымн усилителями мостовой нзмернтельной схемы н входами нуль-органа, управляющнй вход которого соединен с блоком управлення, который соединен с регистрами, а выход соединен с входами пороговых схем, прн этом однн нэ входов первой пороговой схемы соединен с выходом нуль-органа через один днфференцнрующнй каскад, а другой вход этой же пороговой схемы соединен с выходом одного нз операцнонных усилителей мостовой нзмернтельной схемы н через другой днфференцнрующйй каскад н один нэ формирователей строб-ям пульсов со вторым переключателем, 8 другой вход второй пороговой схемы через формнрователь опорного напряжения н третий днфференцнрующнй каскад подключен к генератору напряжения, выходы же обоях пороговых в схем подключены через ключевые схемы к регнстрам, выходы которых соединены со входами отсчетного устройства, причем управляющнй вход одной нз ключевых схем соединен с генератором напряження через другой формнрователь строб-импульсов н вторым переключателем, а управляющий вход другой пороговой схемы — с этим же переключателем.

Источники информации, принятые во вннманне. прн экспертнэе:

1. Авторское свидетельство СССР № 197751, кл. G 01 К 17/02, 10.05.66.

2. Шлянднн В. М. Цифровой емкостной мост с использованием метода прямого уравновешнвання, «Уч. записки» Пензенского политехннческого института, !969, вып. 4.

Составитель В. Давидович

Техред О. Луговая Корректор Н. Тупица

Тирам !! 12 Подписное