Квазиуравновешенный мост для измерения отношения составляющих комплексной величины

 

уЯ с П И (А Н И Е л

ИЗОБРЕТЕНИЯ и "6 57359

Сееа Севетснии

Сециаиистичесиик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заивлено 01.1275 (23) 2193880/18-21 с присоединением заявки М— (23) Приоритет— (61) М. Км.

G 01 R 17/10

Государственный комитет

СССР но делам нзорретений и открытий (6З) УДК 621. 317 ° .733 (088.8) Опубликовано 150479. Бюллетень )е 14

Дата опубликования описания 180479 (72) Автори

ИЭОбрЕТЕНИН Г. A. Штамбергер, Е. Е. Добров и И. Г. Татаринцев (73) заявитель ивано-Франковский институт нефти и газа (54) КВАЗИУРАВНОВЕШЕННЫЙ МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ

СОСТАВЛЯЮ@ИХ КОМПЛЕКСНОЙ ВЕЛИЧИНЫ

Из обретени е относится к электроизмерительной технике, а именно к области измерения и контроля параметров элементов электрических цепей, и может быть использовано для измерения отношения составляющих комплексной величины и для построения автоматических измерителей отношения составляющих комплексной величины.

Известны автокомпенсационные мос-. ты, измеряющие несколько параметров комплексной величины, которые содержат звено с регулируемым и измеряемым коэффициентами передачи (1).

Существенными недостатками указан- 1 ных устройств являются зависимость результатов измерения от напряжения питания, невысокая точность и сравнительно низкое быстродействие.

Из известных квазиуравновешенных мостов наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является мост, содержащий источник питания, подсоединенные к нему ветви образцовой и измеряемой величи- 5 ны, причем ветвь измеряемой величины составлена из звена с регулируемым коэффициентом передачи, на выходе которого включен объект измерения, усилитель с высоким коэффициентом усиления к ветвью обратной связи, трансформатор, узел алгебраического суммирования, а также включенные на выходе усилителя индикатор равновесия, выход которого соединен с управляющим входом звена с регулируемым коэффициентом передачи, и измеритель переменного напряжения, пропорционального отношению составляющих измеряемой комплексной величины (2).

В известном устройстве звено с регулируемым коэффициентом передачи выполнено иэ усилителя с высоким коэффициентом усиления с образцовым сопротивлением на входе и образцовым конденсатором в цепи обратной связи и вспомогательного четырехплечего моста, образованного нерегулируемыми и управляемым сопротивлениями.

Недостатком известного устройства является сравнительно малая точность, обусловленная зависимостью результата измерения от напряжения питания, которая вызвана тем, что отсчетной величиной, пропорциональной отношению составляющих комплексных величин, является напряжение на выходе усилителя; измерение этого напряжения производится на переменном токе; кроме того, устройство обладает непостоянстб 57359 4 вом погрешности статиэма звена с измен яемым коэффициентом передачи, регулировка которого производится изменением эквивалентного сопротивления цепи отрицательной обратной связи, вследствие чего в больших пределах измен яется ее глубин а.

Другим недостатком устройства является невозможность измерения в режиме заданного тока или напряжения, что существенно при определении параметров нелинейных элементов (например, индуктивностей), поскольку состо яние квазиравновесия достигается путем изменения напряжения и тока в .вет ви измеряемой величины.

С целью повышения точности измерения в предлагаемый квазиуравновешенный мост для измерения отношения составляющих комплексной величины, содержащий источник питания, звено с регулируемым коэффициентом передачи, формирователь измерительного сигнала, подключенный к источнику питания, фор мирователь образцового сигнала, включенный между источником питания и блоком суммирования, и индикатор равновесия, соединенный с блоком суммирования и со звеном с регулируемым коэффициентом передачи, введен второй формирователь образцового сигнала, включенный между блоком суммирования и звеном с регулируемым коэфФициентом передачи и источником питания, при этом выход формирователя измерительного сигнала соединен с нульиндикатором, звено с регулируемым коэффициентом передачи выполнено в виде вспомогательного моста, образованного. двумя плечевыми обмотками трансформатора. напряжения, двумя образцовыми источниками постоянного напряжения, образцовым резистором и полевым транзистором и усилителем с образцовым резистором в цепи обратной связи, причем вход усилителя подключен к измерительной диагонали вспомогательного моста, à его выход — к измерителю напряжения, а формирователи образцового и измерительного сигналов выполнены в виде усилителя с обратной связью, На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого квазиуравновешенного мостау на Фиг. 2 — векторная диаграмма напряжений в момент квазиравновесия моста; на Фиг. 3 — возможный вариант выполнения моста для измерения отношения составляющих (ted>) емкостного.сопротивления при последовательной схеме замещения.

Квазиуравновешенный мост содержит источник питания 1 переменного тока, питаете от него две ветви: ветвь измеряемой величины, состоящую иэ формирователя 2 измерительного сигнала, и ветвь образцовой величины, состоящую из формирователя 3 одной иэ квадратурных составляющих образцового

ЗО

65 си гн ала, з вена 4 с регулируемым и измеряемым коэффициентом передачи, Формирователя 5 другой квадратурной составляющей образцового сигнала и узла алгебраического суммирования б, и индикатор квазиравновесия 7, выход которого соединен с управляющим входом звена 4.

На векторной диаграмме фиг. 2 приняты следующие обозначения:

U Э переменное входное напряжение;

U — измерительный сигнал

U Π— квадратурные составляющие образцовorо сигнала; д — угол диэлектрических поХ терь измеряемой комплексной величины.

Переменное входное напряжение U>> от источника питания 1 подается на ветвь измеряемой Ех и ветвь образцовой величины. Измерительный сигнал с выхода формирователя 2 поступает на один вход индикатора 7, а на его другой вход — образцовый сигнал, сформированный с помощью узла алгебраического суммирования б и представляющий собой разность сигналов с выходов формирователей 3 и 5. Процесс уравновешивания моста осуществляется путем изменения коэффициента передачи звена

4 ветви образцовой величины по сигналу на выходе индикатора 7 до установления состояния квазиравновесия.

Состояние квазиравновесия характеризуется квадратурой векторов измерительного сигнала g> Формирователя 2 и сигнала Uo, образованного разностью векторов обеих квадратурных составляющих Ug Uz . образцового сигнала формирователей 3 и 5 (фиг.. 2), Фиксируется с помощью индикатора равновесия (например, квадратурного фазочувствительного детектора) .

В возможном варианте выполнения моста (Фиг. 3) для случая емкостного характера измеряемой комплексной величины, представленной последовательной схемой замещения, напряжение питания ветвей моста снимается со вторичных обмоток m, m, m 9 трансформатора 8, первичная обмотка mo которого подключена к источнику питания 1 (точками обозначены начала упомянутых обмоток) . В качестве формирователя 2 измерительного сигнала используется усилитель 9 с высоким коэффициентом усиления с образцовым активным сопротивлением 10 (R ) на входе и Иэме1 ряемым емкостным сопротивлением 11 .(@ в цепи отрицательной обратной связи. 8 качестве Формирователя 3 одной квадратурной составляющей образцового сигнала используется усилитель

12 с высоким коэффициентом усиления с образцовым активным сопротивлением

13 (B > ) и а входе и образцовым активным сопротивлением 14 (B ) в цепи отрицательной обратной связи, а в качестве Формирователя 5 другой квадратурной составляющей — усилитель 15 с

657359 сд

tgо = — (2) к о йг

Р К=" » аСк R 2

x m » p <дс и g Бык

Вг Кт

U 0

Вы» Вх >и (Вых

Ц m (Вык

Вк высоким коэффициентом усиления с образцовым активным сопротивлением 16 (R>) на входе и образцовым конденсатором 17 (Co) в цепи отрицательной обратной связи .

Звено с регулируемым и измеряемым коэффициентами передачи содержит широкополосный усилитель 18 постоянного тока с глубокой параллельной отрицательной обратной связью, осуществляемой через резистор 19 с проводимостью g< вспомогательный четырех- )0 плечий индуктивный мост, образованный двумя вторичными обмотками m трансформатора 8, имеющими равное количество витков, резистором 20 с проводимостью дг, двумя образцовыми источниками. 21 йостоянного напряжения с равными электродвижущими силами Е и полевым транзистором 22 с проводимостью g и измеритель 23 напряжения. Измерйтельная диагональ вспомогательного моста подключена ко входу усилителя 18, на выходе которого включен измеритель 23. Проводимость

g2 резистора 20 выбирается равной проводимости канала открытого полевого транзистора 22, поэтому, когда выходное напряжение U индикатора 7 равно нулю, вспомогательный индуктивный мост ока ывается уравновешенным. В результате переменная и постоЯннаЯ состанлЯющие U x и U 1„xíûõoÄ- 30 ного напряжения U,» й, следонательно, соответствующие коэффициенты передачи звена 4 оказываются равными нулю.

При увеличении напряжения U„вспомогательный мост выходит из состояния 35 равновесия, переменная и постоянная составляющие выходного напряжения и коэффициенты передачи также увеличиваются.

Так как усилитель 18 охвачен глубокой отрицательной обратной связью, то переменные сост анл яющи е выходного тока 1„вспомогательного моста и тока цепи обратной связи I2 усилителя можно считать равными, поэтому

Проводимости,, а и g на переменном и постоянном токах йрактически равны, так как проходная емкость исток-сток реальных полевых .транзисторов весьма мала и составляет О, 1-0,2пФ, а стандартная рабочая частота для мостов переменного тока равна 1 кГц. Следов ательн о, коэффициент передачи зве- 55 на 4 равен

Таким образом, н качестне измерите- 60 ля 23 коэффициента К передачи может быть использован отсчетный вольтметр постоянного тока.

В п1>оцессе раб >ты квазиуравнонешенного моста выходi«>е напряжение 0,„ин 05 дикатора раннонесия 7, ноздейстнуя на проводимость канала полевого транзистора, изменяет значение коэффициента

К передачи звена 4 до достижения состояния квазиравновесия, которое характеризуется квадратурой векторов напряжений Ux и U (Фиг. 2) .

Из векторной диаграммы следует, что при квазиранновесии моста учитывая, чъ о н апряжени е пит ани я на ветвь образцовой величины подается сс вторичных обмоток m и m 2 трансформатора 8, ныраж ение (2 ) можн о привести к виду или е учетом выражения (1) Таким образом, измеряемое отношение составляющих емкостного сопротивления пропорционально коэффициенту К передачи звена 4 и его отсчет производится по значению коэффициента передачи, который, в свою очередь, измеряется по показаниям (.)Вых отсчетного вольтметра постоянного тока, например, цифровогo вольтметра.

Регулировка пределов измерения осуществляется изменением образцовых элементов и числа витков соответствующих обмоток.

Предлarаекый мост может быть использован для измерения отношения составляющих комплексной величины емкостного характера, представленной по параллельной схеме замещения, при этом формироватепь 2 измеритепьного сигнала представляет собой непосредственно измеряемую комплексную величину Е к, а Формирователи 3 и 5 квадратурных составляющих образцового сигнала-образцовые активное сопротивление R и конденсатор С соответственно.

Повышение точности измерения обусловлено тем, что отсчет измеряемого параметра по значению коэффициента К передачи звена 4 позволяет исключить влияние переменного напряжения питания моста на результат измерения; измерение коэффициент; К передачи звена 4, пропорционального ted,, производится на постоянном токе; погрешность статизма усилителя 18 звена 4 стабильна и одинакова на переменном и постоянном токах, что обеспечивается стабильностью глубины отрицательной обратной связи данного усилителя, причем стабильность глубины отрицательной обратной связи у<>-нлителя звена 4 определяется тем, что регулиров657359

Формула изобретения

Фие Я ка его коэффициента передачи производится изменением эквивалентного сопротивления не в цепи обратной -связи усилителя, а на его входе.

Введение звена 4 с регулируемым и измеряемым коэффициентами передачи не в ветвь измеряемой комплексной величины, а в ветвь образцовой величины позволяет производить измерения в режиме заданного значения тока или напряжени я.

При з амен е образцового конденс атора 17 индуктивностью и введении звена с регулируемым и измеряемым коэффициентами передачи в ветвь образцового активного сопротивления 14 предлагаемый мбст может быть использован и для измерения добротности индуктивного комплексного сопротивления.

1. Квази„равновешенный мост для измерения отнсшения составляющих комплексной величины, содержащий источник питания, звено с регулируемым коэффициентом передачи, формирователь измерительного сигнала, подключенный к источнику питания, формирователь образцового сигнала, включенный между источником питания и блоком суммирования, и индикатор равновесия, соединенный с блоком суммирования и со звеном с регулируемым коэффициентом передачи, о т л и ч а ю щ и, и с я тем, что с целью повышения точности, в него введен второй формирователь образцового сигнала, включенный между блоком суммирования и звеном с регулируемым коэффициентом передачи и источником питания, при этом выход формирователя измерительного сигнала соединен с нульиндикатором.

2. Квазиуравновешенный мост для измерения отношения составляющих комплексной величины по и. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что звено с регулируемым коэффициентом передачи выполнено в виде вспомогательного моста, образованного двумя плечевыми обмотками трансформатора напряжения, двумя образцовыми источниками постоянного напряжения, образцовым резистором и полевым транзистором, и усилителем с образцовым резистором в цепи обратной связи, причем вход усилителя подключен к измерительной диагонали вспомогательного моста, а его выход, — к измерителю напряжения.

3. Квазиуравновешенный мост для измерения отношения составляющих

25 комплексной величины по п. 1, о т— ли чающий с я тем, чтоформирователи образцового и измерительного сигналов выполнены в виде усилителя с обратной связью.

Э0 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 304510, кл. G 01 R 17/10, 26.09. 69 °

2. Авторское свидетельство. СССР

9367388,кл.601817/14 22.0171 °

657359

Фиг Я

Тираж 1089 Подписное

11НИИПИ Государственного комитета С(CE> по делам иэобретений и- открытий

113035, Москца, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 1785/44

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель И. Бахтина

Редактор Т. Янова Техред Э.Чужик Корректор O. Билак