Способ раздельного измерения параметров комплексных иммитансов индуктивного характера

 

(72) Авторы изобретения

»1 ° 1г

A.À.Tþêàâèí и А.A.ÊîëüöîB 1 -";.

Э

1 -. . ""-"- - ::.ьл .

Куйбышевский институт инженеров железнодорожного транспорта

f Vl ) Заявитель (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

КОМПЛЕКСНЫХ ИИИИТАНСОВ ИНДУКТИВНОГО

ХАРАКТЕРА

1

Изобретение относится к электро-. иэмерительной технике и может быть использовано для раздельного измерения параметров L, О или L, tgd"катушек индуктивности и других компS лексных сопротивлений и проводимоатей индуктивного характера в,расши- ренном диапазоне значений добротности.

Известен способ раздельного измерения параметров L, Q или L, tgd". комплексных сопротивлений и проводимостей индуктивного характера с помощью уравновешенного частотно-независимого четырехплечего моста (1).

Недостатком этого способа является резко возрастающая продолжитель- . ность. измерения при значениях добротности (измеряемых компгексных иммитансов, меньших 1, что объясняется малым значением угла сходимости моста.

Известен способ измерения параметров L, Q комплексных сопоотивлений индуктивного характера с помощьь моста Иаксвелла, содержащий три операции раздельного уравновешивания по фазовому методу. При первой операции с помощью осциллографа, включенного по фазочувствительной схеме, запоминают остающийся неизменным при всех операциях уравновешивания сдвиг по фазе между напряжением на одном из плеч отношения моста и напряжением питания. Операция заканчивается сведением эллипса на экране осциллографа в прямую линию регулировкой фазовращателя в одной из входных цепей ос-. циллографа. При второй операции ус" танавливают фазовый сдвиг, который запоминался при первой операции, между напряжением на измерительной диа- . гонали моста и напряжением на другом плече отношения регулировкой активного сопротивления, включенного в это плечо. Операция заканчивается сведе- . нием эллипса на экране в прямую линию. При третьей операции регулиров 3. 91886, кой активного сопротивления в плече сравнения уравновешивают мост до нулевого показания осциллографа, переведенного в амплитудный режим индикации (2 .

Недостаток -известного способа заключается в низкой точности измерения из-за сильного влияния погрешности установки фазовых сдвигов при проведении первой и второй операций раз- 1р дельного:уравновешивания на полноту., достигаемого равновесия моста по амплитуде по окончании третьей завершающей операции. Погрешность измерения с уменьшением добротности 1у объекта измерения. растет, принимая . недопустимые значения, так как пог-, решность фазового указателя, используемого в мосте, становится соизмеримой со значениями устанавливаемых с его помощью фазовых сдвигов. Низкая точность измерения .обусловлена также шунтирующим влиянием входных цепей фазового указателя на плечи моста при проведении первой и второй И операций раздельного уравновешивания.

Кроме того, мост, реализующий известный способ измерения, содержит в плече сравнения образцовую индуктивность, что затрудняет раздельный отс-щ

: чет. Мост также характеризуется низкой помехозащищенностью из-за отсутствия общей заземленной точки у входных цепей фазового указателя и источника питания при проведении второй операции уравновешивания .

Целью изобретения является расширение диапазона измерения добротности и тангенса угла потерь при ю уменьшении времени и повышении точности измерения индуктивности, добротности и тангенса угла потерь.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу раздельного .измерения .параметров комплексных им45 пульсов индуктивного характера, со держащему операции уравновешивания по фазе частотнонезависимого моста путем регулировки одного из параметров при ряде значений второго параметра до установления состояния равновесия моста по амплитуде, при котором отсчитывают измеряемые параметры по значениям двух регулируемых параметров, значения второго параметра задают по методу взвешивания в соответствии со знаком фазы выходного сигнала моста относительно опор4 4 ного напряжения после каждого уравновешивания моста по фазе.

Вследствие однозначного соответствия между значением второго параметра, взятым по избытку или недостатку относительно значения этого параметра, отсчитываемого по окончании процесса измерения, и знаком фазы выходного сигнала моста относительно опорного напряжения после каждого уравновешивания моста по фазе регулировкой первого параметра процесс уравновешивания моста по амплитуде является направленным. Число необходимых уравновешиваний моста по фазе определяется только погреш-. ностью отсчета второго регулируемого параметра, значения которого задают по методу взвешивания, и не зависит от значения добротности или тангенса угла потерь объекта измерения. Поэтому предлагаемый способ и становится возможным для раздельного измерения параметров Ь, g комплексных.сопротивлений и L, 1дс4 комплексных проводимостей индуктивного характера в расширенном диапазоне добротности и расширенном диапазоне тангенса угла потерь измеряемых иммитансов или малой продолжительности измерения.

Благодаря достижению полного рав-.. новесия моста по амплитуде при отсутствии шунтирующих влияний входных цепей используемого в операциях уравновешивания моста по фазе детектора коллинеарности на плечи моста предлагаемый способ характеризуется повышенной точностью измерения.

На фиг. 1 изображена схема моста, реализующего предлагаемый способ в случае измерения комплексных сопротивлений индуктивного характера; на фиг. 2 - области расположения векторов выходного тока моста на оси, совпадающей по направлению с вектором опорного напряжения, при двух видах неравенств .между выставленным и отсчитываемым значением параметра, регулируемого па методу взвешивания в соответствии со знаком фазы выходного тока уравновешенного моста по фазе;. на фиг. 3 - характер изменения проекции выходного тока на ось мнимых чисел комплексной плоскости вещественная ось которой совпадает по направлению с векто-ром опорного напряжения, при i-том уравновешивании моста по фазе. (2) (9188

Иост садержит плечо 1 сравнения, состоящее из регулируемых резисторов, 2 и 3, образцового конденсатора 4, включенного параллельно резистору 3, Т-цепь 5, продольные плечи которой образуют образцовые резисторы 6 и 7„ а поперечным плечом служит объект 8 измерения, детектор 9 коллинеарнос" ти, т.е.детектор, позволяющий установить синфазность и противофазность о двух синусоидальных активных величин с указанием знака установленного фазового сдвига. В качестве детектора . коллинеарности можно применить фазочувствительный нуль-индикатор с сост->s ветствующей электронной схемой индикации знака фазы, зажимы 10 - 17.

Иост (фиг. l) описывается следующим уравнением равновесия, легко по" лучаемым по .методу коэффициентов пре-2в образования:

R +R + —. =. „- (R„+

RyRg U а х+3 " x u

1. (1)

Ч 1 К1 jACK 1 . 25 где U - напряжение на зажимах 1Î и 11;

Uj - напряж ние на зажимах 16 и 17;

R,L - параметры объекта 8 измерения; частота источника питания;

-К„,R - регулируемые активные соп-. ротивления резисторов 2 и 3;

С - .емкость образцового конденсатора 4;

R, R — сопротивления образцовых . резисторов 6 и 7.

Из уравнения (1) видно, .что иост 4в (Фиг. 1).частотнонезависим.

Заменив в (1) отношение. противофазных напряжений источников питания

О,U отношением. чисел витков.при использовании, например, вторичных; 45 обмоток W и W трехобмоточного трансформатора напряжения с тесной индуктивной связью в качестве источников противофазных напряжений, полу" чаем при выполнении условия

Rq= —, . (R)+Ry)

W1

Wg. следующие расчетные формулы:

4)(= — - R+ 4C ;

1 1 (3)

{{ „= ы с Я (4)

° из которых видно, что мост характеризуется раздельным отсчетом измеряемых параметров L y и Qg, причем 1.х

64 6

t отсчитывают по числу витков Ъ „, а по сопротивлению R, Выполнение условия (2) не вызыва" ет затруднений: необходимо, чтобы числа включенных ступеней каждой декады R „ и W были одинаковыми, причем значение ступени младшей декады R „равно R+ Е (5)

Ы,2

Перед началом измерений по предлагаемому способу производят предварительную операцию после подключения объекта 8 измерения в поперечное плечо T-цепи 5 устанавливают фазу опорного напряжения U<„между зажимом 15 и общей шиной, равной фазе выходного тока Д, текущего от зажима 13 к Т-цепи 5 в режиме короткого замыкания ее. При этой предварительной операции регулируют фазу опорного напряжения О „ по показа ниям детектора 9 коллийеарности,вход" ной зажим 14 которого подсоединен к ! выходному зажиму 13 Т-цепи 5 и от,соединен от выходного зажима 12 пле ча 1 сравнения. Входное сопротивление .детектора 9 коллинеарности пренебрежимо мало по сравнению с выходным сопротивлением Т-цепи 5. Поэтому установленный в конце предвари« тельной операции угол атд О оп равен фазе выходного тока 3g Т-цепи в равновесном состоянии моста по амплитуде.

После предварительной операции проводят операции уравновешивания моста по фазе, т.е. проводят уравно" вешивания по фазе выходных токов 3< плеча 1 сравнения и 3 > Т-цепи 5 регулировками числа витков W q u связанного с ним регулируемого резис тора 2. При этих операциях плечо l ,сравнения, T-цепь 5,детектор 9 кол-! линеарности соединены так, как пока" зано на фиг. 1. При всех операциях уравновешивания по фазе выполняется условие: выходное сопротивление мос.та между точкой соединения зажимов

12, 13 и общей шиной измерительной диагонали остается значительно большим, чем входное сопротивление детектора 9 коллинеарности.

Операции уравновешивания по фазе проводят при значениях резистора 3, которые задают по методу взвешивания по знаку фазы выходного тока д 1, протекающего по цепи от точки соединения зажимов 12 и 13 к зажиму 14, относительно опорного напряжения Ооп

918864 по окончании предыдущей операции уравновешивания по фазе, так как синфазности векторов д3 (векторы

0f; ОГ; 03; 06; 07 на фиг. 2) и вектора Ой соответствует неравенство

1 2о а сдвигу на 180 между ними (векто- ры 000„ Я фиг. 2) соответствует неравенство

R (КЪО, (7) 0 где R g0 отсчитываемое значенид Rg, т.е. согласно (4) К = -« "—

20 У 0

При уравновешиваниях моста rio Фазе число витков Wq регулируют по показаниям детектора 9 коллинеарности, реагирующего при W = айаг на знак и на величину проекции тока ьД на ось мнимых чисел в комплексной плоскости, вещественная ось которой параллельна вектору U0„(ôèã. 3) .

Первое уравновешивание моста (фиг. 1) по фазе проводят при R =Q>, где R >- максимальное значение для данного поддиапазона добротности, 5 в котором находится значение Q . Ес- ли по окончании первого уравновешивания по фазе детектора 9 коллинеарности покажет совпадение вектора Э по фазе с U>>, то второе уравновешивание моста по фазе проводят при .Rg= R > (1-0,5) . Если по окончании второго уравновешивания моста по фазе детектор 9 коллинеарности покажет опять наличие синфазности между as д3 и 000, то третье уравновешивание моста по фазе проводят spa R =Ry „ (1"0,5-0,25) и т.д.. Уравновешивания моста по фазе при 40 все меньших весах изменения параметра резистора 3 проводят до тех пор,,пока .не будет выполняться с погрешностью до одного отсчитываемого в младшем разряде знака параметра ре- 4s зистора 3 расчетное соотношение (4).

При выполнении (4) уравновешенный по фазе мост удовлетворяет и расчетному соотношению (3), т.е. является уравновешенным и по амплитуде. 50

Указанные погрешности установки фазы опорного напряжения и коллинеарности между д 3 и О0п не влияют на

55 выбор значений Ry,так как при выборе значений параметра Rg, задаваемого по.Число уравновешиваний моста rio фазе невелико: оно равно 7; 10; 14;

17 при отсчете соответственно 2-х;

3"x; 4-х и 5-ти знаков параметра ре- зистора 3 в десятичной системе счисления при любых значениях Q„.

Отметим, что уравновешивания моста по фазе регулировкой одной переменной Wq являются направленными, так как "(фиг. 3) при неравенстве

WÄ< W« (9) где Н„„ - значение W„, соответствую-, щее коллйнеарности между ь5 и U« no окончании i-oro уравновешивания по

1 фазе, указанная проекция .ЪЫ положительная, а при

W „ W„; (10) принимает отрицательные значения.

При W > W<„.абсолютное значение проекции ЛпЫ с увеличением W монотонно возрастает. Это обстоятельство также можно использовать для выработки воздействий по изменению 1Ч„ при уравновешиваниях моста по Фазе.

С приближением к полному равновесию моста по амплитуде последние уравновешивания моста по фазе протекают значительно быстрее, чем первые операции уравновешивания моста по фазе, так как последние веса изменения резистора 3 малы.

Итак, процесс уравновешивания моста по амплитуде проводят за заранее известное и достаточно малое количество операций направленного уравновешивания по фазе регулировкой переменной W<. Поэтому процесс уравновешивания моста по амплитуде является быстросходящимся при любых значениях Q» измеряемого иммитанса.

Погрешности установки фазы опорного напряжения при предварительной операции, а также погрешности установки коллинеарнасти между а3 и Up при уравновешиваниях по фазе выходных токов 5g и 3g не оказывают влияния на точность измерения, так как мост в конце измерения по предлагаемому способу уравновешен по амплитуде.

Не оказывают влияния на точность измерения и входные цепи детектора 9 коллинеарности, так как одна из них (фиг. 1) включена в измерительную диагональ моста между точкой соединения зажимов 12, 13 и общей шиной, а другая подключена к. источнику опорного напряжения ПАП. методу взвешивания, используется знак фазы выходного тока h D относительно

000,. а не значение ее. При измерении

10

Способ раздельного измерения параметров комплексных иммитансов индук" тивного характера, содержащий операции уравновешивания по фазе частотнонезависимого моста путем регулировки одного параметра при ряде значений второго параметра до установления равновесного состояния моста по амплитуде, при котором отсчитывают измеряемые параметры по значениям двух регулируемых параметров, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения добротности и тангенса угла потерь при уменьшении времени и повышении точности измерения индуктивности, добротности и тангенса угла потерь, значения второго параметра задают по методу взвешивания в соответствии со знаком фазы выходного сигнала моста относительно опорного напряжения после каждого уравновешивания моста.по фазе.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Измеритель L, С, R универсальный EL- 11. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, с. 5, 7..

2. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А.

Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока. 1961, с. 124- 126 (прототип).

9,9188 иммитансов с очень низкими значениями Q для обеспечения сходимости процесса уравновешивания моста по . амплитуде необходимо применять детектор коллинеарности с высокой разре- 5 шающей способностью к значению проекции ЗаьЗ (фиг. 3), а также точно устанавливать при предварительной операции равенство между argU@n и фазой

3 g в режиме короткого замыкания Т-це- 0 пи.

Иост, реализующий предлагаемый способ., характеризуется хорошей помехозащищенностью благодаря наличию общей заземленной точки у обоих входов детектора 9 коллинеарности, источников питания, подключаемых к зажимам 10 и 11, 16.и 17 и источника. опорного напряжения, подключаемого к зажиму 15, - общая . шина объекта 20 измерения 8 и регулируемого резистора 3, а также благодаря использова-. нию в. качестве регулируемого параметра числа витков М .

При измерении по предлагаемому . 5 способу комплексных проводимостей индуктивного характера Зу = (1/Ry)+

+(1/j«x) объект измерения также расположен в поперечном плече Т-цепи

5 (фиг. 1) . При этом в плече 1 срав- 30 нения образцовый конденсатор 4 и регулируемый резистор 3 включены между собой последовательно. Уравнение . равновесия моста имеет вид и К +К,Р (— + —. ) =

1 1 з5

4 В 4 Ry, jxL<

= -А (R +RK+ —. ) (11)

Nt 1

W 1 1 3 и)С

При выполнении условия (2) имеем следующее выражение для измеряемого тангенса угла потерь;

tgQ= u)CgR (12)

Измеряемая же ийдуктивность, как .и в случае измерения комплексных сопротивлений 2 < = R<+ju)Lg, определяет- 4s ся по формуле (3) °

Процесс уравновешивания моста по амплитуде в случае измерения комплек сных проводимостей 3 аналогичен процессу уравновешивания по .амплиту- . де при измерения Z . Однако соответствие знаков фазы ьд относительно

U рп с неравенствами (6) и (7) здесь обратное, т.е. синфазность между .63 и Upn соответствует неравенству

55 (7), и противофазность - неравенству (б).

Таким образом, предлагаемый способ характеризуется раздельным частотнонезависимым измерением парамет" ров L, О и L, tg д" комплексных иммитансов индуктивного характера в ши-. роком диапазоне добротности измеряемых иммитансов, включающем десятые и сотые доли единицы и, соответственно, в расширенном на два порядка в сторону больших значений диапазоне тангенса угла потерь, при высокой точности и малой продолжительности измерения. Процесс измерения легко может быть автоматизирован.

Применение изобрет ния может привести к созданию уравновешенных частотнонезависимых мостов как для ручного, так и автоматического раздельного измерения комплексных сопротивлений и проводимостей индуктивного характера в расширенном не менее,чем на два порядка в сторону низких значений диапазоне добротности и, соответственно, в расширенном на два порядка в сторону больших значений диапазоне.тангенса угла потерь по сравнению с известными мостами.

Формула изобретения

9.1:8864

Фйг. Р

Составитель В.Семенчук

Редактор О. Половка Техред Л. OeKapb КорректорН.Швыдкая

Заказ 2130/27 Тираж 719 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Рауаская наб., д. 4/5

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