Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскмк

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61)Дополнительное к авт. свид-ву " (22) Заявлено 20.04. 81(21.) 3277270У18-21 (Я) М.Кл 3

6 01 R 27/02 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (53}УДК 621.317. . 3(088. 8) Опубликовано 301132.Бюллетень Мо 44

Дата опубликования описания 30;11. 82

В. В. Волохин, Ю. С. Шумков, Ю. Н. Самарцев,:- .Н. В, Har

A. Ф..Погребной, Г. A. Никифорова, В. П. Хиьфченкоб CQ," <. .-..

A. Ф. Миняйло и М. Ю. Сергеев,,,„

Ниеаский ардена Ленина полителннческий инстинкт "" -ть 1а ки. ба-ЛЕТИЯ Вапкисй ОКТЯбРЬСКОЙ Ссанааяотнтарасй Б!Ь„т ::С,-, f революции (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ AKTHBHOA И РЕАКТИВНОЙ

СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при определении активной и реактивной составляющих полных сопротивлений исследуемых двух и четырехполюсников.

Известен измеритель импеданса, содержащий задающий генератор и внешние зажимы для подключения исследуемого комплексного сопротивления, два последовательно соединенных эталонных резисторов, один из которых подклю.чен к общей точке, двухканальный стробоскопический преобразователь, индикаторы (13.

Недостатком устройства является большая (до 10%) погрешность измерения, обусловленная тем, что каналы стробоскопического преобразователя неидентичны. На коэффициенты передачи обоих каналов влияют выходные импедансы подключенных к ним источников преобразуемых сигналов, изменяющих постоянную времени цепи заряда накопительного конденсатора стробо» скопического смесителя. В результат измерения,, кроме того, входят муль.типлнкативйые погрешности преобразования обоих каналов, а также методи ческая погрешность из-за конечной длительности строб-импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является измеритель импеданса.

Устройство содержит задающий генератор, внешние зажимы для подключения исследуемого комплексного сопроеа тивления,один из которых соединен с общей точкой н подключен к последовательно соединенным двум эталон-. ным резисторам, два стробоскопнческих преобразователя,синхронизирующие входы которых подключены через последо15 вательно соединенные формирователь стробимпульсов, перестраиваемый генератор, фазовый детектор к выходу опорного генератора Г2)

Недостатком такого устройства является большая (до 10в) .погрешность. измерения. Она обусловлена неидентнчностью стробоскопических преобразователей, а также их высокой погрешностью преобразования. Основными соотавляющими этой погрешности являются: а) методическая погрешность стробоскопических Преобразователей из-за конечной длительности строб-импульсов (например, в диапазоне частот

1-100 МГц при длительности строб-им-.

978070 пульсов 0,5 нс погрешность достигает значений до 4Ъ}; б) погрешность коэффициентов передачи стробоскопических преобразова-. телей при изменении измеряемого со- противления в широком динамическом 5 диапазоне, так как при этом изменяется постоянная времени цепи заряда накопительного конденсатора стробоск1опического смесителя (например, при изменении в диапазоне 1000м - 10 кОм погрешность достигается значений до

5%); в) мультипликативная погрешность стрелоскопических преобразователей (достигает значений до 33).

Цель изобретения - повышение точности измерений в широком динамическом диапазоне.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления, содержащий задающий генератор, два эталонных. резистора, один из выводов первого эталонного резистора соединен с первым выводом второго эталонного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и с одним из зажимов для подключения измеряемого сопротивления, стробоскопический преобразователь, синхронизирующим входом подключенный через последовательно соединенные формирователь строб-импульсов, перестраиваемый генератор и фаз.овый детектор с выходом опорного генератора, введены последовательно соеди- 35 ненные преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый

- фильтр, выпрямитель, усилитель постоянного тока и источник света, последовательно соединенные второй фазо- 4р вый детектор, второй фильтр, фазочувствительный выпрямитель, цифровой вольтметр, вычислительный блок и цифровое отсчетное, устройство, а также автомат ческий пере юч т ль, усили- 45 тель некомпенсации, звено обратной связи, сумматор, первый и второй фоторезисторы, делитель частоты, цифровой омметр, индуктивность, причем второй вывод первого эталонного резистора и первый зажим для подключения измеряемого сопротивления через последовательно соединенные автоматический переключатель, стробоскопический преобразователь и усилитель некомпейсации соединены(с другим вхо- 55 дом первого фазового детектора и со . входом звена обратной связи, первый и второй выходы сумматора соединены соответственно с выходами задающего генератора и звена обратной связи, 60 а выход подключен к первому выводу первого эталонного резистора и через первый фоторезистор к первому зажиму для подключения измеряемого сопротивления, автоматический переключа- 65 тель, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты и с другим входом фаэочувствительного выпрямителя, а выход через индуктивность подключен ко входам преобразователя переменного напряжения в по-, с тоянное и второго фазового детектора, другим входом последнего соединен с выходом опорного генератора и со входом делителя частоты, два входа цифрового омметра подключены ко второму фоторезистору, à его выходк другому, входу вычислительного блока, источник света оптически связан с первым и вторым фоторезисторами.

На чертеже представлена структурная электрическая схема измерителя.

Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления .содержит сумматор 1, первым и вторым входами соединенный соответственно с выходами задающего генератора 2 и звена 3 обратной связи (например, резистивный,делитель напряжения), а выходом — с первыми полюсами первого фоторезистора 4 и первого эталонного резистора 5, вторые полюсы которых соединены непосредственно и через второй эталонный резистор.б соответственно с первым и вторым зажимами 7 и 8 для подключения измеряемого сопротивления 9 (к „ ) ., причем зажим 8 соединен с общей точкой из1мерителя, стробоскопический преобразователь 10, сигнальнйй вход которого через автоматический переключатель 11,(например, электромагнитное реле, герконы) соединен со вторыми выводами фоторезистора 4 и эталонного резистора 5, вход синхронизации подключен через последовательно соединенные формирователь стробимпульсов 12, перестраиваемый генератор 13 и первый фазовый детектор 14 к выходу опорного генератора 15, а выход через усилитель 1б некомпенсации соединен с другим входом первого фазового детектора 14 и со входом звена 3 обратной связи преобразователь 17 переменного напряжения в постоянное (например, преобразователь амплитудных, средних или действующих значений), вход которого через индуктивность 18 соединен с выходом автоматического переключателя 11, а выход подключен через последовательно соединенные первый фильтр 19, выпрямитель. 20 и усилитель постоянного тока

21 ко входу источника света 22 (йа имер, лампочка, светодиод), оптически связанного с первым 4 и вторым

23 фоторезисторами, цифровой.омметр

24, два входа которого подключены ко второму фоторезистору 23, второй фазовый детектор 25, первый и второй входы которого соединены соответственно со входом преобразователя 17 переменного напряжения в постоянное и с выходом опорного генератора 15, а выход подключен через последовательно соединенные второй фильтр 26 и фазочувствительный выпрямитель 27 ко входу цифрового вольтметра 28, вычислительный блок 29 (например, специализированный микропроцессор), подключенный к выходам цифрового омметра 24 и цифрового вольтметра 28 и ко входу цифрового отсчетного устройства 30, делитель 31 частоты, 10 вход которого соединен с выходом опорного генератора 15, а выход— с управляющим входом автоматического переключателя 11 и с другим входом фаэочувствительного выпрямите- 15 ля 27.

Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления работает следующим образом.

Автоматический переключатель 11 20 периодически подключают к сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10, а вторые выводы соответственно первого эталонного резистора 5 и первого фоторезистора 4 и 25 управляются прямоугольным напряжением делителя 31 частоты, на вход которого поступает напряжение опор-. ного генератора 15 фиксированной частоты. ЗО

В первый полупериод коммутации к сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10 подключается средний выход эталонных резисторов.

На входы сумматора 1 поступают высо- 35 кочастотное напряжение задающего генератора 2 и через звено обратной связи 3 напряжение компенсации промежуточной частоты с выхода усилителя 16 некомпенсации. Они суммируются 40 и через делитель напряжения, состоящий из эталонных резисторов 5 и 6, автоматический переключатель 11 подаются на сигнальный вход стробоскопического преобразователя 10, на 45 вход синхронизации которого поступают строб-импульсы а выхода формирователя 12 строб импульсов. Выходной сигнал промежуточной частоты стробоскопического преобразователя 10 через усилитель 16 некомпенсации, а также напряжение опорной частоты генератора 15 поступают на входы фазового детектора 14. Выходной сигнал фазового детектора 14 с помощью перестраиваемого генератора 13 изме" няет частоту повторения строб-импульсов на выходе формирователя 12 до тех пор, пока промежуточная частота выходного напряжения преобразователя 10 не станет равной опорной частоте. Таким образом, стробоскопический преобразователь 10 переносит амплитудно-фазовые соотношения входных сигналов на фиксированную промежуточную частоту, равную опорной .65 (например, 12,5 крц). На эталонном резисторе 6 выдепяется алгебраическая сумма двух напряжений высокой частоты U« z фиксированной промежуточной частоты Б „р„. В момент времени стробирования из мгновенных значений напряжения Б з„ вычитаются мгноV венные значения компенсирующего на.пряжения U» „, При этом на выходе стробоскопйческого преобразователя

10 Формируется разностйое напряжение некоменсации промежуточной частоты.

Оно усиливается и инвертируется усилителем 16 некомпенсации и через звено 3 обратной связи поступает на второй вход сумматора 1 ° При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 16 некомпенсации в моменты времени стробирования мгновенные значения напряжений Овцами Б„р становятся равным и разностное напряжение .-некомпенсации стремится к нулю.

Таким образом, стробоскопический преобразователь 10 охвачен глубокой отрицательной обратной связью по промежуточной частоте.

Во второй полупериод коммутации

-автоматический переключатель 11 подключает к сигнальному входу стробо скопического преобразователя 10 пер вый зажим для .подключении измеряемого сопротивления. Стробоскопический преобразователь 10, как и в первый полупериод, охвачен отрицательной обратной связью по промежутбчной частоте. Сумма высокочастотного напряжения задающего генератора 2 и напряжения компенсации промежуточной частоты с выхода сумматора 1 через делитель напряжения, состоящий из фоторезистора 4 и измеряемого сопротивления 9, автоматический переключатель 11 подается на сигнальный вход стробоскопического преобразователя 1Ц, На исследуемом сопротивлении 9 выделяется алгебраическая cym«a двух напряжений высокой частоты 13эч и Фи а сированной промежуточной частоты Пдр

В моменты времени стробирования иэ мгновенных значений напряжения Uqч

Ч вычитаются мгновенные значения компенсирующего напряжения У„р и за счет глубокой отрицательной обратной связи по промежуточной частоте происходит их взаимная компенсация. Разностнбе напряжение некомпенсации стремится к нулю. При этом исключается влияние сопротивления Z на коэффициент передачи стробоскопического преобразователя 10.

За счет действия глубокой отрицательной обратной связи по прояежуточной частоте, охватывающей в каждый из полупериодов коммутации стробоскопический преобразователь 10, в точках а и 6 формируются соответственно напряжения фиксированной промежуточ9 78070 и у;р = р<л <<-„ в (2 ной частоты Uä и 0 р, которые пол пР ностью повторяют амплитудно-фазовые соотношения высокочастотных напряже ний Пз<, и Ug

Измеритель может работать в составе информационно-измерительных систем и его быстродействие составляет величину порядка 50-100 мс. Напряжения б,„р„и Пд представляют собой трансформированные во времени со< 30 ответственно напряжения Б ц и Бз„

Поочередное подключение эталонной и измерительной цепей к сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10 не изменяет коэффициента его передачи,.

Через индуктивность 18 на вход преобразователя 17 переменного напряжения в постоянное (например, преобразователя амплитудных, средних: 20 или .действующих значений) поступает периодически повторяющаяся,с частотой коммутации последовательность пакетов напряжений U и Бд фик« сированной.промежуточной частоты. я5

При неравенстве этих напряжений на выходе первого фильтра 19, убирающего постоянную составляющую выходного напряжения преобразователя 17 переменного напряжения в постоянное, Фор-.30 мируется переменное раэностное напряжение с частотой коммутации, которое выпрямляется выпрямителем 20, усили вается усилителем 21 постоянного тока< и с помощью источника 22 света пре- щ образуется в световой поток, изменя« ющий значение сопротивления первого

Фоторезистора 4 до тех пор, пока не

Т, оиэойдет компенсация напряжений р „ и Ц,р по их амплитудным, средним либо действующим значениям. При достаточно большом коэффициенте усиле. ния усилителя 21 постоянного тока. разность напряжений UqJ и УпР уменьшается до весьма малой величины, определяемой статизмом системы регули 4 рования.

Световой поток источника 22 света одинакОво изменяет сопротивления обо их.фоторезисторов 4 и 23, которые подобраны в пару и имеют одинаковую температуру. При этом значения сопротивлений; обоих фотореэисторов 4 и 23 равны и измеряются с помощью цифрового омметра 24, подключенного ко второму фотореэистору 23. Значение сопротивления Фоторезистора 23 измеряется либо на постоянном токе, либо на переменном. Применение подобранных в пару двух фоторезисторов 4 и 23„ оптически связанных с одним источни-,60 ком 22:.светае исключает влияние вход- ной цепи цифрового омметра 24 на вы" сокочастотную измерительную цепь, в которую включено измеряемое сопротивление 9 (<."„ ). 45

Индуктивность 18 служит для разделения напряжений высокой и низкой фиксированной промежуточной частоты.

Периодически повторяющаяся последовательность пакетов напряжений

Бпр„ и Б„рд поступает также на первый вход второго фазового детектора

25; на второй вход которого подается напряжение опорной частоты генератьра 15. На выходе второго фильтра 26, убирающего постояннуЮ составляющую выходного напряжения фазового детек тора 29, Формируется переменное на-пряжение с частотой коммутации и амплитудой, пропорциональной разности фаз напряжений бп „ и 0„ . Оно посту1 пает на первый вход фазочувствитель-. ного выпрямителя 27, на другой вход которого подается выходное напряже« ние делителя 31 частоты, и выпрямляется, а затем измеряется с помощью цифрового вольтметра 28. Разность

Фаз напряжений промежуточной частоты UnJ,<и 0„ равна pBBHQGTH фаз высо-. кочастотных напряжений Us„ и U

Так как эталонные резисторы 5 и 3 выполнены безреактивными, то напряжение Узц„ по фазе совпадает с высокочастотным напряжением бэц, приложенным к последовательно соединенным Фоторезистору 4 и измеряемому сопротивлению 9 (fjr ). Разность фаз между напряжениями Uev u Use равна углу eL между вектороьЕсуммарного сопротивления Е Фоторезистора 4 и измеряемого сопротивления 9 (Е ) и вектором самого измеряемого сопротивления Еx . Сопротивление Е равно

Е - = Ех + Кф, где R - значение активного сЬпротивления Фотореэистора 4, который выполнен беэреактивным.

В вычистительный блок 29 вводятся по его входам коды значений активного сопротивления фоторезистора 4 и угла с с выходов, соответственно, цифрового омметра 24 и цифрового вольтметра 28. По этим значениям в вычислительном блоке 29 нетрудно вычислить активную и реактивную составляющие измеряемого сопротивления 9, которые индицируются цифровым отсчетныи устройством 30.

Из. треугольника сопротивлений

Z, Е„ и R@ по теореме синусов и по теореме косинусов можно записать со- ответственно два уравнения (l I " I ->Iхrl Iò"Iсова(<» где Ф - аргумент измеряемого сопротивлейия Е„. итуды высокочастотных напряжений зч„и Уэц равны, так как и

978070

10 скомпенсированы сортветствующие им напряжения промежуточной частоты

Б„р„и О„р . Следовательно, коэффициент передачи кд делителя напряжений, образованного резисторами 5 и б, равен

11„!

"a р =гю — (s) „+ а « у Ф д

sin 4

: sjrl Ч„=

Для частного случая, когда 4, = О, а К = 0,5, модуль )ZÄl равен сопро тинлению R+.

Иэ уравнений (4 ) и (5) получаем выражения для активной Re „ H реактивной Эп у„ составляющих йзмеряемого комплексйого сопротивления 2g.

Формула изобретения

Измеритель активной и реактивной

З0 составляющих полного сопротивлениу, содержащий задающий генератор, два эталонных резистора, один из выводов первого эталонного резистора соединен с первым выводом второго эта35 лонного резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной и с одним из зажимов для подключения измеряемого сопротивления, стробоскопиРф Ка.sincL .3

zx 1+Кд-2Ка. созЫ ческий преобразователь, синхронизи40 рующий вход последнего соединен через последовательно соединенные формирователь строб-импульсов; перестраиваемый генератор и фазовый детектор с выходом опорного генератора, о т45 л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений в широком динамическом диапазоне, в него введены последовательно соединенные преобразователь переменного напряжения в постоянное, перный фильтр, выпрямитель, усилитель постоянного тока, источник света, последовательно соединенные второй фазовый детек" тор, второй фильтр, фазочувствительный выпрямитель, цифровой вольтметр, вычислительный блок и цифровое от- .. счетное устройство, а также автоматический переключатель, усилитель некомпенсации, звено обратной связи, сумматор, первый и второй фоторезис40 торы, делитель частоты, цифровой ом» метр, индуктивность, причем второй вывод первого эталонного резистора и первый зажим для подключения измеряемого сопротивления через последо65 вательно соединенные автоматический

roe R„ R < — значения сопротивлений эталонных резисторов 5 и 6.

Решая совместно уравнения (i) (2) и(3), после несложных преобразо= наний получаем

Ре»

R .К

Z 4+К -2К - созс6

В предлагаемом устройстве измеритель с помощью одного и того же стробоскопического преобразователя осущестнляет поочередное преобразование высокочастотных напряжений 0эч„ и

Уец, периодически подаваемых йа его

Ч сигнальный вход с помощью автоматического переключателя. Причем амплитуды высокочастотных напряжений U и Оеч поДДеРживаютсЯ Равными. В Результате этого формируются с одинакоч вой методической погрешностью, возникающей из-за конечной длитегьности строб-импульсов напряжения промежуточной частоты 1 р„ и Б„рд . Высокочастотные напряжения U и Бе уравновеЯ шиваются путем уравновешивания напряжений U» и Б„р низкой фиксиронанной пр1 пр частоты. Поскольку для уравновешивания высокочастотных напряжений Бэч„ и U используется разность действуЕЧ1 ющих значений напряжений, 0„ и бп, то значения методической погрешности

"тробоскопического преобразователя йз-эа конечной длительности строб.импульсов взаимно исключаются при вычитании, и она нр, влияет на точность

t0

25 уравновешивания Уе„и 0е„, а следовательно, исключается из 1реэультатов измерений.

Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет один стробоскопический преобразователь вместо двух неидентичных. Измерение значения угла eL а также сам процесс уравновешивания высокочастоных напряжений меч„и Оеч происходят на низкой известной фиксированной частоте и поэтому могут быть осуществлены с большой точностью, порядка 0,1% + 0,2%.

При соответствующем подборе фоторезисторов 4 и 23 и условий их работы можно добиться неидентичности значений их сопротивлений порядка 0,1Ъ0,2%..С этой точностью измеряется цифровым омметром 24,значение сопротивления первого фотореэистора 4.

Суммарную погрешность измерений активной и реактивной составляющих полного сопротивления можно оценить примерно как у -0 5%.

978070

ВНИИПИ Заказ 9206/61 Тираж 717 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 переключатель, стробоскопический преобразователь и усилитель некомпенса-" ции соединены с другим входом первого фазового детектора и с входом звена обратной связи, первый и второй выходы сумматора соединены соответственно с выходом задаю@его генератора и звена обратной связи, а выход подключен к первому выводу первого эталонного резистора и через первый фоторееистор к первому зажиму для IO подключения измеряемого сопротивления, автоматический переключатель, управляюций вход которого соединен с выходом делителя частоты и с другим входом фазочувствительного выпря- 5 мителя, а выход через индуктивность подключен к входам преобразователя переменного напряжения в- постоянное и второго фазового детектора, соединенного другим входом с выходом опорного генератора и с входом делителя частоты, два входа цифрового омметра подключены ко второму фоторезистору, а его выход — к другому входу вычислительного блока, источник све- та оптически связан с первым и вто рым фоторезисторами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетелвство СССР,Р 597989, кл. G 01 R 27/26, 1978.

2. Патент СИА Р 3260936, кл. 324-57, 1966 (прототип) .