Цифровой мост переменного тока

Цифровой мост переменного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

®И 1з, мЧЕСКяй баблжотекя 95А

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ нц 5УО846 бааз баеетских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 01.12,75 (21) 2193840/21 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.08.77. Бюллетень № 32

Дата опубликования описания 31.08.77 (51) М, Кл. G 01, 1",10

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.317.733 (088.8) (72) Автор изобретения

Р. Д. Тучин (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относцтся к электроизмерительной технике и может использоваться при построении цифровых мостов переменного тока, предназначенных для измерения параметров комплексного сопротивления.

Известен цифровой мост переменного тока, содержащий источник питания, первый и второй детекторы равновесия, соединенные с уравновешивающими элементами, измерительную мостовую цепь, состоящую из трансформатора напряжения, компаратора токов, вспомогательного трансформатора и образцовых мер.

Относительно низкое быстродействие такого моста обусловлено наличием модуляционных, пробных воздействий, которые требуют дополнительных затрат времени.

Известен также цифровой мост переменного тока, который содержит источник питания, два детектора равновесия, соединенные с уравновешивающими элементами, фазочувствительный детектор, вход которого связан с первым детектором равновесия, измерительную мостовую цепь, состоящую из основного и вспомогательного трансформаторов напряжения, основного и дополнительного компараторов токов, между обмотками которых включены образцовые меры и зажимы для подключения объекта измерения, четырехполюсника с регулируемым элементом, связанного с входом усилителя.

Уравновешивание в таком мосте осуществляется безмодуляционным способом, благодаря чему достигается высокое быстродействие.

5 Этот мост наиболее близок к предлагаемому изобретению.

Его недостатки — узкий диапазон измерсния тангенса угла потерь и снижение точности измерения этого параметра по мере его

10 возрастания. Это обусловлено сложностью обеспечения устойчивой работы аналоговой системы регулирования, состоящей из усилительной части первого детектора равновесия, фазочувствительного детектора, четырехпо15 люсника с регулируемым элементом, усилителя, образцовой меры и соответствующих обмоток основного и дополнительного компаратора токов, при увеличении Кр системы (где

К вЂ” коэффициент усиления системы в ра20 зомкнутом состоянии, Р— коэффициент обратной связи), необходимом при измерении объектов с большим значением тангенса угла потерь.

Цель изобретения — расширения диапазо25 на измерения тангенса угла потерь и повышение точности его измерения.

Для этого предлагаемый цифровой мост переменного тока снабжен дополнительным уравновешивающим элементом, пороговым

ЗО устройством с электронными ключами, генератором тактовых импульсов и индуктивным делителем напряжения, состоящим из обмоток трансформатора напряжения и коммутирующих элементов, один из выводов которого подключен к выходу усилителя, а другой через образцовую меру — к дополнительной обмотке основного компаратора токов, при этом выход дополнительного уравновешивающего элемента связан с коммутирующими элементами индуктивного делителя напряжения, а вход через один электронный ключ— с выходом генератора тактовых импульсов, причем через другой электронный ключ регулируемый элемент четырехполюсника связан с выходом фазочувствительного детектора и входом порогового устройства.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого цифрового моста.

Мост содержит источник 1 питания, подключенный к первичной обмотке 2 трансформатора 3 напряжения, на котором, кроме других, имеются вторичные обмотки 4 и 5. Обмотка 4 питает ветвь, состоящую из измеряемого объекта 6 и обмотки 7 основного компаратора 8 токов. Обмотка 5 питает образцовую меру 9 и обмотку 10 компаратора токов 8, Число витков обмотки 5 регулируется при помощи уравновешивающего элемента 11, благодаря чему в мосте осуществляется дискретное уравновешивание основного измеряемого параметра (в нашем случае емкости), т. е. уравновешивание квадратурной составляющей магнитного потока, создаваемого ветвью измеряемого объекта в сердечнике основного

«oмпаратора 8. Синфазная составляющая этого потока уравновешивается двумя системами: дискретной системой регулирования, состоящей из индуктивного делителя 12 напряжения, образцовой меры 13, дополнительной обмотки 14 компаратора 8, индикаторной обмотки 15, усилительной части первого детектора 16 равновесия, фазочувствительного детектора 17, порогового устройства 18, входящих в него электронных ключей 19, 20, генератора 21 тактовых импульсов, дополнительного уравновешивающего элемента 22 и аналоговой системы регулирования, в которую входят образцовая мера 13, обмотки 14, 15, детекторы 16, 17, пороговое устройство 18, ключ 20, четырехполюсник 23 с регулируемым элементом 24 и усилитель 25. Значение синфазной составляющей измеряемого импеданса, уравновешенное в контуре основного компаратора 8 токов дискретной и аналоговой систем регулирования, переносится при помощи обмотки 26 в контур дополнительного компаратора 27 токов, состоящий из вспомогательного трансформатора 28, образцовой меры 29, второго детектора 30 равновесия, уравновешивающего элемента 31, управляющего регулировкой числа витков обмотки 32 вспомогательного трансформатора 28, обмотки 33 дополнительного компаратора 27, его индикаторной обмотки 34. Благодаря тому, что первичная обмотка 35 вспомогательного трансформатора 28 подключена к выходу регули570846

4 руемой обмотки 5 трансформатора 3, результат уравновешивания синфазной составляющей в контуре дополнительного компаратора

27 представляется на отсчетном табло цифрового моста в виде тангенса угла потерь. Вторичная обмотка 36 трансформатора 3 питает четырехполюсник 23.

Мост работает следующим образом.

При включении источника 1 питания в сер1п дечнике основного компаратора 8 токов возникает магнитный поток, пропорциональный измеряемому импедансу. Под действием этого потока в индикаторной обмотке 15 создается ток, который при помощи преобразователя

15 ток — напряжение, содержащегося в первом детекторе 16 равновесия, преобразуется в напряжение. Это напряжение усиливается и подается на фазочувствительный детектор 17, опорное напряжение которого выбирается

20 так, что его выходное напряжение является пропорциональным синфазной составляющей измеряемого импеданса. Выходное напряжение фазочувствительного детектора 17 поступает на вход порогового устройства 18, управ25 ляющего работой электронных ключей 19 и

20. Ключ 19 одним электродом подсоединен к генератору 21 тактовых импульсов, а другим — к входу дополнительного уравновешивающего элемента 22. Если выходное напрязп жение детектора 17 превосходит порог срабатывания порогового устройства 18, в работу вступает дискретная система регулирования синфазной составляющей. При этом ключ 19 замыкается и тактовые импульсы, вырабатываемые генератором 21, начинают поступать на вход дополнительного уравновешивающего элемената 22, управляющего коммутацией числа витков обмотки индуктивного делителя 12 напряжения. В результате воздействия выходного напряжения делителя 12 на образцовую меру 13 по обмотке 14 компаратора 8 токов потечет ток, создающий в сердечнике компаратора 8 магнитный поток синфазного характера, в значительной степени урав45 новешивающий синфазный поток, создаваемый ветвью измеряемого импеданса.

По окончании работы дискретной системы регулирования выходное напряжение фазочувствительного детектора 17 станет ниже по50 рога срабатывания порогового устройства 18 и последнее перейдет в исходное состояние. В этот момент в работу вступит аналоговая система регулирования, при этом ключ 19 разомкнется, а ключ 20, находившийся ранее в

55 состоянии «Разомкнуто», замкнется, и выходное напряжение фазочувствительного детектора 17 через ключ 20 начнет поступать на регулируемый элемент 24 четырехполюсника

23. На выходе четырехполюсника 23, пред60 ставляющего собой нулевую мостовую цепь, появится напряжение разбаланса, которое усилится усилителем 25 и добавится к напряжению, выработанному индуктивным делителем 12 напряжения. Это приведет к росту то65 ка в дополнительной обмотке 14, т. е. к росту

570846 б го компаратора 8 токов. Предположим, что все обмотки основного компаратора токов имеют равное количество витков. В этом случае можно записать

I„,= I„, — lÄ,, (6) 10

Г m4 UB I IX (7) где т4 — число витков включенных секцией обмотки индуктивного делителя 12 напяжения;

R0 — сопротивление меры 13;

U„„— напояжение, действующее на вы25 ходе усилителя 25

В свою очередь, U„, можно представить в виде (8) 30 где т — число витков обмотки 36; я — коэффициент, учитывающий передаточн ю функцию четырехполюсника 23; р — коэффициент, учитывающий крутизну регулиповочной характеристики элемента 24; у — коэффициент передачи фазочувствительного детектора 17;

Кь К2 — коэффициенты усиления усилителя

25 и усилительного тракта первого детектора 16 равновесия.

С учетом выра>кения (8) выражение (7) принимает вил

35 (2) где о — круговая частота.

С учетом выражения (2) выра>кение (1)

40 принимает вид

Upmini C + U mini

ы1., = л. — p + 431 а .

1 р (9) (4) где

5 синфазного магнитного потока, создаваемого этой обмоткой, и в конечном счете — к полной компенсации действия синфазного магнитного потока, создаваемого ветвью измеряемого импеданса.

То обстоятельство, что большая часть синфазного магнитного потока, создаваемого в сердечнике основного компаратора 8 токов ветвью измеряемого импеданса, уравновешивается дискретной системой регулирования, а оставшаяся, незначительная часть этого потока — аналоговой системой регулирования, позволяет существенно расширить диапазон измерения тангенса угла потерь и повысить точность его измерения. В этом легко убедиться, если вывести условия равновесия моста с учетом механизма работы его систем уравновешивания.

Для ветви измеряемого объекта предлагаемого цифрового моста можно записать 2 п,— (1)

p Zx где tel„, — ампер-витки ветви;

U, — напряжение источника 1 питания; то, m1 — число витков первичной обмотки

2 и вторичной обмотки 4 трансформатора 3 напряжения;

nI — число витков обмотки 7 основного компаратора 8 токов;

z,. — импеданс измеряемого объекта.

B случае измерения импеданса по параллельной схеме замещения его компонентов он может быть представлен в виде

Р, 1+ СР, Ампер-витки, характеризующие квадратурную составляющую со стороны ветви сравнения, определяются выражением

У,-,,, о1,,: - аС„

mp где 1„, — синфазный ток в ветви измеряемого объекта;

1„, — синфазный ток индикаторной обмотки 14;

l„, — синфазный ток дополнительной обмотки 13.

Ток 1„, можно представить следующим образом: где т. — число витков вторичнои обмотки б 5 50 трансформатора 3 напряжения;

n2 — RHCJIO BHTKOB O6MOTKH 10 OCHOBHOI о компаратора 8 токов;

C0 — емкость образцовой меры 9.

Сопоставляя выражение (4) и первыи член

55 правой части уравнения (3), находим (5)

mifli откуда следует, что прямои отсчет по емкости

60 обеспечивается регулировкой числа витков т2 обмотки.

Условие равновесия по активной составляющей находим, исходя из соотношения синфазных токов, действующих в ветвях основно8 = — — n)y. г З

mp o (10) Определив из выражения (9) 1,, и подставив его значение в выражение (б), находим л,к к.о

Rp — Um + ок1к20

12)

2 mÄÐI 2 — 4HcJIQ витков обмотки 33 goIIOJIHHтельного компаратора 27 токов; где

Ампер-витки ветви сравнения дополнительного контура уравновешивания описываются выпа>кением

570846 где,т, у, — К,К,0 R„K,К,9 (i7) 1ь 1> — число витков первичной обмотки

35 и вторичной обмотки 32 вспомогательного трансформатора 28;

R< — сопротивление образцовой меры 29.

Так как обмотка 2б дополнительного компаратора 27 токов обтекается одним и тем >ке током, что и обмотка 14 основного компаратора 8 токов, выражения (11) и (12) можно приравнять друг к другу. Воспользовавшись значением I,, представленным вторым членом правой части выра>кения (3), получим

У„т п, RдК К О г гтг4"2

R.v Rp — гm4 + 1 о%%0 тА Rz

, (13) откуда

R = — — — — - 14) (1 о — Uгmz + RvKzKР) nzl n>

Имея в виду, что выбранная для примера 20 измерительная цепь имеет параллельную схему замещения, для которой

tg3 (15)

25 и подставляя в выражение (15) выражения (13) и (5), получим

lzn> 1 (zRz» (1+ — — — ), (16) (oC()Rz ) К К,9 R„К КО 30 погрешность измерения, обусловленная ста- З5 тизмом аналоговой системы регулирования, а также параметрами индуктивного делителя

12 напряжения и меры 13.

Из выражений (1б) и (17) следует, что:

1) погрешность измерения по тангенсу уг- 40 ла потерь, вносимая параметрами индуктивного делителя 12 напряжения и нестабильностью меры 13, уменьшается действием аналоговой системы регулирования в К К О раз.

Это позволяет в качестве коммутирующих 45 элементов индуктивного делителя 12 напряжения использовать любые полупроводниковые ключи;

2) составляющие погрешность б имеют противоположные знаки, благодаря чему общая 50 погрешность измерения тангенса угла потерь уменьшается.

В связи с тем, что большая часть синфазного потока, создаваемого в компараторе 8 токов измеряемого импеданса, компенсируется 55 дискретной системой, паразитные параметры

8 которой резко уменьшаются действием аналоговой системы регулирования, становится возмо>кным измерение больших значений тангенса угла потерь.

Так как аналоговая система регулирования компенсирует лишь небольшую часть синфазного потока, ее Кр может быть небольшим ! что способствует повышению устойчивости работы моста в широком диапазоне частот, упрощает конструкцию аналоговой системы, повышает точность измерения тангенса угла потепь.

Таким образом, в предлагаемом мосте диапазон измерения тангенса угла потерь существенно расширяется, точность измерения этого параметра повышается, причем требования, предъявляемые к системам регулирования синфазной составляющей измеряемого импеданса как с метрологической, так и с конструктивной точек зрения упрощаются.

Формула изобретения

Цифровой мост переменного тока, содержащий источник питания, два детектора равновесия, соединенные с уравновешивающими элементами, фазочувствительный детектор, вход которого связан с первым детектором равновесия, измерительную мостовую цепь, состоящую из основного и вспомогательного трансформаторов напряжения, основного и дополнительного компараторов токов, между обмотками которых включены образцовые меры и зажимы для подключения объекта измерения, четырехполюсника с регулируемым элементом, связанного с входом усилителя, отл ич а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения по тангенсу угла потерь и повышения точности его измерения, он снабжен дополнительным уравновешивающим элементом, пороговым устройством с электронными ключами, генератором тактовых импульсов и индуктивным делителем напряжения. состоящим из обмоток трансформатора напряжения и коммутирующих элементов, один из выводов которого подключен к выходу усилителя, а другой через образцовую меру — к дополнительной обмотке основного компаратора токов, при этом выход дополнительного ура вновешивающето элемента связан с коммутирующими элементами индуктивного делителя напряжения, а вход через один электронный ключ — с выходом генератора тактовых импульсов, причем через другой электронный

«люч регулируемый элемент четырехполюсника связан с выходом фазочувствительного детектора и входом порогового устройства.

570846

Составитель П. Лягин

Редактор Е. Караулова Техред А. Степанова Корректор Е. Хмелева

Заказ 1931/11 Изд. № 688 Тираж 1109 Подписное

НПО Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 5Ê-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2