Цифровой мост переменного тока

О П И" С-А Н И Е Союз Советских Социгепистических Республик(51) М.Кл,2 С 011 е, 17/10 Государстеенногй комитетСовета Министров СССРпо делан изобретенийи открытий(54) ЦИФРОБой 1Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться при построении быстродействующих цифровых мостов переменного тока.Известен цифровой мост, 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. Недостатком такого моста является относительно низкос быстродействие, обусловленное наличием модуляционных, пробных, воздействий, кото. рые требуют дополнительных затрат времени.Цель изобретения - повышение быстродействия моста путем улучшения сходимости, развязки контуров и одновременного безмодуляционного уравновешивания измеряемых параметров.Это достигается тем, что в предлагаемое устройство введены дополнительный компаратор токов, фазочувствительный детектор, вход которого связан с первым детектором равновесия, четырехполюсник с регулируемым элементом, связанным с выходом фазочувствительного детектора, а также усилителем, вход которого подкгцочец к выходу четырехполюсника, а выход - к образцовой мере, связанной с 2дополнительной обмоткой основного компаратора токов, включенной последовательно с плечевой обмоткой дополнительного компаратора токов, другая плечевая обмотка которого подключена к образцовой мере, связанной со вспомогательным трансформатором.На чертеже приведена принципиальнаясхема предлагаемого цифрового моста,Источник питаггпя 1 подключен к генераторной обмотке ггг, трансформатора напряжения 2, который содержит вторичные обмотки ггг ггг 2 и гггз, Под действием напряжения обмотки гггг объект измерения 3 и обмотка и, компаратора токов 4 обтекается током, воз буждающим в компараторс магнитный поток,пропорццональньгй импедансу измеряемого объекта. Квадратурцая составлгпощая этого потока уравновешивается путем дискретной регулировки числа витков обмотки гггг, питающей образцовую меру 5 и обмотку гг 2 компаратора токов 4. Синфазная составляющая компенсируется при помощи аналоговой системы автоматического регулирования 6, возбуждающей в компараторе токов 4 посредством дополнительной обмотки гг 1 магнитный поток сицфазного характера, равный по амплитуде и противоположный по фазе синфазной составляющей магнитного потока, создаваемого вствью измеряемого объекта, гтооиг ходит 3 О это следующим образом.3Результат взаимодействия магнитны.; потоков, создаваемых токами, обтекающими обмотки и и п, воспринимается индикаторной обмоткой и,. Выходной ток этой обмотки при помощи входного устройства (преобразователя ток - напряжение) первого детектора равновесия 7 преобразуется в напряжение, которое в дальнейшем усиливается и подается раздельно на входящее в состав детектора равновесия устройство анализа приращений, возникающих при уравновешивании квадратурной составляющей, и на фазочувствительный детектор 8, К фазочувствительному детектору 8 подводится опорное напряжение, которое выбрано таким образом, что на выходе детектора 8 образуется напряжение постоянного гока, пропорциональное синфазной составляющей измеряемого импеданса. Это напряжение посредством регулируемого элемента 9 (например, оптрона или полевого транзистора) управляет коэффициентом передачи четырехполюсника 10, выходное напряжение которого подводится к входу усилителя 11. Выход усилителя подключен к образцовой мере 12 (ЯО), соединенной с дополнительной обмоткой и компаратора токов 4, вследствие чего последняя обтекается током синфазного характера.В результате, при противоположной намотке обмоток и, и и 4, в компараторе токов 4 имеет место полная компенсация синфазной составляющей его магнитного потока. Так как дополнительная обмотка п, компаратора токов 4 включена последовательно с обмоткой допол. нительного компаратора токов 13, обмотка п обтекается одинаковым с обмоткой п током, благодаря чему при и =п 4 в дополнительном компараторе токов 13 возбуждается магнитный поток, по характеру и амплитуде равный потоку, создаваемому обмоткой п, а значит и синфазной стоставляющей потока, создаваемого обмоткой и,. Иначе говоря, синфазная составляющая магнитного потока, создаваемая в компараторе токов 4 ветвью измеряемого объекта, переносится в дополнительный компаратор токов 13. Здесь она уравновешивается прн помощи ветви, состоящей из регулируемой обмотки 1, вспомогательного трансформатора 14, образцовой меры 15 (Я) и обмотки и, дополнительного компаратора токов 13.Коммутация витков обмотки 1 осуществляется уравновешивающим элементом 16, который управляется вторым детектором равновесия 17.Коммутация витков обмотки т осуществляется при помощи уравновешиваюшего элемента 18, связанного с первым детектором равновесия 7.Таким образом, в мосте образуются два независимых контура регулирования: контур регулирования квадратурной составляющей и контур регулирования синфазной составля ощей, изменение измерительных состояний в каждом из них не приводит к появлению паразитных сигналов, т. е. они оказываются пол постыл развязанными и взаимно независимЫ- ми, благодаря чему уравновешивание мосга может осуществляться одновременно и безмодуляционным способом. Линии уравновешива Б ния такой мостовой цепи в достаточной степени ортогональны.Сказанное вытекает из условия равновесиямоста с учетом особенностей входящих в его состав узлов и их связей, Для ветви измеряе мого объекта предлагаемого цифрового мосгаможно записать дтпл 1 У гЙ 1 л, -ипЕх1 Б где У 1, - ампер-витки ветви;У- напряжение источникания 1;Я, - измеряемый импеданс.В случае измерения по параллельной схеме20 замещения компонентов измеряемого импеданса он может быть представлен в видеЛх1+ О)Г й(2) 25 где С,. и Й,. - компоненты измеряемого импеданса;и - круговая частота,С учетом (2) выражение (1) запишетсяследующим образом30КУ - "+ "1 сзС(х) (3)ОР, оАмпер-витки, характеризующие квадратурную составляющую со стороны ветви сравнения, определяются выражением Р /пй 2С (4)0 40 Сопоставляя (4) и второй член правой части уравнения (3), получают(5) 4; откуда видно, что прямой отсчет по емкостиобеспечивается регулировкой числа витков обВыражение, характеризующее состояниеравновесия по синфазной составляющей, находят путем анализа работы аналоговой системы автоматического регулирования. Воспользуемся выражением для ампер-витков индикаторной обмотки п, компаратора токов 4 У 17 пО = оп - (%7 п 4 + У 1 п). (6)Переходя к токам, а также учитывая, чтосистема автоматического регулирования реагирует только на синфазную составляющую магнитного потока компаратора 4, при ю = п получают60(7) 1 пз = 1 ю - 7 Л 4 Ток 1 п, можно представить как результатвоздействия выходного напряжения усилитебь ля 11 на образцовую меру 12 (РО), т. е.(14) ГДЕ Ув 11 х - ВЫХОДНОЕ НаПРЯжЕПИЕ ЧЕтЫРЕХПО- л юси ика 10. В свою очередь Свых можно представить ввиде вых С 21 У 1 П 31112 (9)тюгде и - коэффициент, учитывающий передаточную функцию четырехполюсника 10;р - коэффициент, учитывающий крутизнурегулировочной характеристики элемента 9;у - коэффициент передачи фазочувствительного детектора 8;ЙА - коэффициенты усиления усилителя 11и усилительного тракта первого детектора равновесия 7.Подставляя далее (9) в (8), получают 1 П 4 = 1 ПЗ 112 Я, (10) где Я - коэффициент, учитывающий передаточные функции аналоговой системыавтоматического регулирования.(1 1)тюДюПодставляя (10) в (7) и решая (7) относительно 1 п 4, получают24201 п 4 = 1 П Из выражения (12) видно, что токи 1 п 4 и 1 п, могут быть достаточно близки друг другу. Например, при й,lг=10000 и Я=1 (что выполняется практически без особых затруднений), разница между этими токами составляет всего лишь 0,01%, так как имеет место довольно полная компенсация.Так как обмотки п 4 и и, (дополнительный компаратор токов 13) обтекаются одним и тем же током, то при п 4 -- и, для ампер-витков У 71 П, с учетом (3) можно записать Ветвь сравнения дополнительного контура регулирования (контур регулирования синфазной составляющей) описывается выражением Сравнивая (14) и (13), получаютР тА.12 А (15)тайг(1 + ф 12 А) бгде 12 - обмотка трансформатора 14.Имея в виду, что выбранная для примераизмерительная цепь предлагаемого цифрового моста имеет параллельную схему замеще ния компонентов измеряемого объекта, для ко- торой пользуясь (15) и (5), находят погрешность измерения, определяемая статнз мом аналоговой системы автоматического регулирования, значение которой при указанных выше величинах коэффициентов 1 г 1, Й 2 и Я исчезающе мало.ПряМОй ОтСЧЕт 11 убх, КаК ЭтО СЛЕдуЕт ИЗ 30 (17), обеспечивается регулировкой числа витков обмотки 1, вспомогательного трансформатора 14. Формула изобретения Цифровой мост переменного тока, содержащий источник питания, первый и второй де текторы равновесия, соединенные с уравновешивающими элементами, измерительную мостовую цепь, состоящую из трансформатора напряжения, комп аратора токов, вспомогательного трансформатора, образцовых мер, ог лича ощийся тем, что, с целью повышениябыстродействия моста путем улучшения сходимости, развязки контуров и одновременного безмодуляцпонного уравновешивания измеряемых параметров, он снабжен дополни тельным компаратором токов, фазочувствительным детектором, вход которого связан с первым детектором равновесия, четырехполюсником с регулируемым элементом, связанным с выходом фазочувствительного детектора, а 55 также усилителем, вход которого подключен квыходу четырехполюсника, а выход - к образцовой мере, связанной с дополнительной обмоткой основного компаратора токов, включенной последовательно с плечевой обмоткой 60 дополнительного компаратора токов, другаяплечевая обмотка которого подключена к образцовой мере, связанной со вспомогательным трансформатором.512432 Составитель А. БешулеРедактор Е. Караулова Техред А. Камышникова Корректор А, Степанов Заказ5191ЦНИИ ПодписнсеСР МОТ, Загорский филиа 5 1 -л-- . - -ьр,Нзд.1314Государственного комитета по делам изобретений и Москва, Ж-З 5, Раушская