Устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления

АНБ ПАТЕНТ нститут механик твенном унититут механикирственном униСИЯ СОСТАВРОТИВЛБти техники, г комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Научно-исследовательский ии физики лри Саратовском государсверситете(73) Научно-исследовательский инси физики лри Саратовском госудаверситете им.Н.ГЧернышевского(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОГО СОПНИЯ(БЦ 5 О О 3 И 27 Д 6 требуется получение раздельной и независимой информации о составляющих комплексного солротивления, Сущность изобретения: устройство содержит усилитель 1, частотно-независимый мост с термистором в одном из плеч 2, солротивление 3, измерительный колебательный контур 4, сумматор 5. Введение сумматора 5 с подключением одного из входов к выходу моста 2, а другого - к усилитело 1 увеличило разрешающую способность преобразования активной составляющей комплексного сопротивления в амплитуду гармонического сигнала. Кроме того, второй вход сумматора 5 может быть подключен к выходу усилителя, соединенного с термистором. 1 з.ф-лы, 1 ил, 2 табл.Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники,где требуется получение раздельной и независимой информации о составлгпощих комплексного сопротивления (проводимости)исследуемых объектов,Известен автогенераторный преобразователь составляющих комплексного сопротивления (Попов Г.МЧастотный 10датчик, Авт.св. 202759, кл. Н 03 С 13/20,1967), Выполненный В виде автогенераторас ЙС-четырехполюсником в одной цепи обратной связи и термистором в другой цепиОбратной сВЯзи, отличающийся тем, что, сцелью дискретно-частотной селекции сигналов, последовательно с ВС-четырехполюсником, например, Г-образным, с ту жецепь обратной связи включен резонансный1.С-контур, 20Недостатком этого устройства являетсявысокая нестабильность частоты, влияющаяна точность преобразования параметровдатчика в частоту,Известно также устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления (Попов В.С. Автомат:ическийчастотно-зависимый измерительный мост.Авт, св. Ь 143913, кл, 21 е 29/02, 1962), содержащее частотно-.зависимый измерительный мост с термистором В Одо из плеч Вкачестве регулируемого (уравновешивающего) сопротивления, измеряемого вспомогательным мостом, и с частотомером дляфиксации частоты равновесия моста, отличающийся тем, что, с целью измерения двухсоставляющих комплексного сопротивления при,изменении обеих его составляющихв измерительную диагональ моста Вклоченширокополосный усилитель, к выходу которого присоединена диагональ питания.Недостатком данного устройства является также сравнительно. высокая нестабильность частоты, что отражается наточности преобразования параметров датчика в частоту,Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является устройство для измерения составлвощих комплексного сопротивления (Парусов В.П., Двинских В,А. Устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления. Авт. св, М 359619, кл. 6 01 Г 1 27/26, 1972), содержащее частотно-независимый усилитель с измерительным колебательным контуром В цепи положительной обратной связи и частотно-незаВисимый мОст, В Одно из плеч котороО вклочен термистор, поичем одна диагональ моста подключена к выходу усилителя, другая через активное сопротивление - к измерительному колебательному контуру.Такой преобразователь отличается более высокой стабильностью частоты и позволяет проводить раздельное инезависимое преобразование активной иреактивной составляющих комплексногосопротивления (проводимости) высокопотерных объектов в амплитуду и частоту гармонического сигнала соответственно.Кроме того, а работе(Парусов В.ПРепьевВ.Н, Цифровой прибор на основе автогенераторного преобразователя для измеренияемкости при больших потерях, ПТЭ, 1989, М1, с. 123-124) описано устройство, выполненное на основе данного в прототипе преобразователя, где получена возможностьувеличения разрешающей способностипреобразования реактивной составляющейдатчика в частоту.Однако, к недостатку данного устройства следует отнести недостаточнуо разрешающую способность преобразованияактивной составляющей комплексного сопротивления (проводимости) в амплитудугармонического сигнала, измеряемого индикаторным прибором на выходной диагонали моста, поскольку изменение величинысигнала несущего информацию об активнойсоставляющей осуществляется на фоне напряжения разбаланса, моста, и кроме того,существует температурный дрейф напряжения разбаланса,Целью предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности преобразования активнойсоставляющей комплексного сопротивления в амплитуду гармонического сигнала,Цель достигается тем, что в устройстводля измерения составляющих комплексногосопротивления, содержащее усилитель с измерительным колебательным контуром вцепи положительной обратной связи, частотно-независимый мост, одна диагональкоторого подключена к выходу усилителя, адругая - через сопротивление к измерительному колебательному контуру, термистор водном из плеч частотно-независимого моста, введен сумматор, один вход которогоподключен к выходу частотно-независимогомоста, а второй - к усилителю. Кроме того, Второй вход сумматора подключен к выходу усилителя, соединенного с термистором,Известного в науке и технике решения на обнаружено, Результат, полученный у предлагаемого технического решения, не достигается В известных решениях.Введение сумматора с разными коэффициентами передач по входам позволяет увеличить разрешающую способность и уменьшить погрешность преобразования активной составляющей комплексного сопротивления (проводимости) датчика в амплитуду гармонического сигнала.Действительно, введение сумматора позволяет скомпенсировать напряжение разбаланса частотно-независимого моста противофазным сигналам, поступающим на один из входов сумматора с усилителя, Т.е. на выходе сумматора, в отсутствие обьекта исследования, можно получить напряжение, близкое ипи равное нулю (в зависимости от поставленной задачи), что позволяет увеличить разрешающую способность преобразования (особенно малых проводимостей, изменение величины напряжения на выходе частотно-независимого моста, ат которых на один, два порядка меньше, чем напряжение разбаланса данного моста), Введение сумматора позволяет также уменьшить температурную погрешность преобразования активной составляющей датчика, в амплитуду гармонического сигнала, поскольку температурный дрейф рабочей точки, термистора, вызывающий изменение исходной величины напряжения разбапанса частотно-независимого моста, приводит и к изменению амплитуды сигнала в усилителе,Таким образом, температурное изменение одного сигнала в сумматоре компенсирует температурное изменение другого сигнала, что также увеличивает разрешающую способность преобразователя, Кроме того, при использовании сумматора, обеспечивающего полную компенсацию напряжения разбапанса (с соответствующими коэффициентами передач по входам), можно получить непосредственный отсче; активной составляющей датчика. по показаниям индикаторного прибора, чта в свою очередь, сокращает время измерения, так как нет необходимости из информационною сигнала вычитать величину напряжения разбапанса частотно-независимого моста,Следует отметить, чта наилучшим образом поставленная цепь достигается, когда второй вход сумматора подключен к выходу усилителя, соединенному с термистором, поскольку в данном случае сигналы на входах сумматора будут практически в противофазе и на более высоких частотах, что очень важно для достижения полной компенсации, т.е. нуля на выходе сумматора. Противафазнасть сигналов в указанном случае обуславливается тем, что мост, на входную5 10 15 20 25 50 определяется характеристиками измерительного колебательного контура д. а амплитуда - характеристикамичастотна-независимога моста 2Устройство работает следующим образом.При;подключении датчика с исследуемым обьектам параллельно иэмеритепьному колебательному контуру 4 (если колебательный контур - параллельный), или последовательно с измерительным колебательным контуром 4 (если копебательный контур- последовательный), происходит изменение частоты автоколебаний преобразователя и изменение амплиту.-,ыавтокапебаний на выходе (на выходной диага,ал ) частот о- изав.;с маго осг. Приэтом изменение частоты ввтакслебаний дает инфармацию о реактивной составляюдиагональ которога поступают пративафазные сигналы с выхода усилителя, является частотно-независимым, в то время как в усилителе имеются реактивности (входные, проходные и т.д. емкости транзисторов). Поэтому у сигнала, который поучается на второй вход сумматора не с выхода усилителя, а с колпекторной (стоковой) нагрузки нечетных каскадов усилителя или с эмиттерной (истоковой) нагрузки четных каскадов усилителя (расположенных перед последним каскадом усилителя), с павы шением частоты автоколебаний появится фазовый сдвиг по отношению к сигналу, подаваемому на второй вход сумматора с выхода усилителя, и тем больше, чем выше частота автакопебаний.,".ри этом следует отметить, что подключение датчика с исследуемым обьектом к преобразователю, приводящее к изменениа частоты автакопебаний, вызовет в таком случае дополнительный фазовый сдвиг между сравниваемыми сигналами, что увеличит погрешность преобразования,На чертеже приведена функциональная схема предложенного устройства.Предлагаемое устройства состоит из усилителя 1, частотно-независимого моста 2с термисторам в одном из плеч, сопротивления 3, измерительного колебательного контура 4 и сумматора сигналов Б, один вход которого подключен к выхрдной диагонали частотна-независимого моста 2, а второй вход - к усилителю 1 или к выходу усилителя 1, соединенному с термистором. Усилитель 1, частотно-независимый мост 2, входная диагональ которого. подключена к выходу усилителя 1, и делитель в цепи попокитепьнай обратной связи, составленный из сопротивления 3 и измерительного колебатепьного контура 4, образуют автогенератар, исходная частота которогощей комплексного сопротивления (проводимости) датчика, а изменение амплитуды на выходе частотно-независимого моста 2 определяет величину активной составляющей датчика. С выхода частотно-независимого моста 2 сигнал поступает на один из двух входов сумматора 5, на второй вход которого подается сигнал с какаго-либо каскада усилителя 1 (подключение каскадов к сумматору 5 оговаривается выше), или с выхода усилителя 1, соединенного с термистором, Оба сигнала, поступающие на входы сумматора 5, находятся в противофазе, поэтому при соответствующем выборе коэффициентов передач по входам сумматора 5, в нем достигается частичная или полная компенсация напряжения разбалаиса частотно-независимого моста 2, т. е, на выходе сумматора 5 будем иметь напряжение, близкое или равное нулю. Поскольку при подключении датчика с исследуемым"обьектам к измерительному колебательному контуру, амплитуда автаколебаний в усилителе.1 и на выходе усилителя 1 не изменяется, то изменение напряжения на выходе сумматора 5 определяет величину активной составляющей комплексного сопротмвления (проводимости) датчика и происходит на уровне сигнала близкого или равного нулю.Очевидна, что для поучения нуля на выходе сумматора 5, необходимо, чтобы отношение коэффициентов передач па входам сумматора 5, было обратно пропорционально отношению напряжений, действующих на соответствующих входах, и как говорилась ранее эти напряжения должны быть строго в противофазе.Кроме того, при изменении температуры окружающей среды, а следовательно при изменении характеристики термистора, происходит изменение амплитуды автоколебаний как на выходе частотно-независимого моста 2 с термистором.в одном из плеч, так и в усилителе 1, поскольку сигнал с выхода частотна-независимого моста 2 через делитель в цепи положительной обратной . связи, составленный из сопротивления 3 и измерительного колебательного контура 4, поступает на вход усилителя 1. Поэтому, компенсируя в сумматоре 5 напряжение разбаланса частотно-независимого моста 2 (в отсутствии исследуемого обьекта) сигна. лом с усилителя 1 или с выхода усилителя 1, тем самым компенсируем и температурное изменение напряжения на выходе частотнонеэависимого моста 2, т.е, уменьшаем температурную погрешность преобразования активной составляющей датчика. Теоретическая оценка температурной погрешности преобразования активной составляющей20 25 ных между собой. Другой вывод у одного 30 35 второй вход сумматора 5 подавался как с 40 50 5 10 датчика показала, что у предлагаемого решения данная погрешность меньше, чем у прототипа, и не зависит от величины измеряемого активного сопротивления (проводимости) датчика, в то время как в прототипе она растет с уменьшением активной проводимости(ростом активного сопротивления) датчика,Для экспериментальной оценки проведены измерения с помощью прототипа и предлагаемого решения. С этой целью к измерительному колебательному контуру 4 подключились резисторы разной величины и измерялось соответствующее каждому резистору напряжение на выходе частотно-независимого моста 2 и на выходе сумматора 5. Проводилось измерение исходных напряжений на данных выходах при изменении температуры, При этом сумматор сигналов 5 был выполнен в двух вариантах. В одном случае ои был собран на двух последовательно соединенных резисторах, один из которых - регулируемый. Выходной сигнал снимался с выводов резисторов, соединенрезистора. подключался к выходу частотно- независимого моста 2, а у второго резистора - к усилителю 1, В другом случае сумматор сигналов 5 был выполнен на основе операциоинога усилителя, на вход которого подавались напряжения (подлежащие сложению (компенсации через те же резисторы; чта были использованы в первом варианте сумматора сигналов 5. Кроме того, сигнал на усилителя 1 (са стоковой нагрузки первого каскада усилителя 1), так и с выхода усидителя 1, соединенного с термиста ром. Частота автоколебаний при этом составила 20 и 2 кГц. В табл. 1 приведены экспериментальные результаты измерения напряжений на выходе частатна-независимого моста 2 (Ом) и на выходе сумматора 5(Щ, собранногаиз резисторов в зависимости от частоты Щ и температуры (о), причем в 1 случае (М) второй вход сумматора 5 был подключен к первому каскаду усилителя 1, а в 2 случае (М) - к выходу. усилителя 1,Из табл. 1 видно, чта при подключении второго входа сумматора 5 к выходу усилителя 1 и с понижением частоты автаколебаний, лучше удается скомпенсировать напряжение разбаланса частотно-независимого моста 2, кроме того, при изменении температуры, изменение напряжения на выходе сумматора 5 ва много раз меньше, чем уход напряжения на выходе частотно- независимого моста 2.2003123 2 20 35 50 0,2 0,2 0,3 84 76 65 20 35 502,8 2,9 3,384 76 65 Ос, мВ О, мВ 20 35 50 О, 0,1 0,2 86 79 66 20 35 50 1,3 1,4 1,6 86 79 66 Таблица 2 Не подключен 1,0 86,0 Я, кОм 1000 95,5 100,587,0 181 Ом,м ости преобразовающей комплексного туду гарманическоен сумматор, один ен к выходу частота второй - к усилип.1, отличающееся вышения точности, подключен к выхоиного с термистаВ табл. 2 приведены результаты измерения тех же выходных напряжений (Ос и Ом) до и после подключения резисторов к измерительному колебательному контуру 4, при этом использовался сумматор 5, реализованный на основе операционного усилителя с коэффициентам передачи, равным по одному входу 1, по другому - 100, Частота автоколебаний преобразователя составляла 2 кГц, Второй вход сумматора 5 был подключен к выходу усилителя 1. Из табл. 2 видно, что у предлагаемого решения разрешающая способность увеличилась по сравнению с прототипом и не надо проводить операцию вычитания для определения активной составляющей исследуемого абьектэ, как в прототипе. Формула изобретения1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИУ. КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, содержащее усилитель с измерительным колебательным контуром в цепи положительной обратной связи, частотна-независимый мост с термистором в одном из плеч моста, одна диагональ которого подключена к выходу усилителя, а другая через сопротивление - к измерительному колебательному контуру, отличающееся тем, чта, с целью увеличения Таким образом, предлагаемое устройство, позволяющее получить раздельную и независимую информацию о составляющих комплексного сопротивления нелинейных и 5 высакопотерных абьектав, отличается бо.лее высокой разрешающеь. способностью преобразования активной составляющей в амплитуду гармонического сигнала, чта важно при измерении девиаций малых про водимостей, Кроме того, устройство позволяет уменьшить температурную погрешность преобразования активной паоводимости, получить непосредственный отсчет данной составляющей, а следова тельна, и сократить время ее измерения.(56) Авторское свидетельства СССРМ 359619, кл, 6 01 Я 27/26, апублик. 1972,разрешающей спасобнния активной состдвля0 сопротивления в амплиго сигнала, в нега введвход которого подключно-независимого моста,телю,2, Устройство потем, что, с целью павторой вход сумматораду усилителя, соединером,