Цифровой мост переменного тока

(и) бУО 846 бааз боеетских Социалистических Республик(23) ПриоритетОпубликовано 30,08,77. Бюллетень32Дата опубликования описания 31,08.77 Государственный комите Совета Министров ССС по делам изобретенийи открытий 53) УДК 621.317.733(72) Авторизобретени Тучин аявитель 4) ЦИФРОВОЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО Т электроизмерильзоваться при еременного тоения па аметцифровой мост ополнительным м, пороговым ключами, гене- и индуктивным Изобретение относится ктельной технике и может испопостроении цифровых мостов пка, предназначенных для измер рров комплексного сопротивления. 5Известен цифровой мост переменного тока,содержащий источник питания, первый и второй детекторы равновесия, соединенные суравновешивающими 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 требуютдополнительных затрат времени.Известен также цифровой мост переменного тока, который содержит источник питания,два детектора равновесия, соединенные с 20уравновешивающими элементами, фазочувствительный детектор, вход которого связан спервым детектором равновесия, измерительную мостовую цепь, состоящую из основногои 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 ЗОс входом усилителя,Уравновешивание в таком мосте осуществляется безмодуляционным способом, благодаря чему достигается высокое быстродействие.Этот мост наиболее близок к предлагаемому изобретению.Его недостатки - узкий диапазон измерсния тангенса угла потерь и снижение точности измерения этого параметра по мере его возрастания. Это обусловлено сложностью обеспечения устойчивой работы аналоговой системы регулирования, состоящей из усилительной части первого детектора равновесия, фазочувствительн ого детектора, четырехполюсника с регулируемым элемено, усилителя, образцовой меры и соответствующих обмоток основного и дополнительного компаратора токов, при увеличении Кр системы (где К - коэффициент усиления системы в разомкнутом состоянии, Р - коэффициент обратной связи), необходимом при измерении объектов с большим значением тангенса угла потерь.Цель изобретения - расширения диапазона измерения тангенса угла потерь и повышение точности его измерения.Для этого предлагаемыйпеременного тока снабжен дуравновешивающим элементоустройством с электроннымиратором тактовых импульсов4 570846 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 компаратора 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 регулируемой обмотки 5 трансформатора 3, результат уравновешивания синфазной составляющей в контуре дополнительного компаратора 27 представляется на отсчетном табло цифрой вого моста в виде тангенса угла потерь. Вторичная обмотка 36 трансформатора 3 питает четырехполюсник 23.Мост работает следующим образом.При включении источника 1 питания в сер 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 первомдетекторе 16 равновесия, преобразуется в напряжение. Это напряжение усиливается и подается на фазочувствительный детектор 17, опорное напряжение которого выбирается 20 так, что его выходное напряжение являетсяпропорциональным синфазной составляющей измеряемого импеданса, Выходное напряжение фазочувствительного детектора 17 поступает на вход порогового устройства 18, управ ляющего работой электронных ключей 19 и20, Ключ 19 одним электродом подсоединен к генератору 21 тактовых импульсов, а другим - к входу дополнительного уравновешивающего элемента 22, Если выходное напря- зО 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, вырабатыЗб ваемые генератором 21, начинают поступатьна вход дополнительного уравновешивающего элемената 22, управляющего коммутацией числа витков обмотки индуктивного делителя 12 напряжения. В результате воздейст 4 п вия выходного напряжения делителя 12 наобразцовую меру 13 по обмотке 14 компаратора 8 токов потечет ток, создающий в сердечнике компаратора 8 магнитный поток синфазного характера, в значительной степени урав новешивающий синфазный поток, создаваемый ветвью измеряемого импеданса.По окончании работы дискретной системырегулирования выходное напряжение фазочувствительного детектора 17 станет ниже по рога срабатывания порогового устройства 18и 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, пред 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 то ка в дополнительной обмотке 14, т, е. к росту570846 6го компаратора 8 токов, Предположим, что все обмотки основного компаратора токов имеют равное количество витков. В этом случае можно записать51 о, = 7 о, - )о(7) где т 4 - число витков включенных секцией обмотки индуктивного делителя 12 напяжения;Рю - сопротивление меры 13;Уы, - напояжение, действующее на вы ходе усилителя 25,В свою очередь, У. можно представить ввиде У,= -аВ 11 К,К(8) 30где тю - число витков обмотки 36;я - коэффициент, учитывающий перелаточн чо функцию четырехполюсника 23;р - коэффициент,читывающпй крутизну регулиповочной характеристикиэлемента 24;у - коэффициент передачи фазочувствительного детектора 17;Кь К 2 - коэффициенты усиления усилителя25 и усилительного тракта первогодетектора 16 равновесия.С учетом выракения (8) выражение (7)принимает вид45 35(10) где т 2 - число витков вторичнои обмоткиб5 50трансформатора 3 напряжения;22 - ло ио обоки 10 основноокомпаратора 8 токов;Сю - емкость образцовой меры 9.Сопоставляя выражение (4) и первыи члени55 правой части уравнения (3), находимс= "- с (5)т 1 п 1откуда следует, что прямои отсчет по емкостио60 обеспечивается регулировкой числа витков т 2 обмотки.Условие равновесия по активной составляющей находим, исходя из соотношения синфазных токов, действующих в ветвях основнойо -+ РоК 1 К 20 где 5синфазного магнитного потока, создаваемогоэтой 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 всердечнике основного компаратора 8 токовветвью измеряемого импеданса, уравновешивается дискретной системой регулирования, аоставшаяся, незначительная часть этого потока - аналоговой системой регулирования,позволяет существенно расширить диапазонизмерения тангенса угла потерь и повыситьточность его измерения. В этом легко убедить.ся, если вывести условия равновесия моста сучетом механизма работы его систем уравновешивания.Для ветви измеряемого объекта предлагаемого цифрового моста можно записатьфп, - (1)то г,где ы 1, - ампер-витки ветви;У, - напряжение источника 1 питания;тт, - число витков первичной обмотки2 и вторичной обмотки 4 трансформатора 3 напряжения;и, - число витков обмотки 7 основного компаратора 8 токов;г,. - импеданс измеряемого объекта.В случае измерения импеданса по параллельной схеме замещения его компонентов онможет быть представлен в видеР,1+ СР,Ампер-витки, характеризующие квадратурную составляющую со стороны ветви сравнения, определяются выражениемУ,т,ло(4)то где 1, - синфазный ток в ветви измеряемого объекта;У, - синфазный ток индикаторной обмотки 14;1 - синфазный ток дополнительной о- бмотки 13.Ток 1, можно представить следующим образом: Определив из выражения (9) У и полставив его значение в выражение (6), находим Ампер-витки ветви сравнения дополнительного контура уравновешивания описываются выпажением 12)2 гпо 110102 - число витков обмотки 33 дОпОлни.тельного компаратора 27 токов;(17) 11 - число витков первичной обмотки35 и вторичной обмотки 32 вспомогательного трансформатора 28;Р - сопротивление образцовой меры 29.Так как обмотка 2 б дополнительного ком паратора 27 токов обтекается одним и тем ке током, что и оомотка 14 основного компаратора 8 токов, выражения (11) и (12) можно приравнять друг к другу. Воспользовавшись значением У представленным вторым членом правой части выракения (3), получимУгт,п, РОК К 20 УгтАЛР 0 гт 4 + РОК 1 К 26 тД Я- (13) откуда- т 1 "1 РоК 1 КИМР(Ро - "гт 1 + РаК 1 К,0) тДпИмея в виду, что выбранная для примера 20 измерительная цепь имеет параллельную схему замецсения, для которой1 К ; = (15)25 и подставляя в выражение (15) выражения(13) и (5), получимг, соР,К,К,е РК 1 К,езю погрешность измерения, обусловленная ста тизмом аналоговой системы регулирования, а также параметрами индуктивного делителя 12 напряжения и меры 13.Из выражений (1 б) и (17) следует, что: 1) погрешность измерения по тангенсу уг ла потерь, вносимая параметрами индуктивного делителя 12 напряжения и нестабильностью меры 13, уменьшается действием аналоговой системы регулирования в К 1 КгО раз, Это позволяет в качестве коммутирующих 45 элементов индуктивного делителя 12 напряжения использовать любые полупроводниковыеключи;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 8которой резко уменьшаются действием аналоговой системы регулирования, становится возмокным 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 импе- данса как с метрологической, так и с конструктивной точек зрения упрощаются.Формула изобретенияЦифровой 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 щ и й с я 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 уравноввшивающето 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 ставитель П, Лягин Техред А. Степанова Корректор Е. Хмелева каз 1931/1 Тираж 1109ета Совета Министений и открытийРаушская наб., д. 4 П графия, пр, Сапунова, 2 ктор Е. Караул Изд.688 сударственного ком по делам изобр 13035, Москва, Ж