Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СфветскмкСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС 1 ВУ(22) Заявлено 20,04.81(21) 3277270/18-21 (51 М.Кл.з 6 01 К 27/02 с присоединением заявки Мо(23) Приоритет Государственный комитет СССР но делам изобретений н открытий. 3(088. 8) Опубликовано 301 182.Бюллетень йо 44 Дата опубликования описания 30;1182 В. В. Волохин, Ю. С. Шумков, Ю, Н. Самарцев,Н, В НагА. ФПогребной, Г. А. Никифорова, Б, П. Химйнченнто;А,б:".-,.А. ф. Миняйло и М. Ю. Сергеев,йиеаский ардена Ленина полителннческий инстакттт " "-т:.;1 а Н,им, бе-летия великой Октябрьской соикалисткческой 51;,дсиреволюции(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ АКТИВНОЙ 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 113. 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 мультиплнкативйые погрешности преобразования обоих каналов, а также методи ческая погрешность из-за конечнойдлительности строб-импульсов.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяизмеритель импеданса.Устройство содержит задающий генератор, внешние зажимы для подключе"ния исследуемого комплексного сопро"тивления,один из которых соединенс общей точкой и подключен к последовательно соединенным двум эталонным резисторам, два стробоскопнческихпреобразователя,синхронизирующие входы которых подключены через последо вательно соединенные формировательстробимпульсов, перестраиваемый генератор, Фазовый детектор к выходу опорного генератора 121.Недостатком такого устройства является большая (до 10),погрешность. измерения. Она обусловлена неидентнчностью стробоскопических преобразователей, а также их высокой погрешностьюпреобразования. Основными соотавля ющими этой погрешности являются:а) методическая погрешность стробоскопических Преобразователей из-законечной длительности строб-импульсов (например, в диапазоне частот ЗО 1-100 МГц при длительности строб-им-.пульсов 0,5 нс погрешность достигает значений до 4);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 стробоск 1 опического смесителя (например, при изменении в диапазоне 1000 м - 10 кОм погрешность достигается значений до 5);в) мультипликативная погрешность стрелоскопических преобразователей (достигает значений до 3).15Цель 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 подключен- З 0 ный через последовательно соединенные Формирователь строб-импульсов, перестраиваемый генератор и фаз.овый детектор с выходом опорного генератора, введены последовательно соеди ненные преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый Фильтр, выпрямитель, усилитель постоянного тока и источник света, последовательно соединенные второй Фазо вый детектор, второй Фильтр, Фазочувствительный выпрямитель, цифровой вольтметр, вычислительный блок и цифровое отсчетное, устройство, а также автоматический переключатель, усили 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 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 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, а 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 за" жимами 7 и 8 для подключения измеряемого сопротивления 9 (к., причем зажим 8 соединен с общей точкой из 1 мерителя, 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 1 б 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 (йаимер, 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 постоянноеи 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 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 управляются прямоугольным напряжением делителя 31 частоты, на вход которого поступает напряжение опор-.ного генератора 15 фиксированной частоты. ЗОВ первый полупериод коммутациик сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10 подключаетсясредний выход эталонных резисторов.Навходы сумматора 1 поступают высокочастотное напряжение задающего генератора 2 и через звено обратнойсвязи 3 напряжение компенсации промежуточной частоты с выхода усилителя 16 некомпенсации. Они суммируются 40и через делитель напряжения, состоящий из эталонных резисторов 5 и 6,автоматический переключатель 11 подаются на сигнальный вход стробоскопического преобразователя 10, на 45вход синхронизации которого поступают строб-импульсы а выхода формирователя 12 стробимпульсов, Выходнойсигнал промежуточной частоты стробсскопического преобразователя 10 через усилитель 16 некомпенсации,а также напряжение опорной частотыгенератора 15 поступают на входыФазового детектора 14, Выходной сигнал Фазового детектора 14 с помощьюперестраиваемого генератора 13 изме"няет частоту повторения строб-импульсов на выходе Формирователя 12 дотех пор, пока промежуточная частотавыходного напряжения преобразователя 10 не станет равной опорной частоте. Таким образом, стробоскопический преобразователь 10 переноситамплитудно-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 цвчи фиксированной промежуточной частоты Б р. В момент времени стробирования из мгновенных значений напряжения Ц з вычитаются мгно" венные значения компенсирующего на,пряжения Бр ,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 1При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 16 некомпенсации в моменты времени стробирования мгновенные значения напряжений Цэи Бпр 1 стано" вятся равным и разностное напряжениенекомпенсации стремится к нулю. Таким образом, стробоскопический преобразователь 10 охвачен глубокой отрицательной обратной связью по промежуточной частоте.1Во второй полупериод коммутации -автоматический переключатель 11 подключает к сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10 первый зажим для,подключении измеряемогосопротивления, 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 переключа" тель 11 подается на сигнальный вход стробоскопического преобразователя 1 Ц, На исследуемом сопротивлении 9 выделяется алгебраическая сумца двух напряжений высокой частоты .цэч и Фи- а сированной промежуточной частоты Одр В моменты времени стробирования иэ мгновенных значений напряжения Бвч вычитаются мгновенные значения компенсирующего напряжения Цр 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 2 на коэффициент передачи стробоскопического преобразователя 10.За счет действия глубокой отрицательной обратной связи по прояежуточной частоте, охватывающейв каждый из полупериодов коммутации стробоскопический преобразователь 10, в точках ь и 6 Формируются соответственно напряжения Фиксированной промежуточ 978070ной частоты Уп и 0 р , которые полпР 1ностью повторяют амплитудно-Фазовыесоотношения высокочастотных напряжений Пзц и Изц , выделяющихся соответственно на эталонном резисторе 6,Измеритель может работать в составе информационно-измерительныхсистем и его быстродействие составляет величину порядка 50-100 мс. Напряжения б,Ри Пд представляют собой траноЕ 6 рмированнне врн времени оол О2 . Лответственно напряжения Ец иПоочередное подключение эталонной иизмерительной цепей к сигнальномувходу стробоскопического преобразователя 10 не изменяет коэФфициента 15его передачи,.Через индуктивность 18 на входпреобразователя 17 переменного напряжения в постоянное (например,преобразователя амплитудных, средних 20или .действующих значений) поступаетпериодически повторяющаяся,с частотой коммутации последовательностьпакетов напряжений Бари Цор фиксированной промежуточной частоты. 25При неравенстве этих напряжений навыходе первого Фильтра 19, убирающего постоянную составляющую выходногонапряжения преобразователя 17 первменного напряжения в постоянное, Фор-,.ЗОмируется переменное раэностное напряжение с частотой коммутации, котороевыпрямляется выпрямителем 20, усиливается усилителем 21 постоянного токаи с помощью источника 22 света пре- З 5образуется в световой поток, изменяющий значение сопротивления первогоФоторезистора 4 до тех пор, пока неТ,оиэоДдет компенсация напряженийоР и Ц,Р по их амплитудным, среднимлибо действующим значениям. При достаточно большом коэффициенте усиленния усилителя 21 постоянного тока,разность напряжений ЮпРи Упруменьшается до весьма малой величины, определяемой статизмом системы регули 45рования.Световой поток источника 22 света одинакбво изменяет сопротивления обоих,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 ком 22 светан 2 исключает влияние вход- ной цепи цифрового омметра 24 на вы" сокочастотную измерительную цепь, в которую. включено измеряемое сопротивление 9 (2 ). 5 Индуктивность 18 служит для разделения напряжений высокой и низкой фиксированной промежуточной частоты.Периодически повторяющаяся послеяовательность пакетов напряжений Бпр и Брз 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 детектора 2 У, Формируется переменное на пряжение с частотой коммутации и амплитудой, пропорциональной разности фаз надряжений бпи 022 р . Оно поступает на первый вход фазочувствитель-. ного выпрямителя 27, на другой вход которого подается выходное напряже ние делителя 31 частоты, и выпрямля. ется, а затем измеряется с помощью цифрового вольтметра 28, Разность Фаз напряжений промежуточной частоты 022 ри ОР равна разности фаз высо-. кочастотных напряжений Озц и Бзц Так как эталонные резисторы 5 и 3 выполнены безреактивными, то напряжение Узц по Фазе совпадает с высокочастотным напряжением бзц, приложенным к последовательно соединенным Фоторезистору 4 и измеряемому сопротивлению 9 Лх ). Разность Фазмежду напряжениями Боц и 0 зц равна углу с 6 между ректороьЕсумманого сопротивления 2 Фоторезистора 4 и измеряемого сопротивления 9 (Ех ) и вектором самого измеряемого сопротивления Ех , Сопротивление Ет. равно Е 2- = ЕхКф , где й 2 - значение активного сЬпротивления Фотореэистора 4, который выполнен беэреактивным.В вычистительный блок 29 вводятся по его входам коды значений активного сопротивления Фоторезистора 4 и угла сС 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 22-, Ех и Йф по теореме синусов и по теореме косинусов можно записать со- ответственно два уравненияй 1 Йу ф 9 Л 122 2 212 )2-2)Х 2 алаа, (21где 9 х - аргумент измеряемого сопротивления Е.итуды высокочастотных напряжений зци Узцравны, так как искомпенсированы сортветствующие имнапряжения промежуточной частоты3 ри Ор . Следовательно, коэффициент передачи к делителя напряженийобразованного резисторами 5 и б, равен где Йч и й- значения сопротивленийэталонных резисторов 5 и 6.Решая совместно уравнения ( Ц,(2) и(3), после несложных преобразо:наний получаем 3 случая, когда ль21 равен сопро (4) и (Б) получаем тинной йеи реактавляющих йзмеряемо сопротивления 2,Для частногоа К = 0,5, модутинлению К+.Иэ уравненийвыражения для атинной Эв усого комплексйого йф ке. 2+ка -2 К 3й ф ка э 1 дЫЭфг 1+к -иа свз В предлагаемом устройстве измеритель с помощью одного и того же стробоскопического преобразователя осущестнляет поочередное преобразование высокочастотных напряжений Оэч й вч , периодически подаваемых йа егоч фсигнальный вход с помощью автоматического переключателя. Причем амплитуды высокочастотных напряжений 0 и 0 вч поддерживаются равными. В результате этого формируются с одинакочвой методической погрешностью, возникающей из-за конечной длительности строб-импульсов напряжения промежуточной частоты 1 Р и Бр . Высокочастотные напряжения Уеч и Бв уравновешиваются путем уравновешивания напряжений цр и цр низкой Фиксиронаннойпр 1 чрчастоты. Поскольку для уравновешивания высокочастотных напряжений Оэч и Ц используется разность действувчющих значений напряжений, 0 и бп, то значения методической погрешности "тробоскопического преобразователя йз-эа конечной длительности строб- импульсов взаимно исключаются при вычитании, и она не влияет на точность2 Формула изобретения 5 40 4 5 5 в 15 10 15 20 уравновешивания Уеч и Цеч ф а следовательно, исключается из 1 реэультатов измерений.Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет один стробоскопический преобразова" тель вместо двух неидентичных.Измерение значения угла Й, а так" же сам процесс уравновешивания высо" кочастоных напряжений Овчи Оеч происходят на низкой известной Фиксированной частоте и поэтому могут быть осуществлены с большой точностью, порядка 0,1 + 0,2.При соответствующем подборе Фото- резисторов 4 и 23 и условий их работы можно добиться неидентичности значений их сопротивлений порядка 0,1 " 0,2 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 40,5,Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивлениу, 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, стробоскоп ческий преобразователь, синхронизирующий вход последнего соединен через последовательно соединенные формирователь строб-импульсов; перестраиваемый генератор и Фазовый детектор с выходом опорного генератора, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений в широком динамическом диапазоне, в него введены последовательно соединенные преобразователь переменного напряжения в постоянное, перный фильт выпрямитель, усилитель постоянного тока, источник света, последовательно соединенные второй Фазовый детектор, второй фильтр, фазочувствительный выпрямитель, цифровой вольтметр, вычислительный блок и цифровое отсчетное устройство, а также автоматический переключатель, усилитель не- компенсации, звено обратной связи, сумматор, первый и второй Фоторезисторы, делитель частоты, цифровой ом метр, индуктивность, причем второй вывод первого эталонного резистора и первый зажим для подключения измеряемого сопротивления через последоательно соединенные автоматический978070 ИИПИ Заказ 9206/61 Тираж 717 Подписное иал 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 второйвыходы сумматора соединены соответственно с выходом задающего генератора и звена обратной связи, а выходподключен к первому выводу первогоэталонного резистора и через первыйФоторееистор к первому зажиму для 1 Оподключения измеряемого сопротивления, автоматический переключатель,управляюций вход которого соединенс выходом делителя частоты и сдругим входом Фазочувствительного выпрямителя, а выход через индуктивностьподключен к входам преобразователя переменного напряжения в. постоянноеи второго Фазового детектора, соединенного другим входом с выходом опорного генератора и с входом делителячастоты, два входа циФрового омметра подключены ко второму фоторезьгстору, а его выход - к другому входувычислительного блока, источник све-та оптически связан с первым и вторым Фоторезисторами. Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе