Четырехплечий квадратурный мост для сравнения активных сопротивлений резисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК ЯО, 11083 Зи 11 С О 1 К 17/1 О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1. Сц 11 оз 1 у К.В. Еча 1 ца 1 оп оГ СЬе МВБ цп Кез 1 з 1 апсе Вазед оп а СошрцаЬ 1 е Сараз 1 Сот. в ,1 оцгп. Вез.МВБ,1961,ч.65 А,В З,р.152, Гз 8 9.2. Труды метрологических институтов СССР. Вып. 154 (214), изд-воСтандартов, 1976, с. 79.(54)(57) ЧЕТЫРЕХПЛЕЧИЙ КВАДРАТУРНЫЙ МОСТ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ АКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ С РЕАКТИВНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ КОНДЕНСАТОРОВ, содержащий генератор переменного тока, трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выходными зажимами генератора переменного тока, один из которых соединен с общей шиной, первая вторичная обмотка трансформатора подсоединена к зажимам питания квадратурного моста, состоящего из чере" дующихся последовательно соединенных двух резисторов и двух конденсаторов, два указателя равновесия, первый из них включен между общей шиной и зажимом для подключения измеряемого резистора и образцового конденсатора, второй - между общей шиной и зажимом для подключения второго измеряемого резистора и второго образцового конденсатора, резистивно-емкостную фоэосдвигаемую цепочку, состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенную ко второй вторичной обмотке трансформатора, средний 1 вывод которой соединен с общей шиной, а общий зажим для подключения конденсатора.и резистора подключен к зажиму соединения первого образцового к нденсатора и второго измеряемого резистора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оМ снабжен дополнительно симметрирующей ветвью, содержащей два последовательно соединенных конденсатора, ключом, вспомогательным мостом и второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочкой, подсоединенной параллельно первой, причем конденсатор второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки подсоединен к резистору первой фазосдвигающей цепочки, аС резистор второй резистивно-емкостной Е фазосдвигающей цепочки подсоединен к конденсатору первой резистивно-емкост Цф ной.фазосдвигающей цепочки, при этом С" индикаторная диагональ вспомогательного моста соединена с зажимами пита- Я ния квадратурного моста, два смежных плеча из четырех плеч вспомогательно 1 щщй го моста содержат последовательносоединенные резистор и конденсатор, С а два других смежных плеча вспомога- Я) тельного моста совмещены с плечами (;Д квадратурного моста, вторая генератор- фная вершина вспомогательного мостасоединена с зажимом для подключениявыводов резистора и конденсатора второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки, ключ включен между выводом от средней точки обмотки ин- фдуктивного делителя напряжения и общей шиной, симметрирующая ветвь подсоединена параллельно обмотке индуктивного делителя напряжений, а последовательно соединенные выводы двухконденсаторов симметрирующей ветвиподсоединены к общей шине,1108365 1 Изобретение относится к области ние равновесия квад измерений параметров элементов элект- так и в уравнение и рических. цепей переменного тока и сопротивлений рез ис может быть использовано при разработ- ная точность измере ке и изготовлении четырехллечих квад- двух упомянутых лро ратурных мостов высших классов точ 5 ков питания с помощ цости, используемых для сравнения ак- го емкостного моста тинных сопротивлений ре=цсторов с пользовацы меры емк реактивными сопротивлениями конденса- значения, значитель торов, времени измерений п Известен четырехллечий квадратур- вспомогательного е ный мост для сравнения активных соп- высокая стоимость и ротивлений резисторов с реактивными могательного емкост сопротивлениями конденсаторов, содер- Наиболее близким жащий три взаимосвязанных источника сущности к предлага 15 питания, напряжения которых сдвинуты четырехплечий квадр ло фазе друг относительно друга на держащий генератор 90вспомогательный емкостцой мост трансформатор в цепс цуленым указателем равновесия, гредцазцачецный для измерений отно 20 щения лротивофазных напряжений двух из упомянутых трех взаимосвязанных источников питания, два основных нулевых указателя равновесия и четыре плеча квадратурного моста, причем в25 первое плечо кнадратурного моста подсоединен первый конденсатор, во второе плечо квадратурного моста - ттервттй резистор, в третье плечо второй конденсатор, в четвертое плечо - второй резистор, свободные коц 30 цы первого конденсатора и второго резтлстора подсоединены к цезаземленнымзажимам двух противофазных взаимосвязанных источников питания, а незаземленный зажим третьего взаимосвязанного источника питания, напряжение которого сдвинуто по фазе на 90 поотцотдецию к двум упомянутым взаимосвязанным источникам напряжения, подсоединен к точке соединения первогорезистора и второго конденсатора,лри этом один основной нулевой указатель подсоединен между корпусоммоста и точкой соединения первого конденсатора и первого резистора, а другой основной нулевой указатель - между корпусом моста и точкой соединения второго конденсатора и второго резистора, включенных в плечи квадратурцого моста 1 11,Недостатками указанного четырехплечего кцадратурцого моста являются необходимость измерения отношения напряжений двух протинофазцых взаимосвязанных ттсто тциков питания цепос редствсццо п момент равттонесия квад"ратурцого моста, так как отношениеэтих ттацряжгццй входит как в уравттературц го моста,змереция активцлтхтороттг цедостаточния отношениятинофазцых источциью вспомогательнов котором исости переменногоцое увеличениери использованиимкостцого моста,зготонления вслоного моста,ло техническойемому являетсяатурцый мост, сопеременного тока,и питания мостарезистивно-емкостную фазосдвцгающуюцепочку в цепи питания моста, индуктивный делитель напряжения, дна нулевых указателя равновесия и четыргпоследовательно соединенных плечаквадратурного моста, образующие незамкнутую электрическую цепь, причемв первое плечо квадратурного мостаподсоединен первый резистор, во второе плечо квадратурного моста - первый конденсатор, в третье плечо -второй резистор и в четвертое плечовторой конденсатор, а между свободными зажимами первого и второго коц"денсатора подсоединена обмотка индуктивного делителя напряжения, котораявместе с четырьмя последовательносоединенными плечами кнадратурцогомоста образует замкнутую электрическую цепь, при этом средний нынод обмотки соединен с общей шиной, первыйнулевой указатель равновесия подсоединен между корпусом моста и точкойсоединения первого резистора и первтго конденсатора, второй указательравновесия - между корпусом моста иточкой соединения второго резистораи второго конденсатора, одна из вторичных обмоток трансформатора тттттпния подсоединена параллельно обмо 1 гиндуктивного делителя напряжения, ик концам другой вторичной обмотки,средний вывод которой соединен с к трпусом моста, подсоединены последотт,ттельно соединенные друг с другом ровзистор и конденсатор фазосдвигающейцепочки, причем точка соединениярезистора и конденсатора этой фазосдвигающей цепочки соединена с точкой соединения первого конденсатора и второго резистора в плечах квадр; .турного моста. Первичная обмотка трансформатора питания подсоединена к выходным зажимам генератора переменного тока, от которого питается квадратурный юст 23.5Недостатками известного устройства являются значительный ток со среднего вывода обмотки индуктивного делителя напряжения на общую шину, вследствие чего условия эксплуатации 10 его в этом четырехплечем квадратурном мосте существенно отличаются от режима холостого хода, при котором этот ток равен нулю; отношение напряжений плеч индуктивного делителя 15 напряжения аттестовано в режиме холостого хода, поэтому при появлении тока со среднего вывода обмотки на корпус моста отношение напряжений плеч существенно изменяется, при не изменном (по амплитуде и фазе) токе со среднего вывода обмотки индуктивного делителя напряжения на общую шину моста перемена местами концов обмотки в схеме четырехплечего квад ратурного моста (так называемый метод перестановки плеч) либо вообще не нарушает равновесия предварительно уравновешенного квадратурного моста, либо вызывает очень незначитель ные нарушения равновесия и не позволяет исключить из результатов измерения погрешность от влияния нагрузки индуктивного делителя напряжения, так как отношение напряжений плеч ин- З 5 дуктивного делителя напряжения входит в уравнение равновесия четырех - плечего квадратурного моста и в уравнение измерения активных сопротивлений резисторов, то указанные недос татки известного четырехплечего квадратурного моста приводят к неустранимым систематическим ошибкам в значение этого отношения, вследствие этого к неустранимым систематическим 45 погрешностям в результатах измерения активных сопротивлений резисторов.Цель изобретения - повышение точности результатов измерения.Поставленная цель достигается тем, что четырехплечий квадратурный мост для сравнения активных сопротивлений резисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов, содержащий генеГатор переменного тока, трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выходными зажимами генератора переменного тока, один из которых соединсн с общей шиной, первая вторичная обмотка трансформатора подсоединена к зажимам питания кнадратурного моста, состоящего из чередующихся последовательно соединенных двух резисторов и двух конденсаторов, два указателя равновесия, первый из них включен между общей шиной и зажимом для подключения измеряемого резистора и образцового конденсатора, второй - между общей шиной и зажимом для подключения второго измеряемого резистора и второго образцового конденсатора, резистивно-емкостную фазосдвигающую цепочку, состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенную ко второй вторичной обмотке трансформатора, средний вывод которой соединен с общей шиной, а общий зажим для соединения конденсатора и резистора подключен к зажиму для подключения первого образцового конденсатора и второго измеряемого резистора, снабжен дополнительно симметрирующей ветвью, содержащей два последовательно соединенных конденсатора, ключом, вспомогательным мос" том и второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочкой, подсоединенной параллельно первой, причем конденсатор второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки подсоединен к резистору первой рези тивно-емкост ной фазосдвигающей цепочки, а резистор второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки подсоединен к конденсатору первой резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки, при этом индикаторная диагональ вспомогательного моста соединена с зажимами питания квадратурного моста, два смежных плеча из четырех плеч вспомогательного моста содержат последовательно соединенные резистор и кондеясатор, а два смежных плеча вспомогательного моста совмещены с плечами квадратурного моста, вторая генераторная вершина вспомогательного мостасоединена с зажимом для подключениявыводов резистора и конденсатора вто"рой резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки, ключ включен между выводом от средней точки обмотки индуктивного делителя напряжения и общей шиной, симметрирующая ветвь подсоединена параллельно обмотке индуктивногоделителя напряжения, а последователь"но соединенные выводы двух конденса1108торов симметрирующей ветви подсоединены к общей шине.Путем создания дополнительныхустройств для контролируемого уменьшения тока со среднего вывода обмоткииндуктивного делителя напряжения накорпус моста этот ток уменьшен дотакой пренебрежимо мало величины,дальнейшее уменьшение которой ужепрактически не влияет на результатыизмерения.На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого четырехплечего квадратурного моста для сравнения активных сопротивлений резисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов.Четырехплечий квадратурный мостдля сравнения активных сопротивленийрезисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов содержит генератор 1 переменного тока, выходное напряжение переменного тока которогоподведено к трансформатору 2 питания,при этом первичная обмотка 3 трансформатора 2 питания подсоединена квыходным зажимам генератора 1 переменного тока, а с помощью двух вторичных обмоток 4 и 5 трансформатора2 питания могут быть получены тривзаимосвязанньпх напряжения для питания квадратурного моста, прн этомвторичная обмотка 5 снабжена отводомот его среднего вывода б, среднийвывод 6 вторичной обмотки 5 соединенс общей шиной 7 моста, с помощью ин 35дуктивного делителя 8 напряжениянапряжение, снимаемое с вторичнойобмотки 4, может быть разделено на две практически равные части, дляоэтого индуктивный делитель 8 снабженобмоткой 9 с отводом от ее среднейточки, средний вывод обмотки 9 подсоединен к одному из двух зажимов ключа 10, причем второй зажим ключа4510 соединен с общей шиной 7 моста, при этом концы обмотки 9 подсоединены к концам вторичной обмотки 4 транс" форматора 2 питания в вершинах 11 и 12 питания квадратурного моста.50Параллельно обмотке 9 между вершинами 11 и 12 подсоединена симметри рующая ветвь, которая содержит два конденсатора 13 и 14, конденсаторы 13 и 14 соединены последовательно друг с другом, общие их выводы соединены с общей шиной 7 моста, а свободные выводы конденсаторов 13 и 14 подсоединены к вершинам 11 и 12. 365ЬКвадратурный четырехплечий мост (фиг. 1) содержит четыре плеча, в которые подсоединены два измеряемых резистора и два образцовых конденсатора. Первый измеряемый резистор 15 подсоединен в первое плечо квадратур- ного моста между вершиной 11 и зажимом 16, первый образцовый конденсатор 17 подсоединен во второе плечо квадратурного моста между зажимами 16 и 18, второй измеряемый резистор 19 подсоединен в третье плечо квадратурного моста между зажимами 18 и 20, второй образцовый конденсатор 21 подсоединен в четвертое плечо квадратурного моста между зажимом 20 и вершиной 12.Квадратурный мост снабжен двумя указателями равновесия 22 и 23. Первый указатель равновесия 22 подсоединен между общей шиной 7 моста и зажимом 16, к которому подсоединены . также измеряемый резистор 15 и образцовый конденсатор 17, второй указатель равновесия 23 подсоединен между общей шиной 7 моста и зажимом 20, к которому подсоединены измеряемый резистор 19 и образцовый конденсатор 21.Между вершиной 11 и зажимом 12 параллельно обмотке 9 подсоединены последовательно соединенные резистор 24, конденсатор 25, резистор 26 и конденсатор 27, причем выводы резистора 24 и конденсатора 27 подсоединен к вершинам 12 и 11 соответственно, с помощью резисторов и конденсаторов 24 - 27 образованы два плеча вспомогательного моста, индикаторные вершины которого соединены с вершинами 11 и 12, одна из генераторных вершин вспомогательного моста совмещена с зажимом 18, а другая генераторная вершина этого моста образована вершиной 28, в которой соединены последовательно конденсатор 25 и резистор 26, причем первое плечо вспомогательного моста между вершинами 12 и 28 образовано последовательно соединенными резистором 24 и конденсатором 25, второе плечо вспомогательного моста между вершинами 28 и 11 образовано последовательно соединенными резистором 26 и конденсатором 27, а два другие плеча вспомогательного моста совмещены с резисторами 15, 19 и конденсаторами 17 и 21 квадратурного моста, при этом третье плечо вспомогательного мостамежду вершиной 11 и зажимом 18 совмещены с резистором 15 и конденсатором 17, а четвертое плечо вспомогательного моста между вершиной 12 и зажимом 18 совмещено с резистором 19 и кон денсатром 21.Параллельно вторичной обмотке 5 трансформатора 2 питания подсоединены две резистивно-емкостные фазосдвигающие цепочки. Одна из этих резис тивно-емкостных фазосдвигающих цепочек образована резистором 29 и конденсатором 30, которые соединены последовательно между собой к вершине 31 измерительной диагонали, а свобод ные выводы резистора 29 и конденсатора 30 подсоединены ко вторичной обмотке 5 в вершинах 32 и 33 питания соответственно. Вторая резистивно-емкостная фазосдвигающая цепочка обра зована резистром 34 и конденсатором 35, которые соединены между собой последовательно во второй вершине 36 измерительной диагонали, причем оставшийся свободный вывод резистора 25 34 подсоединен к вершине 33, к которой подсоединен конденсатор 30, а оставшийся свободный вывод конденсатора 35 подсоединен к вершине 32, к которой подсоединен резистор 29, Вер-.о шины мостовой цепи 18 и 31, 28 и 36 соединены между собой,Четырехплечий квадратурный мост можно считать уравновешенным только в том случае, если указатели равно 3 весия 22 и 23 одновременно фиксируют отсутствие разности потенциалов (напряжений) между зажимом 16 и общей шиной и зажимом 20 и общей шиной как при замкнутом, так и при разомкнутом40 положении ключа 10. Так как в момент равновесия четырехплечего квадратур- ного моста замыкание и размыкание ключа 10 не вызывает появления нап 45 ряжении разбаланса на входе указателей равновесия 22 и 23, то это свидетельствует о том, что потенциал средней точки обмотки 9 равен потенциалу общей шины 7 моста, При этом напрже Ои О .(соответ 50 ствующие падениям напряжений на конденсаторах 13 и 14 симметрирующей ветви) соответственно равны напряжениям 0 и О, (падениям напряжений на двух половинках обмотки 9), а потенциал среднего вывода обмотки 9 равен потенциалу общей шины моста, вследствие чего ток между средним выводом обмотки 9 и общей шиной мостаравен нулю как при разомкнутом ключе 10, так и при замкнутом ключе 10Ут.е, индуктивный делитель напряженияработает в режиме холостого хода, безбез токов нагрузки, в условиях, прикоторых выполнена аттестация отношения напряжений его плеч с помощью специальной измерительной аппаратуры доустановки в схему четырехплечего квадратурного моста.Уравновешивание четырехплечегоквадратурного моста с использованиемснмметрирующей ветви и вспомогательного моста имеет следующий порядок.1, При замкнутом ключе 10 измене"нием параметров элементов плеч квадратурного моста (резисторов и конденсаторов 15, 17, 19 и 21), изменениемамплитуды и фазы напряжения, снимаемого с вершины 31 первой фазосдвигающей цепочки (резистор 29 и конденсатор 30) и подподимого к вершине 18,уравновешивают четырехплечий квадратурный мост, добиваясь одновременныхнулевых показаний указателей равновесия 22 и 23.2. При разомкнутом ключе 1 О, еслина указателях равновесия 22 и 23появилось напряжение разбалансаквадратурного моста, восстанавливают равновесие попеременным изменением емкости конденсаторов 13 и 14 симметрирующей ветви и параметров резисторов 24 и 26 и конденсаторов 25и 27 вспомогательного моста, сновацобиваясь одновременных нулевых показаний указателем равновесия 22и 233. Повторить пункт 1,Практически достаточно выполнитьрегулировку симметрирующей ветви ивспомогательного моста один раз, нодля надежности следует ее повторить,чтобы не было случайных ошибок, Выполненная один раз регулировка симметрирующей ветви и вспомогательногомоста может сохраняться в течениенескольких дней, если в этот периодвремени четырехплечий квадратурныймост не подвергается последовательнойразборке и сборке.В момент равновесия четырехплечего квадраурного моста имеют местоследуюцде соотношения:а) ключ 1 О замкнуто и,11-9 + 18-7 02 Р Ус108365 1 ОЕсли при одном уравновешивании четерехплечего квадратурного моста получено уравнение равновесия: 9 О5 2 2 2 т 2 1 Э (5)Я 1 Я 2 1 С 2 012-9а после перемены местами подключенияконцов обмотки 9 получено уравнениеравновесия (6)О и,Я Я С с О т 2 2 11 ОС С 2 2 н У 2 "1 "1 Яг де 2 я, Е1 2=1 (81(1+дф 1 Р) полные сопротивлени лия- ндук полные сопобразцовых ров 17 и 2 тивлени 25 конденсат включен ое и чет ных во втовертое пленого моставенно; о квадрату соответстО того хода (при отсу ствии тока со средн го вывода обмотки 9 Так к в четыр хплечем квадратурО ый делитель напрежиме холостого зможность испольстановки его индуктиваботает в мост ряжени тся да, то од пе зоват еч,1(112-9й - синфа где ст;ная и квадратурна ндуктивного делитеряжения, равномуе (1:1). п.ттеч и ття нап единиц О О11-1 + Ю-Т б (1)г 2 Сб) ключ 10 разомкнутО О12-Э + 1 В г + гС 2О О12- 7гя2Из соотношения (1) и (2), если они выполнены одновременно при замкнутом и разомкнутом ключе 10, следует что 101,1 2 12-З " 2 12-т измеряемых резисторов 15 и 19, включенных в первое и третье плечо квадратурного моста соответственно,отношение напряженииплеч индуктивного делителя напряжения, измеренное в режиме холосВведем обозначение для отношениянапряжений плеч индуктивного делителя напряжения: поправки к номинальному отношению напряженийто из (5) и (6) получаем соотношениетт , гЗ 12-9-- = 1 1,1+с(+1 О 012-9 12-Э Из соотношений (7) и (8) получа соотношение (9), свободное от в ния отношения напряжений плеч и тивного делителя напряжения г 7. "72: 7" 72 (з 1Если при уравновешивании четырехплечего квадратурного моста в качестве регулируемых элементов в плечах были использованы, например, емкость конденсатоРа 17 ( У с , (1+1+1 УС11 ц С и реактивная составляющая резистора 15 (2 Я = й(1+ 1 о.т ,Я + 1 шСЯ Р ) и регулируемое по амплитуде и фазе напряжениепервой фазосдвигающей цепочки(резистор 29 и конденсатор 30), снимаемое с вершины 31 и подаваемое вершине 18 четырехплечего квадратур- ного моста,то искомое уравнение измерения для измерения активных сопротивлений йи Р, измеряемых резисторов 15 и 19 может быть получено в виде соотношения:Р+тт трч,чфЦ,г те С, С - значение емкости конденсатора 7 при двухуравновешиваниях четырехплечего квадратурного моста;о - круговая частота переменного тока;С 2 - значение емкости кондеттсатора 1;тотГЧ,У ) - поправка, которая включает в себя члены, содержащие ттс тат тчттьте и11 11083 б 5 12 раметры элементов плеч возникает под воздействием напряжечетырехплечего квадра- ния вторичной обмотки 5. Только совтурного моста во второй местное и одновременное испольэоваи более высоких степе- ние симметрирующей ветви и вспомоганях, 5 тельного моста позволяет уменьшить Величина поправки Е(Ч, Ч ) может ток в цепи замкнутого ключа 10 до быть без особых затруднений сделана такой пренебрежимо малои величины, меньше 110 в области низких зву- влияние которой на равновесие четырехковых частот до 3000 Гц. плечего квадратурного моста не обна- В уравновешенном четырехплечем 10руживается с помощью указателей равквадратурном мосте с помощью симмет- новесия 22 и 23. рирующей ветви устраняют ту часть Таким образом, четырехплечий квадтока в цепи замкнутого ключа 10, ратурный мост с симметрирующей ветвью которая возникает под действием нап- и вспомогательным мостом позволяет ряжения вторичной обмотки 4, а с по повысить точность измерения активных мощью уравновешенного вспомогательно" сопротивлений резисторов по реактивго моста устраняют ту часть тока в ным сопротивлениям конденсаторов на цепи замкнутого ключа 10, которая 1,5-2 порядка и более. ВНИИПИ Заказ 5857/31 Тираж 711 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная,4