Способ автоматического выбора измеряемых параметров комплексного сопротивления в универсальных экстремальных мостах переменного тока

(19) (111 2171 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт электродинамикиАН УССР(56) Авторское свидетельство по заявке У 1942154/2.1 от 12 июля 1973, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства, кл. О 01 В 17/12.(54)(57) 1. СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МОСТАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, при котором первоначально суммируют ток объекта измерения с периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, квадратурным по отношению к напряжению на объект измерения, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модуляционного тока определяют, в каком из двух квадратов полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения точности выбора измеряемых параметров, при определении сектора, в котором находится вектор тока объекта измерения, суммируют этот ток с другим периодически изменяющим фазуа на 90 модуляционным током, вектор которого направлен под углом +135 к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта,и по знаку приращения амплитуд суммарного тока при изменении фазы модуляционного токао Р на 90 определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т,е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления.2. Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что модуляционный ток формируют с амплитудой в Г 2 раз меньшей амплитуды тока объекта измерения,10 20 25 30 35 40 50 Изобретение относится к области электроизмерительной техники, точнее к измерению параметров комплексных сопротивлений.Известен способ автоматического выбора измеряемых параметров комплекского сопротивления, заключающийсяв том, что первоначально., суммируют ток объекта измерения с периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, квадратурным по отношению к напряжению на объекте измеоения, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модуляционного тока определяют, в каком из двух квадрантов полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т,е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления, а затем суммируют тот объект измерения с другим периодически инвертирующимся по фаземодуляционным током, вектор которогоперпендикулярен линии раздела двух секторов квадранта, выбранного ранее,и по знаку приращения, амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модулированного тока определяют, в. каком из двух секторов находится вектор тока .объекта измерения, т.е.определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составля-. ющей измеряемого сопротивления (1).Недостаток.: известного способа заключается в том, что неточность установки фазового сдвига модуляционного тока на втором этапе выбора измеряемых параметров (определение секторов, в каком находится вектор тока объекта измерения) приводит к появлению довольно широкой зоны, в которой выбор измеряемых параметров может быть произведен неправильно.Целью изобретения является повышение точности выбора измеряемых параметров. Эта цель достигается тем, что при определении сектора, в котором находится вектор тока объекта измерения, суммируют этот ток с другим периодически изменяющим фазу на 90 модуляционным током, вектор которого направлен под углом .135 к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта, и по знаку приэащения амплитуды суммарного тока. при изменении фазы модуляционногоОтока на 90 определяют, в каком из, двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления. При этом модуляционный ток формируют с амплитудой в раз меньшей амплитуды тока объекта измерения.Выбор измеряемых параметров комплексного сопротивления предлагаемым способомпроиэводится в два этапа. На первом этапе определяют, в каком из двух квадрантов комплексной полу- плоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления. На втором этапе определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления.На фиг. 2 представлена векторная диаграмма первого этапа выбора измеряемых параметров по предлагаемому способу на фиг. 3 - векторная диаграмма второго этапа выбора измеряемых параметров по предлагаемому способу; на фиг. 1 - блок-схема экстремального моста, реализующего предлагаемый способ выбора измеряемых параметров комплексного сопротивления.На первом этапе выбора измеряемых параметров ток 1 модулируют током Ь 1, направленным перпендикулярно вектору питающего напряжения Б. При этом модуль суммарного вектора будет зависеть от взаимного расположения векторов Б, 1, 61. Как видно из фиг. 2 для взятого в качестве примера вектора 1, суммарный вектор, М= =1, +61, меньше, нежели суммарный вектор И=1 -Ь. Это свидетельствует о том, что вектор 1, расположен в левом квадранте, Для вектора 1 ц который расположен в правом квадранте, имеет место обратное соотношение: МИ. Равенство суммарных токов М=Б имеет место только при совпадении векторов Ц и 1. Таким образом, модулируя ток 1током Ь 1, и анализируя знак приращения амплитуды суммарного сигнала при +д 1 и -й 1, можно опреде-. лить, в каком из двух квадрантов полуплоскости лежит ток 1,На втором этапе определяют, в каком иэ двух секторов найденного квадранта находится вектор тока объекта769438 измерения Х, т,е, какая составляющая сопротивления " активная или реактивная - преобладает. Для этого ток объекта измерения Х модулируют. Модуляция в этом случае заключается в том, что с вектором 1 суммиРУют дру гой " модуляционный - вектор тока, направленный под углом + 135 к линии раздела двух секторов ранее выбранно го квадранта, и в процессе модуляции периодически изменяющй фазу на 90. Как видно из фиг. 3 для взятого в качестве примера вектора 1, суммарный вектор К=1+1 больше по модулю, нежели суммарный вектор Ь=1+Х . Это свидетельствует о том, что вектор 1 расположен внутри П сектора. Если бы вектор 1 был внутри 1 сектора, то имело бы место соотношение Кс 1, При К=Ь вектор 1, очевидно, совпадает с линией раздела 1 и 11 секторов. Аналогично производится определение сектора для правого квадранта, примером служит ток 1: при КЬ, вектор 25 1 находится в секторе 1 Ч, при КЬ - в секторе 111, при К=Ь - совпадает с границей раздела 111 и ХЧ секторов.Таким образом, по знаку прираще". ния амплитуд суммарного тока при изменении фазы модуляционного тока нао90 можно судить о том, в каком из секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. судить о характере преобладающей составляющей комплексного сопротивления. ЗО где о 1 - относительное неравенствойамплитуд модуляционных то- кОВ Хр и ХчС другой стороны, отклонение вектора тока объекта измерения от линии 35раздела секторов на угол Щ при равенстве амплитуд модуляционных токов Х =1 приводит к появлению модуляционного приращения амплитуды суммарного тока ь Хм величина которого, 40 кяк нетрудно покязять ряВня 41= 21 мьц Очевидно, определение сектора,внутри которого находится вектор тока объекта измерения 1, может быть 45 верным и в случае, если полезноеприращение амплитуды суммарного тока больше ложного. Приравняв величины полезного и ложного приращенийамплитуды суммарного тока можно оп ределить ширину зоны неопределенности (т.е. зоны, в которой сектор комплексной полуплоскости может бытьопределен неверно). 55 Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что при модуляции вектора тока объекта измерения модуляционным током, вектор которого направлен под углом +135 к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта, и в процессе модуляции периодическиоизменяющий фазу на 90 ,зона неопределенности, в которой возможно неправильное определение сектора комплексной полуплоскости, резко сужается. Если же амплитуда модуляционного тока в Г 2 раэ меньше амплитуды тока объекта измерения, то зона неопределенности будет минимальной. Покажем это. С этой целью проанализируем, как влияет на ширину эоны неопределенности погрешность формирования модуляционных токов. Будем считать, что амплитуда модуляционного тока в 42 раз меньше амплитуды тока объекта измерения. Формирование модуляционных токово 1и 1, сдвинутых по фазе на 90 не представляет трудности. Более трудной задачей является обеспечение равенства амплитуд этих токов. Поэтому рассмотрим, как будет влиять на точйость Определения сектора комплексной полуплоскости неравенство ампли+ туд модуляционных тОкОВ 1 и 1, Пусть вектор тока объекта измерения 1(см, фиг. 3) совпадает с линией раздела ОВ сектора 1 и 11. При равенстве 1 и Х имеет место соотношение К=Ь, т.е. приращение амплитуды суммарного тока при измерении фазы моодуляционного тока на 90 равно нулю. Если один из модуляционных токов больше другого на величину ЬХ (в нашем примере Хц по модулю больше 1 на величину ЬХ), то К 4 Ь. Это приводит к появлению ложного приращения амплитуды разностного тока 61,. Иэ треугольника образованного векторами Ь, Ь 1 и Ь, (фиг. 2) нетрудно определить величину этого приращения Ы=Ь,-К: ХРХ),1 2 Из этого выражения видно, что зона неопределенности является величиной второго порядка малости по сравнению с относительным неравенством амплитуд модуляционных токов 1. Поэтому она существенно уже аналогич 5 ной зоны при выборе измеряемых параметров известным способом.Приведем количественное сравнение ширины зон неопределенности при выборе измеряемых параметров известным и предлагаемым способом. Допустим, что на втором этапе выбора из-, меряемых параметров известным способом модуляционный ток формируется при помощи цепочки из параллельно соединенных конденсатора и резистора, подобранных так, чтобы на номинальной рабочей частоте их сопротивления были одинаковы. Если рабочая частота моста изменится на 3 а, то изменится и фаза модуляционного тока на величину , равнуюьс:3 о 25Такой.же по величине будет и ширина эоны неопределенности, в которой выбор измеряемых параметров будет произведен неправильно.Допустим, что на втором этапе выбора измеряемых параметров предлагаемым способом для формирования модуляционных токов используются те же конденсатор и резистор, поочередно подключаемые в процессе модуляции к источнику напряжения. Если при этом изменится рабочая частота моста на величину 8 я, то появится неравенство амплитуд модуляционных токов 1 и 1, относительное значение которого равно 1=оа. При этом, как быпо поао каэано вьве, ширина неопределенности при выборе измеряемых параметров 1 1предлагаемым способом Ь= - Я )4Предположим, что относительная нестабильность частоты генератора а = =/Е . Тогда ширина зоны неопределенности при выборе измеряемых параметров известным способом составит 0,5 10 радиан, а при выборе измеряемых 5 О параметров предлагаемым способом 0,25.10 радиан. Таким образом, при испОльзовании предлагаемого способа ширина зоны неопределенности уменьшается по сравнению с аналогичной зоной при использовании известного способа в 200 раз.. Необходимо отметить, что. при несоблюдении соотношения амплитуд токов 1=1/ Г 2 при выборе измеряемых параметров предлагаемым способом шириназоны неопределенности несколько возрастает, однако остается существенноменьшей аналогичной зоны при выбореизмеряемых параметров известным способом. На фиг. 1 приведена схема моста, иллюстрирующая пример реализации предлагаемого способа. С питающего генератора 1 напряжение рабочей частоты подается на первичную обмотку трансформатора напряжений 2 мостовой цепи. С плечевой обмотки 3 этого трансформатора сигнал поступает на объект измерения 4 и далее на обмотку 5 индуктивного компаратора токов и через переключатель 6 на преобразователь 7 токов в напряжение. Через переключатель 8 с плечевой обмотки 3 трансформатора напряжения 2 сигнал поступает на управляемый элемент 9, питающий первичную обмотку трансформатора модулятора 10. С плечевой обмотки 11 напряжение поступает на ос- тальные элементы измерительной цепи, условно обозначенные блоком 12 и служащие для уравновешивания моста после выбора измеряемых параметров. Эти элементы через переключатель 13 могут быть подключены к обмотке 14 компаратора токов. Модулятор 10 состоит иэ трансформатора напряжений и двух ключей 15 и 16, один.из которых всегда открыт, а другой закрыт. Напряжение с модулятора 1 О поступает на модуляционный элемент 17Выходное напряжение управляемого элемента 9 поступает на модуляционный элемент 18. Токи, протекающие через модуляционные элементы 17 и 18, с помощью переключателя 19 через переключатель 13 могут подаваться в обмотку 14 компаратора токов. К указательной обмотке 20 компаратора,токов подключен экстремальный детектор равновесия 21, являющийся по сути дела анализатором знака амплитудных приращений. Его выход через переключатель 22 может быть подключен либо к системе автоматического уравновешивания моста 23, либо к блоку коммутации 24 измерительной цепи при выборе измеряемых параметров. Входное сопротивление экстремального детектора равновесия 21 близко к нулю, благодаря чему компаратор токов работает в режиме короткого замыкания.769438Иост работает следующим образом.Первоначально переключатели 22, 13,6 и 8, а также-переключатель 19 находится в положении 1. При этом через обмотку 5 протекает ток объектаизмерения 4. Через обмотку 14протекает модуляционный ток, вызванный периодически инвертирующимся напряжением модулятора 10,приложенным к элементу 17. Амплитуда модуляционного тока всегда в 42раз меньше амплитуды тока объектаизмерения. С этой целью ток объектаизмерения преобразуется преобразователем 7 в постоянное напряжение, поступающее на управляемый элемент 9,через который сигнал с обмотки 3трансформатора напряжения 2 инвертируется и подается на трансформатормодулятора 10. Этим обеспечиваетсяпропорциональность амплитуд модуляционного тока и тока объекта измерения. Очевидно, что этот модуляционный ток будет квадратурен по отношению к питающему объект измерениянапряжению. На компараторе токовпроизводится суммирование токов,результирующий модулированный ток изобмотки 20 поступает в анализаторприращений 21, с выхода которого сигнал подается на блок коммутации 24,производящий необходимую коммутациюв измерительной цепи для работы втом или ином квадранте.Так происходит первый этап выбора измеряемых параметров. На второмэтапе выбора измеряемых параметровмодулятор 1 О затормаживается (в соответствии с результатом выбора на40первом этапе открыт либо ключ 15, либо ключ 16), а модуляция производится периодически переключением переключателя 19. При этом фаза модуляционного тока изменяется периодичесоки на 90 . Пусть на первом этапе было установлено, что 1 находится влевом квадранте (1 и 11 секторы),на втором этапе при этом модулятор10 заторможен в положении: ключ 15закрыт, а 16 - открыт, Очевидно, что 50модуляционный ток, вызванный напряже 8нием модулятора 1 О, приложенным коэлементу 17, отстает на 90 от напряжения, питающего объект измерения(направлен по линии ОЕ, см. фиг. 3),При переключении переключателя 19 вположение 2 модуляционный ток, вызванный выходным напряжением регулирующего элемента 9, приложенным кэлементу 18, противофазен напряжению питания объекта измерения. Еслиже модулятор заторможен в положении".ключ 15 - открыт, а 16 - закрыт,томодуляционный ток в положении 1 переключателя 13 будет направлен полинии ОА (фиг. 3). Таким образом,на втором этапе выбора измеряемых параметров при периодическом переключении переключателя 19 модуляционныйток периодически изменяет фазу наО90 , На компараторе токов производится суммирование токов. Суммарный токна обмотки 20 опять поступает наанализатор приращений 21, который подает в блок 24 вторую команду - с выбора сектора, На этом выбор измеряемых параметров заканчивается. Переключатели 22, 23, 6, 8 переводятся вположение 2. При этом преобразователь7, управляемый элемент 9, модулятор10, модуляционные элементы 17 и 18и блок коммутации 24 измерительнойцепи при выборе измеряемых параметров 24 отключаются, а к обмотке 14подключается блок 12 измерительнойцепи 12, который до этого не участвовал в работе. К выходу экстремумдетектора подключается система уравновешивания 23, и производится уравновешивание измерительной цепи однимиз известных способов,Как видно из приведенного описания, реализация предложенного способа несложна, при выборе измеряемых параметров могут использоваться многие элементы измерительной цепи и экстремальной системы уравновешивания моста. Если не поддерживать амплитуду модуляционного тока равной 1/Г 2, то реализация предложенного способа намного упрощается.69438 Бахти оставител ехред М.М Редактор О,Трубченк орректор А.Обруч н каз 6701 4 водственно-полиграфическое предприятие, г. Уж ул. Проектная, 4 Тираж 65 ВНИИПИ Государс по делам изобр 113035, Москва, ЖПодписноенного комитета СССРений и открытий5, Раушская наб., д