Способ измерения параметров резонансных четырехэлементных двухполюсников мостом переменного тока

(56) АвторскВ 1320761, кл Бюл. В 41 ии политехнически вин733 (088.8)е свидетельство СССРС 01 К 17/10, 1985. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ Н ДВТОРСНОМУ СВ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАНСНЫХ ЧЕТЫРЕХЗЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ МОСТОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров четырехэлементных двухполюсников по восьми возможным КССЬ схемам замещения, в которых один из элементов, конденсатор или индуктивность, образует с остальной частью схемы замещения либо параллельное, либо последовательное соединение. Изобретение позволяет ускорить процесс уравновешивания по четырем параметрами,ЯО 1436076 А при измерении параметров резонансных четырехэлементных двухполюсников путем исключения операции определения характера соответствия между знаками отклонения добротности и реактивной составляющей тока разбаланса на второй заданной частоте. На чертеже по-, казана схема моста, реализующего предложенный способ, при измерении параметров резонансного четырехэлементного ССКЬ двухполюсника, в схеме которого один из элементов образует с остальной частью схемы параллельное соединение. Схема моста содержит плечо 2 сравнения и плечо 8 измерения, фазочувствительный нуль-индикатор 13 ф) ключ 6, переключатель 7 и КОСЬ-элемен-фф ты. Способ характеризуется широкими, ф ф пределами значений измеряемых парамет С ров резонансных четырехэлементных двухполюсников, поскольку в качестве образцовых элементов плеча сравнения могут быть использованы многодекадные магазины емкостей, активных сопротив Ь лений и индуктивностей. 4 ил. МИзобретение относится к электроради 1:измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров четырехэлементных двухполюс 5 ников по восьми возможным ССКЬ схемам 50 замещения, в которых один из .элементов образует с остальной частью схемы замещения либо параллельное, либопоследовательно соединение. 10Цель изобретения - повышение быстродействия процесса уравновешивания по четырем параметрам при измерении параметров резонансных четырехэлементных двухполюс.ников путем исключения операции определения характера соответствия между знаками отклонениядобротности и реактивной составляющей тока разбаланса на второй заданной частоте. 20На фиг, 1 изображена схема моста, реализующего способ при измерении параметров резонансного четЫрехэлементного ССКЬ двухполюсника, в схеме которого один из элементов образует 25 с остальной частью схемы параллельное соединение; на фиг. 2 - схемы других резонансных четырехэлементных двухполюсников, параметры которыхмогут быть измерены по предлагаемомуспособу; на Фиг, 3 - частотный годограф выходного тока плеча измерения,а такжевекторные диаграммы этого тока на двух частотах и его составляющих; на Фиг, 4 - векторная диаграмма35выходного тока плеча сравнения иего составляющих, поясняющая процесс,уравновешивания.Схема моста содержит плечо 1 сравнения, конденсатор 2, переменная емкость (С) которого является первым4регулируемым параметром, резистор 3, .переменная проводимость (С) которогоявляется вторым регулируемым параметром, последовательно соединенные резистор 4, переменное сопротивление(К) которого является третьим регулируемым параметром плеча 1, и магазин 5 индуктивностей, переменная индуктивность (Ь) которого являетсячетвертым регулируемым параметромплена 1 сравнения 1 ключ 6, переключатель 7, плечо 8 измерения 9 (С),10 (С ), 11 (К и ), 12 (Ь, ) - эле-,менты схемы замещения, соответственно, емкость 9(С ), активная проводи 55мость 10 (Со), активное сопротивление 11 (К , ) и индуктивность 12 (Ьфазочувствительный нуль-индикатор 13с малым входным сопротивлением, к измерительному входу 14 которого подходит ток разбаланса моста Ь 18 эТ , а на опорный вход 15 подается опорное напряжение У , сдвинутое при уравновешивании моста поочетырем параметрам на 90относитель но напряжения питания б зажимы 16- 22,; вершины 23 и 24 измерительной диагонали, 1 -1 - токи, протекающие через конденсатор 2, резистор 3 и ветвь с резистором 4 и магазином 5 индуктивностей 1 - Т - токи, протекающие по ветвям плеча 8 измерения4с элементами 9-12; 1 Т - выходные токи плеч 1,8; 6 - ц - напряжения питанияснимаемые с вторичных обмоток трансформатора с тесной индуктивной связью, причем где И - ц - .числа витков, напряженияО, ц. синфазные, а напряжение 0: противофазноБНа фиг. 2 обозначено: конденсатор (С ), параллельно включенный смешанному соединению резистора 26 (К 6)резистора 27 (С ), индуктивности 28 (ь 8), индуктивность 29 (ь ), включенная последовательно со смешанным соединением резистора 30 (Кзо), резистора 31 (С,), конденсатора 32 (С, ); индуктивность 33 (Ьз), включенная последовательно со смешанным соединением резистора 34 (С 4), ре. - зистора 35 (К), конденсатора 36 (С 6) , индуктивность 37 (Ь. 7), параллельно включенная смешанному соедине- . нию резистора 38 (Сзе), конденсатора 39 (С. ), резистора 40 (В, ), индуктивность 41 (1 ,), .включенная параллельно смешанному соединению резистора 42 (К, ), резистора 43 (С 4), конденсатора 44 (С 4 ); конденсатор 45 (С 4 ), включенный последовательно - со смешанным соединением резистора 46 (К ), резистора 47 (С ), индуктивности 48 (Ь 4 ); конденсатор 49 (С 4), включенный последовательно со смешанным соединением резистора 50 (С ), индуктивности 51 (Ь ,), ре;зистора 52 (К ) .На фиг. 3 обозначено РАщ А - частотный годограф выходного тока 18 плеча 8 измерения, ГВ 4 Вд - частот ный годограф тока 1, протекающего3 143607по ветви с резистором К и индуктивностью Ь, плеча 8 измерения, АА - положения конца вектора 1(ю )на его годограч)е на часФотах ая,точки а, , а о - проекции концов вектоРа 1(Ю,), 1(и) на ось вещественных чисел, совпадающую по направлениюс вектороМ ЦхНа фиг, 4 обозначено: 00; - вектор,10изображающий ток 1 при проведенииз-й операции связанного регулирования,Р;В Вг, 0; - частотный годограф тока1 , а Р; В , П;В; - векторы этоготока на частотах И я при указанной -й операции, В , А В; А),векторы тока 1 на частотах Щ,Опри проведении д-й операции, ОА,Я- векторы тока 1 на частотахй(да, при -й операции, А А; - ток 20разбаланса при -й операции на частоте Ю.Мост (фиг. 1) описывается следующим уравнением равновесия:(7) где У(сд,), У(сдг) - комплексная прозодимость плеча 8 измерения на часто)те а,и Я,Значения С , С", С , С" первого ивторого параметров плеча сравнения,соответствующие значениям составляющих комплексной проводимости объектаизмерения, отсчитываются и запоминаются.Переключатель 7 в плече 1 сравнения при предварительных уравновешиваниях находится в верхнем положении,если агд 1 сО, и в нижнем положении,если агц 1О, В выражениях (6) и(7) принято Я(= со, т.е. Ц щ -Ц, .Знак "плюс" в левых частях Равенств(6) и (7) соответствует нижнему по 11ложению переключателя 7, а знак минус" - верхнему положению переключа"теля 7,Далее проводят операции уравновешивания по четырем параметрам С, С,К, Ь. Переключатель 7 при этих операциях находится в нижнем положении,ключ б замкнут. Мост питается напряжением частотыагр а Цдо "ЗЦ 2,(фиг, 4)При укаэанных операциях проводятсвязанные регулировки параметров К,С, Ь, С. При этом используются эави 25 М+ Со + к+ЗА 1 ) К+ЯЬ(5) где С , С , К, Ь, - отсчитываемыесимостизначения регулируемых параметров СВ 50С, К, Ь плеча 1 сравнения по окончании измерения,Измерение параметров четырехэлементного двухполюсника проводят следующим образом. 55 С; : 9 ., СПосле подключения объекта измере- н,К;( 1+Е,)ния к зажимам 17 и 21 на частотахЯ, и О. являющихся заданными приразомкнутом ключе 6 регулировками 1; = Н,Я;/Я(; яг (1-Кг)(10) Если уравнениене нарушается с изменением частоты и , мост (фиг 1) находится в частотно независимом состоянии равновесия и производится определение измеряемых параметров по 35 формулам б4первого параметра С и второго параметра С плеча 1 сравнения проводятся два предварительных уравновешивания моста,(При регулировке С или С подается опорное напряжение ЦЦ или Ц = ф ). По окончании предвари тельных уравновешиваний моста имеют место равенства (фнг. 3)5 1436076 бне равна нулю (с погрешностью, опре Са. ааащК (1+0)(11) деляемой порогом чувствительности фаащ1зочувствительного нуль-индикатора113), проводится третья операция при где ЬС С - С; х - номер операции. 5Ц; 03 Ь /К " добротность ветви пле- - - 1.фО = О - ЬЦ, где ЬЯ " отклонение%,сдобротности О в конце второй операча сравнения с третьим и четвертымции и т.д.его параметрами на частоте Ц 1, К- д /а ( К 1) Процесс уравновешивания по четы 11 11 1 О рем параметрам заканчивается при поВ Формуле ( 9 ) знак плюс передлуч ении равенства (с указанной по- С . ставится , еслиагре ( Ы , )О . (т . е .грешностью)если при предварительном уравновешивании на частоте ц; переключатель 7находится в нижнем положении). Если1 ь 1(О) =0 же агя 1 (д,) с О, ставится "минус".Модуль 1 Ь(р; равен модулю Ь;, С, по показаниям фазочувствитель-фПри.этом мост (Фиг, 1) находится ного нуль-индикатора 13, реагирующегов частотно независимом состоянии равна знак и модуль реактивной составляю.щей тока разбаланса (фиг, 4), в кон новесия.При проведении -й операции ток це х-й операции определяется знак иплеча сравнения на частоте Я размер отклонения Я, = Я Йогде Я = Я Ь /К , т.е. значение доб 1ротности ветви с параметрами К, Ь в251 (Ы,) = Ц (С +МС; + конце измерения, При этом используется зависимость(12) после подстановки выражений (8)-(11)записывается как где Ы,(О ) - ток разбаланса в конце- а-й операции.Первую. ( =. 1) операцию связанного регулирования проводят при максимальном значении добротности Я ветви плеча сравнения .с параметрами К, Ь на частоте у Значение Ч является либо заданно, либо определяется по Формуле(18) В формуле (13) значение С положительно (отрицательно), если агя 1 (М 0 агд 1 Ь(Я,) .( 0 . Аналогично значение С" полоюютельно (отрицательно),если агя 1 (Я) - "О, аг 81 д(О ) "- 0.1По значению (1 = Я при первой операции определяются значения К;, С Ь , С(формулы (8) -(11) . После установки этих значений определяетсяимеющее место отклонение Ь= Я.Ч (выражение (12) по 1,Ь 1(Яд),Вторую (1. = 2) операцию проводят при 0 = 0- Ианалогично первой,1Если по окончании второй операцииреактивная составляющая 1 1(9,)что совпадает с равенством (6).35 Следовательно, мост на частоте Япри выставленных значениях К С;,Ь , С; в конце каждой операции находится в состоянии равновесия. Припереводе моста с частоты (д; на часто О ту Я изменение активной составляющейтока 1 равно изменению активной составляющей тока 1, т.е. Таким образом, мост на частоте Я 55 уравновешен по активной составляющейтока разбаланса в конце каждой опера-ции уравновешивания по четырем параметрам К, С, Ь, С. По получений равенст(20) Кс Ко Из равенств (19) и (20) следует, что в конце описанного уравновешива- ния(21) Ьс При выполнении равенств (19)-(21)очевидно, что для уравновешенногомоста справедливы и равенства 7 14 ва (14) мост (фиг, 1) на частоте о уравновешен также по реактивной составляющей тока разбаланса, т.е. оказывается уравновешенным .и на частоте Ю и на частоте Ы . Поскольку при атом ( 0 р то,.предварительных уравновешивания мостана частотах Я, и сд регулировкамиС = чаг, 6 = чаг, а также операциисвязанного регулирования параметровС, 6, К, Ь по значениям реактивнойсоставляющей тока раэбаланса 1 Ь 1; (у)в соответствии с Формулой (12) ивыражениями (8)-(11) найденные значения С, С ю, К,; Ь по формулам(20) -(22) и (2) -(5) пересчитываютсяв значения параметров схемы (фиг,2 а) .При этом используют соотношения 15(22) 2 Ь Итак, по достижении равенства (14)мост (фиг. 1) находится в частотнонезависимом состоянии равновесия, отсчитываются значения Кв, С, С, Ь 30по формулам (20)-(22) и определяютсяизмеряемые параметры по формулам (2)(5),Число операций связанного регулирования составляет 3-4, т.е. примерно в три раза меньше, чем .у прототипа.В схеме моста (фиг, 1) ветвь с элементами 4 и 5 (резистором (К) и магазином индуктивностей (Ь может бытьзаменена Т-образной цепью, в которойпродольные плечи содержат резисторы,а в поперечное плечо включены параллельно соединенные конденсатор переменной емкости и резистор переменного сопротивления, параметры которыхявляются третьим и четвертым параметром цепи сравнения моста. Одно продольное плечо этой Т-цепи подсоедииена к источнику напряжения У, другое - к вершине 23 измерительной диагонали,Мост (фиг1), реализующий предлагаемый способ, может быть использовандля измерения параметров резонансногоССКЬ двухполюсника (фиг. 2 а), который,включается в плечо 8 моста. Плечо 1сравнения при этом имеет ту же схему,что и на фиг. 1, По окончании процес(30) По предлагаемому способу возможно измерение параметров резонансных являющиеся условиями эквивалентности схемы ССКЬ (Фиг1) схеме СКСЬ . (фиг. 2 а).По предлагаемому способу возможно измерение параметров резонансных двухполюсников по схемам (фиг, 2 б,в), поскольку эти схемы дуальны соответственно схеме ССКЬ двухполюсника на Фиг. 1, а также схеме (фиг, 2 а).По предлагаемому способу возможно измерение параметров резонансных ЬСКС двухполюсников (фиг. 2 г), поскольку частотный годограф такого двух полюсника является зеркальным изображением частотного годографа ССКЬ двухполюсника (фиг. 1) в плече 8 измерения (если, переменную Я заменить наЯ ) .При измерении параметров двухполюс ника (фиг . 2 д) по предлагаемому способу используются условия эквивалентности между ним и двухполюсником (фиг. 2 г), по схеме которого выполняется плечо сравнения, записываемые как143607 четыр ехэл ементных двухполюс ников(фиг,. 2 е,ж), поскольку эти двухполюсники дуальныдвухполюсникам (фиг.2 г,д),610тоте расчетных выражений (8)-(11), (12) невелика. В случае использования микропроцессора для проведения вычислительных операций по указанным формулам длительность одной операции уравновешивания, т.е. такта уравновешивания, может составить 100-150 мс. Время процесса уравновешивания по четырем параметрам за 3-4 операции (0,3-0,5 с). снижается при использовании микропроцессоров, характеризующихся меньшим временем проведения арифметических действий. При предварительных уравновешиваниях проводимых по двум параметрам, мост (фиг.1) характеризуется таким же быстродействием, что и известные мосты, предназначенные для измерения параметров двухэлементных комплексных сопротивлений и проводимостей, т,е, временем достижения состояния равновесия, составляющим доли секунды.Предлагаемый способ может быть ис" пользован для разработки на его основе мостов переменного тока, предназ. наченных для измерения параметров однослойных соленоидов, воспроизводящих единицы индуктивности, для которых имеет место схема замещения (фиг. 1), для измерения влажности материалов с помощью индуктивных дат" чиков схема замещения которых совпа".дает со схемой плеча 8 на фиг, 1, для измерения параметров электростатических преобразователей при учете активного сопротивления и индуктивности кабеля (Фиг. 2 б), а также измерения параметров других объектов, за- мещаемых ССИ. или ,СКГ схемой. Формула изобретения Способ измерения параметров резонансных четырехэлементных двухполюс-, ников мостом пер еменног о . тока, заключающийся в том, что проводят два предварительных уравновешивания моста по первому и второму параметрам плеча сравнения для определения значений активной и реактивной составляющих комплексной проводимости плеча измерения на первой и второй заданных частотах, по найденным значениям указанных составляющих уравновешивают мост при заданном значении добротности на первой заданной частоте вет ви плеча сравнения путем связанного регулирования третьего и четвертого11 1436076параметров плеча сравнения, опреде- вания моста по четырем параметрам ляют активные составляющие выходных уравновешивания на второй заданной токов плеч измерения .и сравнения при частоте, проводят многократно, изме. каздой совокупности выставленных зна- няя значение параметров плеча срав 5чений параметров плеча сравнения на нения с учетом знака и модуля реаквторой заданной частоте, о т л и- тивной составпякнцей тока разбаланса ч а ю щ и й с я тем, что, с целью моста на второй заданной частоте до повышения быстродействия уравновеши- достижения равенства ее кулю.1436076 ь В.идык енчук Корректор А.Обручар оставиехред М актор А.Ша аказ 5644/46 Тираж 772 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/Проектна Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужго