Цифровой мост переменного тока

Союз Советских Социалистических РеспубликОП С ИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТВЛЬСТВУ о 1783698(51)М. Кл.,(22) Заявлено 280279 (21) 2730897/18-21ъс присоединением заявки Йо С 01 а 17 У 10 Государственный комитет СССР но дедам изобретениИ и открытий(71) Заявитель Пензенский завод-ВТУЗ при заводе ВЭМ (филиал Пензенского политехнического института)(54) ЦИФРОВОЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Изобретение относится к электро- измерительной технике и предназначе-, но для измерения составляющих комплексного сопротивления.5Известен цифровой мост переменного тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной цепи, вершина измерительной .диагонали которой, примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первым входам первого и второго фазовременных преобразователей и к третьему входу третьего фазовременного преобразователя, пер вый и второй выходы которого подсоединены к первым входам третьего и четвертого интегратора соответственно, выходы которых подключены соответственно к прямому и инверсному входам второго элемента ЗАПРЕТ, выход которого через блок уравновешивания по активной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подсоединен ко входу второго блока индикации, вторая вершина измерительной диагонали подключена ко второму входу второго фазовременного преобразователя, выход которого подсоединен к вторью входам четырех интеграторов, верши- ЗО на диагонали питания мостовой цепи, примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первому входу дифференцирующей цепи и третьему входу первого фазовременного преобразователя, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго интегратора соответственно, выходы которых подсоединены соответственно к прямому и инверсному входам первого элемента ЗАПРЕТ, выход которого через блок уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подключен ко входу первого цифрового индикатора, вторая вершина диагонали питания мостовой измерительной цепи подсоединена ко вторым входам дифференцирующей цепи первого и третьего фазовременных преобразователей и к третьему входу второго фаэовременного преобразователя,. а выход дифференцирующей цепи подключен к первому входу третьего фазовременного преобразователя 1 .Недостатком данного устройства является низкое быстродействие, обусловленное тем, что в данном ци 1 роэом мосте переменного тока время формирования одного регулирующего эоздейст эия превышает период питающего напряЖения.Известен также циФровой мост переменного тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный в диагональ питания мостовой изМерительной цепи, первая вершина диа гоняли питания которой, примыкающая к измеряемому компо 1 ексному сопротив лению, подсоедянена к первому входу ,первого Фазовременного преобразователя, вторая вершина диагонали пита- ния подключена к второму входу первого Фазовременного преобразователя и первому входу второго фазовременного преобразователя, первая вершина измерительной диагонали, примыкаю, 5щая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к третьим входам первого и третьего фазовремен ных преобразователей и второму входувторого Фазовременного преобразова-О теля, вторая вершина измерительной диагонали подсоединена к первому входу третьего Фазовременного преобразователя и третьему входу второго Фазовременного преобразователя, выходкоторого подсоединен ко вторым входамчетырех интеграторов, первый я вто.рой выходы первого фазовременного преобразователя подключены к первым входам первого и второго интеграторов соответственно, выход первогв интегратора подсоединен к прямому входу первого элемента ЗАПРЕТ, инверсный вход которого подключен к выходу второго интегратора, выход первого элемента ЗАПРЕТ через блок уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подсоединен к первому блоку индикации, первый и второй выходы третьего фазовременного преобраэова теля подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого интеграторов, выходы которых подсоединены соответственно к прямому и инверсному входам второго элемента ЗАПРЕТ, выход второго элемента ЗАПРЕТ через блок уравновешивания потенгенсу угла потерь измеряемсго комплексного сопротивления подключен к входу второго блока индикации 2.Недостатком данного циррового моста перменного тока являются низкиебыстродействие и точность, что обусловлено двухканальной структуройтрактов Формирования регулирующихвоздействий (наличие двух интеграторов).Целью изобретения является повышение быстродействия измерения.Поставленная цель достигается тем, что в цифровой мост переменного го О ка, содержащпй генератор синусоидального напряжения,включенный в диагональ питания мостовой измерительной цепи, первая вершина измеритель.ной диагонали которой, примыкающая 65 к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первым входам первого и второго фазовременных преобразователей и третьему входу треть. его фаэовременного преобразователя, первый вход которого подсоединен к первой вершине диагонали питания, примыкающей к измеряемому комплексному сопротивлению, вторая вершина диагонали питания, не примыкающая к1измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к третьему входу первого фаэовременного преобразователя и второму входу второго фазовременного преобразователя, вторая вершина измерительной диагоналя, не примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоедянена к вто-рому входу третьего Фазовременного преобразователя, два интегратора и два блока уравновешивания, выходы которых подсоединены к входам соответствующих блоков индикации, введены два блока управления четыре ключа, два блока обработки сигналов, причем первая вершина измерительной диагонали подсоединена к третьим входам блоков управления, вторая вершина измерительной диагонали подсоединена к вторым входам первого фазовре-, менного преобразователя и блоков управления. первая вершина диагонали питания подсоединена к третьему входу второго фазовременного преобразователя и первому входу второго блока управления, вторая вершина диагонали питания подсоединена к первому входу первого блока управления, первые и вторые выходы первого и третьего фазовременных преобразователей через информационные входы первого и второго, третьего и четвертого ключей подсоединены соответственно к первым входам первого и второго интеграторов, вторые входы которых подсоединены к выходу второго фаэовременного преобразователя, первые выходы первого и второго блоков управления подсоединены к управляющимвходам соответственно первого и третьего ключей и первым входам соответствующих блоков обработки сигналов; вторые входы которых подсоединены соответственно к выходам первого и второго интеграторов, вторые выходы первого и второго блоков управления подсоединены соответственно к управ ляющим входам второго и четвертого ключей,. выходы блоков обработки сигналов подсоединены к входам соответствуощих блоков уравновешивания.Блок управления содержит блок формирования импульсов, усилитель-ограничитель, элемент И, элемент ЗАПРЕТ КБ-триггер, причем первый вход блока управления подсоединен к первому входу блока Формирования импульсов, это. рой вход блока управления подсоединен к второму входу блока Формирова 783698ния импульсов и первому входу усилителя-ограничителя, третий вход блокауправления подсоединен к второму входу усилителя-ограничителя, выход которого подсоединен к инвертирующему входу элемента ЗАПРЕТ и второму входу элемента И, выход блока формирования импульсов подключен к прямому входу элемента ЗАПРЕТ и первому входу элемента И, выходы элементов И и ЗАПРЕТ подсоединены соответственно к 5- и В-входам триггера, прямой и инверсный выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму выходам блока управления,Формирование регулирующего воздействия для уравновешивания мостовой измерительной цепи по реактивной составляющей позволяет повысить быстродействие, так как длительностьсравниваемых сигралов, пропорциональных базовым углам, не превышает половины периода напряжения питания мостовой измерительнои цепи. Аналогично повышается быстродействие формирования регулирующего воздействия для уравновешивания мостовой измерительной цепи по тангенсу угла потерь.На Фиг. 1 дана блок-схема предлагаемого цифрового моста; на фиг. 23 - типографическиедиаграммы процесса уравновешивания мостовой измерительной цепи по тангенсу угла потерь и по реактивной составляющей измеряемого комплексного .сопротивледния сосстветственно; на фиг. 4 - блок-схема блока управления; на фиг, 5 и 6 временные диаграммы, поясняющие ра 35 боту цифрового моста переменного тока.Блок-схема цифрового моста содержит мостовую измерительную цепь 1, у которой 2 - образцовый элемент, 4 О служащий для выбора предела измерения, 3 и 4 - измеряемое комплексное сопротивление, 5 - образцовый нерегулируемый элемент, 6 - регулируемый элемент, служащий для ураэнове шивания по тангенсу угла потерь, 7 регулируемый элемент, служащий для уравновешивания по реактивной составляющей, генератор 8 синусоидального напряжения, фазовременные преобразо ватели (ФВП) 9 - 11, блоки управления 12 и 13, ключи 14-17, интеграторы 18 и 19, блоки обработки сигналов 20 и 21, блоки уравновешивания 22 и 23, блоки индикации 24 и 25, причем генератор 8 синусоидального напряжения включен в диагональ питания аЬ мостовой измерительной цепи 1, Вершина диагонали питания а мостовой измерительной цепи 1, не примыкающая к измеряемому комплексному 60 сопротивлению 3, 4, подсоединена к третьему входу ФВП 9, первому входу блока управления 12 и второму входу ,ФВП 10. Другая вершина диагонали питания Ь подключена к третьему входу . 65 ФБП 10 и первым входам блока управления 13 и ФБП 11, Первая вершина сизмерительной диагонали сд, примыкающая к измеряемому ксмпледксцсмусопротивлению 3, 4, иодсоедцнеца кпервым входам ФВП 9, 10 и к третьимвходам блоков управления 12, 13,ФБП 11. Вторая вершина О измерительной диагонали са подсоединена к вторым входам ФБП 9, 11, блоков управления 12 и 13. Первый и второй выходы ФВП 9 через ключи соответственно14 и 15 подсоединены к первому входуинтегратора 18, второй вход которогоподключен к выходу ФВП 10 и второмууходу интегратора 19. Первый выходблока управления 12 подсоединен куправляющему входу ключа 14 и первому входу блока обработки сигналов 20,второй вход которого подключен к выходу интегратора 18. Второй выходблока управления 12 подсоединен к управляющему входу ключа 15. Первый ивторой выходы ФВП 11 через ключи соответственно 16 и 17 подсоединены кпервому входу интегратора 19, выходкоторого подключен к второму входублока обработки сигналов 21. Пергыйвыход блока управления 13 подсоединен к управляющему входу ключа 16 ипервому входу блока обработки сигналов 21. Второй выход блока управления 13 подключен к управляющемувходу ключа 17. Выходы блоков обработки сигналов 20 и 21 через соответствующие блоки уравновешивания 22и 23 подключены к входам блоков индикации 24 и 25 соответственно.Часть блок-схемы (фиг. 1), содержащая ФВП 9 и 10,. блок управления 12,ключи 14 и 15, интегратор 18, блокобработки сигналов 20, блок уравновешивания 22 и блок индикации 24, является трактом Формирования регулирующих воздействий пс реактивной составляющей измеряемого комплексногосопротивления,Тракт формирования регулирующих воздействий по тангенсу угла потерь измеряемого комплексного сопротивления содержит ФВП 10 и 11, блок управления 13, ключи 16 и 17, интегратор 19, блок обработки сигналсв 21, блок уравновешивания 23 и блок индикации 25, ФВП 10 является общим для обоих трактов формирования регулирующих воздействии.Блоки управления 12 и 13 аналогичны (фиг, 4), каждый из них содержит блок формирования импульсов 26, усилитель-ограничитель 27, элемент И 28, элемент ЗАПРЕТ 29, 85-триггер 30, причем первый вход блока управления 12(13) подсоединен к первому входу блока формирования импульсов 26, второй вход которого подключен к второму входу блока управления 12(13). и первому входу усилителя-ограничителя 27. Второй вход усилителя-сгра 783698ничителя 27 подключен к третьему входу блока управления 12(13). Выходблока формирования импульсов 26 подсоединен к первому входу элементаИ 28 и прямому входу элемента ЗАПРЕТ 29. Выход усилителя-ограничителя 27 подсоединен к второму входуэлемента И 28 и и; яерсному входуэлемента ЗАПРЕТ 9, Выходы элементов И 28 и ЗАПРЕТ 29 подключены соответственно к 5- и К-входам 85-триггера 30, Прямой и инверсный выходытриггера 30 подсоединены к первомуи второму выходам блока управления12(13).Сущность процесса уравновешиванияма кно пояснить с помощью фиг. 2 3,5 и б, где аЬ в ,вектор напряжения питания мостовой измерительной цепи,сд - вектор напряжения небаланса мостовой измерительной цег,и, ас - вектор напряжения, снимаемого с плечаМостовой измерительной цепи, в которое включен образцовый элемент 2,служащий для выбора пределов измерения, ад - вектор напряжения, снимаемогО с плеча мостовой измеригельнойцепи, в которое включен регулируемыйЭлемент 7, уравновешивающий мостовуюизмерительную цепь па реактивной составляющей, дЬ - вектор напряжения,снимаемого с плеча мостовой цепи,в которое включены образоцовый нерегулируемый элемент 5 и регулируемыйэлемент 6, М - Фазовый сдвиг векторападения напряжения на образцовом элементе, расположенном в плече ветви,содержащей измеряемое комплексное сопротивление ас относительно векторанапряжения питания мостовой измерительной цепи аЬ, ч - Фазовый сдвигвектора напряжения небаланса относительно вектора падения напряжения нарегулируемом элементе ад, у - фаза -вый сдвиг вектора напряжения нсбаланса относительно вектора падения напряжения на образцовых элементах дЬ,- Фазовый сдвиг вектора напряжениянебаланса относительна инвертированного вектора падения напряжения нарегулируемом элементе ва, В - фазовый сдвиг вектора напряжения небаланса относительно инвертированного вектора падения Напряжения на образцовых элементах дЬ,(- окружнсстикваэиравновесия мостовой измерительной цепи в обобщенных обозначениях,с - потенциальная точка, вершина ветви мостовой измерительной цепи, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, 8 - потенциальная точка,вершина ветви мостовой измерительнойцепи, не содержащей измеряемого комплексного сопротивления,Состояние квазиравновесия мостапо реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления фиксируется в момент выве,цения потенциальной точки д на окружность )3 проходящую через потенциальную точку с. Состояние квазиравнсвесия по гангенсу угла потерь в момент выведения потенциальной точки 8 на скружность , проходящую через потенциальную точку с, При одновременном изменении параметров, уравновешивавщих мостовую измерительную епь по реактивной состав,-.яющей и тангенсу угла пстерь,. потенци-льная точка 8 может оказаться в любам месте круговой диаграммы. Вся площадь круговой диаграммы разбита и=: четыре зообразованные л.нией переключения, с:овпадающей с вектором напряжения 0и окружностью квазиравнавесия 1, проходящей через точкс, г.ри уравнавевива.:,ии мостовой цеп например, по реактивной составляющей ;Фиг, 3) и четыре зснь., образованные линией переключения, совпадающей с ве".тором напряжения О,. и окружность з квазирав - новесия , проходя ею через тачку с при уравновешивании,. например,. по тангенсу угла поте.ь ,Ьиг. 2).Иэ анализа круговой диаграмь (фиг, 2) видно,что ф зовый угол Ч в первой зоне больше, а в третьей зоне меньше фазового угла 4 и не пре - вышает 180", а фазовый угол 0 во второй зоне меньше, в в ч=твертой зоне больше фазового угла Ч и не превышаоет 180, При выведгени и потенциальной тачки д на окружность квазиравнавесия (Ь из первой или третьей зоныЧ = сР а при выведении потенциальной точки 8; на скружпость кваэиравновесия ) из вторсй или четвертой зоны ЬЧ = 0, При уравновешивании па танггнсу угла потерь измеряемого комплексного согротивления (фиг. 2) происходит сравнение фазового угла с фазовым углом +, который в случае нахождения потенциальной точки 8 в первой или третьей зоне не превышает 180 , или Фаэово о угла М с фаэсвым углом О, который в случае нахождения гатенциальнай точки а, во вто 2 рой или четвертой зоне не превышает 180Раба-,а цифрового моста переменного тока например, при измерении реактивной саставляющеи комплекснага сопротивления осуществляется следукщим образом,С мостовой измерительной цепи 1 на входы фВП 9 поступают напряжения 0 и 0 , (Фиг. Ь а строка а, фиг, 5 б строка а; на выходах которого формируются временны;, интервалы, пропорциональные Фазовым углам У(фиГ.5 а строка с,. фиг, 5 б строка с) и 0 (фиг. 5 а строка Г Фиг, 5 б строка Р), поступающие на информационные вхоцы ключей 14 и 15, Напряжения 0 и 0 поступают на входы блока упсаравления 12, который производит анализ, какай из фазоьых углов ч или 0 не превышает 180 , а именноМ180Напряжение Опоступает на входблока формирования импульсов 26, который формирует узкий импульс в момент перехода через нулевой уровеньс плюса на минус напряжения Од,(Фиг. 5 а строка е, Фиг. 5 б строка е),который поступает на первый вход .элемента И 28 и на прямой вход элемента ЗАПРЕТ 29, Напряжение Опоступает на вход усилителя-ограничителя27, который Формирует импульс положительной полярности (Фиг. 5 а строка д,Фиг. 5 б строка д) за время действия 20отрицательной полуволны напряженияО ,. Сформированный импульс поступает на второй вход элемента И 28 иинверсный вход элемента ЗАПРЕТ 29,На выходе элемента И Формируется узкий импульс в момент совпадения вовремени входных сигналов (Фиг. 5 астроки е, е), что соответствует нахождению потенциальной точки д в первой или третьей зоне круговой диаграммы (фиг. 2), и устанавливает85-триггер 30 по 5-входу в единичноесостояние, т,е. на первом выходе блока управления Формируется положительный уровень (Ф.г. 5 а строка д), которыи открывает ключ 14, а на второмвыходе нулевой (Фиг. 5 а строка ),которыи закрывает ключ 15. При несовпадении во времени сигналов(фиг. 5 б строки , е), поступающихна входы элемента ЗАПРЕТ 29, на его 40выходе формируется узкий импульс, который устанавливает к 5-триггер 30 поК-входу в нулевое состояние, т,е. напервом выходе блока управления фор-.мируется нулевой уровень (Фиг. 5 б 45строка д), а на втором выходе - положительный (Фиг. 5 б строка Ь). Свыхода одного из ключей 14 или 15импульс (Фиг, 5 а строка с или фиг.5 бстрока Г) поступает на первый вход 50интегратора 18. На входы фазовременного преобразователя 10 с мостовойцепи 1 поступают напряжения Од иО (Фиг, 5 а строка а, Фиг. 5 б строка а), с выхода которого импульс,пропорциональный Фаэовому углу У(фиг. 5 строка О) поступает на вто-рой вход интегратора 18. Интегратор18 сравчивает временные интервалы,пропорциональные Фазовым углам Ми Ч или 0 (Фиг. 5 строка ),Результирующее напряжение на входе интегратора 18 зависит от соотношения длительностей импульсов, поступающих на его входы и, следовательно, от соотношения величин Фа Формула изобретения 1. Цифровой мост переменного тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной . цепи, первая вершина измерительной диагоналикоторой, примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первым входам первого и второго фазовременных преобразователей и третьему входу третьего фазовременного преобразователя, первый вход которого подсоединен к первой вершине диагонали питания, примыкающей к измеряемому комплексному сопротивлению, вторая вершина Диагонали питания, не примыкающая к, измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к третьему входу бО и вырабатывает импульсы, управляющие работой ключей 14 и 15, причем открывается тот ключ, на вход которого поступает временной интервал, пропорциональный Фазовому углу, не превышающему 180Работа блока управления осуществляется следующим образом. эовых углов У и Ч или О. С выхода интегратора 13 сигнал подается на вход блока обработки сигналов 20, причем первый информационный сигнал поступает с выхода блока управления 12 и единица соответствует положительному уровню напряжения, ноль-нулевому уровню напряжения, а второй информационный сигнал поступает с выхода интегратора 18 и единица соответствует положительному уровню напряжения, ноль-отрицательному уровню напряжения. На выходе блока обработки сигналов 20 вырабатывается импульс, который управляет работой блока уравновешивания 22 по реактивной составляющей иэмеряемОго комплексного сопротивления, причем положительный уровень на выходе блока обработки сигналов 20 соответствует недоуравновешенному состоянию, а нулевой - переуравновешиванию мостовой измерительной цепи.Выходной сигнал блока обработки сигналов 20 управляет работой блока . уравновешивания по реактивной сост вляющей 22 измеряемого комплексного сопротивления. Одновременно с уравновешиванием по реактивной составляющей происходит уравновешивание по тангенсу угла потерь. Работа этой части блок-схемы происходит аналогично работе тракта формирования регулирующего воздействия по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления. Отличие заключается в том, что Фазовый угол Ч сравнивается с Фазовыми углами У или 9 (фиг. 6).Использование предлагаемого циф-. рового моста обеспечивает па сравнению с существующими устройствами повышения быстродействия измерения реактивной составляющей и тангенса угла потерь измеряемого комплексногосопротивления.первого фазовременного преобразователи и второму входу второго фазовременного преобразователя, втораявершина измерительной диагонали, непримыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению,. подсоединена квторому входу третье .о фазовременного преобразователя, два интетратораи два блока уравновешивания, выходыкоторых подсоединены к входам соотВетствующих блоков индикации, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения быстродействия измерения, в него введены два блока управления, четыре ключа, два блокаобработки сигналов, причем перваявершина измерительной диагонали подоединена к третьим входам блоковуправления, вторая вершина измерительной диагонали подсоединена к вторым входам первого фазовременногопреобразователя и блоков управления,первая вершина диагонали питания подсоединена к третьему входу второгоФазовременного преобразователя и первому входу второго блока управления,.вторая вершина диагонали питания подсоединена к первому входу первого блока управления, первые и вторые выходы первого и третьего фазовременныхпреобразователей через информационные входыпервого и второго, третьего и четвертого ключей подсоединенысоответственно к первым входам первого и второго интеграторов, вторыевходы котооых подсоединены к выходувторого фазовременного преобразователя, первые выходы первого и второго блоков управления подсоединены куправляющим входам соответственнопервого и третьего ключей и первымвходам соответствующих блоков обработки сигналов, вторые входы которыхподсоединены соответственно к выходом первого и второго интеграторов,вторые выходы первого и второго блоков управления подсоединены соответственно к управляющим входам второгои четвертого ключей выходы блоковобработки сигналов подсоединены квходам соответствую;их блоков уравновешивания,2. Мост по п, 1, о т л и ч а ищ и и с я тем, что блок управлениясодержит блок Ъормирования импульсов,усилитель-ограничитель, элемент И,элемент ЗАПРЕТ, РБ-триггер, причемпервый вход блока управления подсоединен к первому входу блока формирования импульсов, второй вход блокауправления подсоединен к второму входу блока формирования импульсов ипервому входу усилителя-ограничителя,третий вход блока управления подсоединен к второму входу усилителя-ограничителя, выход ксторого подсоединенк инвертирующему гходу элемента ЗАПРЕТ и вторсму входу элемента И, выход блока формирования импульсов подключен к прямому входу элементаЗАПРЕТ и первому входу элемента И,выходы элементов И и ЗАПРЕТ подсоединены соответственно к З- и Р-входамтриггера, прямой и инверсный выходыкоторого подсоединены соответственнок первому и второму выходам блока управления.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Приборы и системы управленияР 11, 1977, с, 41.2, Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2596912/21,кл, 6 01 Р 17/10, 1978783698 г,6 Составитель И, БахтинаТехред М.Табакович Корректор В. Бу актор Н. Кол аказ 8538/47 ППП "Патент",г; .Ужгород, ул. Проектная,и Тираж 1019 ИИПИ Государ по делам из35, Москва, Ж ве ре35 Подписноеого комитета. СССРний и открытийРаушская наб., д.