Измеритель комплексного сопротивления с компенсацией паразитных параметров

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения емкостных и индуктивных составляющих объектов, а также активных сопротивлений с высокой точностью, с отсчетом показаний вольтметра на выходе измерителя.

Техническая задача заключается в снижении погрешности измерения емкостных и индуктивных составляющих объектов. Она решается за счет введения двух инвертирующих усилителей, корректирующего конденсатора и двух паразитных емкостей, подключенных параллельно соответственно измеряемому комплексному сопротивлению и образцовому резистору. С помощью предлагаемого измерителя комплексного сопротивления с компенсацией паразитных параметров можно повысить точность измерений.

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения составляющих емкостных и индуктивных объектов.

Известны устройства измерения комплексного сопротивления [1], основанные на измерении частоты сигнала высокочастотного генератора, в частотно-задающую цепь которого включен измеряемый элемент, мостовая модель измерения с последующим измерением напряжения в измерительной диагонали моста.

Известно устройство, основанное на измерении напряжения в средней точке делителя напряжения, образованного измеряемой емкостью и сопротивлением измерительного шунта [2]. Недостатками этих устройств является отсутствие компенсации паразитных параметров.

Известно устройство [3], позволяющее измерять составляющие комплексных сопротивлений, но с недостаточной точностью т.к. оно не предусматривает компенсацию паразитных параметров при измерении.

Цель полезной модели - повышение точности измерения.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого измерителя.

Измеритель содержит источник 1 опорного напряжения переменного тока, первый 2 и второй 3 переключатели, операционный усилитель (ОУ) 4, фазовый детектор 5, третий переключатель 6, фазосдвигающую цепь 7, вольтметр 8, первый 9 и второй 10 инвертирующие усилители с единичным коэффициентом усиления, двухвходовой суммирующий усилитель 11 с регулируемыми коэффициентами передачи по каждому из входов, корректирующий конденсатор 12, образцовый резистор 13 с параллельно подключенной паразитной емкостью C_n1, измеряемое комплексное сопротивление 14 с параллельно подключенной паразитной емкостью С_n2 , первый 15 и второй 16 входные зажимы измерительной цепи. Первый вход суммирующего усилителя 11 подключен через первый инвертирующий усилитель 9 к первому зажиму 15 для подключения измеряемого комплексного сопротивления, ко второму зажиму 16 которого подключен через корректирующий конденсатор 12 выход суммирующего усилителя 11. Второй вход суммирующего усилителя 11 подключен через второй инвертирующий усилитель 10 к переключающему контакту второго переключателя 3.

Для измерения емкостных объектов первый и второй переключатели устанавливаются в положение С, а для измерения индуктивных - в положение L.

В случае измерения составляющих емкостного объекта устройство работает следующим образом.

Исходя из условий работы операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью (ОС) по напряжению, запишем уравнение токов

где - ток, протекающий по цепи ОС;

- ток, протекающий по прямой цепи;

- ток, протекающий через корректирующий конденсатор 12 (С_K).

Запишем уравнение (1) как сумму токов, протекающих по всем ветвям, образованным элементами измерительной цепи и паразитными параметрами,

где - ток, протекающий через образцовый резистор;

- ток, протекающий через паразитную емкость, параллельно подключенную к образцовому резистору;

- ток, протекающий через измеряемое комплексное сопротивление;

ток, протекающий через паразитную емкость, параллельно подключенную к измеряемому комплексному сопротивлению.

Подставляя в выражение (2) значения токов, получим

где - выходное напряжение операционного усилителя 4;

R₀ - сопротивление образцового резистора;

- частота источника 1 опорного напряжения =2f;

C_n1C_n2 - паразитные параметры;

C_k - емкость корректирующего конденсатора;

Z_x - измеряемое комплексное сопротивление;

R₁, R₂, R ₃ - сопротивления резисторов суммирующего усилителя 11.

Для компенсации паразитных параметров необходимо выполнение условий

где - выходное напряжение источника 1;

- выходное напряжение операционного усилителя 4.

Из (3) и (4) получим значения коэффициентов передачи по первому и второму входам суммирующего усилителя 11

С учетом выполнения условий (3) и (4) напряжение на выходе операционного усилителя 4 можно записать

При измерении мнимой составляющей (7) на управляющий вход фазового детектора 5 подается сигнал с источника 1 через фазосдвигающую цепь 7 и переключатель 6, который находится в положении X для измерения реактивной составляющей. Полученное напряжение, пропорциональное реактивной составляющей, измеряется вольтметром 8.

При измерении активной составляющей на управляющий вход фазового детектора 5 подается сигнал с источника 1 через переключатель 6, который устанавливается в положение R для измерения активной составляющей. Полученное напряжение также измеряется вольтметром 8.

Для случая измерения индуктивных объектов, представленных последовательной схемой замещения, получим выражение баланса токов, подставляя для этого в выражение (2) значения токов, протекающих по соответствующим ветвям:

где L_Х - измеряемый индуктивный объект.

Подставляя в выражение (8) значения коэффициентов (5) и (6), получим напряжение на выходе операционного усилителя 4 для индуктивного объекта.

При этом измерение реальной и мнимой составляющих напряжения (9) происходит аналогично измерению составляющих для емкостного объекта. Анализ работы измерителя с учетом паразитных параметров осуществляют следующим образом.

Запишем уравнение токов.

+=--

Подставим значения токов в ветвях для емкостного объекта

Из (10) выразим значение выходного напряжения,

где

Аналогично получим выражение выходного напряжения усилителя 4 для индуктивного объекта с учетом паразитных параметров

где

Сопоставление выражений (7) и (11), а также (9) и (12) показывает увеличение точности, достигаемое в предлагаемом измерителе.

Таким образом, с помощью преобразователя за счет исключения влияния паразитных параметров можно повысить точность измерения составляющих комплексного сопротивления.

Список литературы

1. Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь, 1985, с.199, 203

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин, М.: Высш.шк., 1989, с.302, рис.13.18.

3. Авторское свидетельство СССР 779916, кл. G01R 27/02, опубл. 15.11.1980

Измеритель комплексного сопротивления с компенсацией паразитных параметров, содержащий источник опорного напряжения переменного тока, эталонный резистор, три переключателя, операционный усилитель, фазовый детектор, фазосдвигающую цепь и вольтметр, отличающийся тем, что в него введены два инвертирующих усилителя с единичными коэффициентами передачи, корректирующий конденсатор и две параллельные емкости, подключенные параллельно соответственно измеряемому комплексному сопротивлению и эталонному резистору, двухвходовой суммирующий усилитель с регулируемыми коэффициентами передачи по каждому из входов, первый вход которого подключен через первый инвертирующий усилитель к первому зажиму для подключения измеряемого комплексного сопротивления, ко второму зажиму которого через корректирующий конденсатор подключен выход суммирующего усилителя, при этом второй вход суммирующего усилителя подключен через второй инвертирующий усилитель к переключающему контакту второго переключателя.