Частотно-независимый многоплечий трансформаторный мост переменного тока для измерения параметров трехэлементных двухполюсников по последовательной rlc-схеме и способ его уравновешивания
Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к мостовым методам измерения на переменном токе параметров трехэлементных двухполюсников. Единая сущность заявленной группы изобретений заключается в обеспечении высокой точности и малой продолжительности измерения параметров трехэлементных двухполюсников по последовательной RLC-схеме. Этот единый технический результат достигается посредством раздельного отсчета измеряемых параметров по числам коммутируемых витков заземленных обмоток трансформаторов напряжения с тесной индуктивной связью при применении постоянной меры сопротивления в плече сравнения и амплитудного нуль-индикатора в измерительной диагонали многоплечего трансформаторного моста переменного тока, а также достигается в способе уравновешивания этого моста, по которому сначала на частоте, большей заданной частоты отсчета измеряемых параметров, проводят операцию уравновешивания по двум разнородным параметрам, а затем на частотах, меньших и больших заданной частоты, поочередно проводят операции уравновешивания по параметру для отсчета измеряемой емкости и по параметру для отсчета измеряемой индуктивности. 2 c.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а конкретно к мостовым методам измерения на переменном токе параметров трехэлементных двухполюсников по последовательной RLC-схеме, не зависящих от частоты.
Известен наиболее близкий к заявленному устройству в группе изобретений по совокупности признаков того же назначения и потому выбранный за прототип частотно-независимый четырехплечий мост переменного тока для измерения параметров последовательного колебательного контура (а.с. 413430 (СССР), МКИ2 G 01 R 17/10. Б.И., 1974, N 4, см. также книгу Кнеллера В.Ю., Боровских Л.П. "Определение параметров многоэлементных двухполюсников".- Москва: Энергоатомиздат, 1986, стр. 104, рис. 2.54), снабженный амплитудным нуль-индикатором. Недостатком, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, прототипа к заявленному устройству в группе изобретений является использование в плече сравнения регулируемых двух элементов R, C и последовательно включенной с ними образцовой катушки индуктивности L, а в одном из плеч отношения также регулируемого элемента R, вследствие чего возникает существенная погрешность измерения из-за наличия шунтирующих емкостей элементов коммутации, с помощью которых изменяются параметры упомянутых регулируемых элементов, из-за емкостей утечки и из-за остаточных параметров катушки индуктивности L, являющихся значительными и к тому же частотно- зависимыми. Кроме того, у прототипа к заявленному устройству отсутствует раздельный отсчет измеряемых параметров, а регулировки двух разнородных параметров трехэлементного его плеча сравнения для достижения частотно-независимого равновесия моста по фазе являются сильно зависящими друг от друга, что обуславливает в целом чрезвычайно плохую сходимость процесса уравновешивания по трем параметрам первого прототипа, то есть указанного прототипа к заявленному устройству в группе изобретений. От указанного второго недостатка отмеченного первого прототипа свободен способ уравновешивания по трем параметрам, выбранный за прототип способа в заявленной группе изобретений, по а.с. N 849100 (СССР), G 01 R 27/02, Б.И., 1981, N 27, с. 168 (см. также книгу Тюкавина А.А. "Измерение параметров трех- и четырехэлементных двухполюсников мостами переменного тока", изд-во Сарат. ун-та, 1988, с. 55-58), обеспечивающий удовлетворительную сходимость по трем параметрам процесса уравновешивания частотно-независимых мостов переменного тока и в случае измерения параметров трехэлементных двухполюсников по последовательной RCL-схеме. Этот способ состоит из N операций уравновешивания моста по двум параметрам на первой частоте при задаваемых значениях третьего параметра плеча сравнения по знаку фазы сигнала разбаланса, появляющегося после перевода уравновешенного моста на вторую частоту измерения. Недостаток второго прототипа, то есть прототипа способа в заявленной группе изобретений, также препятствующий достижению указанного ниже технического результата, заключается в использовании на второй частоте фазочувствительного нуль-индикатора, значительно уступающего по чувствительности амплитудному нуль-индикатору, вследствие чего не достигается наивысшая по мостовому методу точность измерения параметров последовательных RLC-двухполюсников. Кроме того, необходимость в проведении N операций уравновешивания по двум параметрам (N равно числу двоичных разрядов третьего параметра плеча сравнения) хотя и при направленно задаваемых значениях третьего параметра цепи сравнения затягивает процесс уравновешивания по трем параметрам, что является вторым недостатком второго прототипа. Единая сущность заявленной группы изобретений заключается в обеспечении высокой точности и малой продолжительности измерения параметров трехэлементных двухполюсников по последовательной RLC-схеме. Этот единый технический результат при осуществлении группы изобретений достигается в частотно-независимом многоплечем трансформаторном мосте переменного тока для измерения параметров трехэлементных двухполюсников по последовательной RLC-схеме, состоящем из основного трансформатора напряжения, подключенного первичной обмоткой к генератору перестраиваемой частоты, первая из четырех заземленных вторичных обмоток которого через постоянную меру сопротивления подсоединена к незаземленной вершине измерительной диагонали моста, в которую включен избирательный амплитудный нуль-индикатор, а также состоящем из прецизионных сумматора напряжений, дифференциатора и интегратора, операционные усилители которых имеют заземленные источники питания, вспомогательного трансформатора напряжения с заземленными двумя обмотками, к выходной обмотке которого своим входом подключен отмеченный интегратор. Особенность заявленного устройства заключается в том, что вторая вторичная обмотка основного трансформатора напряжения подсоединена к первичной обмотке вспомогательного трансформатора напряжения, третья вторичная обмотка подсоединена к входу дифференциатора, четвертая же его вторичная обмотка подсоединена к одному из входов сумматора напряжений, к остальным двум входам которого подключены порознь своими выходными зажимами упомянутые дифференциатор и интегратор, а между незаземленной вершиной измерительной диагонали и выходным зажимом сумматора напряжений включен измеряемый двухполюсник, причем третья и четвертая вторичные обмотки основного трансформатора напряжения и первичная обмотка вспомогательного трансформатора напряжения выполнены регулируемыми. Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается в способе уравновешивания по трем параметрам, содержащем операции уравновешивания на частотах измерения путем регулировки двух параметров и путем регулировки одного параметра. Особенностью заявленного способа в этой группе, в соответствии с которой сначала на частоте, большей заданной частоты отсчета измеряемых параметров, проводят операции уравновешивания моста по двум параметрам при угле сходимости по ним, равном 90o, а затем на частотах, меньших и больших указанной частоты отсчета, поочередно проводят операции уравновешивания моста соответственно по параметру для отсчета измеряемой емкости и по параметру для отсчета измеряемой индуктивности. Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - способ предназначен для осуществления другого объекта группы - устройства. При этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата. Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта-устройства, так и для объекта-способа, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для устройства заявленной группы, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам так устройства, так и способа заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов как для устройства, так и для способа заявленной группы изобретений, как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "новизна". Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата, в частности, в каждом из объектов заявленной группы изобретений не предусматриваются следующие преобразования: дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения; создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществляется на основе известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними. Описываемая группа изобретений не основана на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида, имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей. Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию "изобретательский уровень". На чертеже показана схема устройства в заявленной группе изобретений. Устройство представляет собой частотно-независимый многоплечий трансформаторный мост переменного тока, содержащий: основной трансформатор напряжения 1 с тесной индуктивной связью с четырьмя заземленными вторичными обмотками w1 - w4, подсоединенный зажимами 2, 3 своей первичной обмотки W0 к генератору 4 синусоидального напряжения![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282104.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282105.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282106.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282107.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282108.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282109.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282110.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282111.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282112.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282113.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282114.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282115.gif)
Если уравнение равновесия (6) выполняется при любом значении частоты, мост находится в измерительном состоянии и производится отсчет измеряемых параметров по формулам:
Rx=(R1/w1)w4,0, (7)
Lx(R1C3R3/w1)w3,0, (8)
Cx=(w1C2R2/m2w2R1)m1,0, (9)
где w4,0, w3,0, m1,0 - отсчеты чисел витков регулируемых обмоток w4, w3, m1. Как следует из выражений (7) - (9) и схемы на чертеже, заявленный мост характеризуется раздельным отсчетом измеряемых параметров Rx, Lx, Cx по числам витков регулируемых заземленных обмоток w4, w3, m1 при использовании в плече сравнения постоянной меры сопротивления R1, которая является "чистой". Поэтому заявленный мост в отличие от первого прототипа свободен от шунтирующего влияния емкостей элементов коммутации, емкостей утечки, а также от влияния паразитных параметров образцовой меры сопротивления в плече сравнения и в нем по сравнению с первым прототипом обеспечивается существенное повышение точности измерения параметров трехэлементных двухполюсников по последовательной RLC-схеме. В неравновесном состоянии моста напряжение разбаланса в режиме холостого хода в измерительной диагонали 12-13 представляется в виде (при замкнутом ключе 18):
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282116.gif)
где
Zx = Rx+j
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
Относительные чувствительности моста по регулируемым параметрам w3, m1 на основе (10) выражаются как:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282117.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282118.gif)
Поэтому их отношение равно:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282119.gif)
Согласно соотношению (13) относительная чувствительность моста по параметру w3 по сравнению с относительной чувствительностью по параметру m1 растет в функции квадрата частоты при изменении последней. Заявленный способ уравновешивания моста осуществляется по параметрам w3, m1 для отсчета реактивных параметров Lx, Cx (см. формулы (8), (9)) и состоит из следующих операций, проводимых в полосе частот относительно заданной частоты
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282120.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282121.gif)
В соответствии с (14) в конце первого уравновешивания значения параметров w3, w4 получают равными:
w4,1=(w1/R1)Rx, (15)
w3,1 = Lx
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
Из формул (15), (7) следует, что в конце первого уравновешивания получают равенство:
w4,1 = w4,0. (19)
то есть в конце первой операции получают значение параметра w4, по которому производят отсчет измеряемого активного сопротивления Rx по формуле (7). Вторую операцию заявленного способа (то есть второе уравновешивание моста) проводят на частоте
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282122.gif)
При учете (15) - (18) на основе уравнения равновесия (20) значение регулируемого параметра m1 в конце второй операции получают равным:
m1,2 =
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
Третью операцию (то есть третье уравновешивание моста) проводят на частоте
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
w3,3 =
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
Четвертую операцию (то есть четвертое уравновешивание моста) проводят на частоте
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
m1,4 =
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
Аналогично проводят пятое и следующие уравновешивания моста. По проведении l уравновешиваний (l нечетное) получают значение параметра w3, равное:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282123.gif)
а при четном l получают значение параметра m1, равное:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282124.gif)
В формулах (25), (26) все kj < 1 (что соответствует частотам измерения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
w3,l = w3,0 (27)
m1,l = m1,0, (28)
то есть получают отсчитываемые значения параметров w3, m1 в частотно-независимом состоянии равновесия моста. Итак, по проведении l уравновешиваний по заявленному способу на частотах
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282125.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282126.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282127.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282128.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282129.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/28/282130.gif)
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1