Способ раздельного измерения параметров n-элементных двухполюсников многоплечим трансформаторным мостом
Использование: в измерении на переменном токе параметров n-элементных двухполюсников, схема замещения которых состоит из последовательно включенных участков. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров n-элементного двухполюсника посредством их раздельного отсчета по числам витков в частотно-независимом состоянии равновесия многоплечего трансформаторного моста. Предлагается формировать напряжение питания плеча измерения, изменяющееся с частотой подобно комплексному сопротивлению этого плеча, путем установки чисел витков регулируемых основных плеч отношения, вычисляемых по отсчетам чисел витков двух регулируемых дополнительных плеч отношения. Проводят серии повторных уравновешиваний моста на заданных частотах измерения, а также по активной и реактивной составляющим этого напряжения, установленного при предыдущей серии повторных уравновешиваний, а раздельный отсчет измеряемых параметров проводят по числам витков регулируемых основных плеч отношения. 1 ил.
Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к мостовым методам измерения на переменном токе параметров n-элементных двухполюсников, схема замещения которых состоит из последовательно включенных участков.
Известен способ раздельного измерения параметров n - элементных двухполюсников мостом переменного тока (см. а.с. N 158627 (СССР), МКИ2 G 01 R 27/02, Б.И. N 22, 1963 г.), по которому мост питают от генератора качающейся частоты. По углу и ширине эллипса, появляющегося при качании частоты на экране осциллографа, включенного по фазочувствительной схеме в измерительную диагональ моста, проводят ряд повторных уравновешиваний моста на заданной частоте регулировками двух параметров. По достижении частотно-независимого состояния равновесия производят раздельный отсчет измеряемых параметров по значениям регулируемых параметров n-элементного плеча сравнения, выполненного по схеме измеряемого двухполюсника. Недостаток этого способа, выбранного в качестве аналога, заключается в низкой точности измерения из-за весьма большого порога чувствительности широкополосного нуль-индикатора, каковым является отмеченный осциллограф для наблюдения за эллипсом при качании частоты. Другой недостаток аналога заключается в существенной ограниченности его функциональных возможностей. Обусловлено это сложным и длительным процессом уравновешивания по n регулируемым параметрам, так как уже при n = 3 нет однозначного соответствия между углом наклона эллипса на экране и знаком отклонения регулируемого по этому эллипсу параметра трехэлементного плеча сравнения. При n > 3 частотно-независимого равновесия моста добиться чрезвычайно трудно. Известен выбранный за прототип способ раздельного измерения параметров n - элементных двухполюсников мостом переменного тока по а.с. N 1599803 (СССР), МКИ5 G 01 R 27/02, Б.И. N 38, 1990 г., состоящий из двух этапов. На первом этапе способа проводят ряд уравновешиваний моста на n/2 заданных частотах, если число n измеряемых параметров четное, и на (n+1)/2 частотах, если n - нечетное число, регулировками двух дополнительных параметров плеча сравнения, отсчитывают значения активной и реактивной составляющих импеданса плеча измерения, вычисляют по ним параметры образцового двухполюсника. На втором этапе способа проводят серии повторных уравновешиваний моста с упомянутым образцовым двухполюсником в плече сравнения регулировками отмеченных двух дополнительных параметров этого плеча на заданных частотах. Перед проведением каждой очередной серии повторных уравновешиваний моста устанавливают значения параметров образцового двухполюсника, которые вычисляют по отсчетам упомянутых двух дополнительных регулируемых параметров, а также по значениям активной и реактивной составляющих импеданса образцового двухполюсника при предыдущих уравновешиваниях. Серии повторных уравновешиваний проводят до получения нулевых показаний избирательного амплитудного нуль-индикатора на заданных частотах измерения при нулевых значениях дополнительных параметров плеча сравнения. Недостаток прототипа заключается в том, что по нему раздельный отсчет измеряемых n параметров осуществляют по значениям основных параметров n регулируемых резисторов и конденсаторов, из которых собран образцовый двухполюсник по схеме замещения объекта измерения. Остаточные параметры этих регулируемых резисторов и конденсаторов, паразитные емкости элементов коммутации, с помощью которых устанавливают вычисленные значения параметров образцового двухполюсника, а также емкости утечки между внутренними узлами схемы образцового двухполюсника и его заземленным экраном являются источниками погрешности измерения, защита от которых моста, реализующего измерения по прототипу, а также учет которых при проведении вычислений весьма усложнены. Указанный недостаток прототипа может значительно ограничить точность измерения параметров n-элементных двухполюсников мостовым методом. Сущность изобретения заключается в повышении точности измерения параметров n-элементного двухполюсника посредством их раздельного отсчета по числам витков в частотно-независимом состоянии равновесия многоплечего трансформаторного моста. Этот технический результат при осуществлении изобретения достигается в известном по а. с. N 1599803 способе раздельного измерения параметров n-элементного двухполюсника с помощью многоплечего трансформаторного моста, содержащем операции уравновешивания при синфазном питании плеч сравнения и измерения регулировками чисел витков двух дополнительных плеч отношения этого моста с углом сходимости по ним, равным 90o, на n/2, если число n измеряемых параметров четное, и на (n+1)/2 частотах, если n - нечетное, с последующим проведением серий повторных уравновешиваний регулировками чисел витков отмеченных двух дополнительных плеч отношения до получения их нулевых значений. Особенность заключается в том, что перед проведением каждой серии повторных уравновешиваний формируют напряжение, изменяющееся с частотой подобно комплексному сопротивлению питаемого им плеча измерения, путем установки чисел витков n регулируемых основных плеч отношения, которые вычисляют по активной и реактивной его составляющим относительно напряжения питания плеча сравнения и по отсчетам чисел витков упомянутых двух регулируемых дополнительных плеч отношения при предыдущей серии повторных уравновешиваний, а раздельный отсчет измеряемых параметров осуществляют по числам витков указанных n регулируемых основных плеч отношения моста. Проведенный заявителями анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявители не обнаружили источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителями техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявители провели дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителями, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: дополнение известного способа какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения; создание способа, 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 способа и связей между ними. Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида, имеется в виду случай, когда известный факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей. Следовательно, заявленный способ соответствует условию "изобретательский уровень". На чертеже изображена схема многоплечего трансформаторного моста, реализующего заявленный способ в случае измерения параметров двухполюсника, состоящего из последовательно включенных участков и описываемого поэтому комплексным сопротивлением Zx. На чертеже обозначено: 1 - основной трансформатор, снабженный первичной обмоткой wг и шестью вторичными обмотками wП, w1 - w5; 2 - плечо сравнения с образцовой постоянной мерой сопротивления RN, 3 - плечо измерения с измеряемым пятиэлементным двухполюсником, схема которого содержит три последовательно включенных участка с резистором R0x и резисторами R1x, R2x с параллельно им включенными конденсаторами C1x, C2x; 4 - компаратор токов с четырьмя первичными обмотками l1 - l4 и индикаторной обмоткой lи; 5 - формирователь напряжения, составленный из вторичных обмоток w5, w1 основного трансформатора 1, к первой из которых через образцовые резисторы R5, подключены прецизионные операционные усилители ОУ1, ОУ2, цепи обратных связей которых содержат трансформаторы напряжения 6, 7, 8, 9 и образцовые резистор R, конденсатор C, а ко второй из которых и к выходам упомянутых операционных усилителей подключен прецизионный сумматор напряжений 10, выполненный на основе операционного усилителя ОУ3 и четырех образцовых резисторов r; 11- переключатель на два положения: "П" и "В"; 12 - заземленный источник синусоидального напряжения









a2= R0x


b1=


b2=


причем


В положении "В" переключателя 11, как это показано на чертеже, к плечу измерения 3 подводится снимаемое с зажима 18 выходное напряжение формирователя 5, которое выражается как

представляя собой произведение э.д.с. одного витка


где коэффициенты перед степенями переменной j

A0 = w1 + T(p1+p2); (12)
A1= w1(




A2= w1


B2=


B1=


причем T = Rw5/R5m; (17)


Измерительное состояние моста (чертеж) по заявленному способу является частотно-независимым при нулевых значениях чисел витков регулируемых дополнительных плеч отношения l3, l4 и при питании плеча измерения 3 напряжением формирователя 5. Это состояние описывается уравнением м. д. с. (магнито-движущих сил) обмоток l1, l2 компаратора токов 4:

где токи плеча измерения и сравнения равны соответственно


По достижении при l3= 0 и l4=0 частотно-независимого равенства (20) производят раздельный отсчет измеряемых параметров двухполюсника 3 по формулам:
R0X = (l1RN/l2w2)w1,0; (23)




где w1,0; p1,0; q1,0; p2,0; q2,0 отсчеты чисел витков регулируемых основных плеч отношения моста w1; p1; q1; p2; q2, то есть, в отличие от прототипа, производят отсчет измеряемых параметров по числам витков регулируемых обмоток трансформаторов напряжения с тесной индуктивной связью, что устраняет влияние емкостей элементов коммутации на точность измерения. Передаточная функция формирователя 5 в частотно-независимом состоянии равновесия моста связана с комплексным сопротивлением измеряемого двухполюсника соотношением
F(j


и, следовательно, зависит от частоты таким же образом, как комплексное сопротивление плеча измерения 3. Приведение моста, реализующего заявленный способ, в частотно-независимое состояние равновесия по амплитуде осуществляют в два этапа. На первом этапе, как и в прототипе, плечо измерения и сравнения питают синфазными напряжениями. Для этого переключатель 11 устанавливают в положение "П" и подводят к плечу измерения 3 снимаемое с обмотки wп трансформатора 1 напряжение

синфазное напряжению питания плеча сравнения 2, снимаемому с обмотки w2 трансформатора 1 и равному

Затем регулировками чисел витков двух дополнительных плеч, отношения l3 и l4 на каждой из l заданных частот (l = n/2, если число n измеряемых параметров четное, и l = (n+1)/2, если n - нечетное) устанавливают нулевое показание нуль-индикатора 22, т.е. устанавливают частотно-зависимые равенства м. д.с. компаратора 4:

где токи





В выражении (31) не сводимый к нулю из-за влияния высших гармоник на показания нуль-индикатора 22 остаточный ток, протекающий через него, обозначен как






FП(j




где



составляют систему из 2l - уравнений и определяют коэффициенты перед степенями полиномов дробно-рациональной функции F (j


где значения (см. (36), (37))










B1= [








A1=





A0=




По найденным коэффициентам B2, B1, A1, A2, A0 далее вычисляют числа витков регулируемых основных плеч отношения моста (чертеж) по формулам:
w1,0 = A2/B2; (45)
p1,0= (A1-A0




p2,0 = [(A0 - w1,0)/T] - p1,0; (47)
q1,0=

q2,0=

где



T = w5R/R5m. (52)
Вычисленные в конце первого этапа числа витков регулируемых основных плеч отношения соответствуют значениям параметров измеряемого двухполюсника недостаточно точно, поскольку найдены они на основе равенств м.д.с. (31), содержащих в правой части ток индикаторной обмотки

Для обеспечения высокой точности измерения по заявленному способу, как и по прототипу, проводят второй этап измерения. Второй этап осуществляют следующим образом. Переключатель 11 ставят в положение "В". Затем устанавливают вычисленные в конце первого этапа числа витков регулируемых основных плеч отношения. Тем самым в отличие от прототипа, по которому и на втором этапе напряжения плеч измерения и сравнения синфазны друг другу, формируют напряжение

в первом приближении изменяющееся от частоты одинаково с комплексным сопротивлением Zx(j




где напряжение


Уравнения равновесия м. д. с. (54) на частотах измерения в отличие от уравнений (31), полученных на первом этапе, не содержат м.д.с. индикаторной обмотки



Fy(j



Для определения уточненной передаточной функции составляют равенства
Fy(j




где


Далее на основе равенств (57) по аналогии с первым этапом составляют систему из 2l уравнений, в которой вместо пар








Установив напряжение






Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1