СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКА
METHOD FOR DETERMINATION OF BIPOLE PARAMETERS

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, что представляет существенный практический интерес для контроля широкой гаммы выпускаемых электрорадиоизделий (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), а также двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах.
Известный способ определения параметров пассивных двухполюсников описан в статье авторов Ю.Р. Агамалова, Д.А. Бобылева, В.Ю. Кнеллера «Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ» в журнале «Измерительная техника» 1996, №6 [1].
В основу способа положен один из методов косвенного измерения параметров иммитанса при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. Согласно этому способу измеряются два комплексных тока, которые преобразуются в пропорциональные напряжения, напряжение на объекте измерения и на резистивной мере. Чтобы получить измерительную информацию, необходимую при вычислении комплексного сопротивления или проводимости, циклически по сигналам с ПЭВМ производится подключение измерительной цепи сначала к объекту измерения, а затем к резистивной мере с соответствующими переключениями фазы опорного напряжения с дискретностью , где n - целое число. В результате каждого измерительного цикла получается напряжение, которое соответствует проекции вектора измеряемого напряжения на вектор фазосдвигающего опорного напряжения (симметричный прямоугольный меандр). Коды, несущие информацию о проекциях вектора измеряемого напряжения на вектор опорного напряжения, поступают в персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) для вычисления действительной и мнимой составляющих напряжений на объекте измерения и резистивной мере. Из описания видно, что способ измерения, использованный в аналоге, требует фазовых измерений и четырехпроводной схемы подключения измеряемого двухполюсника.
При использовании аналога для измерения параметров удаленного объекта измерения получается результат с большой погрешностью измерения. Это объясняется тем, что синусоидальное воздействие на удаленном объекте измерения получит неоднозначный фазовый сдвиг за счет влияния длинной линии, и поэтому по отношению к циклически фазосдвигающему опорному меандру синусоидальное воздействие будет иметь неопределенный фазовый сдвиг, что приведет к появлению значительной погрешности измерения.
Специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники (РКТ) для проведения измерения параметров двухполюсников выставляет свои требования, способствующие поиску новых технических решений в области измерений. Обозначим наиболее характерные из них:
- удаленность до 500 метров объекта измерения от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика уровня заправки (ДУЗ), вмонтированного в бак ракеты, которая находится на техническом комплексе (ТК) при контрольных испытания ракеты или на стартовом комплексе (СК) во время ее заправки компонентами топлива. При этом основные технические требования при измерении параметров емкостного ДУЗ (через длинную линию до объекта измерений до 400 м) должны быть следующими:
- диапазон измерения значений электрической емкости ДУЗ должен быть (400-1500) пФ с относительной погрешностью измерения не более ±0,2%. Очевидно, что высокая точность измерения параметров удаленного ДУЗ напрямую связана с массой гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность, тем меньше масса гарантийных запасов топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую массу полезной нагрузки;
- диапазон измерения значения погонной электрической емкости (погонная электрическая емкость - емкость между проводником, подключающим ДУЗ к измерителю, и экраном проводника) от 2500 до 30000 пФ с относительной погрешностью измерения ±1,0%.
При этом на точность процесса определения параметров пассивного двухполюсника могут оказывать влияние дестабилизирующие факторы, приводящие к появлению:
- паразитной электрической емкости (электрическая емкость между жилами кабельной линии связи, соединяющей пассивный двухполюсник с устройством определения его параметров), подключенной параллельно объекту измерения (двухполюснику) и вносящей искажения в значения определяемых параметров;
- обрыву жил в измерительных цепях ДУЗ, в том числе экранных цепей;
- воды или льда в электросоединителях наземной кабельной сети, что приводит к появлению сопротивлений утечек.
Потребность в устранении влияния на точность определения параметров двухполюсника вышеперечисленных дестабилизирующих факторов приводит к необходимости поиска более высокоточного способа определения его параметров.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения параметров двухполюсника, описанный в патенте РФ №2260809, авторов Долгова Б.К., Балакина С.В., опубликованный 20.09.2005, бюллетене №26 [2].
Способ определения параметров двухполюсника, заключающийся в воздействии на двухполюсник, подключенный через линию связи, и эталон синусоидальным напряжением на n заданных частотах, где n - число элементов двухполюсника, последовательном измерении значений токов через двухполюсник и эталон на каждой из n заданных частот с последующей фиксацией результатов измерений, а также в определении параметров двухполюсника по фиксированным результатам измерений в соответствии со схемой его замещения.
В основу способа положен метод косвенного измерения параметров двухполюсника при формировании напряжения синусоидального воздействия и воздействия напряжения постоянного тока на объект измерения, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. Этот способ позволяет осуществлять измерения параметров двухполюсника, удаленного до 500 метров от средств измерения. Однако экспериментально установлено, что при использовании упомянутого способа определения параметров двухполюсника, выбранного авторами за прототип, точность определения параметров снижается за счет влияния:
- паразитной электрической емкости (электрическая емкость между жилами) кабельной линии связи, подключенной параллельно объекту измерения;
- воды или льда в электросоединителях наземной кабельной сети, что приводит к появлению сопротивлений утечек.
Таким образом, недостатком прототипа является недостаточная точность измерения параметров двухполюсника, обусловленная влиянием комплексного сопротивления кабельной линии связи на результат измерения, а также влиянием ее состояния.
В связи со сказанным выше, задачей предлагаемого способа определения параметров двухполюсника, является повышение точности измерения, которое достигается путем измерения параметров кабельной линии связи и учета измеренных параметров кабельной сети при определении параметров двухполюсника с помощью схемы замещения.
Технический результат достигается тем, что в способе определения параметров двухполюсника, заключающемся в воздействии на двухполюсник, подключенный через линию связи, и эталон синусоидальным напряжением на n заданных частотах, где n - число элементов двухполюсника, последовательном измерении значений токов через двухполюсник и эталон на каждой из n заданных частот с последующей фиксацией результатов измерений, а также в определении параметров двухполюсника по фиксированным результатам измерений в соответствии со схемой его замещения, в отличие от прототипа осуществляют отключение двухполюсника от линии связи и после формирования синусоидального напряжения на n заданных частотах производят измерение токов через комплексное сопротивление линии связи и эталон на каждой из n заданных частотах, полученные результаты фиксируют и по ним определяют значения параметров комплексного сопротивления линии связи, используя схему замещения, после чего по значениям параметров комплексного сопротивления линии связи судят о ее состоянии, а также учитывают их при определении параметров двухполюсника.
Признаки, характеризующие отключение двухполюсника от линии связи и после формирования синусоидального напряжения на n заданных частотах последовательно производят измерение токов через комплексное сопротивление линии связи и эталон, позволяют определить и зафиксировать параметры линии связи. Совокупность вышеупомянутых признаков позволяет повысить точность измерения, так как измеренные значения параметров линии связи, в том числе и значение паразитной составляющей электрической емкости линии связи, учитываются при определении параметров двухполюсника, измеряемого через линию связи. Причем вышеуказанные признаки позволяют определить параметры линии связи не только между жилами, подключающими двухполюсник как объект измерения к средству измерения, но и параметры линии между каждой жилой линии и экраном. Совокупность этих признаков позволяет судить о состоянии линии связи. Если в результате проведенных измерений, значения параметров линии связи будут превышать предельно допустимые значения, то будет сделан вывод о непригодности линии связи для осуществления измерения параметров двухполюсника, соответственно результаты измерений не будут приниматься во внимание. Таким образом, вышеописанные признаки повышают точность измерения параметров двухполюсника.
При создании средств измерения на основе предлагаемого способа измерения удастся, в отличие от прототипа, получить следующие технические преимущества при измерении параметров удаленных двухполюсников:
- относительная погрешность измерений электрической емкости ДУЗ через линию до 400 м в диапазоне емкостей от 400 до 1300 пФ не превышает ±0,2%;
- относительная погрешность измерений малых паразитных емкостей в диапазоне от 0,1 до 10 пФ не превышает ±10%;
- относительная погрешность измерений электрической емкости проводник-экран в диапазоне от 2500 до 30000 пФ не превышает ±1,0%;
- относительная погрешность измерений сопротивления изоляции в диапазоне от 50 кОм до 50 МОм не превышает ±2,0%;
- контроль состояния линии связи с двухполюсником.
Для практической реализации заявленного способа авторами использована технология автоматизированного проектирования электронных схем, построенная на применении программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) разработки фирмы Xilinx. На базе ПЛИС построены такие функциональные блоки, как аналого-цифровой преобразователь интегрирующего типа, генератор синусоидального напряжения, схемы управления по частоте и масштабу усиления. При этом используется программное обеспечение Foundation Series. Данный пакет проектирования включает в себя комплекс средств, позволяющих осуществить разработку ПЛИС фирмы Xilinx, начиная от описания внутреннего содержимого устройства до загрузки конфигурации ПЛИС и отладки непосредственно на печатной плате. Программное обеспечение Foundation Series позволяет реализовать все необходимые функции, включая реализацию численных методов вычисления значений.
На фиг. 1 представлена функциональная схема подключения двухполюсника через линию связи к устройству определения параметров двухполюсника.
На фиг. 2 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементы которого индуктивность и резистор соединены последовательно.
Д
Д
Л
К
Э1
Э1
Э2
Э2
На фиг. 1 представлена функциональная схема подключения двухполюсника через линию связи к устройству определения его параметров. В качестве примера двухполюсник 1, подключаемый к линии связи, представлен схемой замещения емкостного ДУЗ в виде параллельно соединенных электрической емкости С резистора R. Линия связи состоит из двух проводников 2 и соответственно экранов 3 проводников, которые подключают двухполюсник к устройству 4 измерения параметров. На фиг. 1 также представлены схемы замещения комплексного сопротивления 5 между проводниками, комплексного сопротивления 6 между первым проводником и его экраном и комплексное сопротивление 7 между вторым проводником и его экраном линии связи. Причем схемы замещения комплексных сопротивлений 5, 6, и 7 выполнены в виде параллельно соединенной электрической емкости и сопротивления, CR, СR, и СR соответственно.
В качестве прикладного примера осуществления способа рассмотрим измерение параметров емкостного датчика уровня заправки бака, заполняемого диэлектрической жидкостью (например, керосином).
Д
Д
Д
Емкостному датчику уровня соответствует схема замещения, приведенная на фиг. 1, где: C есть рабочая электрическая емкость датчика, которая несет полезную информацию об уровне заправки бака. C при заправке бака является величиной переменной, так как изменение в значение электрической емкости вносит диэлектрическая проницаемость неэлектропроводной жидкости, заполняющей датчик по мере заполнения бака; R - сопротивление тока утечки через диэлектрик, которое зависит от заправляемой жидкости. В силу специфики эксплуатации изделий ракетно-космической техники емкостной ДУЗ может быть удален от средства измерения на расстояние до 500 метров.
Д
Д
Емкостному датчику уровня соответствует схема замещения, приведенная на фиг. 1, где: C - есть рабочая электрическая емкость датчика, которая несет полезную информацию об уровне заправки бака. C при заправке бака является величиной переменной, так как изменение в значение электрической емкости вносит диэлектрическая проницаемость неэлектропроводной жидкости, заполняющей датчик в баке; R - сопротивление тока утечки через диэлектрик, которое зависит от сортности керосина и состояния сопротивления кабельной сети. В результате формирования синусоидального напряжения на двухполюснике, схема замещения которого представлена на фиг. 1, для токов схемы справедливы следующие выражения:
C
I=V·ω·C;
Согласно предлагаемому изобретению последовательно производят измерение значений комплексных токов через двухполюсник и эталон на двух частотах. Модули измеряемых полных токов через двухполюсник можно записать следующим выражением:
ω1
ω2
ЭТ
Для определения значения напряжений V, V на двухполюснике согласно предлагаемому изобретению производят измерение значений комплексных токов через эталон, например, резистор сопротивлением R. Результаты измерений фиксируют, то есть заносят в память вычислительного устройства.
Значения токов через эталон соответствуют выражениям:
ω1
ω2
В соответствии с вышеописанными признаками формулы изобретения значения величин Ι, Ι, ,  измерены и зафиксированы. В конечном счете, получаем два уравнения (1), (2) и два неизвестных параметра R, С.
После аналитических преобразований имеем следующие выражения для определения его параметров:
В примере конкретной реализации способа с высокой точностью определяются: емкостная составляющая полного сопротивления емкостного датчика, зависящая от степени заполнения его жидкостью; активная составляющая, которая характеризуется сортностью керосина и состоянием сопротивления изоляции кабельной сети. Учет активной составляющей диэлектрической жидкости, заполняющей датчик, при определении уровня существенным образом повышается точность измерения уровня заправки, соответственно повышается эффективность ракеты за счет снижения гарантийных запасов топлива.
Согласно признакам формулы изобретения осуществляют отключение двухполюсника от линии связи и после формирования синусоидального напряжения на n заданных частотах производят измерение токов через комплексное сопротивление линии связи и эталон на каждой из n заданных частотах, полученные результаты фиксируют и по ним определяют значения параметров комплексного сопротивления линии связи, используя схему замещения.
Согласно фиг. 1 двухполюсник 1 отключается от линии связи, выполненной в виде двух проводников 2 и соответствующих экранов 3, подключенных к устройству 4 определения параметров двухполюсника. На фиг. 1 показано, что между проводниками линии связи, а также между проводниками и соответствующими экранами существуют комплексные сопротивления соответственно 5, 6 и 7, которым соответствуют схемы замещения в виде параллельно соединенных электрической емкости и сопротивления.
После формирования синусоидального напряжения на 2 - заданных частотах производят измерение токов через комплексное сопротивление между проводниками линии связи и эталон. Затем согласно признакам формулы изобретения в соответствии со схемой замещения определяют параметры комплексного сопротивления линии связи, выражения которых аналогичны формулам (5) и (6) и представлены ниже
Согласно признакам формулы изобретения полученные параметры комплексного сопротивления линии связи учитывают при определении параметров двухполюсника, подключенного через линию связи, чем обеспечивают повышение точности определения параметров двухполюсника. В конкретном примере исполнения изобретения, когда в качестве двухполюсника использован емкостный датчик уровня, схема замещения которого приведена на фиг. 1, полученную электрическую емкость линии связи, так называемую паразитную электрическую емкость, вычитают из полученной на длиной линии связи электрической емкости двухполюсника.
После формирования синусоидального напряжения на 2 - заданных частотах производят измерение токов через комплексное сопротивление между проводником 2 и соответствующим экраном 3. Затем согласно признакам формулы изобретения в соответствии со схемой замещения определяют параметры комплексного сопротивления линии связи, выражения которых аналогичны формулам (5) и (6) и представлены ниже
Согласно признакам формулы изобретения по полученным значениям параметров сопротивления линии связи, представленным выражениями (9) и (10), судят о ее состоянии. Например, при значении сопротивления изоляции между проводником и его экраном около 200 кОм устройство 4 определения параметров вносит существенные искажения в результат определения параметров двухполюсников. Такой результат определения параметров двухполюсника считать достоверным нельзя. Таким образом, вышеописанная совокупность признаков формулы изобретения повышает точность определения параметров двухполюсника, блокируя недостоверные результаты измерения.
Осуществление способа рассмотрим на следующих примерах. На фиг. 2 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементы которого являются резистором и индуктивностью, соединенными последовательно. Представленный двухполюсник, параметры которого нужно определить, может быть подключен к средству измерения через длинную линию, которая также вносит изменения в результат определения его параметров.
P
1
2
В результате формирования на двухполюснике синусоидального напряжения через него протекает ток, значение которого определяется устройством 4 определения параметров двухполюсника. Так как двухполюсник двухзвенный, то в соответствии с признаком формулы изобретения необходимо измерение комплексного тока I осуществлять на двух частотах ω и ω. В этом случае справедливы следующие соотношения:
Проведя вышеописанные аналогичные преобразования имеем следующие выражения для определения его параметров:
В качестве устройства 4 определения параметров двухполюсника, как вариант, может быть использовано устройство, включающее генератор синусоидального напряжения, управляемый по частоте, запитывающий измеряемую цепь, а также преобразователь ток-напряжение, последовательно соединенный с аналого-цифровым преобразователем. Последний соединен с вычислительным устройством, которое фиксирует результаты измерений токов через двухполюсник и эталон и в соответствии с выражениями (5) и (6) определяет параметры двухполюсника.
Используемая литература
1. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ. Измерительная техника. 1996, №6, с 56-60.
2. "Способ определения параметров двухполюсника", описанный в патенте РФ №2449295, авторов Балакина С.В., Долгова Б.К.
3. А.И. Новик. «Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока», Киев: Наукова Думка, 1983, с. 9-10.