УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕАКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения реактивного сопротивления - индуктивности или емкости.
В качестве прототипа заявляемого технического решения принято устройство для измерения реактивного сопротивления по авторскому свидетельству СССР №1272276, МПК4 G01R 27/02, 1986 г., содержащее генератор синусоидального сигнала, образцовый элемент, исследуемое сопротивление, имеющее реактивную составляющую, фазосдвигающее устройство, средства суммирования, вычитания, преобразования фазового сигнала в код и вычисления реактивного сопротивления. В указанном устройстве измерение реактивной составляющей исследуемого сопротивления (реактивного сопротивления) осуществляется путем формирования, измерения и обработки разности фаз сигналов образцового элемента и исследуемого сопротивления. Как следствие, возникает необходимость использования высокостабильного генератора синусоидального сигнала, поскольку структура устройства-прототипа обуславливает сильную зависимость точности измерений от стабильности амплитуды генератора синусоидального сигнала. В свою очередь, необходимость использования высокостабильного генератора синусоидального сигнала - а также нескольких блоков вычитания и суммирования - усложняет (и удорожает) устройство.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью - упрощение устройства при сохранении требуемой точности измерений реактивного сопротивления.
Указанная задача решается тем, что устройство для измерения реактивного сопротивления, содержащее генератор синусоидального сигнала, соединенный своим выходом с первым выводом образцового элемента, второй вывод которого подсоединен к первой выходной клемме и фазосдвигающему устройству, измеряемое реактивное сопротивление, подключенное к первой и второй выходным клеммам, и вычислительный блок, снабжено компаратором, выпрямительным устройством, включенным между выходом генератора синусоидального сигнала и инвертирующим входом компаратора, усилителем, вход которого подсоединен к выходу фазосдвигающего устройства, а выход связан с неинвертирующим входом компаратора, и измерителем временных интервалов, подключенным своим входом к выходу компаратора, а выходом - к вычислительному блоку, при этом образцовый элемент представляет собой реактивное сопротивление со сдвигом фазы, одинаковым по модулю и знаку со сдвигом фазы на измеряемом реактивном сопротивлении.
В варианте технического решения измеряемое реактивное сопротивление и образцовый элемент представляют собой емкость.
В варианте технического решения измеряемое реактивное сопротивление и образцовый элемент представляют собой индуктивность.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 представлена структурная блок-схема заявляемого устройства, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
Устройство для измерения реактивного сопротивления содержит источник переменного напряжения (генератор синусоидального сигнала) 1, образцовый элемент 2, измеряемое реактивное сопротивление 3, фазосдвигающее устройство (ФСУ) 4, усилитель 5, выпрямительное устройство 6, компаратор 7, измеритель временных интервалов 8 и вычислительный блок 9. Выход источника 1 соединен с первым выводом образцового элемента 2 и входом выпрямительного устройства 6. Второй вывод образцового элемента 2 подсоединен к первой входной клемме 10 и входу ФСУ 4, выход которого связан с входом усилителя 5. Выход выпрямительного устройства 6 подключен к инвертирующему входу компаратора 7, неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя 5. Выход компаратора подключен к входу измерителя временных интервалов 8, связанного своим выходом с вычислительным блоком 9. Измеряемое реактивное сопротивление 3 подключено к первой и второй входным клеммам 10 и 11.
о
o
о
o
Образцовый элемент 2 представляет собой реактивное сопротивление, которое обеспечивает сдвиг фазы, одинаковый по модулю и знаку сдвигу фазы на измеряемом реактивном сопротивлении 3, т.е. если измеряемое сопротивление 3 представляет собой емкость, то в качестве образцового элемента 2 выбирается емкость с заранее заданным известным значением С, а если измеряемое сопротивление 3 представляет собой индуктивность, то в качестве образцового элемента 2 выбирается индуктивность с заранее заданным известным значением L. Значения С и L задаются исходя из требуемого диапазона измерения.
у
у
Устройство для измерения реактивного сопротивления работает следующим образом. Исходя из заданного диапазона измерения устанавливается коэффициент усиления К усилителя 5. К рассчитывается таким образом, чтобы при максимальном значении реактивного сопротивления на входе усилителя 5, соответствующем верхней границе диапазона измерения, выходной сигнал усилителя 5 был равен выходному сигналу генератора 1. Это позволяет обеспечить большой динамический диапазон измерения и уменьшить влияние шумов. Затем, исходя из ожидаемых наихудших шумовых характеристик сигналов, выбирается величина сдвига фазы Δφ в ФСУ 4. Выбор величины Δφ производится из условия, чтобы сигналы - выходной сигнал генератора 1 и сигнал с измеряемого сопротивления 3 - не пересекались в пределах измеряемого диапазона для исключения дребезга (самопроизвольного переключения) сигнала компаратора.
у
p
После того, как значения К и Δφ определены, начинается процесс измерения реактивного сопротивления 3. В результате протекания по цепи, состоящей из образцового элемента 2 и измеряемого реактивного сопротивления 3, тока генератора 1, на сопротивлении 3 создается падение напряжения U, которое затем сдвигается ФСУ 4 на небольшую величину, например, на фазовый угол, равный π/16. Выбор малой величины Δφ позволяет оптимизировать характеристики устройства - с учетом наихудших шумовых характеристик сигналов - и обеспечить высокую точность измерения. С выхода ФСУ 4 сигнал поступает на вход усилителя 5, а с выхода усилителя - на неинвертирующий вход компаратора 7, на инвертирующий вход которого поступает выпрямленный выходной сигнал генератора 1.
Следует отметить, что при отсутствии выпрямительного устройства на выходе компаратора 7 будет формироваться сигнал в виде меандра, что не позволит измерить величину реактивного сопротивления.
p
o
o
P
На выходе компаратора 7 формируется импульсный периодический сигнал, который затем поступает в измеритель временных интервалов 8. Как видно из фиг.2, передний фронт импульсного периодического сигнала формируется в момент времени, когда амплитуда выходного сигнала генератора 1 - U станет меньше амплитуды выходного сигнала усилителя 5 - U, задний фронт импульсного периодического сигнала формируется в момент времени, когда амплитуда выходного сигнала усилителя 5 U станет меньше амплитуды выходного сигнала генератора U; вершина импульсного периодического сигнала соответствует интервалу времени между задним и передним фронтами, т.е. интервалу времени, в течение которого амплитуда импульсного периодического сигнала превысит амплитуду выходного сигнала генератора 1.
И
И
В измерителе 8 определяется длительность Т выходного сигнала компаратора 7, которая - как это видно их временной диаграммы на фиг.2 - пропорциональна отношению амплитуд сигнала с измеряемого реактивного сопротивления и выходного сигнала генератора 1. Амплитуда выходного сигнала генератора в процессе измерения остается постоянной, а амплитуда сигнала с измеряемого реактивного сопротивления пропорциональна величине реактивного сопротивления. Поэтому величина Т будет пропорциональна величине измеряемого реактивного сопротивления.
И
x
x
С выхода измерителя 8 сигнал поступает в вычислительный блок 9, в котором по величине Т рассчитывается емкость С или индуктивность L сопротивления 3. Сначала по формуле (1)
o
где ω - круговая частота, находится значение сигнала U, а затем, по формуле (2)
при измерении емкости или по формуле (3)
x
x
при измерении индуктивности определяются искомые значения С или L.
Точность измерения в заявляемом устройстве определяется динамическим диапазоном измерения, который в первом приближении определяется длительностью импульсного сигнала на выходе компаратора 7.
В заявляемом устройстве отсутствует необходимость измерения высокочастотного периодического сигнала генератора синусоидального сигнала - как в устройстве - прототипе. Соответственно, отпадает необходимость применения - для получения требуемой точности измерений - высокостабильного (и достаточно дорогого) генератора синусоидального сигнала.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает достижение такой же точности измерений, как и в устройстве - прототипе, но при более простой структурной организации.
Следует отметить, что заявляемое устройство может использоваться не только для измерения реактивного сопротивления - емкости или индуктивности, но и в более общем случае - для измерения отношения амплитуд двух переменных сигналов, например, при измерении взаимной индуктивности или коэффициента трансформации.