УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к области измерительной техники, и может быть использовано для измерения полного сопротивления двухполюсных компонентов, в том числе и активных, в широком диапазоне частот в режиме номинальной мощности.
Известны устройства измерения полных сопротивлений на основе измерительных линий с перемещаемым зондом, описанные, например, в монографии: А.З.Фрадкин, Е.В.Рыжков. «Измерение параметров антенно-фидерных устройств» - М.: Связь, 1972, стр.87. Недостатком таких устройств является длительность процесса измерений, невысокая точность, необходимость механического перемещения зонда.
Более перспективны, особенно для автоматизированных измерительных систем, устройства с многозондовыми измерительными линиями, в которых несколько датчиков (зондов) размещается вдоль измерительной линии. Количество датчиков и расстояние между ними определяется диапазоном частот, на которых производятся измерения.
Прототипом предполагаемого изобретения является АС СССР №1337822 сл. G01R 27/04, 16.08.84 «Устройство для измерения полных сопротивлений», содержащее генератор, к выходу которого через измерительную линию подключается измеряемая нагрузка, вдоль измерительной линии расположены датчики, к выходам которых, подключен программно-управляемый коммутатор, один из выходов которого подключен к первому входу блока обработки и программного управления, первый выход которого подключен к входу управления программно-управляемого коммутатора, второй выход - через генератор числовых значений пяти изменяемых параметров подключен к одному из входов вычислителя, другой вход которого подключен ко второму выходу программно-управляемого коммутатора, а третий выход соединен с входом блока вывода, причем выход вычислителя подключен ко второму входу блока обработки и программного управления.
Принцип работы известного устройства для измерения полных сопротивлений заключается в следующем. От генератора синусоидальный сигнал поступает в измерительную линию, к выходу которой подключена исследуемая нагрузка. С датчиков, расположенных по длине измерительной линии, снимаются напряжения, которые через программно-управляемый коммутатор поступают на один из входов блока обработки и программного управления. На другой вход этого блока поступает сигнал, вырабатываемый вычислителем в соответствии с формулой:
1
2
3
4
5
4
5
при этом информация о координатах подключаемых датчиков х поступает со второго выхода программно-управляемого коммутатора, а из генератора числовых значений пяти изменяемых параметров поступают числовые значения , где α - напряжение на измеряемой нагрузке; α - потери в измерительной линии; α - электрическая длина измерительной линии; α - активная (резистивная) часть измеряемого сопротивления нагрузки, α - реактивная часть измеряемого сопротивления нагрузки, L - длина измерительной линии, ρ - волновое сопротивление линии. В блоке обработки и программного управления для каждого выбранного значения х производится сравнение измеренного и вычисленного сигналов, возведение их в квадрат и вычисление ошибки путем суммирования полученного результата с предыдущим. После опроса всех датчиков полученное значение ошибки проверяется на условие окончания процесса измерения, при невыполнении которого значение ошибки обнуляется, вырабатывается сигнал изменения параметров , приводящий к уменьшению ошибки и процесс повторяется. Условием окончания процесса служит снижение суммарной ошибки ниже заданного уровня. В этом случае сигнал из блока обработки и программного управления поступает на блок вывода информации, осуществляющий вывод найденных параметров α и α.
Недостатками известного устройства для измерения полных сопротивлений являются его большие габариты на нижних частотах рабочего диапазона и снижение на этих частотах точности измерений. Это происходит за счет того, что датчики расположены вдоль измерительной линии, длина которой по мере уменьшения нижней частоты рабочего диапазона возрастает, что, в свою очередь, приводит к увеличению габаритов устройства. Особенно существенно проявляется это в метровом и декаметровом диапазонах волн, где длина линии может достигать единиц и даже десятков метров. Вместе с тем при измерении на большом уровне мощности измерительную линию очень сложно как-либо изгибать ввиду ее большого сечения, поэтому возрастает длина соединительных проводов от датчиков к программно-управляемому коммутатору, что приводит к увеличению высокочастотных наводок и, как следствие, снижению точности измерений.
К существенному снижению точности измерения приводит также наличие высших гармонических составляющих в сигнале измерительной линии, вызванное нелинейностью измеряемого двухполюсника, что, как правило, проявляется при измерении активных элементов при большом уровне мощности. Отличие сигнала от синусоидального приводит к несоответствию измеряемого распределения напряжения по линии
теоретическому, и, как следствие, неточному определению активно реактивной составляющих входного сопротивления.
Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка устройства, имеющего малую длину на нижних частотах рабочего диапазона и высокую точность измерений.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель, как и известное устройство содержит генератор, соединенный с входом измерительной линии, с расположенными вдоль нее датчиками, выходы которых соединены с информационными входами программно-управляемого коммутатора, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока обработки и программного управления, входы которого соединены с выходами программно-управляемого коммутатора и вычислителя, входы которого соединены с вторым выходом программно-управляемого коммутатора и выходом блока генерации числовых значений пяти измеряемых параметров, вход которого соединен со вторым выходом блока обработки и программного управления и блок вывода информации. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве измерительная линия выполнена в виде отрезков линии передачи, расположенных параллельно друг другу, причем конец каждого нечеткого отрезка и начало каждого четного отрезка линии передачи соединены соответственно через дополнительные катушки индуктивности, средние выводы которых соединены с входами датчиков, с концом последующего четного и началом последующего нечетного отрезков линии передачи, а свободные концы первого и последнего отрезков линии передачи являются входом и выходом линии передачи, при этом в устройство введен блок масштабирования, вход которого соединен с соответствующим выходом блока обработки и программного управления, а выход - с входом блока вывода информации.
Достигнутый при этом технический результат - уменьшение габаритов на нижних частотах рабочего диапазона волн и повышение точности измерений достигается за счет выполнению измерительной линии в виде отрезков линии передачи, расположенных параллельно друг другу, причем конец каждого нечетного отрезка и начало каждого четного отрезка линии передачи соединены соответственно через дополнительные катушки индуктивности, где значение индуктивности выбирается из соотношения:
8
y
(W, ΔL - волновое сопротивление и длина отрезков измерительной линии передачи, Со=3×10 м/сек - скорость света в вакууме, k - коэффициент укорочения длины волны в отрезках линии передачи
y
up
(Co/k- скорость распространения электромагнитных колебаний в отрезках линии передачи), f - значение верхней граничной частоты, в которой проводятся измерения), средние выводы которых соединены с входами датчиков, с концом последующего четного и началом следующего нечетного отрезков линии передачи, а свободные концы первого и последнего отрезков линии передачи являются входом и выходом линии передачи и введением в устройство блок масштабирования, вход которого соединен с соответствующим входом блока и обработки и программного управления, а вывод - с входом блока вывода информации, обеспечивается повышения точности измерения и уменьшение габаритов устройства.
На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения полных сопротивлений.
Полезная модель представляет собой входной генератор 1 выход которого соединен с измерительной линией 2, выход которой 3 предназначен для подключения объекта измерения, датчики 4, выходы которых соединены с информационными входами программно-управляемого коммутатора 5, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока обработки и программного управления 6, входы которого соединены с выходами программно-управляемого коммутатора 5 и вычислитель 7, входы которого соединены с вторым выходом программно-управляемого коммутатора 5 и выходом блока генерации числовых значений пяти измеряемых параметров 8, вход которого соединен с вторым выходом блока обработки и программного управления 6, блок масштабирования 9, выход которого соединен со входом блока вывода информации 10, катушки индуктивности 11, средние выводы которых соединены со входами датчиков 4, входы соединены с концом каждого предыдущего нечетного и началом каждого последующего четного отрезка линии передачи 12, а выходы соединены с концом каждого последующего четного и началом каждого последующего нечетного отрезка линии передачи 12.
Устройство для измерения полных сопротивлений работает следующим образом.
1
2
3
4
5
От генератора 1 синусоидальный сигнал поступает в измерительную линию 2, к выходу 3 которой подключена измеряемая нагрузка (объект измерения). Напряжения с датчиков 4 через программно-управляемый коммутатор 5 поступают на один из входов блока 6 обработки и программного управления. На другой вход этого блока поступает сигнал, вырабатываемый вычислителем 7 в соответствии с формулой (1), а из блока 8 генерации числовых значений пяти изменяемых параметров поступают числовые значения пяти изменяемых параметров , где α - напряжение на измеряемой нагрузке; α - потери в линии 2; α - электрическая длина измерительной линии; α - активная часть измеряемого сопротивления нагрузки} α - реактивная
4
5
тельной линии; α - активная часть измеряемого сопротивления нагрузки} α - реактивная часть измеряемого сопротивления нагрузки; L - длина измерительной линии.
В блоке 6 обработки и программного управления для каждого выбранного значения х производится сравнение измеренного и вычисленного сигналов, возведение их в квадрат и вычисление ошибки путем суммирования полученного результата с предыдущим. После опроса всех датчиков 4 полученное значение ошибки проверяется на условие окончания процесса измерений, при невыполнении которого, значение ошибки обнуляется, вырабатывается сигнал изменения параметров , приводящий к уменьшению ошибки, и процесс повторяется.
4
5
Условием окончания процесса измерений служит снижение суммарной ошибки ниже заданного уровня. В этом случае числовые значения параметров α и α поступают на вход блока 9 масштабирования, в котором эти значения параметров домножаются на значение волнового сопротивления, вычисляемого согласно соотношению:
4
5
где f - частота, на которой производятся измерения, и с выхода блока 9 масштабирования числовые значения параметров αρ и αρ поступают на блок 10 вывода информации.
up
up
up
up
Благодаря соединению отрезков линии передачи через введенные дополнительные индуктивности 11, номиналы которых вычисляются по формуле (2), у измерительной линии 2 возникают частотно-избирательные свойства. Сигнал с частотой выше граничной - f быстро затухает при распространении по измерительной линии. Поэтому, если частота испытательного сигнала лежит в пределах (0,5...1,0) f, то высшие гармоники, возникающие в отраженной волне при нелинейном характере нагрузки, подключенной к выходу измерительной линии, быстро затухают, и кривая распределения напряжения на линии будет формироваться лишь первой гармоникой отраженного сигнала. Если нагрузка обладает симметричной вольтамперной характеристикой, то в отраженной волне, помимо первой гармоники, будут появляться только нечетные высшие гармоники (3-я, 5-я и т.д.). В этом случае диапазон частот, в котором нелинейность нагрузки не будет влиять на точность измерений, расширяется до (0,33...1,0) f. Указанное свойство существенно снижает также высшие гармоники в сигнале генератора, если их частота выше f, которые также быстро затухают.
Однако, помимо появления фильтрующих свойств измерительной линии введение индуктивностей 11 приводит к частотной зависимости эквивалентного волнового сопротивления измерительной линии (в соответствии с выражением (3).
Поэтому в схему устройства измерения полных сопротивлений введен блок масштабирования 9, в котором вычисляется значение волнового сопротивления измерительной линии
4
5
на частоте измерения, на которое затем умножается найденные значения параметров α и α.
4
5
Функционально блок масштабирования состоит из вычислителя значения масштабного коэффициента ρ и перемножителей этого значения на найденные ранее значения параметров α и α, W, ΔL - волновое сопротивления и длина отрезков линии передачи, С=300 м/сек - скорость света в вакууме, Rx - коэффициент укорочения длины волны в отрезках линии передачи.
Достигнутый при этом технический результат - уменьшение габаритов на нижних частотах рабочего диапазона волн и повышение точности измерений обеспечивается за счет выполнению измерительной линии в виде отрезков линии передачи, расположенных параллельно друг другу, и соединенных через дополнительные индуктивности 11.