Способ измерения составляющих полного сопротивления и устройство для его реализации
METHOD OF MEASURING COMPONENTS OF IMPEDANCE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а именно, к измерению и контролю активной и реактивной составляющих полного сопротивления, в том числе двухполюсников, имеющих между полюсами ЭДС, например, электрических машин переменного тока.
Известны способ измерения параметров составляющих полного сопротивления и устройство для его осуществления (патент RU №2092861, С1, кл. G01R 27/02, 10.10.1997). Данный способ включает синхронное формирование первого синусоидального и первого прямоугольного напряжения таким образом, что они имеют одинаковые периоды, а фронт первого прямоугольного напряжения совпадает с моментом перехода первого синусоидального напряжения через ноль, подачу первого синусоидального напряжения на анализируемое полное сопротивление с получением на входе второго синусоидального напряжения с амплитудой, пропорциональной модулю анализируемого полного сопротивления, и сдвигом фазы относительно первого синусоидального напряжения, равным фазовому сдвигу анализируемого полного сопротивления, и обработку полученного сигнала в виде второго синусоидального напряжения с участием в ней первого прямоугольного напряжения. Обработку производят путем интегрирования отфильтрованного второго синусоидального напряжения в течение периода. При этом в течение одного полупериода интегрируют без изменения знака интегрируемого напряжения, а в течение другого полупериода с изменением его знака на противоположный, при этом для измерения активной составляющей полного сопротивления процесс интегрирования начинают в момент перехода через ноль первого синусоидального напряжения, а для измерения реактивной составляющей - в момент достижения максимального по абсолютной величине значения первого синусоидального напряжения. По результатам первого интегрирования судят о величине активной составляющей анализируемого полного сопротивления, а по результатам второго - о величине реактивной.
Устройство для осуществления данного способа включает генератор с двумя выходами, первый из которых является выходом первого синусоидального напряжения, а второй - выходом первого прямоугольного напряжения с периодом, равным периоду первого синусоидального напряжения, и с фронтом, совпадающим с моментом перехода первого синусоидального напряжения через ноль, измерительную схему, содержащую анализируемое полное, сопротивление, вход которой подключен к первому выходу генератора, а выход является выходом второго синусоидального напряжения с амплитудой, пропорциональной модулю анализируемого полного сопротивления, и со сдвигом фазы относительно первого синусоидального напряжения, равным фазовому сдвигу анализируемого полного сопротивления, элемент защиты от помех и элементы обработки сигналов, соединенные с выходом измерительной схемы через фильтр. Для обработки сигналов используют управляемый интегратор и блок памяти.
Недостатком известных способа и устройства для его реализации является сложность их практической реализации и низкая точность измерения. Это объясняется следующим. Способ-аналог основан на последовательном интегрировании сигнала рабочей частоты в течение периода. Соответственно, в устройстве для его реализации необходимы элементы отсчета времени, существенно меньшего длительности периода, и элементы памяти с соответствующим управлением. Чем выше точность измерений, тем, должны быть короче интервалы времени и длительность управляющих сигналов. Это приводит либо к необходимости использования высокочастотных (по сравнению с рабочей частотой) сигналов, участвующих в процессе управления, либо требует применения соответствующих прецизионных элементов. И то, и другое значительно усложняет устройство в целом. Кроме того, известные способ и устройство позволяют получить результаты измерений активной и реактивной составляющих полного сопротивления, смещенные друг относительно друга во времени. Следовательно, результаты измерений могут быть представлены только в виде набора дискретных значений и для объектов с меняющимися во времени параметрами, например, с нестабильными характеристиками, возникают принципиально неустранимые погрешности.
Наиболее близкими к изобретению по совокупности осуществленных признаков является способ измерения составляющих полного сопротивления и устройство для его осуществления (патент RU №2154834, С2, кл. G01R 27/02, 20.08.2000), принятый за прототип.
Известный способ включает синхронное формирование первого синусоидального напряжения и двух прямоугольных напряжений, периоды которых равны периоду первого синусоидального напряжения, причем фронт первого прямоугольного напряжения совпадает с моментом перехода первого синусоидального напряжения через ноль, а фронт второго прямоугольного напряжения смещен относительно фронта первого прямоугольного напряжения на четверть периода, подачу первого синусоидального напряжения на анализируемое полное сопротивление с получением на выходе второго синусоидального напряжения с амплитудой, пропорциональной модулю анализируемого полного сопротивления и со сдвигом фазы относительно первого синусоидального напряжения, формирование первого измерительного сигнала путем умножения второго синусоидального напряжения на первое прямоугольное напряжение, формирование второго измерительного сигнала путем умножения второго синусоидального напряжения на второе прямоугольное напряжение, фильтрацию первого и второго измерительных сигналов и использование отфильтрованного первого измерительного сигнала для вычисления величины активной составляющей анализируемого полного сопротивления, а отфильтрованного второго измерительного сигнала - для вычисления величины реактивной составляющей анализируемого полного сопротивления.
В прототипе формирование первого измерительного сигнала путем умножения второго синусоидального напряжения на первое прямоугольное напряжение с последующей фильтрацией и формирование второго измерительного сигнала путем умножения второго синусоидального напряжения на второе прямоугольное напряжение с последующей фильтрацией фактически представляют собой процессы синхронного детектирования, реализуемые посредством соответствующих синхронных детекторов, каждый из которых включает соответствующие умножитель и фильтр (в прототипе первый синхронный детектор состоит из умножителя 3 и фильтра 5, а второй синхронный детектор - из умножителя 4 и фильтра 6, причем нумерация элементов соответствует принятой в прототипе).
Устройство для осуществления данного способа содержит генератор, состоящий из первого формирователя, выход которого является выходом первого синусоидального сигнала, и второго формирователя с двумя выходами, первый выход которого является выходом первого прямоугольного напряжения, а второй выход является выходом второго прямоугольного напряжения, причем периоды обоих прямоугольных напряжений равны периоду первого синусоидального напряжения, фронт первого прямоугольного напряжения совпадает с моментом перехода первого синусоидального напряжения через ноль, а фронт второго прямоугольного напряжения смещен относительно фронта первого прямоугольного напряжения на четверть периода, выход первого формирователя подключен последовательно с входом анализируемого полного сопротивления, выход которого является выходом второго синусоидального напряжения и связан с первыми входами первого и второго синхронных детектора, первый и второй выходы второго формирователя подсоединены ко вторым входам соответственно первого и второго синхронных детекторов, выходы которых являются выходами устройства и подключаются к первому и второму входам вычислительного блока.
Недостатком известного способа и устройства для его реализации является низкая точность измерения. Это объясняется следующим.
В связи с тем, что первый измерительный сигнал в общем случае определяется зависимостью , а второй измерительный сигнал - выражением , то возникает ситуация неопределенности при вычислении как активной r, так и реактивной х составляющих анализируемого полного сопротивления . Данная неопределенность возникает ввиду наличия фактора фазовых соотношений между электрическими параметрами электрической цепи и полного отсутствия информации о параметрах протекающего тока I через анализируемое полное сопротивления . Подобная ситуация может быть разрешена лишь при условии наличия семейства выходных характеристик анализируемого полного сопротивления, отражающие зависимости
где  и  фактически представляют собой наборы отдельных эталонных значений составляющих анализируемого полного сопротивления, выбранных из ожидаемых диапазонов изменения предполагаемых реальных значений его составляющих.
Таким образом, для получения хотя бы относительно точного технического результата требуется создание соответствующих эмпирических номограмм для определения текущих значений составляющих анализируемого полного сопротивления, что существенно усложняет сам процесс вычисления данных параметров и снижает точность способа-прототипа.
Задачей изобретения является повышение точности измерения составляющих полного сопротивления.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения составляющих полного сопротивления, включающем формирование первого синусоидального напряжения и двух прямоугольных напряжений, периоды которых равны периоду первого синусоидального напряжения, а фронт второго прямоугольного напряжения смещен относительно фронта первого прямоугольного напряжения на четверть периода, подачу первого синусоидального напряжения на анализируемое полное сопротивление с получением на выходе второго синусоидального напряжения с амплитудой, пропорциональной модулю анализируемого полного сопротивления и со сдвигом фазы относительно первого синусоидального напряжения, формирование первого измерительного сигнала посредством синхронного детектирования путем перемножения второго синусоидального напряжения на первое прямоугольное напряжение с последующей фильтрацией полученного сигнала, формирование второго измерительного сигнала посредством синхронного детектирования путем перемножения второго синусоидального напряжения на второе прямоугольное напряжение с последующей фильтрацией полученного сигнала, и вычисление активной и реактивной составляющих анализируемого полного сопротивления с использованием, соответственно первого и второго результирующих сигналов, в отличие от прототипа, первое синусоидальное напряжение подают на анализируемое полное сопротивление через токовый шунт, с токового шунта регистрируют третье синусоидальное напряжение, синфазное току через анализируемое полное сопротивление, первое прямоугольное напряжение формируют таким образом, чтобы его фронт совпадал с моментом перехода третьего синусоидального напряжения через нуль, формируют третий измерительный сигнал путем амплитудного детектирования, включающего нелинейное преобразование с последующей фильтрацией полученного сигнала, причем активную составляющую анализируемого полного сопротивления определяют путем вычисления отношения между первым и третьим измерительными сигналами, а реактивную составляющую анализируемого полного сопротивления определяют путем вычисления отношения между вторым и третьим измерительными сигналами.
Поставленная задача решается также тем, что в устройство для измерения составляющих полного сопротивления, включающее первый формирователь, выход которого является выходом первого синусоидального сигнала, второй формирователь с двумя выходами, первый выход которого является выходом первого прямоугольного напряжения, а второй выход является выходом второго прямоугольного напряжения, причем периоды обоих прямоугольных напряжений равны периоду первого синусоидального напряжения, а фронт второго прямоугольного напряжения смещен относительно фронта первого прямоугольного напряжения на четверть периода, выход первого формирователя подключен к входу анализируемого полного сопротивления, выход которого является выходом второго синусоидального напряжения и связан с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, первый и второй выходы второго формирователя подсоединены ко вторым входам соответственно первого и второго синхронных детекторов, выходы которых являются выходами устройства и подключены к первому и второму входам вычислительного блока, в отличие от прототипа, дополнительно введены токовый шунт и третий амплитудный детектор, при этом выход первого формирователя соединен с входом полного сопротивления через измерительный токовый шунт, входы второго формирователя и третьего амплитудного детектора подсоединены параллельно токовому шунту, причем фронт первого прямоугольного напряжения с первого выхода второго формирователя совпадает с моментом перехода третьего синусоидального напряжения через ноль, выход третьего амплитудного детектора подключен к третьему входу вычислительного блока.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, обусловлен следующим. В предлагаемом способе измерения составляющих полного сопротивления и устройстве для его реализации повышение точности измерения обеспечивается за счет введения дополнительного измерительного канала на основе измерительного шунта, который в совокупности с существующими двумя «асимметричными» измерительными каналами, обладающими линейно независимыми статическими функциями преобразования, позволяет описать измерительный процесс в виде корректно составленной системы математических уравнений, решение которых, в свою очередь, существенно уменьшает фактор неопределенности.
Сущность предлагаемого способа измерения составляющих полного сопротивления и работа устройства для его осуществления поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема способа измерения составляющих полного сопротивления и она же - блок-схема устройства для его реализации, а на фиг. 2 - векторные диаграммы токов и напряжений, участвующих в способе измерения составляющих полного сопротивления.
Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения, содержит:
1 - первый формирователь первого синусоидального напряжения;
2 - полное сопротивление (измеряемое);
3 - первый умножитель сигналов;
4 - второй умножитель сигналов;
5 - первый фильтр;
6 - второй фильтр;
7 - второй формирователь первого и второго электрических прямоугольных напряжений;
8 - нелинейный элемент;
9 - измерительный токовый шунт;
10 - третий фильтр;
11 - вычислительный блок;
1
СД - первый детектор (синхронный) (совокупность блоков 3 и 5);
2
СД - второй детектор (синхронный) (совокупность блоков 4 и 6);
АД - третий детектор (амплитудный) (совокупность блоков 8 и 9);
- первое синусоидальное напряжение;
- первое прямоугольное напряжение, синфазное с ;
- второе прямоугольное напряжение, квадратурное с ;
- второе синусоидальное напряжение с амплитудой, пропорциональной модулю анализируемого полного сопротивления и со сдвигом фазы относительно первого синусоидального напряжения;
- выходное напряжение с первого детектора 3;
- выходное напряжение со второго детектора 4;
- выходное напряжение с первого фильтра 5, пропорциональное
активной составляющей г полного сопротивления 2 (первый измерительный сигнал);
- выходное напряжение со второго фильтра 6, пропорциональное
реактивной составляющей х полного сопротивления 2 (второй измерительный сигнал);
- третье синусоидальное напряжение;
- выходное напряжение с третьего детектора 8;
- выходное напряжение с третьего фильтра 10, пропорциональное току через измерительный токовый шунт 9 (третий измерительный сигнал).
1
4
9
4
1
2
1
2
2
3
1
2
5
6
5
6
9
7
8
11
Устройство работает следующим образом. Когда с выхода первого формирователя 1 первое синусоидальное напряжение U поступает на измерительный токовый шунт 9 и на анализируемое полное сопротивление 2, на выходе полного сопротивления 2 появляется второе синусоидальное напряжение U, амплитуда и фаза которого несут информацию о модуле и фазе анализируемого полного сопротивления, а на выходе токового шунта 9 появляется третье синусоидальное напряжение U, пропорциональное активному сопротивлению токового шунта 9. Напряжение U поступает на первые входы синхронных детекторов СД и СД. Одновременно на вторые входы синхронных детекторов СД и СД поступают, соответственно, первое прямоугольное напряжение U с первого выхода второго формирователя 7 и прямоугольное напряжение U с его второго выхода. В каждом из синхронных детекторов СД и СД входные напряжения перемножаются, создавая на своих выходах сигналы U и U, которые содержат составляющие, пропорциональные, соответственно активной и реактивной составляющим анализируемого полного сопротивления. Эти сигналы подаются: U - на вход первого фильтра 5, а U - на вход фильтра 6. Третье синусоидальное напряжение U поступает на вход амплитудного детектора АД. В фильтрах 5, 6 и 10 детекторов подавляются все составляющие, кроме тех, которые пропорциональны величинам составляющих анализируемого полного сопротивления 2 и измерительного токового шунта 9. Напряжения на выходе первого фильтра 5 (первый измерительный сигнал U), второго фильтра 6 (второй измерительный сигнал U) и третьего фильтра 6 (третий измерительный сигнал U) подаются на входы вычислительного блока 11, где активную составляющую анализируемого полного сопротивления определяют путем вычисления отношения между первым и третьим измерительными сигналами, а реактивную составляющую анализируемого полного сопротивления определяют путем вычисления отношения между вторым и третьим измерительными сигналами.
Сущность предлагаемого способа измерения составляющих полного сопротивления и работы устройства для его реализации подтверждается следующим.
ш
Векторная диаграмма напряжений и токов рассматриваемой электрической цепи с суммарным сопротивлением  при введении измерительного шунта r показана на фиг. 2 (для удобства вещественная ось комплексной плоскости совмещена с направлением вектора напряжения  на измерительном шунте 9).
Из векторной диаграммы фиг. 2 имеем:
где  =  +;  и  - активная и реактивная составляющие комплексной величины напряжения .
7
8
Таким образом, введение измерительного шунта между источником энергии и измеряемым полным сопротивлением позволяет организовать регистрацию информационных сигналов  и . Наличие вектора  обеспечивает соответствующую фазовую «синхронизацию» по отношению к вектору  всех остальных комплексных величин. Фактически комплексная плоскость становится плоскостью с координатными осями абсцисс «U» и ординат «U» соответственно для активной и реактивной составляющих комплексной величины напряжения .
Процесс измерения реализуется посредством применения селективных измерительных устройств, осуществляющих соответствующее линейное селективное преобразование входного сигнала с периодической весовой функцией, в основе которого лежит применение синхронных детекторов (СД), т.е. аналоговых перемножителей с интегратором или фильтром нижних частот и усилителем. Входной сигнал СД умножается на периодическую весовую функцию, формируемую из опорного сигнала.
При такой аппаратной регистрации информационных сигналов получим:
- для активной составляющей сигнала ;
- для реактивной составляющей сигнала ;
11
3
9
U=кU,
0
1
2
1
2
1
2
1
2
3
где ψ - фаза третьего синусоидального напряжения ; и ψ и ψ - фазы опорных напряжений соответственно СД и СД; к и к - коэффициенты статических функций преобразования СД и СД; к - коэффициент статической функций преобразования АД; U9 - модуль величины напряжения . После соответствующей подстановки окончательно получим:
где I - модуль векторной величины тока
7
8
n
По результатам измерений U,U и U определяются параметры составляющих анализируемого полного сопротивления. При этом, активная составляющая г полного сопротивления определяется из соотношения:
Реактивная составляющая х анализируемого полного сопротивления определяется выражением вида:
3
1
ш
=
При к=к и r1 Ом окончательно получим:
Вычисление активной r и реактивной х составляющих анализируемого полного сопротивления  производится в вычислительном блоке 11 по алгоритму, составленному по выражениям (5) ÷ (7).
Предложенный способ измерения и устройство для его реализации обеспечивают высокую точность измерения активной и реактивной составляющих полного сопротивления, поскольку формирование третьего измерительного канала позволяет избежать неопределенности фазового сдвига ϕ между электрическими параметрами r и х любого импенданса
Предложенный способ измерения является универсальным, фактически не имеющим ограничения в применении к различным типам импендансов  в том числе двухполюсников, имеющих между полюсами ЭДС. Простота его схемотехнической реализации, легкая адаптируемость к изменяющемуся классу решаемых задач и высокая точность измерения обеспечивают высокую эффективность использования данного способа.