УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Полезная модель относится к технике электрорадиоизмерений и может быть использовано для определения параметров элементов электрических цепей (сопротивление, емкость и индуктивность).
1
1
1
1
Известно устройство по способу измерения параметров четырехэлементного двухполюсника R-C типа [патент RU №2180966 G01R 27/26, 2002 г.], в котором осуществляется анализ переходного процесса в измерительном преобразователе, выполненном на базе операционного усилителя (ОУ), в цепи отрицательной обратной связи которого включен измеряемый двухполюсник, а в цепи инвертирующего входа ОУ-образцовый резистор. При подаче на вход измерительного преобразователя скачка постоянного напряжения в измерительной цепи возникает переходный процесс, состоящий из суммы постоянной, линейно изменяющейся и экспоненциальной составляющих. Параметры двухполюсника вычисляют по четырем дискретным отсчетам выходного напряжения измерительного преобразователя в моменты времени t, 2t, 3t и 4t после начала переходного процесса путем решения системы из четырех уравнений с четырьмя неизвестными. По результатам измерений микропроцессорный контроллер вычисляет постоянную составляющую, крутизну линейно изменяющейся составляющей, значения постоянной времени и амплитуды экспоненциальной составляющей переходного процесса, и по этим величинам - параметры исследуемого двухполюсника.
Недостатками устройства являются:
1) ограниченные функциональные возможности, позволяющие измерять параметры ограниченного количества вариантов двухполюсников;
2) необходимость менять точки подключения измеряемого двухполюсника либо в цепь обратной связи, либо во входную цепь ОУ в зависимости от конфигурации схемы объекта измерения;
3) погрешности измерения, обусловленные нестабильностью амплитуды скачка напряжения на входе измерительного преобразователя и влиянием паразитных цепей и частотно зависимых свойств ОУ на характеристики переходного процесса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является устройство для определения параметров элементов электрических цепей [патент RU №2237252 G01R 27/02, G01R 27/26, 2003 г.], в состав которого входит колебательная система второго порядка, работающая в режиме консервативного звена, состоящая из эквивалентной системы индуктивности, представленной последовательной схемой замещения, выход которой последовательно или параллельно соединен с емкостью, представленной параллельной схемой замещения.
Недостатком такого технического решения является участие в определении параметров электрической цепи реактивных элементов, таких как емкость и катушка индуктивности, которые обладают существенными погрешностями, что влечет за собой низкую точность измерений.
Задача полезной модели - повышение точности измерений за счет полного (или частичного) исключения участия мер емкости и индуктивности в процессе измерения и введения более точных мер частоты или времени.
Технический результат достигается введением усилителя с управляемым коэффициентом усиления, к которому подключен выход емкости. Схема охвачена положительной обратной связью, что позволяет повысить точность измерений за счет введения мер частоты (генерации) или времени.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для определения параметров элементов электрических цепей, содержащее колебательную систему второго порядка, работающую в режиме консервативного звена, состоящую из эквивалентной системы индуктивности, представленной последовательной схемой замещения, выход которой последовательно или параллельно соединен с емкостью, представленной параллельной схемой замещения. В отличие от прототипа, введен усилитель с управляемым коэффициентом усиления, причем выход емкости подключен к входу усилителя с управляемым коэффициентом усиления, выход которого соединен со входом устройства, образуя положительную обратную связь, а выходом устройства является выход усилителя с управляемым коэффициентом усиления.
Существо полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1, где представлена блок-схема устройства, на фиг.2 представлено само устройство.
Устройство содержит сопротивление 1, последовательно подключенное к усилителю 2 с управляемым коэффициентом усиления, который параллельно соединен с сопротивлением 3. Выход с усилителя 2 соединен со входом ключа 4, к выходу которого последовательно подключены индуктивность 5 и активное сопротивление индуктивности 6. К выходу активного сопротивления индуктивности 6 последовательно подключена емкость 7, к которой параллельно подключено активное сопротивление емкости 8. Переменное сопротивление 9 соединяет выходы ключа 4 и емкости 7, а так же вход усилителя 10. Схема охвачена положительной обратной связью.
Устройство работает следующим образом:
4
4
4
L
С
В момент, когда ключ 4 находится в положении «1» (фиг.2), схема работает при последовательном включении эквивалентных схем конденсатора 7 (С) и емкости 5 (L). С помощью переменного сопротивления 9 (R) подбирается частота, при которой устройство работает как генератор синусоидальных колебаний. Измеряется частота и сопротивление 9 (R). Затем ключ 4 устанавливается в положение «2». Схема работает при параллельном включении эквивалентных схем конденсатора 7 (С) и емкости 5 (L). Аналогично подбором сопротивления 9 (R) устанавливается частота генерации синусоидальных колебаний. Во втором случае частота и сопротивление  будут отличны от первого. Искомый параметр (L, С, R или R) будет определяться по формулам приведенным ниже.
Рассмотрим схему с последовательным включением эквивалентных схем конденсатора С и емкости L.
Найдем комплексное сопротивление эквивалентной схемы конденсатора
X
X
C
L
комплексное сопротивление Z(p)L, C, R, R - цепочки в свою очередь равно
отсюда, Y(p) равно
РАЗ
Передаточная функция разомкнутого звена W(p) равна
ЗАМ
а передаточная функция замкнутого звена W(р)
Рассмотрев знаменатель функции замкнутого звена, можно определить два условия возникновения устойчивых колебаний или, другими словами, когда схема будет работать как консервативное звено с незатухающими синусоидальными колебаниями. Для этого составим два уравнения.
1)
2)
1
заменим оператор р на j·ω,.получим
1
отсюда частота ω, на которой устройство будет работать, равна
Затем, рассмотрим схему с параллельным включением эквивалентных схем конденсатора С и емкости L.
Проводимость равна:
отсюда, Z(p) равно
РАЗ
Передаточная функция разомкнутого звена W(p) равна
ЗАМ
а передаточная функция замкнутого звена W(p) равна
Рассмотрев знаменатель функции замкнутого звена, можно определить два условия возникновения устойчивых колебаний или, другими словами, когда схема будет работать как консервативное звено с незатухающими синусоидальными колебаниями. Для этого составим два уравнения.
1)
2)
2
заменим оператор р на j·ω, получим
2
отсюда, ω равна
После проведения расчетов имеем четыре уравнения (8), (10), (18) и (20), или другими словами, четыре условия возникновения колебаний при различных схемах включения конденсатора С.
L
1) C·R·Rc+L-K1·C·Rc=0
2)
L
3) C·R·Rc+L-L·K2·Rc=0
4)
Решением данной системы уравнений с четырьмя неизвестными, будут выражения:
Итак, заявленное устройство позволяет повысить точность измерений за счет полного (или частичного) исключения участия мер емкости и индуктивности в процессе измерения и введения более точных мер частоты или времени.