УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МОСТОВОЙ СХЕМЫ
DEVICE FOR MEASURING COMPLEX RESISTANCE OF BRIDGE CIRCUIT

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к мостовым методам измерения на переменном токе параметров плечевых комплексных сопротивлений, и может быть использовано в устройствах для измерения количества топлива, в частности в устройствах для измерения малых расходов.
Точное измерение расхода компонентов топлива в изделиях ракетно-космической техники, в частности транспортных грузовых кораблей (ТГК) и транспортных пилотируемых кораблей (ТПК) «Прогресс» и «Союз», имеет большое значение. Перед каждым пуском грузовых и пилотируемых кораблей «Прогресс» и «Союз» производится расчет заправляемого топлива, расходуемого на все динамические операции до стыковки с Международной космической станцией (МКС) в сочетании со штатным спуском и различными вариантами спуска в случае отказа системы коррекции. Полученные контрольные значения гарантируют достаточность топлива на корабле при спуске в самых неблагоприятных условиях. Измерение расхода топлива на борту корабля выполняет система измерения расхода топлива. При этом шариковый тахометрический датчик является измерителем расхода.
Известный способ, выбранный в качестве аналога «Способ измерения параметров трехэлементных двухполюсников частотно-независимыми мостами переменного тока», описанный в патенте №2144196 кл. G01R 17/10, 27/02, заключается в уравновешивании моста на первой частоте с использованием знака информационной проекции сигнала разбаланса на второй частоте размер регулируемых воздействий по изменению одного из трех регулируемых параметров плеча сравнения в определении по модулю сигнала разбаланса на второй частоте, а их направление выбирать по знаку приращения этого модуля при пробном измерении третьего параметра плеча сравнения относительно установленного его значения.
Известное устройство, выбранное в качестве аналога «Устройство для измерения электрической емкости», описанное в патенте РФ №2186402, кл. G01F 27/02, 17/12, включает измерительный трансформаторный мост (ИТМ), управляемый по частоте генератор, первый выход которого подключен к средней точке первичной обмотки дифференциального трансформатора ИТМ, синхронный детектор (СД) основного сигнала, первый вход которого электрически связан с входом ИТМ, второй вход - со вторым входом управляемого по частоте генератора, а выход через последовательно соединенные фильтр и масштабирующий усилитель основного сигнала - с индикатором разбаланса ИТМ.
К недостаткам аналогов относится недостаточность функциональных возможностей и низкое быстродействие измерения значения комплексного сопротивления при его использовании, например, в реализации устройства для измерения количества топлива при малых расходах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству относится устройство измерения комплексного сопротивления мостовой схемы с тесной индуктивной связью, описанное в патенте Российской Федерации №2224261 «Способ измерения комплексного сопротивления мостовой схемы с тесной индуктивной связью и устройство для его осуществления» авторов Балакина С.В., Дывака А.Н., Хачатурова Я.В.
Устройство измерения комплексного сопротивления мостовой схемы, содержащее регулируемый усилитель, элемент дисбаланса, генератор постоянной частоты, подключенный через последовательно соединенные фазосдвигающее устройство и первый амплитудный компаратор к первому входу фазочувствительного фиксатора, первый усилитель, первый вход которого подключен к первой клемме выходной диагонали мостового измерительного трансформатора, при этом выход первого усилителя через фильтр и второй амплитудный компаратор подключен ко второму входу фазочувствительного фиксатора, выход которого является выходом устройства.
При измерении комплексного сопротивления устройством-прототипом, например, при выполнении устройства измерения количества топлива:
- прототип не способен выполнять измерение малого расхода топлива, так как конструктивно близко емкостные дискретные датчики в баке изделия РКТ расставить не представляется возможным;
- прототип измеряет количество топлива только в условиях действия силы тяжести (перегрузки), а в условиях невесомости осуществлять измерение расхода топлива не представляется возможным.
Таким образом, недостатком прототипа является отсутствие возможности проведения измерения комплексного сопротивления мостовой схемы в условиях невесомости, и, как следствие, измерение количества топлива в условиях невесомости, а также отсутствие возможности измерения малого расхода топлива.
Задачей устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы является расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения измерения расхода топлива в невесомости и на малых расходах и повышение точности измерения.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве измерения комплексного сопротивления мостовой схемы, содержащем регулируемый усилитель, элемент дисбаланса, генератор постоянной частоты, подключенный через последовательно соединенные фазосдвигающее устройство и первый амплитудный компаратор к первому входу фазочувствительного фиксатора, первый усилитель, первый вход которого подключен к первой клемме выходной диагонали мостового измерительного трансформатора, при этом выход первого усилителя через фильтр и второй амплитудный компаратор подключен ко второму входу фазочувствительного фиксатора, выход которого является выходом устройства, в отличие от прототипа генератор постоянной частоты подключен через второй усилитель и трансформатор к входным клеммам входной диагонали мостового измерительного трансформатора, средние точки которого соединены и заземлены, второй вход первого усилителя подключен к второй клемме выходной диагонали мостового измерительного трансформатора, а между первым входом первого усилителя и средней точкой мостового измерительного трансформатора подключен резистор, а регулируемый усилитель и элемент дисбаланса соединены последовательно и подключены между вторым входом первого усилителя и средней точкой мостового измерительного трансформатора.
Устройство измерения расхода топлива транспортного пилотируемого космического корабля, в реализации которого используется заявленное устройство, построено следующим образом. Первичным преобразователем системы измерения расхода топлива является датчик расхода (шариковый тахометрический датчик вместе с магнитной системой, выполненной в виде мостового измерительного трансформатора). При этом шариковый тахометрический датчик является измерителем малых расходов. Опыт эксплуатации грузовых и пилотируемых кораблей показал, что шариковый тахометрический датчик вместе с мостовым измерительным трансформатором подвержен механическим воздействиям. Эти механические воздействия приводят к искажению полезного сигнала с мостового измерительного трансформатора и, соответственно, временному нарушению его работоспособности, которое приводит к неправильному измерению расхода топлива. Мостовой измерительный трансформатор установлен снаружи шарикового тахометрического датчика измерения расхода топлива, вваренного в трубопровод подачи топлива к ракетным двигателям. При расходе топлива шарик начинает движение по кругу внутри улитки и, всякий раз, проходя рядом с сердечником мостового измерительного трансформатора, вносит потери в его магнитную систему. Как следствие, происходит изменение комплексных сопротивлений в сравниваемых плечах мостового измерительного трансформатора за счет изменения индуктивности обмоток моста. Комплексные сопротивления плеч мостового измерительного трансформатора изменяются в заданных пределах, попеременно переводят мостовую схему из одного неравновесного состояния в другое, проходя всякий раз состояние равновесия моста. При этом фиксация состояния равновесия мостовой схемы является выходным сигналом устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы, представляющим собой фронт перехода из логического нулевого состояния в единичное или наоборот, и по которому судят об измеренном значении комплексного сопротивления мостовой схемы. В результате одного оборота шарика в улитке мостовой измерительный трансформатор дважды проходит состояние равновесия, формируя при этом единичный импульс счета, по которому судят об израсходованном количестве топлива, равном в конкретном случае 1,65 грамма. При этом длительность импульса определяется зоной действия шарика на магнитную систему мостового измерительного трансформатора. Признаки, характеризующие подключение параллельно плечу мостового измерительного трансформатора последовательно соединенных регулируемого усилителя и элемента дисбаланса, обеспечивают задание конкретного значения комплексного сопротивления мостовой схемы. Задаваемое значение измеряемого комплексного сопротивления должно быть достаточным для условий, при которых механические воздействия и нагружения на датчик, приводящие к изменению характеристик магнитной системы мостового измерительного трансформатора, обеспечило бы при движении шарика в улитке периодическое нахождение мостового измерительного трансформатора в состоянии равновесия. Этим самым, представленные выше признаки обеспечивают повышение точности измерения. При этом во время прохождения шарика рядом с сердечником мостового измерительного трансформатора осуществляется измерение комплексного сопротивления плеча путем фиксации состояния равновесия моста. А признаки, характеризующие подключение выхода генератора частоты через второй усилитель и трансформатор к клеммам входной диагонали мостового измерительного трансформатора обеспечивают выполнение сравнения фаз сигнала опорной частоты и сигнала рассогласования мостового измерительного трансформатора. Таким образом, совокупность признаков, представленных выше, повышает точность измерения комплексного сопротивления мостовой схемы и расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения измерения расхода топлива в невесомости и на малых расходах.
На фиг. 1 представлена функциональная схема одного из вариантов устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы функционирования устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы, где:
а) ток генератора постоянной частоты;
б) токи плечевые мостовой схемы;
в) ток сигнала разности мостовой схемы;
г) ток опорных импульсов, полученный путем преобразования тока сигнала генератора постоянной частоты в первом амплитудном компараторе;
д) ток импульсов разности, полученный путем преобразования тока сигнала разности во втором амплитудном компараторе;
е) ток импульсов счета датчика расхода, сформированный фазочувствительным фиксатором.
На диаграммах согласно фиг. 2 показана зона действия шарика.
Сущность заявленного устройства поясним на примере его реализации в системе измерения расхода топлива ТГК «Прогресс» и ТПК «Союз». В состав системы измерения расхода топлива входят несколько датчиков расхода (ДР) и электронный формирователь импульсов расхода (ЭФИР). ДР выполнен в виде шарикового тахометрического датчика и мостового измерительного трансформатора, сердечник которого конструктивно касается улитки датчика, в которой по кругу при подаче топлива движется шарик.
Устройство согласно фиг. 1 содержит генератор 1 постоянной частоты, регулируемый 2 усилитель, элемент 3 дисбаланса, фазосдвигающее 4 устройство, первый амплитудный 5 компаратор, фазочувствительный 6 фиксатор, первый усилитель 7, мостовой измерительный трансформатор 8, фильтр 9, второй амплитудный 10 компаратор, второй усилитель 11, трансформатор 12, резистор 13, шариковый 14 тахометрический датчик, датчик 15 расхода. Причем в мостовом измерительном трансформаторе 8 обозначены первая выходная I и вторая выходная II обмотки выходной диагонали.
Устройство согласно фиг. 1 содержит генератор 1 постоянной частоты, подключенный через второй усилитель 11 и трансформатор 12 к входной диагонали мостового измерительного трансформатора 8. Выходная диагональ мостового измерительного трансформатора подключена на вход усилителя 7, выход которого через последовательно соединенные фильтр 9 и второй амплитудный 10 компаратор подключен к одному из входов фазочувствительного 6 фиксатора. Кроме того, генератор 1 постоянной частоты подключен через последовательно соединенные фазосдвигающее 4 устройство и первый амплитудный 5 компаратор к другому входу фазочувствительного 6 фиксатора, выход которого является выходом устройства. Причем в выходой диагонали мостового измерительного трансформатора параллельно одному из плеч мостовой схемы подключен резистор 13, а параллельно другому плечу подключены последовательно соединенные регулируемый 2 усилитель и элемент 3 дисбаланса. Мостовой измерительный трансформатор 8 и шариковый 14 тахометрический датчик образуют датчик 15 расхода.
В исходном положении системы измерения расхода топлива шарик ДР может находиться в любом месте улитки, в которой движется шарик при подаче топлива. При подаче топлива к ракетным двигателям шарик начинает вращаться с частотой от 80 до 100 Гц. При вращении шарика в датчике возникает зона, при движении в которой шарик вносит изменения в магнитную систему мостового измерительного трансформатора. Мостовой измерительный трансформатор настроен таким образом, что внесенные шариком изменения в магнитную систему переводят мостовой измерительный трансформатор из одного неравновесного состояния в другое, при этом всякий раз проходя состояние равновесия мостовой схемы. Таким образом, в двух точках при входе и выходе из зоны действия шарика (см. фиг. 1, фиг. 2) мостовая измерительная схема находится в состоянии равновесия. При формулировании признаков изобретения учитывалось свойство мостовой измерительной схемы, согласно которому при прохождении положения равновесия фаза несущей частоты разностного сигнала изменяется на 180°. Выходные обмотки мостового измерительного трансформатора, составляющие плечи мостовой схемы и подключенные на вход усилителя, включены встречно. Соответственно плечевые комплексные токи, пропорциональные плечевым сопротивлениям обмоток, вычитаются. По результатам соотношения плечевых комплексных токов, пропорциональным плечевым сопротивлениям мостового измерительного трансформатора, формируется разностный ток, поступающий на вход усилителя 7 для выполнения измерения комплексного сопротивления.
Генератор 1 постоянной частоты предназначен для питания мостового 8 измерительного трансформатора переменным током, подача которого осуществляется через второй усилитель 11 и трансформатор 12.
На временной диаграмме фиг. 2а представлен ток генератора постоянной частоты, который описывается выражением
где ψ - фазовый сдвиг тока, в конкретном случае равный нулю.
На временной диаграмме фиг. 2б представлены плечевые токи, пропорциональные плечевым комплексным сопротивлениям. Причем мостовой измерительный трансформатор настраивается таким образом, что он находится в неравновесном состоянии, когда шарик находится либо вне зоны действия, либо в зоне действия. Состояние равновесия мостовой измерительный трансформатор достигает в моменты входа и выхода из зоны действия шарика. В первом случае комплексное сопротивление первой выходной обмотки мостового измерительного трансформатора больше, чем комплексное сопротивление второй выходной обмотки. Во втором случае, когда шарик находится в зоне действия, наоборот, комплексное сопротивление первой выходной обмотки мостового измерительного трансформатора меньше, чем комплексное сопротивление второй выходной обмотки. Вышеописанное состояние мостового измерительного трансформатора достигается соотношением витков обмоток, а также подстройкой, которая осуществляется резистором 13 для первой обмотки трансформатора и последовательно соединенными регулируемым 2 усилителем и элементом 3 дисбаланса для второй обмотки трансформатора. В качестве элемента дисбаланса может быть использован резистор, а в качестве регулируемого усилителя может быть использован цифро-аналоговый преобразователь, позволяющий обеспечить точную настройку мостового измерительного трансформатора на конкретное значение комплексного сопротивления, которое будет измерено при вхождении шарика в зону действия путем фиксации состояния равновесия моста. Таким образом, признаки, обеспечивающие подключение ко второй выходной обмотке выходной диагонали моста последовательно соединенных регулируемого усилителя и элемента дисбаланса, обеспечивают конкретное задание комплексного сопротивления мостовой схемы.
Мостовой измерительный трансформатор выполнен секционно, первые и вторые обмотки входных и выходных диагоналей трансформатора намотаны на разные секции. Причем сердечник трансформатора касается улитки датчика, в которой движется шарик при подаче топлива к двигателям.
Во время подачи топлива шарик приходит в движение по улитке и, попадая в зону действия, вносит потери в магнитную систему мостового измерительного трансформатора. При этом увеличивается индуктивность второй обмотки и, соответственно, увеличивается ее комплексное сопротивление. На фиг. 2 вертикальными линиями выделена зона действия шарика при движении в улитке во время подачи топлива. На временной диаграмме фиг. 2в представлен ток сигнала разности. Причем вне зоны действия комплексное сопротивление первой обмотки выходной диагонали моста больше и фаза сигнала разности совпадает с фазой тока второй обмотки. В зоне действия шарика комплексное сопротивление второй обмотки больше, чем первой, поэтому фаза сигнала разности изменяется на 180° и совпадает с фазой тока первой обмотки выходной диагонали моста.
1
2
Токи, сформированные в плечах мостового измерительного трансформатора I, I, изменяются пропорционально изменению плечевых сопротивлений, значение которых зависит от положения шарика в датчике расхода.
Ток сигнала разности моста определяется выражением
временная диаграмма которого представлена на фиг. 2в.
Измерение комплексного сопротивления мостового измерительного трансформатора осуществляется путем фиксации момента изменения фазы сигнала разности моста и проходит следующим образом.
Формирование тока сигнала разности осуществляется вычитанием модулей и фаз сравниваемых токов встречновключенных плечевых обмоток в выходной диагонали трансформатора 8. Аналитически ток сигнала разности можно представить следующим выражением.
P
Сигнал разности на диаграмме согласно фиг. 2в до первой временной метки t и за второй временной меткой равновесия моста находится в фазе с сигналом генератора постоянной частоты (фиг. 2а), а между первой и второй метками равновесия моста сигнал разности находится в противофазе с сигналом генератора постоянной частоты. Сигнал с выхода генератора тока поступает на вход фазосдвигающего 4 устройства, в котором его фаза сдвигается на 90°. Это делается для обеспечения запаса по фазе на 90° при сравнении фаз тока сигнала разности и тока генератора постоянной частоты.
P
Ток сигнала разности с измеренной фазой с выходной диагонали мостовой 8 схемы поступает на вход первого усилителя 7, где осуществляется его усиление с заданным коэффициентом. С выхода усилителя 7 ток сигнала разности поступает в фильтр 9, где сигнал фильтруется от помех, создаваемых другими бортовыми потребителями космического аппарата. Так как фильтр 9 является апериодическим звеном, которому присуща временная задержка τ, то ток сигнала разности с выхода фильтра 9 будет иметь некоторый фазовый сдвиг, который нежелателен для дальнейшего преобразования тока сигнала разности, но учтен при сдвиге по фазе на 90° в фазосдвигающем 4 устройстве. Таким образом, ток сигнала разности с выхода фильтра 9 и ток сигнала постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 4 устройства остаются перед операцией сравнения фаз взаимно ортогональными. Учитывая, что при дальнейшей обработке указанных сигналов заявленное устройство использует информацию только о состоянии их фазовых сдвигов, то они преобразуются в дискретные сигналы. Для этой цели сигнал генератора постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 4 устройства и сигнал разности с выхода фильтра 9 подают соответственно на первый 5 и второй 10 амплитудные компараторы. Амплитудные 5 и 10 компараторы преобразуют аналоговый синусоидальный сигнал в дискретный. Например, если амплитуда синусоидального сигнала отрицательна, то это соответствует логическому нулю, и если амплитуда синусоидального сигнала положительна, то это соответствует логической единице. Таким образом, в первом амплитудном 5 компараторе ток генератора постоянной частоты преобразуется в последовательность опорных импульсов согласно диаграмме фиг. 2г, во втором амплитудном 10 компараторе ток сигнала разности преобразуется в последовательность импульсов разности, представленную на диаграмме фиг. 2д. Причем последовательность прямоугольных импульсов сигнала разности сдвинута относительно последовательности прямоугольных опорных импульсов по фазе на 90°. Обе последовательности, содержащие информацию о фазах входных аналоговых сигналов, с выходов амплитудных 5 и 10 компараторов поступают на входы фазочувствительного 6 фиксатора для сравнения фаз. Фазочувствительный 6 фиксатор может быть выполнен в виде динамического D-триггера, на D-вход которого подается последовательность импульсов сигналов разности, содержащая информацию о фазе сигнала разности, а на счетный вход - последовательность опорных импульсов, содержащая информацию о фазе сигнала генератора постоянной частоты. Из диаграмм согласно фиг. 2г и фиг. 2д (до меток равновесия мостовой схемы t) следует, что переднему фронту опорного импульса соответствует скважность последовательности импульсов сигнала разности, т.е. состояние логического нуля. Результатом сравнения фаз последовательностей прямоугольных импульсов является состояние логического нуля, что соответствует диаграмме фиг. 2е. Так как фазочувствительный 6 фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера, то результат сравнения фаз по переднему фронту импульса фиксируется в триггере 6 в виде логического нуля и на каждом опорном импульсе генератора постоянной частоты. При выходе из зоны действия шарика импульс разности принимает значение логической единицы. Тогда с очередным опорным импульсом (см. фиг. 2г, д) импульс счета принимает значение логической единицы согласно диаграмме фиг. 2е.
Используемая литература
1. «Способ измерения параметров трехэлементных двухполюсников частотно-независимыми мостами переменного тока», патент РФ №2144196, кл. G01R 17/10, 27/02.
2. «Устройство для измерения электрической емкости», патент РФ №2186402, кл. G01F 27/02, 17/12, опубл. 27.07.2002.
3. Балакин С.В., Дывак А.Н., Хачатуров Я.В. "Способ измерения комплексного сопротивления мостовой схемы с тесной индуктивной связью и устройство для его осуществления". Патент РФ №2224261, 20.02.2004, бюл. №5.
4. Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Изд. «Высшая школа», Москва - 1973, с. 149.