УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКА
APPARATUS FOR DETERMINING PARAMETERS OF TWO-TERMINAL DEVICE

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, что представляет существенный практический интерес для контроля широкой гаммы выпускаемых электрорадиоизделий (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), а также двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах.
Известное устройство, выбранное в качестве аналога, цифровой мост переменного тока типа ЦЕ 5002 ТУ 25-7516.0033-88, представляющее собой автоматическую уравновешивающую измерительную мостовую схему. Измерительная схема осуществляет уравновешивание по реактивной и активной составляющим комплексного сопротивления измеряемого двухполюсника.
Другим аналогом выбрано устройство «Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)», описанный в патенте РФ №2025666, МПК: G01F 23/26, включает группу измерительных емкостных датчиков, генератор переменного напряжения, два коммутатора, два преобразователя ток-напряжение, вычитающее устройство, синхронный детектор, компаратор и два триггера, дифференциатор, тактовый генератор, схема совпадения, счетчик импульсов, сумматор и цифровой индикатор. Причем каждый измерительный датчик выполнен в виде двух плоскопараллельных конденсаторов с неодинаковыми площадями электродов, которые располагаются горизонтально и симметрично относительно средних линий датчиков. Кроме того, вместо компараторов тока трансформаторного типа использовано вычитающее устройство, которое может быть построено на интегральной микросхеме.
Специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники для проведения измерения параметров двухполюсников выставляет свои требования, способствующие поиску новых технических решений в области измерений. Обозначим наиболее характерные из них:
- удаленность до 500 метров объекта измерения от средства измерения. Примером тому может служить процесс определения параметров комплексного сопротивления емкостного датчика контроля уровня заправки, вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время ее заправки компонентами топлива;
- высокая точность измерения параметров удаленного двухполюсника, коим является емкостной датчик уровня. Очевидно, что точность измерения напрямую связана с объемом гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность измерения, тем меньше могут быть выбраны гарантийные запасы топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую полезную нагрузку;
- требование высокой технологичности подготовки ракеты, исключающее процедуру предварительной настройки аппаратуры измерения человеком-оператором.
К недостаткам аналогов можно отнести: низкую точность определения параметров удаленного на некоторое расстояние двухполюсника (например, емкостного датчика уровня); низкое быстродействие в ряде случаев его использования, например, в устройствах сигнализации прохождения уровнем неэлектропроводной жидкости заданных высот бака; недостаточно высокую технологичность подготовки ракеты, в связи с необходимостью предварительной настройки аппаратуры оператором.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте РФ 2262115 C2, МПК: G01R 27/14, «Устройство для определения параметров двухполюсника», авторов Балакина С.В. и Долгова Б.К, выбранное в качестве прототипа.
Устройство для определения параметров двухполюсника, содержащее эталон, соединенный с первым измерительным входом и первым входом первого ключа, второй измерительный вход устройства подключен ко второму входу первого ключа, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу блока управления измерением, а управляющий вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом блока управления измерением, остальные выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого ключа, масштабного усилителя, к первому входу определителя параметров двухполюсника и к первому входу блока управления по частоте, второй вход блока управления измерением подключен к первому выходу блока управления режимами, выходы которого подключены соответственно через блок задания схемы замещения ко второму входу определителя параметров двухполюсника и ко второму входу блока управления по частоте, выходы которого подключены соответственно к входу генератора синусоидального напряжения и к третьему входу определителя параметров двухполюсника.
Опыт работы прототипа показал, что погрешность определения параметров двухполюсника может быть еще уменьшена, если измерить и учесть токи смещения на длинной соединительной линии до измеряемого двухполюсника, вызванные наводками на длинную линию и работой выходных каскадов усилителей, а также увеличить разницу между частотами, на которых производятся измерения.
Таким образом, недостатком прототипа является недостаточная точность измерения параметров двухполюсника на удаленном от средства измерения объекте измерения.
В связи со сказанным выше, задачей предлагаемого устройства определения параметров двухполюсника является повышение точности измерения параметров двухполюсника, удаленного с помощью длинной линии от средства измерения. Причем создаваемые на его основе средства измерения при сохранении высоких метрологических качеств должны оставаться достаточно простыми в реализации.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для определения параметров двухполюсника, содержащее эталон, соединенный с первым измерительным входом и первом входом первого ключа, второй измерительный вход устройства подключен ко второму входу первого ключа, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу блока управления измерением, а управляющий вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом блока управления измерением, остальные выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого ключа, масштабного усилителя, к первому входу определителя параметров двухполюсника и к первому входу блока управления по частоте, второй вход блока управления измерением подключен к первому выходу блока управления режимами, выходы которого подключены соответственно через блок задания схемы замещения ко второму входу определителя параметров двухполюсника и ко второму входу блока управления по частоте, выходы которого подключены соответственно к входу генератора синусоидального напряжения и к третьему входу определителя параметров двухполюсника, в отличие от прототипа, введены второй и третий ключ, источник постоянного тока и формирователь разности токов, причем первый измерительный вход двухполюсника подключен через второй ключ к выходу третьего ключа, первый вход которого соединен с источником постоянного тока, а второй вход третьего ключа подключен к выходу генератора синусоидального напряжения, причем управляющие входы второго и третьего ключей подключены соответственно к шестому и седьмому выходам блока управления измерением, восьмой выход которого соединен с первым входом формирователя разности токов, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход формирователя разности токов подключен к четвертому входу определителя параметров двухполюсника, выход которого является выходом устройства.
Признаки, характеризующие подключение двухполюсника к первому измерительному входу через второй и третий ключи, позволяющие, в отличие от прототипа, запитать испытуемый двухполюсник от источника постоянного тока или от генератора синусоидальных напряжений обеспечивают наибольшую разницу измерительных частот (вторая частота равна нулю), что существенно повышает точность определения параметров двухполюсника. Признаки, характеризующие введение формирователя разности токов, подключение его к аналого-цифровому преобразователю и определителю параметров двухполюсника, позволяют также повысить точность определения параметров двухполюсника за счет исключения влияния токов смещения, возникающих на длинной линии до измеряемого двухполюсника из-за наводок и несовершенства выходных каскадов усилителей.
Совокупность этих признаков позволяет в заявленном устройстве:
- увеличить точность определения параметров двухполюсника (так точность определения емкости датчика уровня заправки увеличивается приблизительно с ±0,2% до ±0,1%);
- производить через длинную линию определение параметров двухполюсника без снижения метрологических характеристик (в ряде практических случаев длина соединительной линии может достигать от 100 до 500 метров).
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для определения параметров двухполюсника.
На фиг.2 представлен алгоритм функционирования устройства определения параметров двухполюсника.
Представленная на фиг.1 функциональная схема устройства для определения параметров двухполюсника содержит определяемый двухполюсник 1, который через кабельную линию связи 2, подключен к измерительным входам 3, 4, которые соответственно подключены к эталону 5 и первому ключу 6, выход которого через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение 7, масштабный усилитель 8 и аналого-цифровой преобразователь 9, подключен к входу блока управления измерением 12, который через формирователь разности токов 13 подключен к входу определителя параметров двухполюсника 19, причем измерительный вход 3 через последовательно соединенные второй и третий ключи 10 и 11 подключен к входам источника постоянного тока 14 и генератора синусоидального напряжения 15, управляющий вход которого через блок управления по частоте 16, блок управления режимами 17 и блок задания схемы замещения 18 подключен к входу определителя параметров двухполюсника, выход которого является выходом устройства. Выходы блока управления измерением подключены к управляющим входам ключей, масштабного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, определителя параметров двухполюсника и к входу блока управления по частоте. Экраны кабельной линии связи у измерительных входов соединены и подключены к земляной клемме генератора синусоидального напряжения.
P
Работу устройства рассмотрим на примере определения параметров двухполюсника, в качестве которого использован емкостный датчик уровня, удаленный с помощью кабельной линии связи от устройства на некоторое расстояние, например, на 500 метров. Электрическая емкость сухого датчика уровня пусть будет составлять 500 nФ, а паразитная электрическая емкость кабельной линии связи, в качестве которой может быть использован, например, кабель PK 75, будет составлять порядка 20000 nФ. Схема замещения емкостного датчика уровня соответствует параллельно соединенным электрической емкости C и активного сопротивления R. Активная составляющая полного сопротивления емкостного датчика уровня определяется состоянием сопротивления изоляции кабельной линии связи, влажностью в баке, а также сортностью керосина, которому свойственны токи утечки через диэлектрик. Значение активной составляющей может находиться в пределах от 200 кОм до 5 мОм. Поэтому учет этой составляющей при определении сопротивления двухполюсника имеет принципиальное значение для точности определения параметров емкостного датчика уровня и соответственно точности измерения уровня заправки.
1
Признаки, характеризующие подключение двухполюсника, с одной стороны, через второй измерительный вход и ключ 6 к входу преобразователя ток-напряжение, с другой стороны к первому измерительному входу через второй 10 и третий 11 к выходу генератора синусоидального напряжения 15 или источника постоянного тока 14, снятие питания переменным или постоянным током с первого измерительного входа двухполюсника с помощью ключа 10, обеспечивают измерение токов через двухполюсник и эталон 5 на частоте ω, на постоянном токе, а также измерение токов смещения при полностью снятом питании. А признаки, характеризующие введение формирователя разности токов 13 обеспечивают вычитание токов смещения, и позволяют существенно увеличить точность определения параметров двухполюсника. Указанные отличительные от прототипа признаки позволяют проводить измерения параметров двухполюсников, удаленных от средств измерения, с погрешностью (0,1-0,15)%.
Представленный на фиг.2 алгоритм управления определением параметров двухполюсника обеспечивает пояснение работы устройства согласно фиг.1. Блоки, выделенные пунктиром и включающие ту или иную функцию алгоритма, указывают на принадлежность этой функции к охватываемому блоку.
Блок 17 управления режимами задает режимы определения параметров двухполюсника. В этом случае:
- в блок 18 задается схема замещения, в конкретном случае параллельно соединенные электрическая емкость и резистор;
- в блок 12 управления измерением выдается и фиксируется число необходимых измерений, в данном случае 2, так как двухполюсник двухэлементный. В блоке 12 заложен алгоритм, который должен управлять процессом измерения, включая процедуру масштабирования, аналого-цифрового преобразования, управления формированием напряжений на испытуемый двухполюсник как от генератора синусоидального напряжения, так и от источника постоянного тока;
1
- в блок 16 управления по частоте задаются и фиксируются значения частот ω, на которых будут производится измерения токов;
- блок 18 задания схемы замещения выдаст в определитель 19 параметров двухполюсника расчетные зависимости следующего вида:
1
ЭТ
ω1
ω1
0
0
1
ЭТ
ЭТ
где ω, R величины известные и заданы блоком 17 управления режимами, а ΔI, ΔI , ΔI, ΔI  значения разностных токов, которые определяются блоком 13 по результатам определения токов через двухполюсник на частоте ω, постоянном токе и при отсутствии напряжения питания на двухполюсник при измерении токов смещения. Для практической реализации определения параметров двухполюсника в память определителя 19 параметров двухполюсника записываются алгоритмы численного решения зависимостей согласно выражениям (1) и (2).
Признаки, характеризующие соединение блока управления 16 по частоте с генератором 15 синусоидального напряжения и определителем 19 параметров двухполюсника, позволяют осуществить измерение токов через определяемый двухполюсник и эталон на n-1 частотах, число которых - n соответствует количеству элементов двухполюсника. Совокупность этих признаков, позволяющая в заявленном устройстве использовать амплитудные измерения на n-1 - частотах и одно измерение на постоянном токе, в отличие от прототипа, где использованы измерения на n частотах, дает возможность обеспечить более точное измерение параметров удаленного от объекта измерения двухполюсника.
Для практической реализации вышеописанных функциональных блоков устройства авторами использована технология автоматизированного проектирования электроники, построенная на применении программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) разработки фирмы Xilinx. Основные особенности ПЛИС:
- значительный объем ресурсов;
- высокая производительность;
- высокая гибкость архитектуры с множеством системных особенностей: внутреннее распределенное и блочное ОЗУ, логика ускоренного переноса; внутренние буферы с третьим состоянием и т.д.;
- возможность программирования непосредственно в системе.
При этом используется программное обеспечение Foundation Series. Данный пакет проектирования включает в себя комплекс средств, позволяющих осуществить разработку ПЛИС фирмы Xilinx, начиная от описания внутреннего содержимого устройства до загрузки конфигурации ПЛИС и отладки непосредственно на печатной плате.
Блоки 12, 19, 16, 17 и 18 авторами выполнены на микросхеме ХС25200 фирмы Xilinx.
i
i
ωi
ЭТ
Согласно фиг.1 блок 17 управления режимами запускает измерения токов через определяемый двухполюсник и эталон. Блок 12, которому задано блоком 17 управления режимами число измерений (в данном случае 2), выставляет в блок 16 управления по частоте сигнал установки первой частоты, на которой должны быть проведены измерения токов через определяемый двухполюсник и через эталон 5. Согласно фиг.2 блок 12 присваивает индексу текущей частоты измерения i значение 1 и выставляет в блок 16 управления по частоте соответствующий сигнал. После чего, блок 16 управления по частоте выставляет и фиксирует в определителе 19 параметров двухполюсника значение первой частоты ω, а на управляющий вход генератора 15 синусоидального напряжения сигнал, согласно которому последний на выходе формирует напряжение заданной первой частоты ω. Генератор синусоидального напряжения может быть выполнен в данном случае на операционном усилителе, в обратную связь которого включен мост Вина. Изменение частоты может быть реализовано через управление параметрами времязадающей цепи генератора. Другим примером выполнения генератора может быть его выполнение на микросхеме ХС25200 Xilinx, которая запрограммирована на формирование многоступенчатого сигнала с последуютцей его подачей на низкочастотный фильтр. Напряжения заданной первой частоты U поступает на измерительные входы устройства для питания определяемого двухполюсника или эталона. Далее блок 12 управления измерением устанавливает признак j положения ключа 6. Положений у ключа 2, а признаку j присваивается значение 1. Согласно этому признаку определяемый двухполюсник отключен от измерительной цепи, а вместо него к измерительной цепи подключен эталон 5. В качестве эталона может быть использован резистор с сопротивлением R. Через эталон протекает ток, по измеренному значению которого определяется выходное напряжение генератора 15 синусоидального напряжения согласно выражению
Значение тока измеряется следующим образом. Согласно фиг.1 ток через эталон с выхода ключа 6 поступает через преобразователь ток-напряжение - 7 на вход масштабного усилителя - 8. Масштабный усилитель обеспечивает усиление напряжения в соответствии с масштабом, который ему задает блок 12 управления измерением. Процесс масштабирования усилителя 8 показан на фиг.2. С выхода масштабного усилителя напряжение поступает на вход аналого-цифрового преобразователя - 9 интегрирующего типа. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполнен в виде двухтактного интегратора. Выбор такого вида АЦП обусловлен, прежде всего, высокой линейностью характеристики, большой разрешающей способностью и хорошим подавлением высокочастотной помехи. АЦП работает в два такта, первый такт заряд интегратора, второй такт его разряд. В первый такт происходит интегрирование входного сигнала, являющийся периодической функцией, во втором такте происходит интегрирование сигнала от источника опорного напряжения. Разрешающая способность АЦП, определяющая разрешающую способность устройства в целом, пропорциональна времени второго такта (разряда интегратора), а также частоте заполняющих импульсов. Управление переключением тактов АЦП и подачу заполняющих импульсов осуществляет блок 12 управления измерением. Оцифрованное значение измеренного тока поступает в определитель параметров двухполюсника - 19 для дальнейшего его использования в вычислениях согласно выражениям (1) и (2) и в блок 12 управления измерением для управления масштабом усиления. Управление масштабом усиления позволяет повысить точность работы АЦП. Масштабирование построено таким образом, что цифровое значение снимаемого с АПЦ сигнала не должно превышать половины емкости АЦП. Исходя из этого для примера реализации изобретения предложен алгоритм, представленный на фиг.2. Согласно этому алгоритму анализируется число α, которое равно отношению значения полной емкости АЦП к цифровому значению измеренного тока. Исходя из вычисленного значения числа α, выбирается один из четырех масштабов (8; 4; 2; 1). После того, как определен масштаб усиления измеряемого тока, в определителе 19 параметров двухполюсника производится фиксирование его значения с масштабом измерения, предназначенное для дальнейших операций по определению параметров двухполюсника. Далее согласно фиг.2, если j не равно 2, то его значение в блоке 12 управления измерением увеличивается на единицу и там же формируется управляющий сигнал на переключение ключа 6 во второе положение. Это соответствует тому, что эталон отключается и подключается к измерительной цепи определяемый двухполюсник. Через двухполюсник протекает ток, значение которого определяется выражением
0
Далее процедура измерения тока через двухполюсник определяется действиями, описанными при измерении тока через эталон. После того, как значение тока через двухполюсник будет измерено и зафиксировано в определителе 19 параметров двухполюсника, алгоритм согласно фиг.2 перейдет к анализу условия, в котором j равно 2. Так как ключ 6 находится во втором положении, то условие будет выполнено и алгоритм перейдет к анализу следующего условия, в котором будет осуществлен анализ текущей частоты измерения. Так как измерение производилось на первой частоте, то условие не будет выполнено, и алгоритм перейдет к выполнению действия по установке второй частоты ω=0 Гц, то есть постоянного тока. В результате будет выполнено действие j:=j+1 и блок 12 управления измерением выставит сигнал об установке второй частоты, то есть постоянного тока. По этому сигналу блок 16 управления по частоте формирует сигнал в генератор 2 синусоидального напряжения, для установки второй частоты, равной нулю Герц. Одновременно блок 16 управления по частоте устанавливает и фиксирует в определителе 19 параметров двухполюсника значение второй частоты (в нашем случае ноль Герц), которая используется для расчета параметров двухполюсника. Одновременно блок управления 12 отключает ключом 11 генератор синусоидальных напряжений 15 и подключает источник постоянного тока 14 для питания двухполюсника и эталона. Затем блок 12 управления измерением инициирует измерение. Процедура измерения токов на постоянном токе повторяется согласно вышеописанному. После измерения постоянных токов через двухполюсник и эталон и их фиксации в определителе параметров 19, блок управления измерением 12 ключом 10 снимает питание с двухполюсника и эталона и производит измерение токов смещения по вышеописанной процедуре.
После того, как число измерений i будет равно n, то условие последнего блока алгоритма согласно фиг.2 не будет выполнено, и алгоритм перейдет к вычислению разностных токов и параметров двухполюсника.
Представленный на фиг.2 алгоритм работы устройства содержит действие определения параметров двухполюсника, которое направлено на вычисление выражений согласно (1) и (2).
В примере конкретного исполнения устройства алгоритм вычисления параметров двухполюсника C и R, а также примеры конкретного исполнения численного решения функции извлечения квадратного корня из числа представлены на фиг.3, 4, 5 прототипа.
Заявленное устройство авторами апробировано на макетном изделии. В настоящий момент авторами создается система измерения уровня заправки ракетного блока, которая предназначена для модернизации наземной аппаратуры одной из стартовых пусковых установок полигона «Байконур».
Литература
1. Цифровой мост переменного тока типа ЦЕ 5002 ТУ 25-7516.0033-88.
2. Патент РФ №2025666, МПК: G01F 23/26, «Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)».
3. Патент РФ 2262115 C2, МПК: G01R 27/14, «Устройство для определения параметров двухполюсника» - прототип.