CS265931B1 - Transformátorový můstek pro měření impedanci malých hodnot - Google Patents

Abstract

Můstek je tvořen dvoujádrovým proudovým transformátorem, majícím v sérii s primárním vinutím zdroj napájecího napětí a svorky pro připojení proudových svorek měřeného objektu. K jeho sekundárnímu vinutí je připojen první odporový etalon a k jeho pomocnému vinuti druhý, oba proudovými svorkami. NapěEová svorka prvního na konci sekundárního vinutí je spojena s napětovou svorkou druhého OE na začátku pomocného vinutí. Na druhé napětové svorky je připojen oddělovací stupeň s jednotkovým zesílením, k němuž je paralelně připojen obvod fázového posunu. Paralelně k výstupu oddělovacího stupně a obvodu fázového posunu jsou připojeny indukční děliče, s výstupy spojenými s primárními vinutími napěEových transformátorů. Konec a začátek sekundárních vinutí jsou spojeny. Konec sekundárního vinutí je spojen s jednou svorkou indikátoru vyvážení, jehož druhá svorka je uzemněna a zároveň připojena k začátku primárního vinutí pomocného transformátoru s převodem 1:1, jehož začátek sekundárního vinutí je spojen se začátkem sekundárního vinutí druhého a jehož konce obou vinutí jsou spojeny s napěEovými svorkami měřeného objektu, kde svorka je spojena s invertujícím vstupem operačního zesilovače jehož neinvertující vstup je uzemněn a výstup je připojen přes ochranný odpor k proudové svorce měřeného objektu na jejímž přívodu je umístěna napěEová svorka.

Description

Vynález se týká transformátorového můstku pro měření impedancí malých hodnot se zabezpečením vysoké přesnosti a citlivosti měření.

Při konstrukci transformátorových můstků pro přesné měření impedancí malých hodnot se v současné době kromě jiných indukčních poměrových prvků používá též proudových transformátorů h pomocným buzen f m. II Ičehlo I t ηηπ Γοι inátorů I zo dosáhnout přesnosti převodu srovnatelné s přesností převodu střídavého proudového komparátoru, ovšem pouze za předpokladu, že transformátor pracuje prakticky ve stavu dokrátka. Tohoto stavu lze i pro nenulovou zatěžovací impedanci dosáhnout pomocí vhodného operačního zesilovače, který se svými vstupy připojí paralelně k sekundárnímu vinutí transformátoru, přičemž zatěžovací impedance se připojí mezi výstup zesilovače a jeho invertující vstup.

Vzhledem k tomu, že při můstkových měřeních malých impedancí se většinou pracuje s malými napětími na měřených objektech, bývá nezbytné věnovat zvláštní pozornost eliminaci vlivu rušivých napětí v obvodu indikátoru vyvážení. Mezi tato napětí patří rušivá napětí vytvořená průchodem parazitních kapacitních a svobodných proudů zemnícími vodiči, jejichž vliv lze eliminovat druhým měřením, při kterém se zkomutují přívody k napěťovým, případně proudovým svorkám měřeného objektu. Z výsledků měření před komutací a po ní se vezme aritemtický průměr.

Nevýhodou těchto transformátorových můstků tedy je jednak nutnost použití operačního zesilovače k zabezpečení správného pracovního režimu proudového transformátoru, tj. stavu, blízkého stavu nakrátko, a jednak nutnost dvojího vyvažování k odstranění vlivu parazitního napětí, vytvořeného průchodem parazitních kapacitních a svodových proudů spojkou mezi uzemněnou svorkou indikátoru vyvážení a jednou z napěťových svorek měřeného objektu.

Nutnost používat operačního zesilovače k dosažení potřebného pracovního režimu a nutnost dvojího měření odpadá u transformátorového můstku pro měření impedancí malých hodnot podle vynálezu. Tento transformátorový můstek je tvořen dvoujádrovým proudovým transformátorem, k jehož primárnímu vinutí je sériově připojen zdroj napájecího napětí a svorky, ke kterým je svými proudovými svorkami připojen měřený objekt. K sekundárnímu vinutí dvoujádrového proudového transformátoru je paralelně připojen proudovými svorkami první odporový etalon. Dále je můstek tvořen několikadekádovými indukčními děliči. Paralelně k prvnímu z nich je připojen výstup oddělovacího stupně s jednotkovým zesílením. Paralelně k druhému z nich je připojen výstup obvodu fázového posunu, jehož vstup je paralelně spojen s výstupem oddělovacího stupně. K výstupům indukčních děličů jsou připojena primární vinutí prvního a druhého napěťového transformátoru. Konec sekundárního vinutí druhého napěťového transformátoru je spojen se začátkem sekundárního vinutí prvního napěťového transformátoru. Konec sekundárního vinutí prvního napěťového transformátoru je spojen s jednou svorkou indikátoru vyvážení, jehož druhá svorka je uzemněna. Podstatou transformátorového můstku podle vynálezu je, že proudový transformátor má ještě pomocné vinutí se stejným počtem závitů jako sekundární vinutí, kde k pomocnému vinutí je svými proudovými svorkami připojen druhý odporový etalon. Napěťová svorka prvního odporového etalonu, umístěná na přívodu ke konci sekundárního vinutí proudového transformátoru, je propojena s napěťovou svorkou druhého odporového etalonu, umístěnou na přívodu k začátku pomocného vinutí proudového transformátoru. Ke zbývajícím dvěma napěťovým svorkám odporových etalonů je připojen vstup oddělovacího stupně s jednotkovým zesílením. Napěťová svorka druhého odporového etalonu, umístěná na přívodu ke konci pomocného vinutí proudového transformátoru, je uzemněna a je současně spojena s jedním koncem prvního indukčního děliče, jehož druhý konec je připojen ke vstupu obvodu fázového posunu. Uzemněná druhá svorka indikátoru vyvážení je připojena zároveň k začátku primárního vinutí pomocného transformátoru s převodem 1:1, jehož sekundární vinutí je svým začátkem připojeno na začátek sekundárního vinutí druhého napěťového transformátoru a jehož obě vinutí mají své konce spojeny s napěťovými svorkami měřeného objektu. K napěťové svorce spojené s koncem primárního vinutí pomocného transformátoru je připojen též invertující vstup operačního zesilovače. Jeho neinvertující vstup je uzemněn a jeho výstup je připojen přes ochranný odpor k proudové svorce měřeného objektu, na jejímž přívodu je umístěna napěťová svorka, která je spojena s koncem primárního vinutí pomocného transformátoru. Oba odporové etalony mají stejné hodnoty.

Širokého měřicího rozsahu transformátorového můstku se dosahuje použitím proudového transformátoru s několika přepínatelnými primárními vinutími a dvou několikadekádových indukčních děličů. Použité odporové etalony jsou sice shodné co do jmenovité hodnoty, avšak nároky na přesnost druhého odporového etalonu jsou minimální vzhledem k tomu, že napěEový úbytek na něm vytvořený je podstatně menší než napěEový úbytek na prvním odporovém etalonu. Oproti 'ΛΜ.Άιπγιη I i .. nn í < > i má ( < > 1 < >vým mů n ( k ůin i·’ lnuti I ok potilo vynálezu levnější π dociluje no jím vyšší přesnosti měření.

Příklady zapojení transformátorového můstku pro měření impedancí malých hodnot podle vynálezu jsou schematicky uvedeny na přiložených výkresech. Na obr. 1 je všeobecné schéma zapojení, na obr. 2 je konkretizace tohoto zapojení pro měření obecné impedance.

V sérii s primárním vinutím proudového transformátoru\1 je zdroj 10 napájecího napětí svorky 21, Zit ke kterým je svými proudovými svorkami připojen měřený objekt 2_X· Proudový transformátor 2 má dvě vinutí, která jsou navinuta současně na obou jeho jádrech, a to vinutí primární a sekundární a sekundární a dále má pomocné vinutí, které je navinuto pouze na jednom z jader. Počet závitů sekundárního vinutí je stejný jako počet závitů pomocného vinutí. K sekundárnímu vinutí proudového transformátoru 2 je proudovými svorkami 13, 14 připojen první odporový etalon a k pomocnému vinutí proudového transformátoru 2 je proudovými svorkami 17, 18 připojen druhý odporový etalon R^r přičemž etalony R_nl a R_n2 mají stejné hodnoty. NapěEová svorka 16 prvního odporového etalonu 2_n], umístěná na přívodu ke konci sekundárního vinutí proudového transformátoru 2 je propojena s napěEovou svorkou 19 druhého odporového etalonu R_n2, umístěnou na přívodu k začátku pomocného vinutí proudového transformátoru 2· ^Ke zbývajícím dvěma napěEovým svorkám 15, 20 odporových etalonů Rn|, Kn2 j® připojen vstup oddělovacího stupně 2> který má jednotkové zesílení. Paralelně k výstupu oddělovacího stupně 2 j® připojen vstup obvodu 2 fázového posunu. K výstupu oddělovacího stupně 2 j^e připojen vstup prvního indukčního děliče 2, k jehož výstupu je připojeno primární vinutí prvního napěEového transformátoru 4. K výstupu obvodu 8 fázového posunu je připojen vstup druhého indukčního děliče 2, k jehož výstupu je připojeno primární vinutí druhého napěEového transformátoru 2· Konec sekundárního vinutí druhého napěEového transformátoru 2 j® spojen se začátkem sekundárního vinutí prvního napěEového transformátoru 2 ^a konec sekundárního vinutí prvního napěEového transformátoru 2 j® spojen s jednou svorkou indikátoru 2 vyvážení, jehož druhá svorka je uzemněna a současně připojena k začátku primárního vinutí pomocného transformátoru 6 s převodem 1:1, přičemž začátek sekundárního vinutí pomocného transformátoru 2 je připojen na začátek sekundárního vinutí druhého napěEového transformátoru 5, zatímco konce obou vinutí pomocného transformátoru 2 jsou spojeny s napěEovými svorkami 23, 24 měřeného objektu 2 · ^K napěEové svorce 23 měřeného objektu 2X spojené s koncem primárního vinutí pomocného transformátoru 2, 3^e připojen invertující vstup operačního zesilovače 21/ jehož neinvertující vstup je uzemněn a jehož výstup je připojen přes ochranný odpor 12 k proudové svorce 21 měřeného objektu 2_X> ^na jejímž přívodu je umístěna napěEová svorka 23, spojená s koncem primárního vinutí pomocného transformátoru 2·

V případě, že se napětí pro vstup oddělovacího stupně 2 odebíralo pouze z prvního odporového etalonu R_nj, přesnost měření by byla nepříznivě ovlivněna chybou převodu proudového transformátoru 2> způsobenou nenulovým zatěžovacím odporem sekundárního vinutí. Pokud se však na vstup oddělovacího stupně 2 přivede součet napětí na prvním a druhém odporovém etalonu R _χ a R_n2, chyba měření způsobená zatížením prvním odporovým etalonem R_nl se do značné míry eliminuje.

Pomocný transformátor 6 s převodem 1:1 a operační zesilovač 11 slouží k eliminaci vlivu parazitního napětí, vytvořeného průchodem parazitních kapacitních a svodových proudů spojkou mezi uzemněnou svorkou indikátoru 9 vyvážení a napěEovou svorkou indikátoru 9 vyvážení a napěEovou svorkou 23 měřeného objektu 2_X·

Při měření se nastavením dělicích poměrů prvního indukčního děliče 2 a druhého indukčního děliče 3 můstek vyváží.' Potom se odečtou dělicí poměry η_χ a n₂, nastavené na prvním indukč ním děliči 2 a druhém indukčním děliči 3. V případě, že použitý obvod 8 fázového posunu otáčí přivedené napětí o 90° a nemění přitom jeho amplitudu, ve vyváženém stavu platí ^Re M “ F^{1 R}

HO = F ^R kde Re^zJ, případně Im^zJ je reálná, případně imaginární část měřené impedance Ζ_χ, n^, případně n^ je dělicí poměr nastavený v rovnováze na prvním resp. druhém indukčním děliči 2_r příp. 3, p je převod proudového transformátoru JI

R je odpor prvního resp. druhého odporového etalonu R_nl, příp. R_n2·

V konkrétním provedení je v sérii s primárním vinutím proudového transformátoru 1. zdroj H) napájecího napětí a svorky 21, 22, ke kterým je svými proudovými svorkami připojen měřený objekt Z*. K sekundárnímu vinutí proudového transformátoru _1 je proudovými svorkami 13, 14 připojen první odporový etalon R a k pomocnému vinutí proudového transformátoru JL je proudovými svorkami 17, 18 připojen odporový etalon R^' Přičemž odporové etalony R a R ₂ mají stejné hodnoty. Napěřová svorka 16 prvního etalonu umístěná na přívodu ke konci sekundárního vinutí proudového transformátoru .1, je propojena s napěťovou svorkou 19 druhého odporového etalonu R^r umístěnou na přívodu k začátku pomocného vinutí proudového transformátoru L· Ke zbývajícím dvěma napěťovým svorkám 1J5, 20 odporových etalonů R_n^, R_n2 j^e připojen vstup napěťového sledovače, realizovaného pomocí prvního operačního zesilovače 25, který je zde ve funkci oddělovacího stupně 2· Mezi výstup tohoto prvního operačního zesilovače 25 a zem je svým vstupem připojen jednak integrátor, který je zde ve funkci obvodu 8^ fázového posunu a který je tvořen druhým operačním zesilovačem 26^, prvním a druhým rezistorem Rp R^ a kondensátorem C, jednak první několikadekádový indukční dělič 2, paralelně k jehož výstupu je připojen vstup prvního napěťového transformátoru 4 s pomocným buzením a s převodem 1:1, tvořeného třetím operačním zesilovačem 41 ve funkci napěťového sledovače a třemi vinutími se stejnými počty závitu na dvou jádrech. Mezi výstup druhého operačního zesilovače 26 a zem je připojen vstup druhého několikadekádového indukčního děliče 3_f jehož výstup je připojen ke vstupu druhého napěťového transformátoru s pomocným buzením a s převodem 1:1, tvořeného čtvrtým operačním zesilovačem ^1 ve funkci napěťového sledovače a třemi vinutími se stejnými počty závitů na dvou jádrech. Konec sekundárního vinutí druhého napěťového transformátoru 5^ je spojen se začátkem sekundárního vinutí prvního napěťového transformátoru 4. a konec sekundárního vinutí prvního napěťového transformátoru £ je spojen s jednou svorkou indikátoru vyvážení, jehož druhá svorka je uzemněna a současně připojena k začátku primárního vinutí pomocného transformátoru £ s převodem 1:1, přičemž začátek sekundárního vinutí pomocného transformátoru j6 je připojen na začátek sekundárního vinutí druhého napěťového transformátoru 5, zatímco konce obou vinutí pomocného transformátoru 6 jsou spojeny s napěťovými svorkami 23, 24 měřeného objektu K napěťové svorce 23 měřeného objektu spojené s koncem primárního vinutí pomocného transformátoru £ je připojen invertující vstup operačního zesilovače 11, jehož neinvertující vstup je uzemněn a jehož výstup je připojen přes ochranný odpor 12 k proudové svorce 21 měřeného objektu Z^., na jejímž přívodu je umístěn napěťová svorka 23 spojená s koncem primárního vinutí pomocného transformátoru 6..

Transformátorový můstek se opět vyvažuje nastavením dělicích poměrů indukčních děličů 2, _3. V rovnováze platí ' _r Im [Žj “N F _Γ n η_Ω „ Γ R, „ Re Z_w n, ^Im [^Ζχ]⁼ p~ «η ^{1 +} ϊς ~Ř kde označení Re Im , η_χ, n₂, p a R mají stejný význam jako v dříve uvedených vztazích.

Dále je (o úhlový kmitočet napájecího napětí můstku a = R₁ C, = R₂ C jsou časové konstanty.

Takto vytvořený můstek je určen zejména pro měření elektrického odporu v rozsahu Ulilo .iž I <> u I H.liik? ηο·ι| I v I η n t η ( I vzá joinin' v ιιιζιιηΐιιι I /. 111 n’t. I,ze | e ) však použít k měření velkých kapacit - impedance kapacitního charakteru hodnot pod 1O. Měří se při kmitočtech 400 Hz až 1 600 Hz. Přesnost takto realizovaného můstku při měření ělektric kého odporu byla ověřena měřením na odporových etalonech Tinsley 660, 3 111 a 1 682 známých hodnot a na páskových odporových etalonech s vypočítatelnými kmitočtovými závislostmi s tím, že v rozsahu 0,001 až 1/1 umožňuje můstek měření elektrického odporu s přesností řádově 0,01 ».

K ověření přesnosti při měření vlastní a vzájemné indukčnosti v rozsahu 1 _zuH až lOO^uH bylo použito etalonů indukčnosti Sullivan R 1 900/1, R 1 901, R 1 910, R 1 960 a R 1 961. Při měření na etalonech R 1 901/1 (1/UH) a R 1 902/1 (lO^ulI) se hodnota naměřená můstkem neliší od jmenovité hodnoty etalonu o více než o maximálně možnou chybu adjustace etalonu udávanou výrobcem, tj. 1 % pro etalon 1 901/1 a 0,1 % pro etalon R 1 901. U ostatních etalonů se naměřená hodnota nelišila od jmenovité hodnoty o více než o 0,03 %. .

Zapojení podle vynálezu je tedy určeno k přesnému měření odporů, kapacit a indukčnosti. Vzhledem k tomu, že v zapojení jsou pouze dva vyvažovači prvky, vyvažovači proces můstku lze poměrně snadno automatizovat. V jednotce použité k řízení vyvažovacího procesu se s výhodou provede i vyhodnocení výsledků měřeni, případně jejich statistické zpracování.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Transformátorový můstek pro měření impedací malých hodnot, tvořený dvoujádrovým proudovým transformátorem, k jehož primárnímu vinutí je sériově připojen zdroj napájecího napětí a svorky, ke kterým je svými proudovými svorkami připojen měřený objekt a k jehož sekundárnímu vinutí je paralelně připojen proudovými svorkami první odporový etalon, dále dvěma několikadekádovými indukčními děliči, kde paralelně k prvnímu z nich je připojen výstup oddělovacího stupně s jednotkovým zesílením a paralelně ke druhému z nich je připojen obvod fázového posunu, jehož vstup je paralelně spojen s výstupem oddělovacího stupně, přičemž k výstupům indukčních děličů jsou připojena primární vinutí prvního a druhého napěťového transformátoru, kde konec sekundárního vinutí druhého napěťového transformátoru je spojen se začátkem sekundárního vinutí prvního napěťového transformátoru a konec sekundárního vinutí prvního napěťového transformátoru je spojen s jednou svorkou indikátoru vyvážení, jehož druhá svorka je uzemněna, vyznačující se tím, že proudový transformátor (1) má ještě pomocné vinutí se stejným počtem závitu jako sekundární vinutí, kde k pomocnému vinutí je svými proudovými svorkami připojen druhý odporový etalon stejné hodnoty jako první odporový etalon (R_nl), přičemž napěťová svorka (16) prvního odporového etalonu (^R _nlH umístěná na přívodu ke. konci sekundárního vinutí proudového transformátoru (1) je propojena s napěťovou svorkou (19) druhého odporového etalonu (P.^), umístěnou na přívodu k začátku pomocného vinutí proudového transformátoru (1), zatímco ke zbývajícím dvěma napěťovým svorkám (15, 20) odporových etalonů (^R _nl, ^Rn2> (20) vého je připojen vstup oddělovacího stupně (7) s jednotkovým zesílením a napěťová svorka druhého odporového etalonu (R_n2> » umístěna na přívodu ke konci pomocného vinutí proudotransformátoru (1) je uzemněna a je současně spojena s jedním koncem prvního indukčního děliče (2) jehož druhý konec je připojen ke vstupu obvodu (8) fázového posunu a dále uzemněná druhá svorka indikátoru (9) vyvážení je připojena zároveň k začátku primárního vinutí pomoc ného transformátoru (6) s převodem 1:1, jehož sekundární vinutí je svým začátkem připojeno na začátek sekundárního vinutí druhého napěťového transformátoru (5) a jehož obě vinutí mají své konce spojeny s napěťovými svorkami (23, 24) měřeného objektu (Ζ_χ), kde k napěťové svorce (23) spojené s koncem primárního vinutí pomocného transformátoru (6) je připojen též invertující vstup operačního zesilovače (11), jehož neinvertující vstup je uzemněn a jehož výstup je připojen přes ochranný odpor (12) k proudové svorce (21) měřeného objektu (Ζ_χ), na jejímž přívodu je umístěna napětová svorka (23) spojená s koncem primárního vinutí pomocného li anníormátoru (6) .