RU2714954C1 - Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников - Google Patents

Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников Download PDF

Info

Publication number
RU2714954C1
RU2714954C1 RU2019118177A RU2019118177A RU2714954C1 RU 2714954 C1 RU2714954 C1 RU 2714954C1 RU 2019118177 A RU2019118177 A RU 2019118177A RU 2019118177 A RU2019118177 A RU 2019118177A RU 2714954 C1 RU2714954 C1 RU 2714954C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
measuring circuit
circuit
value
measurements
Prior art date
Application number
RU2019118177A
Other languages
English (en)
Inventor
Игорь Николаевич Воротников
Максим Алексеевич Мастепаненко
Шалико Жораевич Габриелян
Станислав Вадимович Мишуков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет"
Priority to RU2019118177A priority Critical patent/RU2714954C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2714954C1 publication Critical patent/RU2714954C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам определения параметров двухполюсников. Сущность способа заключается в проведении трех этапов измерений. На перовом и втором этапах измерений на исследуемые двухполюсники подают скачок постоянного напряжения Е, величина которого известна, и после завершения переходного процесса, определяют значения напряжений Uи Uна основе образцовых элементов - резистора Rи конденсатора C, которые поочередно подключают к измерительной цепи. Третий этап измерений проводится на основе образцового конденсатора Си измерительной цепи, выполненной на базе операционного усилителя. В цепь инвертирующего входа усилителя включают образцовый конденсатор, а в цепь отрицательной обратной связи - измеряемый двухполюсник, на который подают скачок постоянного напряжения Еи определяют мгновенные значения напряжений u(t), в фиксированные моменты времени t, и t, не превышающие длительности переходного процесса в измерительной цепи. По результатам четырех измерений напряжений определяются параметры двухполюсника. Технический результат: сокращение времени и количества измерений, проводимых в течение переходного процесса за счет выполнения части измерений после завершения переходного процесса. 5 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способу определения параметров многоэлементных двухполюсников, и может быть использовано при измерении различных физических величин с помощью емкостных датчиков, имеющих схему замещения в виде многоэлементных двухполюсников.
Уровень техники
Известен способ определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей, который заключается в использовании воздействия на исследуемую двухполюсную R-C или L-R цепь сигналом ступенчатой формы и применении операции интегрирования при определении параметров R и С двухполюсника R-C или параметров L и R двухполюсника L-R. В процессе интегрирования свободной составляющей переходного процесса измеряют первое значение интеграла H1 от указанного напряжения на участке [0…t1]. Далее измеряют второе значение интеграла Н2 от указанного напряжения на участке [t1…2t1], далее вычисляют значения показателя p и амплитуды А переходного процесса на выходе. Данные параметры определяют значения R, L и С (патент RU №2310872).
Недостатками данного способа являются:
1. ограниченные функциональные возможности, связанные с измерением параметров небольшого количества двухполюсников, включающих в себя не более трех элементов;
2. необходимость изменения точек подключения измеряемого двухполюсника в цепях операционного усилителя, в зависимости от конфигурации объекта исследования.
Известен способ определения параметров двухполюсников, основанный на анализе переходного процесса в измерительном преобразователе, выполненном на базе операционного усилителя. В зависимости от конфигурации схемы замещения двухполюсника его включают либо в цепь отрицательной обратной связи, либо в цепь инвертирующего входа, при этом образцовый резистор включается во входную или отрицательную цепь соответственно. При подаче на вход измерительного преобразователя входного сигнала (постоянного напряжения) в измерительной цепи возникает переходный процесс в течение которого выполняют три дискретных измерения выходного напряжения через образцовый интервал времени Δt. После чего вычисляют параметры многоэлементного двухполюсника путем решения системы из трех уравнений с соответствующим количеством неизвестных, при этом микропроцессорный контроллер получает значения постоянной составляющей, крутизны линейно изменяющейся составляющей, значения постоянной времени и амплитуды экспоненциальной составляющей переходного процесса (патент RU №2180966).
Недостатками этого способа являются:
1. необходимость проведения трех измерений в короткий промежуток времени, ограниченный длительностью переходного процесса, и как следствие увеличение длительности измерения в целом;
2. потребность в изменении точек подключения двухполюсника в операционном усилителе, обусловленная конфигурацией схемы исследуемого объекта.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является известный способ определения параметров переходного процесса, основанный на том, что в момент времени t1 после начала переходного процесса измеряют первое мгновенное значение переходного процесса, в момент времени 2t1 измеряют второе мгновенное значение переходного процесса, в момент времени 3t1 измеряют третье мгновенное значение переходного процесса, в момент 4t1 измеряют четвертое мгновенное значение переходного процесса и вычисляют постоянную составляющую А0, крутизну линейно изменяющейся составляющей A1, установившееся значение А2 и постоянную времени возрастающей экспоненциальной составляющей переходного процесса (патент RU №2187822).
Недостатками этого способа являются:
1. необходимость проведения четырех измерений в короткий промежуток времени, ограниченный длительностью переходного процесса;
2. к моменту измерения третьего и четвертого мгновенных значений переходного процесса экспоненциальный переходный процесс считается установившемся, в результате чего возникают дополнительные погрешности измерений.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа определения параметров многоэлементных двухполюсников, сводится к сокращению времени, количества измерений, проводимых в течение переходного процесса, и повышению их точности.
Технический результат достигается с помощью способа определения параметров многоэлементных двухполюсников, содержащих в составе схемы замещения три параллельные ветви: с чисто активной проводимостью, с чисто емкостной проводимостью и ветвью, состоящей из последовательно соединенных RC-элементов, таким образом, на исследуемый двухполюсник через последовательно соединенный с ним образцовый резистор R0, сопротивление которого выбирается в пределах от 100 до 500 кОм ±1%, подают скачок постоянного напряжения Е0, величина которого составляет от 5 до 12 В, измеряют напряжение U1 на средней точке измерительной цепи относительно общего проводника после завершения переходного процесса, затем измерительную цепь разряжают, заменяют в измерительной цепи образцовый резистор R0 на образцовый конденсатор C01, емкость которого принимается в пределах от 50 до 1000 пФ ±0,25%, измеряют напряжение U2 на средней точке измерительной цепи относительно общего проводника после завершения переходного процесса, затем измерительную цепь разряжают, далее производят измерения напряжения на выходе измерительной цепи, выполненной на базе операционного усиления (ОУ), в цепи отрицательной обратной связи которого включен образцовый конденсатор С02, величина которого выбирается в диапазоне от 50 до 1000 пФ ±0,25%, а в цепи инвертирующего входа ОУ - измеряемый двухполюсник, при подаче на вход измерительной цепи скачка постоянного напряжения Е0, величина которого составляет от 5 до 12 В, u3(t1), u4(t2) в фиксированные моменты времени t1, и t2, не превышающие длительности переходного процесса в измерительной цепи, и, окончательно, по результатам четырех измерений напряжений, величинам опорных элементов, величине опорного напряжения, величинам фиксированных моментов времени, определяют параметры двухполюсника по формулам:
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
Δt=t2-t1,
где R1 - сквозное активное сопротивление, Ом;
C1 - емкость мгновенной поляризации, Ф;
C2 - емкость релаксационной поляризации, Ф;
R2 - активное релаксационное сопротивление, Ом.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена схема замещения измерительной цепи первого этапа измерений.
На фиг. 2 - схема замещения измерительной цепи второго этапа измерений.
На фиг. 3-измерительная цепь для третьего этапа измерения.
На фиг. 4 - график переходного процесса третьего этапа измерения.
На фиг. 5. - схема установки для осуществления экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа определения параметров многоэлементных двухполюсников.
Осуществление изобретения
Сущность способа определения параметров многоэлементных двухполюсников заключается в следующем. На первом этапе измерений (фиг. 1) к двухполюснику последовательно подключают образцовый резистор R0, параметры которого известны, и подают скачок напряжения Е0 заранее определенной величины. После завершения переходного процесса в средней точке измерительной цепи относительно общего проводника измеряют величину напряжения U1, которая описывается соотношением:
Figure 00000007
или
Figure 00000008
тогда
Figure 00000009
Из чего следует, что величина R1 может быть определена по следующему выражению:
Figure 00000010
Измерив значение напряжения U1, по известным значениям Е0 и R0 можно получить значение элемента схемы замещения двухполюсника R1 - сквозного активного сопротивления. После завершения первого этапа измерений измерительную цепь разряжают.
На втором этапе измерений (фиг. 2) образцовый резистор R0 заменяют на образцовый конденсатор C01 известной емкости и, как и в предыдущем этапе, измеряют величину напряжения U2. При этом емкости конденсаторов и напряжение на них связаны соотношением:
Figure 00000011
Откуда
Figure 00000012
Измерив напряжение U2, по известным значениям Е0 и C01 можно получить суммарное значение емкости элементов схемы замещения - конденсаторов C1 и С2. После завершения второго этапа измерений измерительную цепь разряжают.
Третий этап измерений (фиг. 3) выполняют на основе измерительной цепи, состоящей из операционного усилителя ОУ, в цепь отрицательной обратной связи которого включают образцовый конденсатор С02, величина которого известна, а в цепь инвертирующего входа операционного усилителя включают измеряемый многоэлементный двухполюсник. С помощью ключа S на вход измерительной цепи подают скачок известного значения постоянного напряжения Е0, после чего в течение длительности развивающегося переходного процесса в фиксированные моменты времени t1 и t2 измеряют выходные напряжения u3 и u4 соответственно (фиг. 4). При этом выходное напряжение на операционном усилителе ОУ будет изменяться по закону переходного процесса:
Figure 00000013
Исходя из этого выходное напряжение операционного усилителя для фиксированных моментов времени t1 и t2 можно записать в виде:
Figure 00000014
Figure 00000015
Представим указанные выражения в виде разности:
Figure 00000016
Преобразуем приведенное выше выражение с учетом того, что разность между отсчетами времени t1 и t2 может быть записана, как Δt:
Figure 00000017
Поскольку значения R1 и С12 известны из первого и второго этапа измерений, выражение (11) можно преобразовать следующим образом:
Figure 00000018
Разделив правые части уравнений (11) и (12) друг на друга, получим:
Figure 00000019
Постоянную времени т можно определить из следующего выражения:
Figure 00000020
Из уравнения (12) следует:
Figure 00000021
Окончательно, определим величину R2:
Figure 00000022
Причем очередность выполнения первого и второго этапов измерений не является обязательной, поскольку указанные этапы полностью независимы, однако, необходимо иметь ввиду, что расчет величин по третьему этапу измерений строится на величинах, которые должны быть известны из первых двух этапов измерений.
Значение образцового резистора Ro рекомендуется выбирать в пределах от 100 до 1000 кОм ±1%.
Так же для упрощения измерительной цепи, образцовые конденсаторы C01 и С02 могут быть заменены одним конденсатором соответствующей емкости, удовлетворяющей заданному диапазону значений - от 50 до 1000 пФ ±0,25%.
В качестве операционного усилителя рекомендуется применять измерительные (инструментальные) усилители, например, INA128P, производства Texas Instruments, поскольку они обладают улучшенными параметрами и пригодны для использования в измерительном и тестирующем оборудовании, где требуется большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.
Заранее принятое значение постоянного напряжения Е0 может быть выбрано в диапазоне от 5 до 12 В, что регламентировано номинальным напряжением аккумуляторных батарей, используемых в портативных измерительных устройствах. Рекомендуемое значение - 9 В, выдаваемое батарей типа «Крона» 625 мА⋅ч.
Проверка работоспособности предлагаемого способа проводилась методом сравнения точности результатов измерений с известным способом измерения параметров многоэлементных двухполюсников на установке (фиг. 5), выполненной на базе AVR-микроконтроллера 1 типа ATmega 8-16PI, выпускаемого в настоящее время компанией Microchip Technology Inc. В качестве операционного усилителя установлен измерительный (инструментальный) усилитель 2 типа INA128P производства Texas Instruments. Отображение результатов измерений реализовано с помощью LCD-дисплея 3 типа WH 1602В YHI ЕМ производства компании Winstar Display Co. Ltd. В качестве коммутационного устройства цепей измерения установлен коммутатор 5.
При работе выхода РА0, т.е. при подаче скачка напряжения Е0, выходы РА1 и РА2 находятся в высокоимпендансном состоянии и влияние на измерительную цепь не оказывают. При работе выхода РА1, цепи РА0 и РА2 переводятся в высокоимпендансное состояние и влияние на процесс измерения не оказывают. Аналогично при работе выхода РА2, выходы РА0, РА1 и ADC0 переводятся в высокоимпендансное состояние.
Преимущество точности результатов измерения предлагаемого способа определения параметров многоэлементных двухполюсников для заданных характеристик исследуемого объекта 4 подтверждается результатами проведенных измерений в соответствии с приведенной таблицей.
Figure 00000023
Таким образом, по сравнению с прототипом и известными способами исследования двухполюсников, предлагаемый способ определения параметров многоэлементных двухполюсников обладает следующими преимуществами:
1. позволяет вдвое сократить время и количество измерений, проводимых в течение переходного процесса, что особенно важно для портативных измерительных устройств, имеющих малые размеры первичных преобразователей, а, следовательно, и значительно меньшее время протекания переходного процесса при равных диапазонах измеряемых емкостей и габаритах измерительных преобразователей прототипа и аналога;
2. позволяет повысить точность измерений, поскольку в течение развивающегося переходного процесса требуется только два измерения;
3. доступность практической реализации на базе современной микроконтроллерной техники, которая позволит дополнительно уменьшить время выполнения измерений за счет автоматического выполнения всех необходимых операций.

Claims (12)

  1. Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников, содержащих в составе схемы замещения три параллельные ветви: с чисто активной проводимостью, с чисто емкостной проводимостью и ветвью, состоящей из последовательно соединенных RC-элементов, заключающийся в том, что на измеряемый двухполюсник подают напряжение постоянного тока, отличающийся тем, что исследуемый двухполюсник через последовательно соединенный с ним образцовый резистор R0, сопротивление которого выбирается в пределах от 100 до 1000 кОм ±1%, подают скачок постоянного напряжения Е0, величина которого составляет от 5 до 12 В, измеряют напряжение U1 на средней точке измерительной цепи относительно общего проводника после завершения переходного процесса, затем измерительную цепь разряжают, заменяют в измерительной цепи образцовый резистор R0 на образцовый конденсатор С01, емкость которого принимается в пределах от 50 до 1000 пФ ±0,25%, измеряют напряжение U2 на средней точке измерительной цепи относительно общего проводника после завершения переходного процесса, затем измерительную цепь разряжают, далее производят измерения напряжения на выходе измерительной цепи, выполненной на базе операционного усиления (ОУ), в цепи отрицательной обратной связи которого включен образцовый конденсатор С02, величина которого выбирается в диапазоне от 50 до 1000 пФ ±0,25%, а в цепи инвертирующего входа ОУ - измеряемый двухполюсник, при подаче на вход измерительной цепи скачка постоянного напряжения Е0, величина которого составляет от 5 до 12 В, u3(t1), u4(t2) в фиксированные моменты времени t1, и t2, не превышающие длительности переходного процесса в измерительной цепи, и, окончательно, по результатам четырех измерений напряжений, величинам опорных элементов, величине опорного напряжения, величинам фиксированных моментов времени определяют параметры двухполюсника по формулам:
  2. Figure 00000024
  3. Figure 00000025
  4. Figure 00000026
  5. Figure 00000027
  6. Figure 00000028
  7. Figure 00000029
  8. Δt=t2-t1,
  9. где R1 - сквозное активное сопротивление, Ом;
  10. C1 - емкость мгновенной поляризации, Ф;
  11. С2 - емкость релаксационной поляризации, Ф;
  12. R2 - активное релаксационное сопротивление, Ом.
RU2019118177A 2019-06-11 2019-06-11 Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников RU2714954C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118177A RU2714954C1 (ru) 2019-06-11 2019-06-11 Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118177A RU2714954C1 (ru) 2019-06-11 2019-06-11 Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2714954C1 true RU2714954C1 (ru) 2020-02-21

Family

ID=69630894

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019118177A RU2714954C1 (ru) 2019-06-11 2019-06-11 Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2714954C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2310872C2 (ru) * 2005-09-12 2007-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Способ определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей
RU2411525C1 (ru) * 2009-10-02 2011-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Способ определения параметров rlc-двухполюсника (варианты)
RU2422838C1 (ru) * 2010-03-02 2011-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет Способ и устройство измерения параметров многоэлементных двухполюсников
RU2434234C1 (ru) * 2010-05-05 2011-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников и устройство для его реализации
US20160380017A1 (en) * 2015-06-24 2016-12-29 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method of manufacturing a plurality of island-shaped dipoles having self-aligned electrodes

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2310872C2 (ru) * 2005-09-12 2007-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Способ определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей
RU2411525C1 (ru) * 2009-10-02 2011-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Способ определения параметров rlc-двухполюсника (варианты)
RU2422838C1 (ru) * 2010-03-02 2011-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет Способ и устройство измерения параметров многоэлементных двухполюсников
RU2434234C1 (ru) * 2010-05-05 2011-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников и устройство для его реализации
US20160380017A1 (en) * 2015-06-24 2016-12-29 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method of manufacturing a plurality of island-shaped dipoles having self-aligned electrodes
US9985067B2 (en) * 2015-06-24 2018-05-29 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method of manufacturing a plurality of island-shaped dipoles having self-aligned electrodes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3149627A (en) Plethysmograph
US3784908A (en) Electrical conductivity measurement method and apparatus
RU2714954C1 (ru) Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников
CN103411699A (zh) 一种高精度测温仪
CN106289043B (zh) 一种电容式距离测量方法、装置及其定标方法
CN106526499B (zh) 一种高稳电流源考核方法和系统
JP2003004780A (ja) インピーダンスパラメータの推定方法及び装置
CN113433502B (zh) 一种基于波形仿真的电容电感测试仪校准方法和装置
Bera et al. A modified Schering bridge for measurement of the dielectric parameters of a material and the capacitance of a capacitive transducer
CN107561147B (zh) 一种血糖仪电流的检测电路、校准方法及装置
CN210401507U (zh) 一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置
CN208488495U (zh) 一种电压电流测频采样装置
Walendziuk et al. Reconfigurable two-current source supplied signal conditioner for resistive sensors
RU2491559C1 (ru) Способ определения сопротивления и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора напряжения
Reynolds et al. DC insulation analysis: A new and better method
CN203385494U (zh) 一种高精度测温仪
RU2647564C1 (ru) Способ измерения электрической емкости
Al-Hashimi et al. Bioimpedance spectroscopy system for characterization of cancer cells
JPS6314784B2 (ru)
RU2660283C1 (ru) Способ измерения электрической емкости
EP0139638B1 (en) Insulation analyzer and method
US11280819B2 (en) Circuit arrangement and method for determining a resistance change and methods for determining lead resistances
Vorotnikov et al. Agricultural products moisture content measurement error estimation with the use of a four-element capacitive sensor model
RU2483313C1 (ru) Преобразователь параметров кондуктометрического датчика в напряжение
RU2552749C1 (ru) Микроконтроллерный измерительный преобразователь с функцией измерения тока в цепи резистивного датчика