RU91438U1

RU91438U1 - DEVICE FOR MEASURING REACTIVE RESISTANCE

Info

Publication number: RU91438U1
Application number: RU2009137438/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Васильевич Румянцев; Алексей Николаевич Яковлев; Александр Леонидович Виноградов; Алексей Вячеславович Соловьев
Original assignee: Сергей Васильевич Румянцев; Алексей Николаевич Яковлев; Александр Леонидович Виноградов; Алексей Вячеславович Соловьев
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2010-02-10

Abstract

1. Устройство для измерения реактивного сопротивления, содержащее генератор синусоидального сигнала, соединенный своим выходом с первым выводом образцового элемента, второй вывод которого подсоединен к первой выходной клемме и фазосдвигающему устройству, измеряемое реактивное сопротивление, подключенное к первой и второй выходным клеммам, и вычислительный блок, отличающееся тем, что оно снабжено компаратором, выпрямительным устройством, включенным между выходом генератора синусоидального сигнала и инвертирующим входом компаратора, усилителем, вход которого подсоединен к выходу фазосдвигающего устройства, а выход связан с неинвертирующим входом компаратора, и измерителем временных интервалов, подключенным своим входом к выходу компаратора, а выходом - к вычислительному блоку, при этом образцовый элемент представляет собой реактивное сопротивление со сдвигом фазы, одинаковым по модулю и знаку со сдвигом фазы на измеряемом реактивном сопротивлении. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеряемое реактивное сопротивление и образцовый элемент представляют собой емкость. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеряемое реактивное сопротивление и образцовый элемент представляют собой индуктивность.1. A device for measuring reactance, containing a sinusoidal signal generator connected to its first output by a reference element, the second output of which is connected to the first output terminal and phase shifting device, a measured reactance connected to the first and second output terminals, and a computing unit, characterized in that it is equipped with a comparator, a rectifier device connected between the output of the sinusoidal signal generator and the inverting input of the comparator, an amplifier, the input of which is connected to the output of the phase shifter, and the output is connected to the non-inverting input of the comparator, and a time interval meter connected by its input to the output of the comparator and the output to the computing unit, while the reference element is a reactance with a phase shift of the same modulo and sign with a phase shift on the measured reactance. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the measured reactance and the reference element are a capacitance. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the measured reactance and the reference element are inductance.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения реактивного сопротивления - индуктивности или емкости.The utility model relates to measuring technique and can be used to measure reactance - inductance or capacitance.

В качестве прототипа заявляемого технического решения принято устройство для измерения реактивного сопротивления по авторскому свидетельству СССР №1272276, МПК4 G01R 27/02, 1986 г., содержащее генератор синусоидального сигнала, образцовый элемент, исследуемое сопротивление, имеющее реактивную составляющую, фазосдвигающее устройство, средства суммирования, вычитания, преобразования фазового сигнала в код и вычисления реактивного сопротивления. В указанном устройстве измерение реактивной составляющей исследуемого сопротивления (реактивного сопротивления) осуществляется путем формирования, измерения и обработки разности фаз сигналов образцового элемента и исследуемого сопротивления. Как следствие, возникает необходимость использования высокостабильного генератора синусоидального сигнала, поскольку структура устройства-прототипа обуславливает сильную зависимость точности измерений от стабильности амплитуды генератора синусоидального сигнала. В свою очередь, необходимость использования высокостабильного генератора синусоидального сигнала - а также нескольких блоков вычитания и суммирования - усложняет (и удорожает) устройство.As a prototype of the claimed technical solution, a device for measuring reactance according to the USSR author's certificate No. 1272276, IPC4 G01R 27/02, 1986, containing a sinusoidal signal generator, an exemplary element, an investigated resistance having a reactive component, phase shifting device, summing means, subtracting, converting the phase signal to code, and calculating reactance. In the specified device, the measurement of the reactive component of the investigated resistance (reactance) is carried out by generating, measuring and processing the phase difference of the signals of the reference element and the studied resistance. As a result, there is a need to use a highly stable sinusoidal signal generator, since the structure of the prototype device determines a strong dependence of the measurement accuracy on the stability of the amplitude of the sinusoidal signal generator. In turn, the need to use a highly stable generator of a sinusoidal signal - as well as several blocks of subtraction and summation - complicates (and increases the cost of) the device.

Задача, решаемая заявляемой полезной моделью - упрощение устройства при сохранении требуемой точности измерений реактивного сопротивления.The problem solved by the claimed utility model is to simplify the device while maintaining the required accuracy of reactance measurements.

Указанная задача решается тем, что устройство для измерения реактивного сопротивления, содержащее генератор синусоидального сигнала, соединенный своим выходом с первым выводом образцового элемента, второй вывод которого подсоединен к первой выходной клемме и фазосдвигающему устройству, измеряемое реактивное сопротивление, подключенное к первой и второй выходным клеммам, и вычислительный блок, снабжено компаратором, выпрямительным устройством, включенным между выходом генератора синусоидального сигнала и инвертирующим входом компаратора, усилителем, вход которого подсоединен к выходу фазосдвигающего устройства, а выход связан с неинвертирующим входом компаратора, и измерителем временных интервалов, подключенным своим входом к выходу компаратора, а выходом - к вычислительному блоку, при этом образцовый элемент представляет собой реактивное сопротивление со сдвигом фазы, одинаковым по модулю и знаку со сдвигом фазы на измеряемом реактивном сопротивлении.This problem is solved by the fact that the device for measuring reactance, containing a sinusoidal signal generator connected by its output to the first output of the reference element, the second output of which is connected to the first output terminal and phase shifting device, the measured reactance connected to the first and second output terminals, and the computing unit is equipped with a comparator, a rectifier device connected between the output of the sinusoidal signal generator and the inverting input of the comp a radiator, an amplifier, the input of which is connected to the output of the phase-shifting device, and the output is connected to the non-inverting input of the comparator, and a time interval meter connected by its input to the output of the comparator and the output to the computing unit, while the model element is a phase-shift reactance identical in magnitude and sign with a phase shift on the measured reactance.

В варианте технического решения измеряемое реактивное сопротивление и образцовый элемент представляют собой емкость.In an embodiment of the technical solution, the measured reactance and the reference element are a capacitance.

В варианте технического решения измеряемое реактивное сопротивление и образцовый элемент представляют собой индуктивность.In an embodiment of the technical solution, the measured reactance and the reference element are inductance.

Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 представлена структурная блок-схема заявляемого устройства, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.The utility model is illustrated by drawings. Figure 1 presents a structural block diagram of the inventive device, figure 2 is a timing diagram explaining its operation.

Устройство для измерения реактивного сопротивления содержит источник переменного напряжения (генератор синусоидального сигнала) 1, образцовый элемент 2, измеряемое реактивное сопротивление 3, фазосдвигающее устройство (ФСУ) 4, усилитель 5, выпрямительное устройство 6, компаратор 7, измеритель временных интервалов 8 и вычислительный блок 9. Выход источника 1 соединен с первым выводом образцового элемента 2 и входом выпрямительного устройства 6. Второй вывод образцового элемента 2 подсоединен к первой входной клемме 10 и входу ФСУ 4, выход которого связан с входом усилителя 5. Выход выпрямительного устройства 6 подключен к инвертирующему входу компаратора 7, неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя 5. Выход компаратора подключен к входу измерителя временных интервалов 8, связанного своим выходом с вычислительным блоком 9. Измеряемое реактивное сопротивление 3 подключено к первой и второй входным клеммам 10 и 11.The device for measuring reactance contains an AC voltage source (sinusoidal signal generator) 1, an exemplary element 2, a measured reactance 3, a phase shifting device (FSD) 4, an amplifier 5, a rectifier 6, a comparator 7, a time interval meter 8 and a computing unit 9 The output of the source 1 is connected to the first output of the model element 2 and the input of the rectifier device 6. The second output of the model element 2 is connected to the first input terminal 10 and the input of the FSU 4, the output of which connected with the input of the amplifier 5. The output of the rectifier device 6 is connected to the inverting input of the comparator 7, the non-inverting input of which is connected to the output of the amplifier 5. The output of the comparator is connected to the input of the time interval meter 8, connected by its output to the computing unit 9. The measured reactance 3 is connected to the first and second input terminals 10 and 11.

Образцовый элемент 2 представляет собой реактивное сопротивление, которое обеспечивает сдвиг фазы, одинаковый по модулю и знаку сдвигу фазы на измеряемом реактивном сопротивлении 3, т.е. если измеряемое сопротивление 3 представляет собой емкость, то в качестве образцового элемента 2 выбирается емкость с заранее заданным известным значением С_о, а если измеряемое сопротивление 3 представляет собой индуктивность, то в качестве образцового элемента 2 выбирается индуктивность с заранее заданным известным значением L_o. Значения С_о и L_o задаются исходя из требуемого диапазона измерения.Exemplary element 2 is a reactance that provides a phase shift identical in magnitude and sign of the phase shift on the measured reactance 3, i.e. if the measured resistance 3 is a capacitance, then a capacitance with a predetermined known value C _o is selected as a reference element 2, and if the measured resistance 3 is an inductance, then an inductance with a predetermined known value L _o is selected as a reference element 2. The values of C _o and L _o are set based on the desired measurement range.

Устройство для измерения реактивного сопротивления работает следующим образом. Исходя из заданного диапазона измерения устанавливается коэффициент усиления К_у усилителя 5. К_у рассчитывается таким образом, чтобы при максимальном значении реактивного сопротивления на входе усилителя 5, соответствующем верхней границе диапазона измерения, выходной сигнал усилителя 5 был равен выходному сигналу генератора 1. Это позволяет обеспечить большой динамический диапазон измерения и уменьшить влияние шумов. Затем, исходя из ожидаемых наихудших шумовых характеристик сигналов, выбирается величина сдвига фазы Δφ в ФСУ 4. Выбор величины Δφ производится из условия, чтобы сигналы - выходной сигнал генератора 1 и сигнал с измеряемого сопротивления 3 - не пересекались в пределах измеряемого диапазона для исключения дребезга (самопроизвольного переключения) сигнала компаратора.A device for measuring reactance operates as follows. Based on a predetermined measurement range is set to the gain K _for the amplifier 5. _y is calculated so that the maximum value of the reactance at the input of amplifier 5 corresponds to the upper limit of the measuring range, the output signal of the amplifier 5 is equal to the output signal of generator 1. This allows Large dynamic measuring range and reduce the effect of noise. Then, based on the expected worst noise characteristics of the signals, the phase shift Δφ in FSF 4 is selected. The value of Δφ is selected so that the signals - the output signal of the generator 1 and the signal from the measured resistance 3 - do not intersect within the measured range to eliminate chatter ( spontaneous switching) of the comparator signal.

После того, как значения К_у и Δφ определены, начинается процесс измерения реактивного сопротивления 3. В результате протекания по цепи, состоящей из образцового элемента 2 и измеряемого реактивного сопротивления 3, тока генератора 1, на сопротивлении 3 создается падение напряжения U_p, которое затем сдвигается ФСУ 4 на небольшую величину, например, на фазовый угол, равный π/16. Выбор малой величины Δφ позволяет оптимизировать характеристики устройства - с учетом наихудших шумовых характеристик сигналов - и обеспечить высокую точность измерения. С выхода ФСУ 4 сигнал поступает на вход усилителя 5, а с выхода усилителя - на неинвертирующий вход компаратора 7, на инвертирующий вход которого поступает выпрямленный выходной сигнал генератора 1.After the values of K _y and Δφ are determined, the process of measuring reactance 3 begins. As a result of the current of the generator 1 flowing through the circuit consisting of the reference element 2 and the measured reactance 3, the resistance 3 creates a voltage drop U _p , which then FSU 4 is shifted by a small amount, for example, by a phase angle equal to π / 16. The choice of a small value of Δφ allows you to optimize the characteristics of the device - taking into account the worst noise characteristics of the signals - and to ensure high measurement accuracy. From the output of the FSU 4, the signal goes to the input of the amplifier 5, and from the output of the amplifier to the non-inverting input of the comparator 7, the inverted input of which receives the rectified output signal of the generator 1.

Следует отметить, что при отсутствии выпрямительного устройства на выходе компаратора 7 будет формироваться сигнал в виде меандра, что не позволит измерить величину реактивного сопротивления.It should be noted that in the absence of a rectifying device, a signal in the form of a meander will be generated at the output of comparator 7, which will not allow measuring the value of reactance.

На выходе компаратора 7 формируется импульсный периодический сигнал, который затем поступает в измеритель временных интервалов 8. Как видно из фиг.2, передний фронт импульсного периодического сигнала формируется в момент времени, когда амплитуда выходного сигнала генератора 1 - U_p станет меньше амплитуды выходного сигнала усилителя 5 - U_o, задний фронт импульсного периодического сигнала формируется в момент времени, когда амплитуда выходного сигнала усилителя 5 U_o станет меньше амплитуды выходного сигнала генератора U_P; вершина импульсного периодического сигнала соответствует интервалу времени между задним и передним фронтами, т.е. интервалу времени, в течение которого амплитуда импульсного периодического сигнала превысит амплитуду выходного сигнала генератора 1.At the output of the comparator 7 is formed by a periodic pulse signal which is then fed into the meter slot 8. As can be seen from Figure 2, the front edge of the pulse of the periodic signal is generated at a time point when the amplitude of the oscillator output signal 1 - U _p becomes smaller than the amplitude of the amplifier output signal 5 - U _o , the trailing edge of the pulsed periodic signal is formed at the time when the amplitude of the output signal of the amplifier 5 U _o becomes less than the amplitude of the output signal of the generator U _P ; the peak of the pulsed periodic signal corresponds to the time interval between the trailing and rising edges, i.e. the time interval during which the amplitude of the pulsed periodic signal exceeds the amplitude of the output signal of the generator 1.

В измерителе 8 определяется длительность Т_И выходного сигнала компаратора 7, которая - как это видно их временной диаграммы на фиг.2 - пропорциональна отношению амплитуд сигнала с измеряемого реактивного сопротивления и выходного сигнала генератора 1. Амплитуда выходного сигнала генератора в процессе измерения остается постоянной, а амплитуда сигнала с измеряемого реактивного сопротивления пропорциональна величине реактивного сопротивления. Поэтому величина Т_И будет пропорциональна величине измеряемого реактивного сопротивления.The meter 8 is determined by a duration T _and the output signal of the comparator 7, which - as seen in the timing diagram of Figure 2 - is proportional to the relative amplitudes of the measured signal and the reactance of the output signal of the generator 1. The generator output signal amplitude in the measurement process remains constant, and the amplitude of the signal from the measured reactance is proportional to the value of reactance. Therefore, the value of T _And will be proportional to the value of the measured reactance.

С выхода измерителя 8 сигнал поступает в вычислительный блок 9, в котором по величине Т_И рассчитывается емкость С_x или индуктивность L_x сопротивления 3. Сначала по формуле (1)From the output of the meter 8, the signal enters the computing unit 9, in which the capacitance C _x or the inductance L _{x of} resistance 3 is calculated by the value of T _AND . First, by the formula (1)

где ω - круговая частота, находится значение сигнала U_o, а затем, по формуле (2)where ω is the circular frequency, the signal value is U _o , and then, according to the formula (2)

при измерении емкости или по формуле (3)when measuring capacitance or according to the formula (3)

при измерении индуктивности определяются искомые значения С_x или L_x.when measuring inductance, the required values of C _x or L _{x are} determined.

Точность измерения в заявляемом устройстве определяется динамическим диапазоном измерения, который в первом приближении определяется длительностью импульсного сигнала на выходе компаратора 7.The measurement accuracy in the inventive device is determined by the dynamic range of measurement, which in a first approximation is determined by the duration of the pulse signal at the output of the comparator 7.

В заявляемом устройстве отсутствует необходимость измерения высокочастотного периодического сигнала генератора синусоидального сигнала - как в устройстве - прототипе. Соответственно, отпадает необходимость применения - для получения требуемой точности измерений - высокостабильного (и достаточно дорогого) генератора синусоидального сигнала.In the inventive device there is no need to measure the high-frequency periodic signal of the sinusoidal signal generator - as in the device prototype. Accordingly, there is no need to use - to obtain the required measurement accuracy - a highly stable (and quite expensive) sinusoidal signal generator.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает достижение такой же точности измерений, как и в устройстве - прототипе, но при более простой структурной организации.Thus, the claimed device ensures the achievement of the same measurement accuracy as in the device prototype, but with a simpler structural organization.

Следует отметить, что заявляемое устройство может использоваться не только для измерения реактивного сопротивления - емкости или индуктивности, но и в более общем случае - для измерения отношения амплитуд двух переменных сигналов, например, при измерении взаимной индуктивности или коэффициента трансформации.It should be noted that the inventive device can be used not only for measuring reactance - capacitance or inductance, but also in a more general case - for measuring the ratio of the amplitudes of two variable signals, for example, when measuring mutual inductance or transformation coefficient.

Claims

1. A device for measuring reactance, containing a sinusoidal signal generator connected to its first output by a reference element, the second output of which is connected to the first output terminal and phase shifting device, a measured reactance connected to the first and second output terminals, and a computing unit, characterized in that it is equipped with a comparator, a rectifier device connected between the output of the sinusoidal signal generator and the inverting input of the comparator, an amplifier, the input of which is connected to the output of the phase shifter, and the output is connected to the non-inverting input of the comparator, and a time interval meter connected by its input to the output of the comparator and the output to the computing unit, while the reference element is a reactance with a phase shift of the same modulo and sign with a phase shift on the measured reactance.

2. The device according to claim 1, characterized in that the measured reactance and the reference element are a capacitance.

3. The device according to claim 1, characterized in that the measured reactance and the reference element are inductance.