SU840744A1

SU840744A1 - Устройство дл измерени относи-ТЕльНОгО изМЕНЕНи пАРАМЕТРОВ КОМплЕКСНОгОСОпРОТиВлЕНи

Info

Publication number: SU840744A1
Application number: SU792813733A
Authority: SU
Inventors: Геннадий Анатольевич Ивановский; Анна Иезикильевна Литвак; Геннадий Васильевич Фролов
Priority date: 1979-09-05
Filing date: 1979-09-05
Publication date: 1981-06-23

Description

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для непрерывного измерения относитель ных изменений преобладающей составляющей параметрических датчиков, а так же может быть использовано для преобразования этих изменений в активную скалярную величину — напряжение.

Известно устройство для измерения относительного изменения сопротивления, содержащее мостовую схему, со стоящую из исследуемого и равных ему постоянных резисторов, ключи, буферный усилитель, последовательно соединенные интегратор, усилитель-ограни- 15 читель и датчик калиброванных интервалов времени, к выходам которого подключены управляющие входы ключей и вход измерителя временных интервалов, при этом вершина измеритель- 20 ной диагонали моста, в которую включен исследуемый резистор, соединена непосредственно с одним из входов буферного усилителя, другой его вход через ключ соединен с вершиной диаго- 25 нали питания, а выход — подключен ко входу интегратора flj.

Однако, обладая линейной зависимостью выходного сигнала, такое устройство имеет низкие функциональные 30 возможности, поскольку не обеспечивает измерений относительных изменений составляющих других параметрических датчиков, кроме резистивных (например емкостных или индуктивных).

Кроме того, прибор имеет низкую чувствительность, так какЦна зависит от интервала интегрирования, величина которого должна удовлетворять противоречивым требованиям. С одной стороны, для увеличения чувствительности, нужно иметь указанный интервал наибольшим, а с другой, связанной с обеспечением высокого быстродействия, этот интервал должен быть наименьшим. Следствием таких противоречий является цикличность измерительного процесса, что не обеспечивает требуемой точности при исследовании непрерывных процессов.

Известен также измеритель составляющих комплексного сопротивления параметрических датчиков, содержащий мост, подключенный к источнику синусоидального напряжения, блок вычитания, выходы которого соединены с вершинами измерительной диагонали моста, четыре блока выделения фазового сдвига, ’фазовращатель, элементы И и ИЛИ, подключенные параллельно к выходам двух блоков выделения фазового сдвига, схема сложения, подключенная к выходам элемента И и третьего, блока выделения фазового сдвига, два интегратора, один из входов которых подключен к выходу схемы сложения, а. второй вход интеграторов соединен с выходами элемента ИЛИ и четвертого блока выделения фазового сдвига, блоки уравновешивания, соединенные с выходами интеграторов, и цифровые индикато- . ры Г2}.

Однако, имея широкие функциональные возможности, позволяя определять составляющие комплексного сопротивления любого параметрического датчика и являясь наиболее близким по техни- 1 ческой сущности к предлагаемому, такое устройство не обеспечивает прямого измерения относительных изменений составляющих, а косвенное их определение отнимает много времени и ведет к 2 ухудшению точности при исследовании яепрерывных процессов. Кроме того, несмотря на высокую чувствительность прибора по отношению к составляющим комплексного сопротивленя, она недо- 25 статочна для определения малых их приращений, соизмеримых с единицей младшего разряда.

Цель изобретения — обеспечение пря мого измерения и повышение чувствительности устройства.

Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее квазиуравновешенный мост, подключенный к источнику синусоидального напряжения, первый блок вычитания, блок выделения фазового сдвига, интегратор и измеритель, входы первого блока вычитания подключены к вершинам измерительной диагонали квазиуравновешенного моста, а выход — к одному из входов блока вы- 40 деления фазового сдвига, выход которого соединен с входом интегратора, введены второй и третий блоки вычитания и функциональный преобразователь, причем входы второго блока вычитания под-: ключены к выходу источника синусоидального напряжения и вершине измерительной диагонали квазиуравновешенного моста, соединенной с объектом измерения, а выход упомянутого блока вычитания соединен с одним из входов третьего блока вычитания, другой вход которого подключен к оставшейся вершине измерительной диагонали моста, а выход подключен ко второму входу блока выделения фазового сдвига, при 55 этом выход интегратора через функциональный преобразователь подключен к измерителю.

Кроме того, функциональный преоб- 60 разователь выполнен в виде блока, реализующего функцию ⁼

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 — векторная диаграмма напряжений моста. 65

Рассмотрим принцип действия устройства, например, при измерении относительного изменения сопротивления тензодатчика. На фиг. 1 обозначены квазиуравновешенный мост 1, состоящий из объекта измерения (R^) — тензодатчика 2, компенсационного (R^) тензодатчика 3, образцовых конденсаторов 4 (Ха) и 5 (Х₄)'и резистора б .(R/μ) , У которого R₇ = R^ и X з ~ Х4 Резистор 6 выбран переменным и используется для регулировки чувствительности прибора, источник 7 синусоидального напряжения, блоки 8-10 вычитания, блок 11 выделения фазового сдвига, интегратор 12, функциональный преобразователь -13, реализующий функцию - tgUax, измеритель 14.

На фиг. 2 изображена часть комплексной плоскости с векторной диаграммой напряжений моста 1, на которой обозначены положения его потенциальных точек.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, т.е. при AR^ = 0, блок 8 вычитания, на который поступают напряжение питания моста 1 и падение напряжения на его плече Ugt формирует вектор, равный по амплитуде напряжению Ubc, так как (Ц = R/^. В блоках 9 и 10 вычитания вырабатывается одно и то же напряжение — и-рц. Следовательно, сигнала на выходе блока 11 выделения фазового сдвига не будет, и стрелка измерителя (преобразователя) 14 остается на нулевой отметке.

Пусть сопротивление тензодатчика 2 R^ изменилось на величину д R^, и точка С моста 1 заняла (фиг. 2) положение . Тогда с блоков 9 и 10 вычитания на блок 11 выделения фагового сдвига поступят напряжения U-jjq и (Гдсц, между которыми имеется фазовый сдвиг Ч (фиг. 2).

Блок 11 выработает импульс,' длительность которого пропорциональна этому сдвигу, а интегратор 12 преобразует его в напряжение т_х и_н = к_н J Edt = К_ИЕТ_Л, (1) где К„— коэффициент передачи интегратора 12;

Е и Т<— амплитуда и длительность импульса.

Напряжение U_H, подвергаясь функциональному преобразованию в узле 13, становится пропорциональным измеряемой величине - =-^. значение которой оценивается с помощью измерителя (преобразователя) 14.

Такое взаимодействие узлов прибора (устройства) обеспечивает прямое измерение относительного изменения преобладающей составляющей любого параметрического датчика и повышение чувствительности благодаря линейности его уравнения преобразования, двукратному увеличению диапазона изменения выходного сигнала.

Чтобы доказать это, требуется получить уравнение преобразования. Найдем уравнение связи между величиной If и , где угол ’Z является сигналом разбаланса моста 1 (фиг. 1). и состоит ,(фиг. 2) иэ двух углов и , каждый из которых может быть определен следующим образом

Ч, = L. АС^ D - ьС₁ DB - Ж/2, ₍

L ACj, D - LC^OB - Я/2.

Условимся, что R₇ = R^+AR^, тогда имеет U_BC 1 ·* _it 1 ^{и U}9c‘_t. ⁼ 1' ^иВС ^{= и}АВ Т+ЧИЦ' ’

.. 7* .. 2 - jtg&

Напряжение = U_A(J (4) где t g 9 = ^X4

Z Д, = R4 - ZJ X4 при условии , что

X 3 = X д = X.

, Выражения для напряжений ^uDc' имеют вид

U ,.·>9 К

DC, № ВСц [(ϊ-кге )(44^2θ7⁺¹ 4+^J^uab·

Π ,-и -ΰ , •χ- 8D ВС,' [(7

Из выражения (5) находим ¹ . ^5си *(6) zAC;D=31-qr(T\J |=3i-drctg; —7----------Подставив выражение (6) в выражение (2), получим величину — w ·

Полагая, ч-’/э с/ЧЦ « 1 , угол цяежду векторами напряжений' и и-д^; Ра/г :<

Ч₄ и являетмоста, испольтангенс угла потерь (5).

вен = + ^{= arct}9 причем каждый из углов ся сигналом разбаланса зуемого в прототипе.

Длительность импульса с выхода блока 11 равна ^ТХ ⁼ где Т — период напряжения питания моста 1.

Напряжение на (9)

Учитывая действие функционального преобразователя 13, получим и -к 'ЗбМЦ бмх tg 9 !

которое является уравнением зования прибора (устройства), прит чем К_п— коэффициент его передачи, равный КК_фП.

Как видно из выражения (11), сигнал, поступающий в измеритель преобразователь 14, пропорционален удвоенному значению измеряемой величины, что наилучшим образом доказывает достижение поставленной цели. Возможно и дополнительное повышение чувстви-; тельности благодаря изменению величины tg6, осуществляемое с помощью резистора 6 моста 1.

Поскольку импульсы .с блока 11 выделения фазового сдвига следуют с частотой источника.7 питания, а интегратор обладает инерционностью, сигнал будет поступать непрерывно на измеритель (преобразователь) 14, что дает возможность применять данный прибор для исследования непрерывных процессов, в том числе быстропротекающих.

выражение (11) преобра

Claims

двух блоков выделени фазового сдвига схема сложени , подключенна к выходам элемента И и третьего, блока выделени фазового сдвига, два интегратора , один из входов которых подключен к выходу схемы сложени , а. второй вход интеграторов соединен с выходами элемента ИЛИ и четвертого блока вы делени фазового сдвига, блоки уравновешивани , соединенные с выходами интеграторов, и цифровые индикаторы Г2Ь Однако, име широкие функциональные возможности, позвол определ ть составл ющие комплексного сопротивлени любого параметрического датчика и вл сь наиболее близким по технической супшости к предлагаемому, такое устройство не обеспечивает пр мого измерени относительных изменений составл ющих, а косвенное их .определе ние отнимает много времени и ведет к ухудшению точности при исследовании 1епрерывных процессов. Кроме того, не смотр на высокую чувствительность прибора по отношению к составл ющим комплексного сопротивлен , она надостаточна дл определени малых их при ращений, соизмеримых с единицей младшего разр да. Цель изобретени - обеспечение пр мого измерени и повышение чувствительности устройства. Эта цель достигаетс тем, что в устройство, содержащее квазиуравновешенный мост, подключенный к источнику синусоидального напр жени , первый блок вычитани , блок выделени фазового сдвига, интегратор и измеритель входы первого блока вычитани подклю чены к вершинам измерительной диагонали квазиуравновешенного моста, а выход - к одному из входов блока выделени фазового сдвига, выход которо го соединен с входом интегратора, вв дены второй и третий блоки вычитани и функциональный преобразователь, пр чем входы второго блока вычитани под-: ключены к выходу источника синусоидального напр жени и вершине измерительной диагонали квазиуравновешен ного моста, соединенной с объектом измерени , а выход упом нутого блока вычитани соединен с одним из входов третьего блока вычитани , другой вх которого подключен к оставшейс вершине измерительной диагонали моста, а выход подключен ко второму входу блока выделени фазового сдвига, при этом выход интегратора через функцио нальный преобразователь подключен к измерителю. Кроме того, функциональный преобразователь выполнен в виде блока, рвсшизующего функцию tgUg. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - векторна ди грамма напр жений моста. Рассмотрим принцип действи устойства , например, при измерении отноительного изменени сопротивлени ензодатчика. На фиг. 1 обозначены вазиуравновешенный мост 1, состо ий из объекта измерени (R) - тенодатчика 2, компенсационного (R/) ензодатчика 3, образцовых конденсаоров 4 (Хз) и 5 (Х4.) и резистора 6 (R 4 , У которого R КлИ Х,. езистор б выбран переменным и используетс дл регулировки чувствительности прибора, источник 7 синусоидального напр жени , блоки 8-10 вычитани , блок 11 выделени Фазового сдвига, интегратор 12, функциональный преобразователь -13, реализующий функцию .j tgUex. измеритель 14. На фиг. 2 изображена часть комплексной плоскости с векторной диаграммой напр жений моста 1, на которой о,означены положени его потенциальных точек. Устройство работает следующим образом . В исходном состо нии, т.е. при AR О, блок 8 вычитани , на который шэступают напр жение питани моста 1 и падение напр жени на его плече Ugc формирует вектор, равный по амплитуде напр жению UBC так как -т блоках 9 и 10 вы-читани вырабах лваетс одно и то же напр жение - UTJC- Следовательно, сигнала на выходе блока 11 выделени фазового сдвига не будет, и стрелка измерител (преобразовател ) 14 остаетс на нулевой отметке. Пусть сопротивление тензодатчика 2 R изменилось на величину л R , и точка С моста 1 зан ла (фиг. 2) положение Cj, . Тогда с блоков 9 и 10 вычитани на блок 11 выделени фе ового сдвига поступ т напр жени U-QC. и между которыми имеетс фазовый сдвиг Ч (фиг. 2). Блок 11 выработает импульс, длительность которог.о пропорциональна этому сдвигу, а интегратор 12 преобразует его в напр жение -де К„- коэффициент передачи интегратора 12; Е и амплитуда и длительность импульса. Напр жение }, подверга сь функциональному преобразованию в узле 13, становитс пропорциональным измер емой велит4ине - , значение которой оцениваетс с помощью измерител (преобразовател ) 14. Такое взаимодействие узлов прибора (устройства) обеспечивает пр мое измерение относительного изменени преобладагацей составл кадей любого параметрического датчика и повышение чувствительности благодар линейности его уравнени преобразовани , двукратно увеличению дй-апазона изменени выхо ного сигнала. Чтобы доказать это, требуетс п чить уравнение преобразовани . Найд уравнение св зи между величиной t и Л , где угол / вл етс сигналом разбаланса моста 1 (фиг. 1). и состо |(фиг, 2) из двух углов и Ч , каж дый из которых может быть определен следующим образом Ч, 1. - - 5Г/2, L АС D - LC.B - . Условимс , что R , тогда ftft. .-, 1 + V. 24.сАРЦ Напр жение U 4 tglg 9 тангенс угла потерь где tg R4 - Jf Х4 при условии, что X 2 - X д - X . Выражени дл напр жений и U-jjc имеют вид и -iJ IT - ,g9 1,, .. DC; V ВГ (Z-Kfe)( Ав -f - - rtg20+2iif9 -t -rfRi . %,)V (() Из выражени (5) находим /.AC,r Jr-argfU.jj 7r-circtif-- ---- 1 . to-gi/. iAC D I-qrq- J (rct - л tg- 9+2t 9 tij%- fR Подставив выражение (6) в выраже ние (2), получим величину и V-- ftgaH X)- Полага , ч--э cffi « 1 , векторами напр жений и Uijc равен . f + 4-2. arctg-f||L , (8) причем каждый из углов Ч и Чд вл е с сигналом разбаланса моста, исполь зуемого в прототипе. Длительность импульса с выхода блока 11 равна ,(9) где Т - период напр жени питани моста 1. Напр жение навыходе интегратора 12, определ емоепо формуле (1). будет представл тьнекоторую функцию от сЛК , т.е. Т-., ,E-5 arctg K 5rctg где К - коэффициент передачи рассмот ренной части устройства. Учитыва действие функционального преобразовател 13, получим выражение ъш --rfr- / (V которое вл етс уравнением преобразовани прибора (устройства), прит чем Кп- коэффициент его передачи, равный ККф„. Как видно из выражени (11), сигнал , поступающий в измеритель преобразователь 14, пропорционален удвоенному значению измер емой величины, что наилучшим образом доказывает достижение поставленной цели. Возможно и дополнительное повышение чувстви-: тельности благодар изменению величины tgS, осуществл емое с помощью резистора 6 моста 1. Поскольку импульсы .с блока 11 выделени фазового сдвига следуют с частотой источника 7 питани , а интегратор обладает инерционностью, сигнал будет поступать непрерывно на измеритель (преобразователь) 14, что дает возможность примен ть данный прибор дл -исследовани непрерывных процессов , в том числе быстропротекающих . Формула изобретени Устройство дл измерени относи- тельного изменени параметров комплексного сопротивлени , содержащее квазиуравновешенный мост, подключенный к источнику синусоидального напр жени , первый блок вычитани , блок выделени фазового сдвига, интегратор и измеритель, входы первого блока вычитани подключены к вершинам измерительной диагонали квазиуравновешенного моста, а выход - к одному из входов блока выделени фазового сдвига, выход которого сое-динен с входом интегратора, отличающеес тем, что, с, целью обеспечени пр мого измерени и повышени чувствительности, в него введены второй и третий блоки выч1тани и функциональный преобразователь , причем входы второго блока вычитани подключены к выходу источника .синусоидального напр жени и вершине измерительной диагонали квазиуравновешенного моста, соединенной с объектом измерени , а выход упом нутого блока вычитани соединен с одним из входов третьего блока вычитани , другой вход которого подключен к оставшейс вершине измерительной иагонали моста, а выход подключен ко второму входу блока выделени фазоого сдвига, при этом выход интеграора через функциональный преобразоатель подключен к измерителю. Источники информац 1и, рин тые во внимание при экспертизе 1,, Авторское свидетельство СССР 591086, кл, G 01 R 17/10, 1976.
2. Авторское свидетельство СССР 504982, кл, G 01 R 17/10, 1976,

I

Фиг.1