СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКА

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.

Известный способ определения параметров пассивных двухполюсников описан в статье авторов Ю.Р.Агамалова, Д.А.Бобылева, В.Ю.Кнеллера «Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ» в журнале «Измерительная техника», 1996, №6 [1].

В основу способа положен один из методов косвенного измерения параметров иммитанса при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. Согласно этому способу измеряются два комплексных тока, которые преобразуются в пропорциональные напряжения, напряжение на объекте измерения и на резистивной мере. Чтобы получить измерительную информацию, необходимую при вычислении комплексного сопротивления или проводимости, циклически по сигналам с ПЭВМ производится подключение измерительной цепи сначала к объекту измерения, а затем к резистивной мере с соответствующими переключениями фазы опорного напряжения с дискретностью , где n - целое число. В результате каждого измерительного цикла получается напряжение, которое соответствует проекции вектора измеряемого напряжения на вектор фазосдвигающего опорного напряжения (симметричный прямоугольный меандр). Коды, несущие информацию о проекциях вектора измеряемого напряжения на вектор опорного напряжения, поступают в персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) для вычисления действительной и мнимой составляющих напряжений на объекте измерения и резистивной мере. Из описания видно, что способ измерения, использованный в аналоге, требует фазовых измерений и четырехпроводной схемы подключения измеряемого двухполюсника.

При использовании аналога для измерения параметров удаленного объекта измерения получается результат с большой погрешностью измерения. Это объясняется тем, что синусоидальное воздействие на удаленном объекте измерения получит неоднозначный фазовый сдвиг за счет влияния длинной линии, и поэтому по отношению к циклически фазосдвигающему опорному меандру синусоидальное воздействие будет иметь неопределенный фазовый сдвиг, что приведет к появлению значительной погрешности измерения.

Специфика эксплуатации изделий ракетно-космической техники (РКТ) 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 уровня заправки (ДУЗ), вмонтированного в бак ракеты, которая находится в испытательном корпусе или на стартовом комплексе во время ее заправки компонентами топлива. При этом основные технические требования при измерении параметров емкостного ДУЗ (через длинную линию до объекта измерений до 500 м) должны быть следующими:

- диапазон измерения значений электрической емкости ДУЗ должен быть (100-2500) пФ с относительной погрешностью измерения не более 0,1%. Очевидно, что высокая точность измерения параметров удаленного ДУЗ напрямую связана с массой гарантийных запасов топлива на борту ракеты. Чем выше точность, тем меньше масса гарантийных запасов топлива, тем выше эффективность ракеты, позволяющей вывести большую массу полезной нагрузки;

- диапазон измерения значения паразитной электрической емкости (паразитная электрическая емкость - емкость между проводником, подключающим ДУЗ к измерителю и экраном проводника) (100-30000) пФ с относительной погрешностью измерения 0,5%;

- диапазон измерения сопротивления изоляции (контроль состояния электрически разобщенных цепей) от 50 кОм до 29 мОм с относительной погрешностью измерения не более 1,0%;

- высокое быстродействие определения параметров двухполюсника, позволяющее расширить функциональные возможности способа измерения, и использовать его аналогичным образом в уровнемере бортовой терминальной системы автоматического управления, которой является система управления расходованием топлива ракеты.

Вышеперечисленные требования являются предпосылками для поиска более быстродействующих и высокоточных способов определения параметров двухполюсников.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения параметров двухполюсника, описанный в патенте РФ №2260809, авторов Долгова Б.К., Балакина С.В., опубликованный 20.09.2005, бюллетене №26 [2].

Способ определения параметров двухполюсника заключается в воздействии синусоидальными напряжениями на заданных частотах на двухполюсник и эталон, последовательном измерении величин токов через двухполюсник и эталон на каждой из заданных частот и фиксации результатов измерений, а также в последующем определении параметров двухполюсника в соответствии со схемой его замещения.

В основу способа положен метод косвенного измерения параметров двухполюсника при формировании напряжения синусоидального воздействия на объект измерения, нашедший применение благодаря инвариантности по отношению к характеру объекта измерения и его схеме замещения. Измерение параметров импеданса пассивного двухполюсника осуществляется на n заданных частотах (где n - число элементов двухполюсника). Этот способ позволяет осуществлять измерения параметров двухполюсника, удаленного до 500 метров от средств измерения. Однако при использовании упомянутого способа определения параметров двухполюсника, выбранного авторами за прототип, экспериментально установлено:

- на результат измерения влияют токи, наводимые на длинной линии связи от внешних источников, и остаточные напряжения выходного каскада синусоидального напряжения измерителя. Подавить такие токи смещения с помощью аналоговых и цифровых фильтров является не простой задачей;

- на результат измерения влияет разность частот, на которых осуществляют воздействие на двухполюсник. Причем чем больше значение разности частот, тем выше точность измерения параметров двухполюсника;

- при измерении параметров двухполюсника через линию до 500 метров максимальное значение частоты синусоидального напряжения должно быть не более 10 кГц, поскольку погрешность от влияния длинной линии пропорциональна квадрату частоты измерения. Поэтому повышение частоты выше 10 кГц с целью увеличения разности частот синусоидального напряжения не приводит к повышению точности измерения.

Таким образом, недостатком прототипа является недостаточная точность измерения параметров двухполюсника, удаленного от измерительной цепи на существенное расстояние.

В связи со сказанным выше задачей предлагаемого способа определения параметров двухполюсника является повышение точности измерения, которое достигается путем измерения и учета токов смещения при определении параметров двухполюсника с помощью схемы замещения, а также путем увеличения разности частот за счет применения одного измерения на постоянном токе вместо воздействия на двухполюсник синусоидальным напряжением с частотой ω_n. Причем анализ показывает, что создаваемые на основе предлагаемого способа средства измерения при сохранении высоких метрологических качеств одновременно упрощаются в смысле схемотехники и последовательности действий.

Технический результат достигается тем, что в способе определения параметров двухполюсника, заключающемся в воздействии синусоидальными напряжениями на заданных частотах на двухполюсник и эталон, последовательном измерении величин токов через двухполюсник и эталон на каждой из заданных частот и фиксации результатов измерений, а также в последующем определении параметров двухполюсника в соответствии со схемой его замещения, в отличие от прототипа, производят последовательно воздействия на двухполюсник и эталон синусоидальными напряжениями на n-1 заданных частотах (где n - число элементов двухполюсника) и воздействие напряжением постоянного тока, при каждом воздействии синусоидальным напряжением на каждой из n-1 заданной частоте и воздействии напряжением постоянного тока последовательно измеряют ток через двухполюсник и эталон, после чего снимают воздействия синусоидальными напряжениями и напряжением постоянного тока и проводят измерение токов смещения через двухполюсник и эталон, результаты всех измерений фиксируют, далее определяют разности токов, измеренных под напряжениями и токов смещения, полученные результаты фиксируют и по ним определяют параметры двухполюсника, используя схему замещения.

Совокупность признаков, характеризующих использование постоянного напряжения, для воздействия на двухполюсник и эталон, вместо синусоидального напряжения n-ой частоты, позволяет добиться максимальной разности между измерительными частотами напряжений и таким образом повысить точность измерения.

С другой стороны, совокупность признаков, характеризующих измерение тока смещения, наводимого на длинной линии связи, и вычитание его из токов, измеренных по результатам воздействия напряжений на двухполюсник и эталон, позволяет исключить влияние тока смещения на результат измерения и тем самым повысить точность измерения параметров двухполюсника.

При создании средств измерения на основе предлагаемого способа измерения удастся, в отличие от прототипа, получить следующие технические преимущества при измерении параметров удаленных двухполюсников:

- обеспечить измерение значений электрической емкости ДУЗ и других пассивных двухполюсников в диапазоне (100-2500) пФ с относительной погрешностью измерения не более 0,1%;

- обеспечить измерение значений паразитной электрической емкости измерительных цепей ДУЗ в диапазоне (100-30000) пФ с относительной погрешностью измерения 0,5%;

- обеспечить измерение сопротивления изоляции (контроль состояния электрически разобщенных цепей) от 50 кОм до 29 мОм с относительной погрешностью измерения не более 1,0%.

Для практической реализации заявленного способа авторами использована технология автоматизированного проектирования электронных схем, построенная на применении программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) разработки фирмы Xilinx. На базе ПЛИС построены такие функциональные блоки, как аналогового-цифровой преобразователь интегрирующего типа, генератор синусоидального напряжения, схемы управления по частоте и масштабу усиления. 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. Программное обеспечение Foundation Series позволяет реализовать все необходимые функции, включая реализацию численных методов вычисления значений.

На фиг.1 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементы которого, индуктивность и резистор, соединены последовательно.

На фиг.2 представлена схема замещения емкостного ДУЗ.

На фиг.3 представлена схема замещения четырехэлементного двухполюсника.

На фиг.4 представлена векторная диаграмма схемы замещения двухполюсника согласно фиг.3.

Осуществление способа рассмотрим на следующих примерах. На фиг.1 представлена схема замещения двухэлементного двухполюсника, элементы которого являются резистором и индуктивностью, соединенными последовательно. Представленный двухполюсник, параметры которого нужно определить, может быть подключен к средству измерения через длинную линию.

Так как двухполюсник двухэлементный, то в соответствии с признаком формулы изобретения на двухполюсник воздействуют синусоидальным напряжением частоты ω₁ и постоянным напряжением. В результате воздействия на двухполюсник синусоидальным напряжением через него протекает ток I_ω1, для которого справедливо следующее соотношение:

В результате воздействия на двухполюсник напряжением постоянного тока через него протекает ток I₀, для которого справедливо соотношение

Для определения значения напряжений V_ω1, V₀ на двухполюснике используют результаты измерения токов через эталон при воздействии на него синусоидального напряжения частоты ω₁ и затем напряжения постоянного тока. Пусть в качестве эталона использован резистор сопротивлением R_ЭТ. Тогда значения напряжений на двухполюснике будет соответствовать выражениям:

Результаты измерений по (3), (4) фиксируют, то есть заносят в память вычислительного устройства.

Согласно признакам формулы изобретения, характеризующим снятие напряжения воздействия на двухполюсник и эталон, измерение тока смещения, наводимого на длинной линии связи, и вычитание его из токов, измеренных по результатам воздействия напряжений на двухполюсник и эталон, позволяет исключить влияние тока смещения на результат измерения.

С этой целью снимается воздействие синусоидальным напряжением и напряжением постоянного тока на двухполюсник и эталон и производится измерение тока смещения I_СМ.

Затем формируют разность токов, вычитая из выражений (1) и (2) измеренный ток смещения:

Полученные значения разности токов фиксируют для последующего определения параметров двухполюсника в соответствии со схемой замещения.

Итак, в соответствии с вышеописанными признаками формулы изобретения величины I_ω1, I₀, , , I_СМ измерены и зафиксированы, на основании этих величин определены и зафиксированы разности токов. В конечном счете получаем два уравнения

и два неизвестных параметра R, L.

Решая эти уравнения, имеем следующие выражения для определения его параметров:

В качестве средства измерения, как вариант, может быть использовано устройство, включающее генератор синусоидального напряжения, управляемый по частоте, питающий цепь измерения, источник постоянного тока и ключ, обеспечивающий последовательную подачу как синусоидального, так и постоянного напряжения, а также снятие напряжения. Кроме того, устройство включает преобразователь ток-напряжение, последовательно соединенный с масштабирующим усилителем и аналогово-цифровым преобразователем. Последний соединен с вычислительным устройством, которое фиксирует результаты измерений токов через двухполюсник и эталон и в соответствии с выражениями (9) и (10) определяет параметры двухполюсника. При необходимости могут быть определены тангенс угла сдвига между током и напряжением, то есть могут быть определены все параметры двухполюсника.

В качестве прикладного примера осуществления способа рассмотрим измерение параметров емкостного датчика уровня заправки бака, заполняемого диэлектрической жидкостью (например, керосином).

Емкостному датчику уровня соответствует схема замещения, приведенная на фиг.2, где: C_p есть рабочая электрическая емкость датчика, которая несет полезную информацию об уровне заправки бака. C_p при заправке бака является величиной переменной, так как изменение в значение электрической емкости вносит диэлектрическая проницаемость жидкости, заполняющей датчик по мере заполнения бака; R - сопротивление тока утечки через диэлектрик, которое зависит от заправляемой жидкости и состояния сопротивления кабельной сети. В силу специфики эксплуатации изделий ракетно-космической техники емкостный ДУЗ может быть удален на расстояние до 500 метров от средства измерения.

Так как двухполюсник двухэлементный, то в соответствии с признаком формулы изобретения на двухполюсник последовательно воздействуют синусоидальным напряжением частоты ω₁ и постоянным напряжением. В результате воздействия на двухполюсник синусоидальным напряжением через него протекает ток I_ω1, для которого справедливо следующее соотношение:

В результате воздействия на двухполюсник напряжением постоянного тока через него протекает ток I₀, для которого справедливо соотношение

Для определения значения напряжений V_ω1, V₀ на двухполюснике согласно признакам изобретения воздействуют синусоидальным напряжением частоты ω₁ и затем напряжением постоянного тока на эталон, в качестве которого использован резистор сопротивлением R_ЭТ, после чего производят измерение значений токов через эталон. Результаты измерений фиксируют.

Значения напряжений на двухполюснике будут соответствовать выражениям:

Согласно признакам формулы изобретения, характеризующим снятие напряжения воздействия на двухполюсник и эталон, измерение тока смещения, наводимого на длинной линии связи, и вычитание его из токов, измеренных по результатам воздействия напряжений на двухполюсник и эталон, позволяет исключить влияние тока смещения на результат измерения.

Таким образом, снимают воздействие синусоидальным напряжением и напряжением постоянного тока на двухполюсник и эталон, после чего производят измерение тока смещения I_СМ. Затем формируют разность токов согласно выражениям (5), (6), вычитая из выражений (11) и (12) ток смещения. Полученные значения разности токов фиксируют для последующего определения параметров двухполюсника в соответствии со схемой замещения.

Итак, в соответствии с вышеописанными признаками формулы изобретения величины I_ω1, I₀, , , I_СМ измерены и зафиксированы, а R_ЭТ и ω₁ заданы. На основании этих величин определены и зафиксированы разности токов. В конечном счете получаем два уравнения

и два неизвестных параметра R, С.

Решая эти уравнения, имеем следующие выражения для определения его параметров:

Очевидно, что способ определения параметров двухполюсника по отношению к прототипу позволяет расширить его функциональные возможности. Расширение функциональных возможностей заключается в определении параметров удаленного на расстояние двухполюсника. В примере конкретной реализации способа с высокой точностью определяются: емкостная составляющая полного сопротивления емкостного датчика, зависящая от степени заполнения его жидкостью; активная составляющая, которая характеризуется сортностью керосина и состоянием сопротивления изоляции кабельной сети. Учет активной составляющей диэлектрической жидкости, заполняющей датчик, при определении уровня существенным образом повышает точность измерения уровня заправки, соответственно повышается эффективность ракеты за счет снижения гарантийных запасов топлива.

Рассмотрим более общий случай использования способа.

На фиг.3 представлена схема замещения четырехэлементного двухполюсника, а на фиг.4 - его векторная диаграмма.

В результате формирования на двухполюснике синусоидального напряжения через него протекает комплексный ток.

Активные составляющие токов по цепям двухполюсника соответствуют выражениям:

Активную составляющую тока в цепи полного тока можно записать следующим выражением

Реактивные составляющие токов по цепям двухполюсника описываются выражениями:

Тогда реактивная составляющая комплексного тока в цепи двухполюсника запишется соотношением

Из выражений (19)-(24) следует, что комплексный ток через двухполюсник зависит от параметров элементов (R₁, R₂, C, L) и параметров его питания (V, ω).

Согласно признаку формулы изобретения последовательно производят измерения токов через двухполюсник и эталон на каждой из четырех заданных частот, причем последнюю частоту ω₄ полагают равной нулю, то есть проводят измерения на постоянном токе. Результаты измерений фиксируют. После чего согласно заданной схеме замещения по четырем зависимостям рассчитывают четыре параметра двухполюсника, используя при этом зафиксированные и заданные величины.

Источники информации

1. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ. Измерительная техника. 1996, №6, с.56-60.

2. “Способ определения параметров двухполюсника”, описанный в патенте РФ №2260809, авторов Долгова Б.К., Балакина С.В., опубликованный 20.09.2005, бюллетене №26 [2].

3. К.Б.Карандеев, Ф.Б.Гриневич, А.И.Новик. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М.: Издательство «Энергия», 1966, с.135.

4. А.И.Новик. «Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока», Киев: Наукова Думка, 1983, с.9-10.

5. Патент РФ №2025666, кл. G01F 23/26, «Многоточечный сигнализатор уровня (его варианты)».

6. Патент №2144196, кл. G01R 17/10, 27/02, «Способ измерения параметров трехэлементных двухполюсников частотно-независимыми мостами переменного тока».