Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры

Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур.

Известные способы измерения фазовых сдвигов распределённых RC-структур основаны на выделении отдельных гармонических сигналов одинаковой частоты и измерении временного промежутка между точками с одинаковой фазой с последующим делением на период гармонического сигнала (например, статья Siblini A., Souquet S., Mesnard G. Automatic measurement of the phase difference between two VLF sinusoidal signals./ Electronique Techn. And Industry, 1984, №11, pp. 62-66; книги 1) Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. - М.: Энергия, 1972, 2) Измерения в промышленности. Справочник. Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359; патент РФ №2244937, G01R 25/02 «Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце»).

Для осуществления измерения фазовых сдвигов используют генератор синусоидального сигнала, управляемый в соответствии с программой нахождения искомого результата. Программа включает как различные подключения объекта измерения, так и обработку полученных результатов. Это удлиняет процесс измерения, является источником погрешностей, что в результате удорожает процесс и снижает точность измерения фазовых сдвигов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в патенте РФ №2244937, G01R 25/02 «Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце», принятый за прототип.

Способ-прототип основан на разделении непрерывного сигнала генератора синусоиды на два плеча, в одно из которых установлен двухзондовый фазочувствительный элемент и измеряемое устройство, а в другое плечо – фазовый модулятор, имеющий два состояния 0 или 180 градусов. При проведении измерения на каждом из двух зондов производится суммирование двух сигналов, один из которых несёт информацию о сдвиге фазы сигнала, а другой является опорным. Определение фазового сдвига, вносимого измеряемым устройством, проводится расчётным путём с использованием найденных в двух такта амплитуд сигналов на двух неподвижных зондах. Для первого такта при начальном фазовом состоянии сигнала и для второго такта при изменённом фазовом состоянии сигнала на 180 градусов в одном из плеч балансного кольца.

Из изложенного следует, что процесс измерения фазовых сдвигов достаточно сложен, длителен, а результат измерения имеет недостаточную точность.

Задача – повышение точности измерения при упрощении процесса измерения фазовых сдвигов распределенной RC-структуры для различных частот гармонического сигнала.

Для решения поставленной задачи в способе измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, основанном на получении непрерывного гармонического сигнала, измерении фазового сдвига с помощью двух зондов и вычислении фазовых сдвигов, согласно изобретению, получение непрерывного гармонического сигнала осуществляют подключением распределённой RC-структуры через два зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, на выходе которого формируется гармонический сигнал частотой , по которому рассчитывают фазовый сдвиг распределенной RC-структуры по формуле где - частота генератора в момент измерения, Гц; - частота, для которой определяется фазовый сдвиг δ распределённой RC-структуры, Гц.

Предлагаемый способ заключается в подключении распределенной RC-структуры через два разнесенных зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, обеспечивающего получение гармонического сигнала определенной частоты, измерением этой частоты с последующим пересчетом на частоту сигнала, на основе которых определяются фазовые сдвиги распределенной RC-структуры на различных частотах.

Источником измеряемого сигнала является генератор, построенный на операционном усилителе, в отрицательную обратную связь которого через два зонда подключается распределенная RC-структура.

Матрица генератора представима произведением трёх матриц следующего вида:

, (1)

где – элементы волновой матрицы генератора; - выходная проводимость генератораи ; – волновое сопротивление распределённой RC-структуры; – коэффициент распространения (, – круговая частота, и – эквивалентные сопротивление и емкость распределённой RC-структуры.

Решая матричное уравнение (1) и, учитывая, что элемент а₂₂=1, а коэффициент распространения представим как , получим в результате выражения для действительной и мнимой частей следующего вида:

, (2,а)

. (2,б)

Границу устойчивости автоколебаний определяет параметр . Для обеспечения устойчивости автоколебаний необходимо, чтобы выполнялся баланс фаз и баланс амплитуд. Этому условию отвечает и .

Для расчетов примем , . Тогда частота автоколебаний будет определяться как

, (3)

где - частота генератора в момент измерения, Гц.

Отсюда получим

. (4)

Фазовый сдвиг δ находят следующим образом. Тангенс угла сдвига вектора тока относительно вектора напряжения определяют по формуле, приведённой в книге «Измерения в промышленности. Справочник.Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359

(5)

Подставляя в это выражение формулу (4), получим

(6)

где f – заданная частота гармонического сигнала, Гц.

Отсюда фазовый сдвиг δ находят по формуле

(7)

Частота генератора соответствует частоте автоколебаний генератора, при которой тангенс угла диэлектрических потерь =.

При этом δ = 2,9 градуса.

Следует отметить, что предлагаемый способ может быть использован для определения других характеристик распределённой RC-структуры. По формуле (6) можно определять тангенс угла диэлектрических потерь и другие электрофизические параметры распределённой RC-структуры.

Заявляемый способ может быть реализован устройством, схема которого представлена на фиг. 1, где обозначено:

1 – генератор;

2 – распределенная RC-структура;

3, 4 – первый и второй зонды;

5 – операционный усилитель;

6 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

7 – согласующее устройство;

8 – персональная ЭВМ (ПЭВМ).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор 1, состоящий из операционного усилителя 5, в отрицательную обратную цепь которого через два зонда 3 и 4 подключена распределенная RC-структура 2. При этом выход операционного усилителя 5, являющийся выходом генератора 1, соединен с входом АЦП 6, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом согласующего устройства 7, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом ПЭВМ 8.

Устройство работает следующим образом.

Распределённая RC-структура 2 через зонды 3 и 4 подключена в отрицательную обратную цепь операционного усилителя 5, что обеспечивает появление гармонического сигнала на его выходе. Гармонический сигнал представляет собой унитарный код, соответствующий частоте согласно формуле . В АЦП 6 этот код преобразуется в позиционный код. (Вариант такого АЦП 6 может быть осуществлен, например, по а.с. СССР №706845, G06F 7/02). Сигнал с выхода АЦП 6 через согласующее устройство 7 поступает в ПЭВМ 8, где производится вычисление фазового сдвига по формуле с последующей регистрацией результата измерения.

Технический результат – повышение точности измерения при упрощении процесса измерения фазовых сдвигов распределенной RC-структуры для различных частот гармонического сигнала

Это достигается за счет проведения измерений в один этап, результат измерения получается автоматически в виде частоты генерируемого сигнала с последующим пересчетом на ПЭВМ на искомые частоты фазовых сдвигов.