RU2366962C2 - Method for remote measurement of dipole impedance - Google Patents
Method for remote measurement of dipole impedance Download PDFInfo
- Publication number
- RU2366962C2 RU2366962C2 RU2007132707/28A RU2007132707A RU2366962C2 RU 2366962 C2 RU2366962 C2 RU 2366962C2 RU 2007132707/28 A RU2007132707/28 A RU 2007132707/28A RU 2007132707 A RU2007132707 A RU 2007132707A RU 2366962 C2 RU2366962 C2 RU 2366962C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bridge
- measured
- voltage
- measuring
- conductivity
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике электрических измерений сопротивления, емкости, индуктивности и их комбинаций (двухполюсники) и может быть использовано при изготовлении широкого класса приборов, в которых измеряемая физическая величина, например давление, температура, электрическая проводимость жидкости или газа, содержание воды в диэлектрических жидкостях, влажность газообразных или сыпучих объектов, уровень жидкости в емкостях и т.д., сводится к измерению величины сопротивления, емкости, индуктивности или комплексного импеданса некоторой их комбинации, в особенности, когда измеряемый объект находится на некотором удалении от измерительного прибора.The invention relates to techniques for electrical measurements of resistance, capacitance, inductance and their combinations (bipolar) and can be used in the manufacture of a wide class of devices in which a measured physical quantity, such as pressure, temperature, electrical conductivity of a liquid or gas, water content in dielectric liquids, the humidity of gaseous or bulk objects, the liquid level in containers, etc., is reduced to measuring the value of resistance, capacitance, inductance or complex impedance otorrhea combinations thereof, in particular when the object to be measured is located at some distance from the measuring device.
Одним из способов измерения параметров импеданса пассивного двухполюсника является измерение протекающего через него переменного тока при подсоединении двухполюсника к генератору известного переменного напряжения (патент JP 56126769 опубл. 1981-10-05, кл. G01R 27/02), см. Фиг.1.One way to measure the impedance parameters of a passive two-terminal device is to measure the alternating current flowing through it when connecting the two-terminal device to a known alternating voltage generator (patent JP 56126769 publ. 1981-10-05, class G01R 27/02), see FIG. 1.
С помощью генератора 9 подают известное переменное синусоидальное напряжение амплитудой U0 на измеряемый двухполюсник 7 с неизвестным комплексным импедансом Z, амперметром 10 измеряют комплексный ток I0. Комплексную проводимость 
Более точные измерения параметров двухполюсников обычно делают с помощью мостовых схем (мостов), в частности трансформаторных мостов переменного тока (см., например, патент GB 735915, опубл. 1955-08-31, кл. G01R 17/00).More accurate measurements of the parameters of two-terminal devices are usually done using bridge circuits (bridges), in particular transformer bridges of alternating current (see, for example, patent GB 735915, publ. 1955-08-31,
Трансформаторный мост с индуктивным компаратором тока показан на Фиг.2.A transformer bridge with an inductive current comparator is shown in FIG. 2.
Такой трансформаторный мост состоит из двух магнитопроводов 11 и 12, на каждом из которых намотаны по три обмотки. Магнитопровод 11 с обмотками 1, 2, 3 служит для подачи переменного напряжения с генератора 9, подсоединенного к входной обмотке 1, на измеряемую нагрузку 7 (измеряемый двухполюсник) и опорную нагрузку 8 (опорный двухполюсник). Магнитопровод 12 с обмотками 4, 5, 6 образует компаратор (сумматор) токов. Ток сравнения регистрируется гальванометром 10. Обмотки 2 и 4, соединенные друг с другом и с измеряемым двухполюсником 7, образуют измерительное плечо моста. Обмотки 3 и 5, соединенные друг с другом и с опорным двухполюсником 8 образуют опорное плечо моста. При этом обмотки 3 и 5 соединены друг с другом таким образом, чтобы при равенстве импедансов нагрузок 7 и 8 магнитные потоки в магнитопроводе 12, созданные обмотками 4 и 5 компенсировали друг друга. Выходная обмотка 6 подсоединена к гальванометру 10, который регистрирует сигнал разбаланса плеч. В процессе измерения параметры импеданса Z0 опорного двухполюсника 8 подбирают так, чтобы сигнал разбаланса был равен нулю. Импеданс Z измеряемого двухполюсника 7 при этом будет равен импедансу Z0 опорного двухполюсника 8.Such a transformer bridge consists of two
В большом количестве практических приложений измеряемый двухполюсник можно подключить к измерительному прибору только с помощью проводов некоторой длины, другими словами - с помощью соединительной линии (кабель, витая пара и др.). В этом случае полезная нагрузка Z оказывается подсоединена к измеряемому прибору не прямо, как показано на Фиг.3а, а посредством кабеля. При не слишком длинном кабеле, когда его волновыми свойствами еще можно пренебречь, такое подсоединение можно представить в виде, показанном на Фиг.3б, где Z - импеданс полезной нагрузки, a Z1, Z2 - импедансы кабеля. Ориентировочно, такое ограничение на частоте 30 кГц соответствует длине кабеля L<<10 км. В этом приближении обычно |Z1|<<|Z2|.In a large number of practical applications, the measured two-terminal can be connected to the measuring device only using wires of a certain length, in other words, using a connecting line (cable, twisted pair, etc.). In this case, the payload Z is connected to the measured device not directly, as shown in Fig. 3a, but via a cable. If the cable is not too long, when its wave properties can still be neglected, such a connection can be represented in the form shown in Fig.3b, where Z is the impedance of the payload, and Z 1 , Z 2 are the impedances of the cable. Tentatively, such a limitation at a frequency of 30 kHz corresponds to a cable length L << 10 km. In this approximation, usually | Z 1 | << | Z 2 |.
Таким образом, при наличии соединительной линии в соответствии со схемой, изображенной на Фиг.3б, измеряемая проводимость 
По отношению к переменной |Z| при условии |Z1|<<|Z2| возможны три случая.In relation to the variable | Z | provided | Z 1 | << | Z 2 | three cases are possible.
1. Выполняется двойное неравенство |Z1|<<|Z|<<|Z2|.1. The double inequality | Z 1 | << | Z | << | Z 2 |
В этом случае величина ρизм будет близка к ρ и погрешность измерения, связанная с измерительной линией мала. Это реализуется лишь при очень коротких соединительных проводах, во многих случаях этому условию удовлетворяют провода длиной всего лишь несколько сантиметров.In this case, the value of ρ ISM will be close to ρ and the measurement error associated with the measurement line is small. This is realized only with very short connecting wires; in many cases, only a few centimeters long satisfy this condition.
2. Измеряемый импеданс Z мал, т.е. неравенство |Z|<<|Z2| выполняется, а неравенство |Z1|<<|Z| не выполняется.2. The measured impedance Z is small, i.e. inequality | Z | << | Z 2 | holds, and the inequality | Z 1 | << | Z | not executed.
В этом случае измеряемой величиной проводимости становится 
3. Измеряемый импеданс Z велик, т.е. верным является неравенство |Z1|<<|Z|,а неравенство |Z|<<|Z2| неверно.3. The measured impedance Z is large, ie the inequality | Z 1 | << | Z | is true, and the inequality | Z | << | Z 2 | wrong.
В этом случае измеряемой величиной проводимости становится 
При 
Проблема измерения малой проводимости по переменному току полезной нагрузки на фоне большой проводимости соединительной линии, является очень распространенной и встречается в целом ряде практических приложений: измерение содержания воды в диэлектрических жидкостях, уровня жидкостей в емкостях, влажности сыпучих и газообразных объектов, измерение давления, температуры и т.д.The problem of measuring the low conductivity of the alternating current of the payload against the background of the high conductivity of the connecting line is very common and is encountered in a number of practical applications: measuring the water content in dielectric liquids, the level of liquids in tanks, the humidity of bulk and gaseous objects, measuring pressure, temperature and etc.
Предшествующий уровень техники.The prior art.
Существующие способы уменьшения влияния проводимости 
Более общим, но лишь в редких случаях применимым способом выделения малого сигнала на фоне большого является модуляция измеряемой величины каким-либо параметром. Например, в спектрометрах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) (Физическая энциклопедия, т.5, М., «Большая Российская энциклопедия», 1998, стр.675) поглощение ядрами атомов электрической мощности происходит только при некотором значении внешнего магнитного поля. Таким образом, измеряемую величину (поглощение ядрами электрической мощности) оказывается возможным "включать" и "выключать", т.е. модулировать, слегка изменяя величину внешнего магнитного поля. Измеряемая величина превращается, таким образом, в переменное электрическое напряжение с частотой, равной частоте модуляции. Для ее выделения используется известная техника усиления, синхронного детектирования и фильтрации.A more general, but only in rare cases, applicable method of isolating a small signal from a large one is modulation of the measured value by some parameter. For example, in nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometers (Physical Encyclopedia, Vol. 5, M., Big Russian Encyclopedia, 1998, p. 675), the absorption of electric power by atomic nuclei occurs only at a certain value of the external magnetic field. Thus, the measured value (absorption by the cores of electric power) is possible to "turn on" and "turn off", i.e. modulate by slightly changing the magnitude of the external magnetic field. The measured value is thus converted into alternating voltage with a frequency equal to the modulation frequency. A well-known technique of amplification, synchronous detection and filtering is used to isolate it.
В подавляющем большинстве случаев такой способ выделения малого сигнала на фоне большого неприменим по причине невозможности осуществить модуляцию. Нельзя, к примеру, в случае измерения содержания воды в диэлектрической жидкости диэлькометрическим методом, т.е. по изменению емкости конденсатора "включать" и "выключать" влияние воды на емкость конденсатора. При измерении давления емкостным датчиком крайне сложно "включать" и "выключать" измеряемое давление. При измерении проводимости жидкости невозможно "включать" и "выключать" наличие этой проводимости.In the vast majority of cases, this method of isolating a small signal against a large background is not applicable because of the impossibility of modulation. It is impossible, for example, in the case of measuring the water content in a dielectric liquid by the dielcometric method, i.e. by changing the capacitance of the capacitor, “turn on” and “turn off” the effect of water on the capacitance of the capacitor. When measuring pressure with a capacitive sensor, it is extremely difficult to "turn on" and "turn off" the measured pressure. When measuring the conductivity of a liquid, it is impossible to “turn on” and “turn off” the presence of this conductivity.
Ближайшим аналогом заявляемого способа можно считать способ определения уровня диэлектрического вещества (патент RU 2262669, опубл. 2005.10.20, кл. G01F 23/26, G01R 17/00), в котором измеряемый объект находится на значительном удалении (500 м) от измерительного прибора.The closest analogue of the proposed method can be considered a method for determining the level of dielectric substance (patent RU 2262669, publ. 2005.10.20, class G01F 23/26, G01R 17/00), in which the measured object is located at a considerable distance (500 m) from the measuring device .
Для решения этой задачи был использован емкостной датчик уровня. Эквивалентная схема (схема замещения) емкостного датчика уровня представляет собой параллельное соединение емкости, зависящей от диэлектрической проницаемости вещества, и активного сопротивления, зависящего от его омической проводимости. При наличии длинных соединительных проводов (500 м) существенную роль играет их емкость, влияние которой (фоновый сигнал) на результаты измерений необходимо исключать.To solve this problem, a capacitive level sensor was used. An equivalent circuit (equivalent circuit) of a capacitive level sensor is a parallel connection of the capacitance, which depends on the dielectric constant of the substance, and the active resistance, which depends on its ohmic conductivity. In the presence of long connecting wires (500 m), their capacitance plays a significant role, the influence of which (background signal) on the measurement results must be excluded.
Для измерения уровня диэлектрического вещества способом, исключающим влияние длинной линии на результат изменения, проводят следующую совокупность измерений. Прикладывая переменное синусоидальное напряжение некоторой известной частоты к известному опорному сопротивлению, измеряют величину текущего по нему переменного тока. Прикладывая то же напряжение к соединительной линии, подсоединенной на другом конце к емкостному датчику уровня, снова измеряют величину переменного тока. Такие же измерения делают на другой, также известной, частоте. Записывают систему уравнений, из которой определяют сумму емкостей линии и емкостного датчика уровня, а также сопротивление датчика. Имея предварительно проведенные измерения этих параметров для пустого и полностью заполненного веществом датчика, определяют степень заполнения датчика (уровень диэлектрического вещества).To measure the level of dielectric substance in a way that excludes the influence of a long line on the result of the change, the following set of measurements is carried out. Applying an alternating sinusoidal voltage of a certain known frequency to a known reference resistance, measure the magnitude of the alternating current flowing through it. Applying the same voltage to a connecting line connected at the other end to a capacitive level sensor, the magnitude of the alternating current is measured again. The same measurements are made at another, also known, frequency. The system of equations is written, from which the sum of the line capacitance and the capacitive level sensor is determined, as well as the sensor resistance. Having previously made measurements of these parameters for an empty and completely filled with a sensor substance, determine the degree of filling of the sensor (level of dielectric substance).
К недостаткам аналога можно отнести следующее.The disadvantages of the analogue include the following.
Во-первых, такой способ предполагает конкретную схему замещения и потому неприменим при других схемах замещения, либо при их отсутствии, т.е. в ситуации, когда мы не знаем, что представляет из себя измеряемый двухполюсник.Firstly, this method involves a specific equivalent circuit and therefore is not applicable to other equivalent circuits, or in their absence, i.e. in a situation where we do not know what a measured two-terminal network is.
Во-вторых, поскольку для получения измеряемых величин емкости и сопротивления необходима совокупность измерений, включающая измерение с незаполненным датчиком, то время проведения всей совокупности измерений достаточно велико (сравнимо с временем заполнения датчика веществом). За это время могут измениться параметры соединительной линии.Secondly, since in order to obtain the measured values of capacitance and resistance, a set of measurements is required, including measurement with an empty sensor, the time taken for the entire set of measurements is quite large (comparable to the time the sensor fills with a substance). During this time, trunk parameters may change.
Кроме того, этот способ предназначен для измерения изменения емкости датчика вследствие его заполнения веществом, а не для измерения самой величины его емкости.In addition, this method is designed to measure changes in the capacitance of the sensor due to its filling with a substance, and not to measure the value of its capacitance itself.
В заявляемом способе измерения импеданса двухполюсника, подключенного к измерительному прибору посредством соединительной линии, на несколько порядков уменьшено время, за которое может происходить неучитываемый дрейф импеданса соединительной линии. При этом измеряемый двухполюсник может быть произвольным. Измеряются в отдельности действительная и мнимая части импеданса двухполюсника.In the inventive method for measuring the impedance of a two-terminal connected to the measuring device by means of a connecting line, the time during which an unaccounted drift of the impedance of the connecting line can occur is reduced by several orders of magnitude. In this case, the measured bipolar can be arbitrary. The real and imaginary parts of the two-terminal impedance are measured individually.
В заявляемом способе устранение фонового сигнала, обусловленного проводимостью по переменному току соединительной линии (кабеля), производится путем поочередного подключения к кабелю и отключения от него полезной нагрузки, с последующим вычитанием получаемых сигналов. Возможность такого поочередного подключения обеспечивается применением моста переменного тока. Сигналы, полученные при наличии полезной нагрузки и в ее отсутствие вычитаются электронной схемой. При таком вычитании происходит уничтожение (подавление) сигнала, обусловленного проводимостью кабеля. Поскольку переключение происходит с относительно большой частотой (~4 кГц), параметры соединительной линии не успевают сколь-нибудь значительно измениться и степень подавления оказывается высокой.In the inventive method, the elimination of the background signal due to the alternating current conductivity of the connecting line (cable) is made by alternately connecting to the cable and disconnecting the payload from it, followed by subtracting the received signals. The possibility of such an alternate connection is provided by using an AC bridge. Signals received in the presence of a payload and in its absence are subtracted by an electronic circuit. With this subtraction, the signal is destroyed (suppressed) due to the conductivity of the cable. Since the switching occurs at a relatively high frequency (~ 4 kHz), the parameters of the connecting line do not have time to change significantly and the degree of suppression is high.
Возможен также такой способ переключения (коммутации), когда к кабелю поочередно подключаются полезная и опорная нагрузки. Тогда измеряемый сигнал пропорционален разности проводимостей полезной и опорной нагрузок. В этом случае фактически реализуется мостовой способ измерения.It is also possible such a method of switching (switching), when the payload and support loads are alternately connected to the cable. Then the measured signal is proportional to the difference between the conductivities of the useful and reference loads. In this case, a bridge measurement method is actually implemented.
В обоих вариантах заявляемого способа происходит подавление фонового сигнала, обусловленного проводимостью соединительных проводов.In both variants of the proposed method, the background signal is suppressed due to the conductivity of the connecting wires.
Измерение двух параметров импеданса (действительной и мнимой частей) произвольного двухполюсника оказывается возможным благодаря тому, что в архитектуру электронной схемы включен синхронный детектор, который, как известно, дает возможность производить измерения при различных фазах управляющего напряжения, что позволяет получать как действительную, так и мнимую части комплексной проводимости ρ или связанного с ней, 
Для получения параметров импеданса или проводимости в соответствующих физических единицах (абсолютных значений параметров) необходима процедура калибровки, в которой измеряется величина выходного сигнала при подключении известного двухполюсника в качестве измеряемого.To obtain the impedance or conductivity parameters in the corresponding physical units (absolute values of the parameters), a calibration procedure is necessary in which the value of the output signal is measured when a known two-terminal device is connected as the measured one.
Технический результат, достигаемый в результате применения настоящего изобретения, заключается в повышении точности измерения параметров импеданса двухполюсников в условиях, когда соединительные провода (линия связи, кабель) оказывают значительное влияние на результаты измерений, а также в возможности проводить измерения импеданса двухполюсников на больших расстояниях от измерительного устройства и/или при наличии нестабильности параметров линии связи, когда традиционные измерения были бы крайне затруднены.The technical result achieved by the application of the present invention is to improve the accuracy of measuring the impedance of two-pole under conditions when the connecting wires (communication line, cable) have a significant impact on the measurement results, as well as the ability to measure the impedance of two-pole at large distances from the measuring devices and / or in the presence of instability of the parameters of the communication line, when traditional measurements would be extremely difficult.
Технический результат достигается за счет того, что используют трансформаторный мост, обмотки измерительного плеча моста посредством линии связи подключают к полезной и опорной нагрузкам и ключу, осуществляют ключом поочередное подключение и отключение полезной нагрузки или поочередное подключение полезной и опорной нагрузок, получают на выходной обмотке моста переменное напряжение, модулированное по амплитуде в соответствии с временным законом переключения ключа, регистрирующей частью электронной схемы осуществляют усиление, первичное синхронное детектирование на несущей частоте моста, вторичное синхронное детектирование согласно временному закону работы ключа и фильтрацию, фиксируют напряжение, пропорциональное действительной или мнимой частям комплексной проводимости измеряемой нагрузки на частоте работы моста, или разности действительных или мнимых частей комплексных проводимостей полезной и опорной нагрузок, в зависимости от фазы управляющего напряжения первичного синхронного детектора и режима работы ключа.The technical result is achieved due to the fact that they use a transformer bridge, the windings of the measuring arm of the bridge are connected through the communication line to the useful and supporting loads and the key, the key is used to alternately connect and disconnect the useful load or to connect the useful and basic loads one by one, they obtain a variable on the output winding of the bridge the voltage modulated in amplitude in accordance with the temporary law of switching the key, the recording part of the electronic circuit is amplified primary synchronous detection at the carrier frequency of the bridge, secondary synchronous detection according to the temporal law of the key and filtering, fix the voltage proportional to the real or imaginary parts of the complex conductivity of the measured load at the frequency of the bridge, or the difference of the real or imaginary parts of the complex conductivities of the useful and reference loads, in depending on the phase of the control voltage of the primary synchronous detector and the key operating mode.
А также тем, что управление ключом синхронизируют по фазе с генератором, питающим мост.As well as the fact that key management is synchronized in phase with the generator supplying the bridge.
А также тем, что используют, по меньшей мере, два измерительных плеча, каждое из которых соединяют отдельной измерительной линией со своими полезной и опорной нагрузками и, по меньшей мере, два опорных плеча, к каждому из которых подключают свою опорную нагрузку моста, поочередно ключами подсоединяют к магнитопроводам требуемые измерительные и опорные плечи и производят измерения.And also the fact that at least two measuring arms are used, each of which is connected by a separate measuring line to its useful and supporting loads and at least two supporting arms, each of which is connected to its own bridge supporting load, alternately with keys connect the required measuring and supporting arms to the magnetic cores and make measurements.
А также тем, что осуществляют калибровку выходного напряжения с возможностью получения параметров импеданса или проводимости в соответствующих физических единицах, для чего подключают двухполюсник с известным импедансом в качестве измеряемого и фиксируют величину выходного сигнала.And also by calibrating the output voltage with the possibility of obtaining impedance or conductivity parameters in the corresponding physical units, for which a two-terminal device with known impedance is connected as a measured one and the value of the output signal is fixed.
А также тем, что в качестве измеряемого двухполюсника используют двухполюсник, находящийся под воздействием поляризующего напряжения и/или магнитного поля, или сам двухполюсник является источником напряжения.And also by the fact that as a measured two-terminal, use a two-terminal under the influence of a polarizing voltage and / or magnetic field, or the two-terminal itself is a voltage source.
Описание изобретения иллюстрируется следующими фигурами:The description of the invention is illustrated by the following figures:
Фиг.1 - схема простейшего способа измерения импеданса двухполюсника;Figure 1 - diagram of the simplest method of measuring the impedance of a two-terminal network;
Фиг.2 - общий вид трансформаторного моста;Figure 2 - General view of the transformer bridge;
Фиг.3а - полезная нагрузка;Figa - payload;
Фиг.3б - полезная нагрузка, подключенная посредством кабеля;Figb - payload connected via cable;
Фиг.4 - блок-схема для иллюстрации сущности изобретения;4 is a block diagram to illustrate the invention;
Фиг.5а - векторная диаграмма токов через суммирующие обмоткиFig. 5a is a vector diagram of currents through summing windings.
трансформаторного моста;transformer bridge;
Фиг.5б - вращение фазы опорного напряжения;Fig.5b - phase rotation of the reference voltage;
Фиг.6 - улучшенный вариант блок-схемы.6 is an improved embodiment of a block diagram.
В последующем изложении следует различать опорную нагрузку моста (на Фиг.4 и Фиг.6 обозначена цифрой 8) и опорную нагрузку измерительной линии - 14.In the following statement, it is necessary to distinguish between the supporting load of the bridge (Fig. 4 and 6 are indicated by the number 8) and the supporting load of the measuring line - 14.
Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION
Сущность изобретения проиллюстрирована на Фиг.4, Фиг.5а и Фиг.5б и состоит в следующем.The invention is illustrated in Fig.4, Fig.5A and Fig.5b and consists in the following.
Трансформаторный мост, реализованный на двух раздельных магнитопроводах 11 и 12, состоит из входной обмотки 1, измерительных обмоток 2 и 4 (измерительное плечо), опорных обмоток 3 и 5 (опорное плечо) и выходной обмотки 6. К входной обмотке 1 подключают выход генератора 9 переменного синусоидального напряжения. Измерительные обмотки 2 и 4 соединяют друг с другом и со входом соединительной линии 7, противоположные концы которой соединяют один - с выходом аналогового ключа 10, другой - с полезной нагрузкой 13 и с опорной нагрузкой 14. Полезную нагрузку 13 и опорную нагрузку 14 соединяют также со входами аналогового ключа 10. Опорные обмотки 3 и 5 соединяют друг с другом и с опорной нагрузкой 8 моста таким образом, чтобы часть моста, намотанная на магнитопроводе 12, работала как компаратор (сумматор) токов, т.е. так, чтобы при равенстве комплексных токов в обмотках 2, 4 и 3, 5 выходное напряжение на обмотке 6 было близко к нулю. Измерительное плечо моста (обмотки 2 и 4) может также быть выполнено в виде одной обмотки, витки которой охватывают оба магнитопровода, опорное плечо моста (обмотки 3 и 5) также может быть выполнено в виде одной обмотки, охватывающей оба магнитопровода, так, чтобы при равенстве токов в измерительном и опорном плечах выходное напряжение на обмотке 6 было близко к нулю.The transformer bridge, implemented on two separate
Генератор 9 соединяют со входом фазовращателя 22, выход которого соединяют со входом формирователя 23 управляющих импульсов, выход которого в свою очередь соединяют с управляющим входом первого синхронного детектора 16. Генератор 9 также соединяют со входом формирователя 24 низкочастотных управляющих импульсов, выход которого соединяют с управляющим входом аналогового ключа 10, а также с управляющим входом второго синхронного детектора 19. Выходную обмотку 6 трансформаторного моста соединяют с усилителем 15, выход которого соединяют с первым синхронным детектором 16. Выход первого синхронного детектора 16 соединяют со входом фильтра низких частот 17, выход которого соединяют со входом усилителя 18. Выход усилителя 18 соединяют со входом второго синхронного детектора 19, выход которого соединяют со входом второго фильтра низких частот 20. Выход фильтра низких частот 20 соединяют со входом усилителя 21. Выходное напряжение усилителя 21, являющееся выходным напряжением схемы, пропорционально действительной либо мнимой частям комплексной проводимости измеряемой нагрузки на частоте работы моста либо разности действительных или мнимых частей комплексной проводимости полезной и опорной нагрузок, в зависимости от режима работы ключа и синхронного детектора.The generator 9 is connected to the input of the
Для получения параметров импеданса или проводимости в соответствующих единицах системы измерения, например СИ (абсолютных значений), осуществляют калибровку выходного напряжения, в ходе которой в качестве полезной нагрузки к ключу 10 подсоединяют известное калибровочное сопротивление, либо известную калибровочную емкость и в соответствующем режиме (имеется в виду требуемая фаза управляющего напряжения на синхронном детекторе 16) измеряют напряжение на выходе усилителя 21. После такой калибровки выходное напряжение однозначно связано с абсолютными значениями действительной и мнимой частей комплексной проводимости двухполюсника.To obtain the impedance or conductivity parameters in the appropriate units of the measurement system, for example, SI (absolute values), the output voltage is calibrated, during which, as a payload, a known calibration resistance or a known calibration capacitance is connected to the key 10 in the corresponding mode (available in In view of the required phase of the control voltage at the synchronous detector 16) measure the voltage at the output of the
Изображенная на Фиг.4 схема работает следующим образом.The circuit depicted in FIG. 4 works as follows.
Генератор 9 формирует переменное напряжение синусоидальной формы, которое подается на входную обмотку 1 трансформаторного моста, запитывая мост напряжением несущей частоты.The generator 9 generates an alternating sinusoidal voltage, which is supplied to the input winding 1 of the transformer bridge, supplying the bridge with voltage of the carrier frequency.
На фиг.5а изображена векторная диаграмма токов, текущих через суммирующие обмотки 4 и 5 трансформаторного моста. Входное напряжение генератора обозначено горизонтальным вектором
После усиления сигнала операционным усилителем 15 сигнал детектируется синхронным детектором 16. Синусоидальное напряжение генератора 9 сдвигается по фазе фазовращателем 22, после чего формирователь 23 формирует из него напряжение прямоугольной формы и подает на управляющий вход синхронного детектора 16. Вращение фазы напряжения 
Выходное напряжение генератора 9 подается также на формирователь 24 низкочастотных импульсов, который делит частоту генератора и формирует переменное напряжение прямоугольной формы с частотой меньше, чем частота генератора 9. При этом переменное напряжение на выходе формирователя 24, управляющее синхронным детектором 19, синхронизовано по фазе с выходным напряжением генератора 9. Такая синхронизация позволяет избежать влияния на измеряемую величину переходных процессов, имеющих место непосредственно после переключений ключа. Выходное напряжение формирователя 24 низкочастотных импульсов подается на вход аналогового ключа 10 и на управляющий вход второго синхронного детектора 19. Аналоговый ключ 10, в соответствии с полярностью поступающих на него импульсов, поочередно подключает к кабелю и отключает от него полезную нагрузку.The output voltage of the generator 9 is also supplied to the
Рассмотрим два случая, в одном из которых измеряется действительная, а в другом - мнимая части проводимости измеряемого двухполюсника.We consider two cases, in one of which the real is measured, and in the other is the imaginary part of the conductivity of the measured two-terminal network.
1. Выходное напряжение фазовращателя 22 по направлению совпадает с осью х.1. The output voltage of the
В этом случае на вход синхронного детектора 19 поступает переменный низкочастотный сигнал с размахом (двойной амплитудой), равным k1(
2. Выходное напряжение фазовращателя 22 по направлению совпадает с осью у. В этом случае, рассматривая подобно случаю 1 получаем, что выходное напряжение усилителя постоянного тока 21 будет пропорционально 
Таким образом, проведя измерения при двух значениях фазы управляющего напряжения синхронного детектора 16, мы получаем как действительную, так и мнимую части комплексной проводимости ρ измеряемого двухполюсника.Thus, by measuring at two values of the phase of the control voltage of the
После уже описанной процедуры калибровки мы получаем абсолютные значения действительной и мнимой частей проводимости. Действительные и мнимые части импеданса легко находятся из соотношения 
Измеряемый двухполюсник может быть как пассивным, так и активным, т.е. находящимся под воздействием поляризующих напряжений, магнитных полей, или сам являться источником напряжения. При этом будет измеряться дифференциальная проводимость на частоте работы моста.The measured bipolar can be either passive or active, i.e. being under the influence of polarizing stresses, magnetic fields, or itself is a source of voltage. In this case, differential conductivity will be measured at the frequency of operation of the bridge.
Заявляемый способ может также быть использован для измерения параметров нескольких полезных нагрузок, используя одну электронную схему. Для этого необходимо переключать измерительные обмотки 2 и 4 моста к кабелям, идущим к разным нагрузкам, опорные обмотки 3 и 5 - к соответствующим разным опорным двухполюсникам моста и, возможно, корректировать коэффициент усиления схемы. С такой задачей справится микропроцессор, который также может производить последовательный опрос каналов изменения и оцифровывать получаемые напряжения, формировать вместо формирователей 23 и 24 управляющие импульсы, выполнять роль фазовращателя 22, а также осуществлять связь с компьютером. Использование одной электронной схемы, дистанционно опрашивающей несколько датчиков, значительно увеличивает возможности измерительной системы, поскольку гораздо проще в необходимых точках контроля размещать датчики, а не полноценные измерительные приборы. Это уменьшает стоимость измерительной системы и увеличивает ее возможности, оставляя высоким потенциал модернизации.The inventive method can also be used to measure the parameters of several payloads using one electronic circuit. To do this, it is necessary to switch the measuring
Пример реализации.Implementation example.
Рассмотрим заявляемый способ измерения на не исчерпывающем примере схемы измерения малых емкостей (~30 пФ) на удалении 20 м от измерительного прибора. В качестве соединительных проводов взят обычный кабель типа «витая пара» пятой категории, содержащий 4 неэкранированные витые пары. Одна из витых пар использована для соединения с ключом и нагрузкой, другие - для управления ключом и для его питания. Емкость между проводами такой витой пары (50 пФ/м) при длине кабеля 20 м приблизительно равна 1000 пФ.Consider the inventive method of measurement on a non-exhaustive example of a scheme for measuring small capacitances (~ 30 pF) at a distance of 20 m from the measuring device. As the connecting wires, we used a regular cable of the twisted pair type of the fifth category, containing 4 unshielded twisted pairs. One of the twisted pairs is used to connect to the key and the load, the other to control the key and to power it. The capacitance between the wires of such a twisted pair cable (50 pF / m) with a cable length of 20 m is approximately 1000 pF.
Трансформаторный мост изготовлен на основе двух ферритовых колец. В качестве опорной нагрузки 8 (в данном случае емкости) взят конденсатор емкостью 1000 пФ. Генератор синусоидального напряжения частотой 60 кГц собран на высокочастотном n-р-n транзисторе по схеме емкостной трехточки. Усилители 15, 18 и 21 представляют собой операционные усилители УД608 с соответствующей обвязкой. В качестве аналогового ключа 10 взята микросхема ADG419 фирмы Analog Devices. Синхронные детекторы 16 и 19 изготовлены на базе операционных усилителей УД608, работающих в качестве инверторов и аналоговых ключей ADG419. Фильтр 19 низких частот выполнен в виде RC-цепочки с постоянной времени 0.1 с. Фильтр 17 низких частот отсутствует. Фазовращатель 22 представляет собой дифференцирующую RC-цепочку. Формирователь 23 импульсов выполнен на микросхеме КР1533ЛА3. Формирователь 24 импульсов представляет собой делитель на 16 частоты генератора 9, выполненный на микросхеме К555ИЕ5.The transformer bridge is made on the basis of two ferrite rings. A capacitor with a capacity of 1000 pF was taken as the reference load 8 (in this case, capacitance). A 60 kHz sinusoidal voltage generator is assembled on a high-frequency npn transistor according to a three-point capacitive circuit.
В процедуре калибровки при подсоединении в качестве измеряемой емкости 20 пФ выходное напряжение усилителя 21 составило 5.0 В. Максимально возможное напряжение на выходе усилителя 21 в данной схеме составило 12 В, что соответствует емкости 50 пФ. Нулевое напряжение на выходе усилителя 21 соответствует нулевой подключаемой емкости. Дрейф нулевого уровня за 20 минут составил 20 мВ, что соответствует изменению емкости 0.08 пФ. Напряжение низкочастотных шумов равно 2.5 мВ, или, в единицах емкости, -0.01 пФ. Эти параметры примерно соответствуют параметрам измерителей емкости, у которых измеряемая емкость подсоединена к измерительному прибору без использования длинного кабеля.In the calibration procedure, when connected as a measured capacitance of 20 pF, the output voltage of
В рассмотренной выше схеме происходит уничтожение слагаемых, пропорциональных проводимости кабеля и опорного двухполюсника. В действительности же происходит лишь их подавление в некоторое число раз. В рассматриваемой схеме изменение опорной емкости моста на 20 пФ приводит к изменению выходного сигнала на величину, соответствующую 0.04 пФ, другими словами, рассматриваемый коэффициент подавления равен 20/0.04=500. Это означает, что, если при измерении емкости 20 пФ без применения заявляемого способа можно было бы допустить использование кабеля длиной, например, 0.4 м, то использование заявляемого способа позволяет иметь кабель длиной 200 м (0.4 м·500).In the scheme considered above, the terms proportional to the conductivity of the cable and the supporting two-terminal network are destroyed. In reality, only their suppression occurs several times. In the scheme under consideration, a change in the reference capacitance of the bridge by 20 pF leads to a change in the output signal by a value corresponding to 0.04 pF, in other words, the considered suppression coefficient is 20 / 0.04 = 500. This means that if, when measuring a capacitance of 20 pF, without using the proposed method, it would be possible to use a cable with a length of, for example, 0.4 m, then using the proposed method allows you to have a cable with a length of 200 m (0.4 m · 500).
Емкость 20 пФ выбрана для испытаний потому, что емкостью такого порядка могут обладать датчики уровня жидких и сыпучих веществ, датчики диэлькометрических влагомеров, емкостные измерители давления, температуры, перемещения и т.д.The capacitance of 20 pF was chosen for testing because the level sensors of liquid and granular substances, the sensors of dielcometric moisture meters, capacitive meters of pressure, temperature, displacement, etc., can possess a capacity of this order.
Значительным улучшением схемы (см. Фиг.6) будет являться использование микросхемы FPGA 22 (программируемая логическая матрица) совместно с цифроаналоговым преобразователем 23 в качестве источника опорного напряжения моста, формирователей управляющих импульсов и фазовращателя; и микропроцессора 23 для управления фазой опорных напряжений и коэффициентом усиления схемы, оцифровки выходного напряжения, связи с компьютером, а также, в случае работы схемы в многоканальном варианте, для управления коммутацией соединительных линий и опорных нагрузок.A significant improvement of the circuit (see Fig. 6) will be the use of FPGA 22 (programmable logic array) in conjunction with a digital-to-analog converter 23 as a source of reference voltage for the bridge, control pulse shapers, and a phase shifter; and a microprocessor 23 for controlling the phase of the reference voltages and the gain of the circuit, digitizing the output voltage, communicating with the computer, and also, in the case of a multi-channel circuit, for controlling switching of connecting lines and reference loads.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007132707/28A RU2366962C2 (en) | 2007-08-30 | 2007-08-30 | Method for remote measurement of dipole impedance |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007132707/28A RU2366962C2 (en) | 2007-08-30 | 2007-08-30 | Method for remote measurement of dipole impedance |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007132707A RU2007132707A (en) | 2009-03-10 |
| RU2366962C2 true RU2366962C2 (en) | 2009-09-10 |
Family
ID=40528149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007132707/28A RU2366962C2 (en) | 2007-08-30 | 2007-08-30 | Method for remote measurement of dipole impedance |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2366962C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2449295C1 (en) * | 2010-12-13 | 2012-04-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method for bipole parameters determination |
| RU2488783C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-07-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method for determining level of dielectric substance |
| RU167477U1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-01-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | DEVICE FOR REGISTRATION OF VARIABLE PASSIVE DOUBLE-POLE PARAMETERS |
-
2007
- 2007-08-30 RU RU2007132707/28A patent/RU2366962C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2449295C1 (en) * | 2010-12-13 | 2012-04-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method for bipole parameters determination |
| RU2488783C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-07-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method for determining level of dielectric substance |
| RU167477U1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-01-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | DEVICE FOR REGISTRATION OF VARIABLE PASSIVE DOUBLE-POLE PARAMETERS |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007132707A (en) | 2009-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10139432B2 (en) | Methods and systems relating to improved AC signal performance of dual stage transformers | |
| US7511468B2 (en) | Harmonics measurement instrument with in-situ calibration | |
| US9063184B2 (en) | Non-contact current-sensing and voltage-sensing clamp | |
| US11538628B2 (en) | Self calibration by signal injection | |
| EP2745121B1 (en) | An adaptive voltage divider with corrected frequency characteristic for measuring high voltages | |
| JP7070969B2 (en) | Crosstalk calibration for multi-channel systems | |
| CN104246517B (en) | The device for being used to measure electric current of current transducer with Rogovski type | |
| JP2018504605A (en) | Electronic integrator for Rogowski coil sensor | |
| CN108089142A (en) | Detection circuit, method and the electric energy computation chip of bleeder circuit parameter | |
| Martins et al. | Nonintrusive energy meter for nontechnical losses identification | |
| RU2366962C2 (en) | Method for remote measurement of dipole impedance | |
| US5532590A (en) | Apparatus for measuring circuit parameters wherein errors due to transmission lines are prevented | |
| De Vries et al. | A sensitive and rapid bridge for the study of magnetic susceptibilities at frequencies from 200 to 10 6 Hz | |
| US20050075076A1 (en) | Method and apparatus for measuring impedance of electrical component under high interference conditions | |
| CN103261918B (en) | Line probers | |
| Schäck | High-precision measurement of strain gauge transducers at the physical limit without any calibration interruptions | |
| GB2559260A (en) | Rogowski current sensor with active capacitance compensation | |
| CN105353194B (en) | The voltage sampling apparatus of three-phase isolated neutral system | |
| CN207867017U (en) | The detection circuit and electric energy computation chip of bleeder circuit parameter | |
| Mohns et al. | A current clamp based high voltage monitoring system | |
| Liu et al. | A novel method for measuring current derivative signal with closed loop hall-effect current sensor | |
| Houtzager et al. | Development of a wide-range sampling impedance ratio bridge | |
| WO2017129807A1 (en) | Method and system for measuring a primary current through a transmission line | |
| NO830418L (en) | FOUCAULTSTROEM PROCEDURE CIRCUIT. | |
| Slomovitz et al. | A simple implementation of a low power-factor wattmeter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150831 |