RU2777309C1 - Device for remote impedance measurement - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical measurements and can be used for remote measurements of impedance. The device for remote impedance measurement contains an auto-balancing bridge consisting of a measuring voltage generator, a voltmeter connected to this generator and controlling its voltage, a current-to-voltage converter from an amplifier with resistive parallel negative feedback and a vector voltmeter measuring the output voltage module of the amplifier and its phase shift relative to the voltage measured by the said voltmeter, two measuring terminals and matching resistors with the same resistances, connecting line of identical coaxial cables, connected by the input to the measuring terminals, a measuring cell at the output of the connecting line for connecting the measured object, containing two electrically shielded clips from each other, the screen of which is connected to the cable screens at the output of the line.

EFFECT: providing remote measurement of impedance using connecting lines of almost any length from cables of ordinary quality, simplifying the measurement process.

1 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано при таких дистанционных измерениях импеданса, когда соединение измеряемого объекта со средством измерений (СИ) представляет собой длинную линию и необходимо считаться с распределенным характером его параметров.The present invention relates to the field of electrical measurements and can be used in such remote impedance measurements, when the connection of the measured object with the measuring instrument (MI) is a long line and it is necessary to take into account the distributed nature of its parameters.

Преимущественно изобретение может использоваться при определении на высоких частотах электрических и магнитных свойств материалов в специальных измерительных ячейках, не стыкующихся непосредственно с СИ общего назначения, и при аналогичных измерениях в условиях, когда на измеряемый объект действуют испытательные факторы, не позволяющие разместить его рядом с СИ (и оператором). Кроме того, его можно использовать при дистанционном контроле, с помощью датчиков, различных объектов и/или процессов, характеристики которых могут быть представлены компонентами электрического импеданса.The invention can be mainly used in determining the electrical and magnetic properties of materials at high frequencies in special measuring cells that do not interface directly with a general-purpose MI, and in similar measurements under conditions when test factors act on the object being measured, which do not allow placing it next to the MI ( and operator). In addition, it can be used for remote monitoring, using sensors, of various objects and/or processes, the characteristics of which can be represented by electrical impedance components.

Из опубликованных информационных источников известны устройства для дистанционного измерения импеданса, в которых реализованы разные методы измерений и разные подходы к нейтрализации влияния длинной соединительной линии на результат измерения.From published information sources, devices for remote impedance measurement are known, in which different measurement methods and different approaches are implemented to neutralize the influence of a long connecting line on the measurement result.

В устройстве согласно авторскому свидетельству СССР № 497527 МПК G01R 17/10, публ. 30.12.1975, которое представляет собой уравновешенный мост, являющийся модификацией четырехплечего моста, используется соединительная линия из двух коаксиальных кабелей. Измеряемый объект с искомым импедансом (Z_x) включен посредством нее в измерительное плечо. При этом фактически измеряемый импеданс (Z'_x), равный эквивалентному импедансу этого плеча, выражается следующим образом:In the device according to the author's certificate of the USSR No. 497527 IPC G01R 17/10, publ. 12/30/1975, which is a balanced bridge, which is a modification of the four-arm bridge, a connecting line of two coaxial cables is used. The measured object with the desired impedance (Z _x ) is included through it in the measuring arm. In this case, the actually measured impedance (Z' _x ), equal to the equivalent impedance of this arm, is expressed as follows:

где K и М – комплексные, в общем случае, величины, определяемые только характеристиками кабелей. Следует отметить, что уравнение (1) справедливо при любых степенях неоднородности кабелей и их неиндентичности друг другу. where K and M are complex, in the general case, quantities determined only by the characteristics of the cables. It should be noted that equation (1) is valid for any degree of heterogeneity of cables and their non-identity to each other.

Образцовый объект включен в плечо сравнения через два элемента с регулируемыми импедансами, образующих с ним трехлучевую звезду. Величины этих импедансов установлены так, что эквивалентный импеданс плеча сравнения (Z'_о) равен: The exemplary object is included in the comparison arm through two elements with adjustable impedances, forming a three-beam star with it. The values of these impedances are set so that the equivalent impedance of the comparison arm (Z' _o ) is equal to:

где N – отношение импедансов элементов, образующих плечи отношения. where N is the ratio of the impedances of the elements that form the arms of the ratio.

В результате, при выполнении условия равновесия:As a result, when the equilibrium condition is met:

получается:it turns out:

и искомый импеданс определяется, с учетом N, по импедансу образцового объекта. and the desired impedance is determined, taking into account N, from the impedance of the reference object.

Установка необходимых величин регулируемых импедансов, составляющая предварительную настройку моста, выполняется по достижению его равновесия в два этапа: сначала, при коротком замыкании (КЗ) точек подключения измеряемого объекта и Z_o=0, а затем при нагружении линии эталоном – объектом с точно известным импедансом. После этого мост позволяет выполнять измерения при отсутствии жестких ограничений по верхней частоте и предельной длине линии.The installation of the required values of adjustable impedances, which is the preliminary adjustment of the bridge, is carried out upon reaching its equilibrium in two stages: first, with a short circuit (short circuit) of the connection points of the measured object and Z _o = 0, and then when the line is loaded with a standard - an object with a precisely known impedance . After that, the bridge allows you to perform measurements in the absence of strict restrictions on the upper frequency and the maximum length of the line.

Основными недостатками данного устройства являются отсутствие учета паразитного импеданса между упомянутыми точками подключения измеряемого объекта, ведущее к дополнительной погрешности измерения при больших |Z_x|, и невозможность измерений в непрерывном частотном диапазоне. Последняя обусловлена, в том числе, и тем, что кабели не согласованы и фактически не нагружены, а значит, при длине линии, равной нечетному числу λ_К/4, где λ_К – длина волны измерительного сигнала в кабеле, модули их входных импедансов становятся очень малыми величинами (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 4-е. «Высшая школа», Москва, 1964, с. 453). При этом замыкаются практически накоротко один из элементов ветки Вагнера и измерительная диагональ, что делает мост неработоспособным. Другая причина состоит в том, что при указанной длине линии и |К|→0. Она подробнее рассмотрена далее.The main disadvantages of this device are the lack of allowance for the parasitic impedance between the mentioned connection points of the measured object, leading to an additional measurement error at large |Z _x |, and the impossibility of measurements in a continuous frequency range. The latter is due, among other things, to the fact that the cables are not matched and are not actually loaded, which means that with a line length equal to an odd number λ _K / 4, where λ _K is the wavelength of the measuring signal in the cable, the modules of their input impedances become very small values (Bessonov L.A. Theoretical Foundations of Electrical Engineering. 4th ed. "Higher School", Moscow, 1964, p. 453). In this case, one of the elements of the Wagner branch and the measuring diagonal are almost short-circuited, which makes the bridge inoperable. Another reason is that for the specified line length and |K|→0. It is discussed in more detail below.

Кроме того, достаточно сложен и трудоемок сам процесс измерения. Поскольку характеристики кабелей, а, следовательно, и значения K и М зависят от частоты, при ее изменении описанную выше настройку надо выполнять заново. Для этого требуются раздельные (по реактивным и активным компонентам) и, как правило, многократные регулировки. Ситуация дополнительно усугубляется из-за необходимости достаточно трудоемкого двойного уравновешивания (с использованием ветки Вагнера) для нейтрализации шунтирования плеч отношения цепями измеряемого и образцового объектов. Автоматизация же устройства, которая позволила бы упростить измерение, представляется весьма затруднительной. In addition, the measurement process itself is rather complicated and time-consuming. Since the characteristics of the cables and, consequently, the values of K and M depend on the frequency, when it changes, the adjustment described above must be carried out again. This requires separate (by reactive and active components) and, as a rule, multiple adjustments. The situation is further aggravated due to the need for rather laborious double balancing (using the Wagner branch) to neutralize the shunting of the ratio arms by the chains of the measured and exemplary objects. Automation of the device, which would simplify the measurement, seems to be very difficult.

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство, которое служит основой современных автоматических измерителей импеданса, LCR – метров и аналогичных СИ. Его описание применительно к дистанционным измерениям имеется в издании Agilent PN 4294A. New technologies for accurate impedance measurement (40 Hz to 110 MHz). Product note 5968-4506 E. 2008, November 20. 16 с., выпущенном фирмой Keysight Technologies Inc. (США) под ее прежним названием Agilent Technologies. Издание непосредственно относится к уже снятому с производства прибору 4294А, но его основные положения справедливы и для более новой модели E4990A.Closest to the claimed solution is a device that serves as the basis for modern automatic impedance meters, LCR - meters and similar SI. It is described in relation to remote measurements in Agilent publication PN 4294A. New technologies for accurate impedance measurement (40 Hz to 110 MHz). Product note 5968-4506 E. 2008, November 20. 16 pp., issued by Keysight Technologies Inc. (USA) under its former name Agilent Technologies. The publication refers directly to the now discontinued 4294A, but the basics apply to the newer E4990A as well.

Согласно указанному документу (с. 2, 4, 5, 7, 8), известное устройство содержит автобалансный мост (АБМ), состоящий из генератора измерительного напряжения, вольтметра для контроля напряжения в измерительной цепи, преобразователя тока, протекающего через измеряемый объект, в напряжение из усилителя с резистивной параллельной отрицательной обратной связью (ОС) и векторного вольтметра, измеряющего выходное напряжение этого усилителя (модуль и фазовый сдвиг относительно напряжения, измеряемого упомянутым вольтметром). АБМ имеет также четыре измерительных зажима, к которым подключена соединительная линия из четырех одинаковых коаксиальных кабелей с четырехзажимной измерительной ячейкой для подключения измеряемого объекта на ее выходе. Резистор в петле ОС имеет ступенчато изменяемое сопротивление, задающее поддиапазон измерения. Цепь измеряемого объекта, включающая, кроме него самого, соединительную линию и измерительную ячейку, имеет, так называемую 4TP – конфигурацию, предусматривающую соединение между собой экранов всех кабелей на выходе линии, вблизи измерительной ячейки, и их изоляцию друг от друга на ее входе, со стороны АБМ. Этим обеспечивается отсутствие электромагнитной связи между кабелями, способной увеличить погрешность измерения. Все кабели на входе линии согласованы постоянными резисторами, имеющими сопротивления, равные волновому сопротивлению кабелей. При этом один согласующий резистор включен между выходом генератора и одним измерительным зажимом, второй шунтирует вольтметр для контроля напряжения в измерительной цепи и подключён одним выводом ко второму измерительному зажиму и третий соединен одним выводом со входом усилителя. Согласование уменьшает разницу между модулями измеренного |Z'_X| и искомого |Z_X| импедансов, что облегчает определение Z_X по Z'_X и обеспечивает возможность измерений в непрерывном частотном диапазоне, включая область, в которой длина линии близка к λ_K/4.According to the specified document (pp. 2, 4, 5, 7, 8), the known device contains an auto-balance bridge (ABM), consisting of a measuring voltage generator, a voltmeter to control the voltage in the measuring circuit, a current converter flowing through the measured object into voltage from an amplifier with resistive parallel negative feedback (OS) and a vector voltmeter that measures the output voltage of this amplifier (module and phase shift relative to the voltage measured by the said voltmeter). ABM also has four measuring clamps, to which a connecting line of four identical coaxial cables with a four-clamp measuring cell is connected to connect the measured object at its output. The resistor in the OS loop has a stepwise variable resistance that sets the measurement subrange. The circuit of the measured object, which includes, in addition to itself, the connecting line and the measuring cell, has the so-called 4TP configuration, which provides for the connection of the screens of all cables at the output of the line, near the measuring cell, and their isolation from each other at its input, with sides of ABM. This ensures that there is no electromagnetic coupling between the cables, which can increase the measurement error. All cables at the input of the line are matched with fixed resistors having resistances equal to the characteristic impedance of the cables. In this case, one terminating resistor is connected between the generator output and one measuring terminal, the second shunts the voltmeter to control the voltage in the measuring circuit and is connected with one terminal to the second measuring terminal, and the third is connected with one terminal to the input of the amplifier. Matching reduces the difference between the modules of the measured |Z' _X | and required |Z _X | impedances, which facilitates the determination of Z _X by Z' _X and allows measurements in a continuous frequency range, including the region in which the line length is close to λ _K /4.

Поскольку два кабеля включены в петлю ОС усилителя, требуется нейтрализация их негативного влияния на устойчивость последнего. Для этого в упомянутую петлю вводится соответствующий компенсирующий фазовый сдвиг. Его величина определяется по данным измерения характеристик самой петли, для чего в АБМ имеются вспомогательные генератор (с тем же частотным диапазоном, что и у генератора измерительного напряжения) и векторный вольтметр (при собственно импедансных измерениях они не используются). Since two cables are included in the feedback loop of the amplifier, it is necessary to neutralize their negative impact on the stability of the latter. To do this, an appropriate compensating phase shift is introduced into the mentioned loop. Its value is determined by measuring the characteristics of the loop itself, for which the ABM has an auxiliary generator (with the same frequency range as the measuring voltage generator) and a vector voltmeter (they are not used for actual impedance measurements).

Искомый импеданс Z_X рассчитывается по результату его измерения Z'_X с применением А – параметров четырехполюсника, которому уподобляется цепь измеряемого объекта. Для их определения выполняется три дополнительных измерения: при КЗ зажимов измерительной ячейки, при отсутствии в ней какого-либо объекта, т.е. в режиме холостого хода (ХХ), и при подключении к ней эталона. В совокупности они именуются «КЗ/ХХ/нагрузка – компенсацией». Это изложено в справочном пособии той же фирмы Impedance measurement handbook. A guide to measurement technology and techniques. 6^th edition. Application note 5950-3000.2020, July 10. 153 с., которое относится, в том числе, и к названным приборам. The desired impedance Z _X is calculated by the result of its measurement Z' _X using A - the parameters of a four-terminal network, to which the circuit of the measured object is likened. To determine them, three additional measurements are performed: with a short circuit of the clamps of the measuring cell, in the absence of any object in it, i.e. in idle mode (XX), and when a standard is connected to it. Collectively, they are referred to as "Short circuit / XX / load - compensation." This is outlined in the same company's Impedance measurement handbook. A guide to measurement technology and techniques. 6th ^edition . Application note 5950-3000.2020, July 10. 153 pp., which also applies to the named devices.

Общее описание такой компенсации и порядка расчета и вывод расчетной формулы имеются там же (с. 38, 72, 75, 76, 146 – 149). Сама расчетная формула имеет вид:A general description of such compensation and the calculation procedure and the derivation of the calculation formula are also available there (pp. 38, 72, 75, 76, 146 - 149). The calculation formula itself looks like:

где Z_КЗ – результат измерения импеданса в режиме КЗ;where Z _{short circuit} is the result of measuring the impedance in the short circuit mode;

Z'_Э – результат измерения импеданса эталона;Z' _E - the result of measuring the impedance of the standard;

Z_XX –результат измерения импеданса в режиме ХХ;Z _XX is the result of impedance measurement in XX mode;

Z_Э – импеданс эталона,Z _E is the impedance of the standard,

а объяснения символов Z_X и Z'_X даны выше. and the explanations of the symbols Z _X and Z' _X are given above.

Расчет базируется на отсутствии потерь энергии в кабелях и учитывает, за счет коррекции их электрической длины (с. 38, 82, 150, 151), только вызываемые ими фазовые сдвиги. Поэтому при подобных измерениях предусмотрено использование линий из специальных кабелей, имеющих, с одной стороны, пониженный коэффициент затухания, а с другой, известные длину и фазовую постоянную. Такие линии тоже являются продукцией названной фирмы (с. 57, 58).The calculation is based on the absence of energy losses in cables and takes into account, by correcting their electrical length (p. 38, 82, 150, 151), only the phase shifts caused by them. Therefore, in such measurements, it is envisaged to use lines from special cables, which, on the one hand, have a reduced attenuation coefficient, and, on the other hand, known length and phase constant. Such lines are also products of the named company (pp. 57, 58).

Для запоминания результатов измерений и предварительных настроек, выполнения математических операций по вычислению Z_X, выведения его значения на индикатор, управления работой и т.д. в прототипе, помимо перечисленного выше, имеется также вычислительный блок. For storing measurement results and presettings, performing mathematical operations to calculate Z _X , displaying its value on the indicator, managing work, etc. in the prototype, in addition to the above, there is also a computing unit.

Основными недостатками прототипа являются жесткое ограничение предельной длины линии, повышенные требования к качеству ее кабелей, сложность самого устройства и процесса измерения и узкий выбор соединительных линий.The main disadvantages of the prototype are the strict limitation of the maximum line length, increased requirements for the quality of its cables, the complexity of the device itself and the measurement process, and a narrow choice of connecting lines.

Корректное применение формулы (5) возможно лишь при практическом отсутствии потерь энергии в кабелях соединительной линии. Для этого должна быть достаточно близка к нулю величина αl, где α и l – коэффициент затухания и длина кабеля соответственно. Повышением качества кабеля можно уменьшить (до некоторого минимума) только α. Поэтому требуется также и ограничение l, т.е. длины линии. Для подобных устройств с верхней рабочей частотой немного выше 100 МГц длина даже «фирменных» линий не может быть больше 2 м (с. 58, табл. 3-2). The correct application of formula (5) is possible only if there is practically no energy loss in the cables of the connecting line. To do this, the value of αl should be sufficiently close to zero, where α and l are the attenuation coefficient and the cable length, respectively. By improving the quality of the cable, only α can be reduced (to a certain minimum). Therefore, the constraint l is also required, i.e., line length. For such devices with an upper operating frequency slightly above 100 MHz, the length of even “branded” lines cannot exceed 2 m (p. 58, Table 3-2).

Улучшение качества кабелей достигается за счет использования высококачественной изоляции и повышения электрической проводимости центрального проводника и экрана. Это неизбежно ведет к увеличению их стоимости.The improvement of cable quality is achieved by using high quality insulation and increasing the electrical conductivity of the center conductor and screen. This inevitably leads to an increase in their cost.

Повышенная сложность устройства обусловлена как его измерительной частью, состоящей из АБМ и цепи измеряемого объекта, так и вычислительного блока. У первой она связана с относительно большим количеством зажимов АБМ и измерительной ячейки, согласующих резисторов и кабелей и наличием в составе АБМ вспомогательных генератора и векторного вольтметра и средств для введения компенсирующего фазового сдвига в петлю ОС. У второго она вызвана необходимостью запоминания сравнительно большого числа данных и использованием относительно сложной формулы (5). The increased complexity of the device is due to both its measuring part, consisting of the ABM and the circuit of the measured object, and the computing unit. For the first one, it is associated with a relatively large number of ABM clamps and a measuring cell, terminating resistors and cables, and the presence in the ABM of an auxiliary generator and a vector voltmeter and means for introducing a compensating phase shift into the OS loop. In the second case, it is caused by the need to remember a relatively large amount of data and the use of a relatively complex formula (5).

Сложность процесса измерения связана с довольно большим числом дополнительных измерений и необходимостью коррекции электрической длины соединительной линии. The complexity of the measurement process is associated with a rather large number of additional measurements and the need to correct the electrical length of the connecting line.

Узкий выбор соединительных линий, сводящийся реально к соответствующей продукции фирмы – производителя СИ, определяется в основном упомянутым требованием о ничтожности αl. Для пользователя это сопряжено с дополнительными расходами и явными неудобствами.The narrow choice of connecting lines, which really boils down to the corresponding products of the manufacturer of the SI, is determined mainly by the mentioned requirement of the nullity of αl. For the user, this is associated with additional costs and obvious inconvenience.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение дистанционного измерения импеданса с применением соединительных линий практически любой длины из кабелей обычного качества, упрощение устройства и процесса измерения и расширение выбора соединительных линий. При этом должна быть сохранена присущая прототипу возможность измерений в непрерывном диапазоне частот.The object of the present invention is to provide remote impedance measurement using connecting lines of almost any length from conventional quality cables, to simplify the device and the measurement process, and to expand the choice of connecting lines. At the same time, the possibility of measurements inherent in the prototype in a continuous frequency range should be preserved.

Указанный совокупный технический эффект обеспечивается тем, что предложено устройство для дистанционного измерения импеданса, содержащее автобалансный мост, состоящий из генератора измерительного напряжения, вольтметра, контролирующего напряжение в измерительной цепи, преобразователя тока в напряжение из усилителя с резистивной параллельной отрицательной обратной связью и векторного вольтметра, измеряющего модуль выходного напряжения усилителя и его фазовый сдвиг относительно напряжения, измеряемого упомянутым вольтметром, измерительных зажимов и согласующих резисторов с одинаковыми сопротивлениями, соединительную линию из одинаковых коаксиальных кабелей, подключенную входом к измерительным зажимам, измерительную ячейку на выходе соединительной линии для подключения измеряемого объекта, причем количества измерительных зажимов, согласующих резисторов и кабелей совпадают, сопротивление согласующих резисторов равно волновому сопротивлению кабелей, первый согласующий резистор включен между выходом генератора и одним измерительным зажимом, второй подключен параллельно вольтметру, контролирующему напряжение в измерительной цепи, и соединен одним выводом со вторым измерительным зажимом и третий согласующий резистор соединен первым выводом со входом усилителя, а экраны кабелей соединены между собой на выходе линии и изолированы друг от друга на её входе, и вычислительный блок для расчета искомого импеданса по результатам измерений, отличающееся тем, что автобалансный мост содержит по три измерительных зажима и согласующих резистора, второй вывод третьего согласующего резистора подключен к третьему измерительному зажиму, соединительная линия состоит из трех кабелей, измерительная ячейка содержит два электрически экранированных друг от друга зажима, экран которых подключен к экранам кабелей на выходе линии, а вычислительный блок выполняет расчет по формуле:The specified cumulative technical effect is provided by the fact that a device for remote impedance measurement is proposed, containing an auto-balance bridge, consisting of a measuring voltage generator, a voltmeter that controls the voltage in the measuring circuit, a current-to-voltage converter from an amplifier with resistive parallel negative feedback, and a vector voltmeter that measures amplifier output voltage module and its phase shift with respect to the voltage measured by the mentioned voltmeter, measuring clamps and terminating resistors with the same resistances, a connecting line of identical coaxial cables connected by the input to the measuring clamps, a measuring cell at the output of the connecting line for connecting the measured object, moreover, the number terminals, terminating resistors and cables are the same, the resistance of the terminating resistors is equal to the characteristic impedance of the cables, the first terminating resistor is connected between generator output and one measuring terminal, the second one is connected in parallel to a voltmeter that controls the voltage in the measuring circuit, and is connected by one terminal to the second measuring terminal, and the third terminating resistor is connected by the first terminal to the amplifier input, and the cable screens are connected to each other at the line output and isolated from each other. friend at its input, and a computing unit for calculating the required impedance based on the measurement results, characterized in that the auto-balancing bridge contains three measuring clamps and terminating resistors, the second output of the third terminating resistor is connected to the third measuring clamp, the connecting line consists of three cables, measuring the cell contains two clamps electrically shielded from each other, the shield of which is connected to the cable shields at the output of the line, and the computing unit performs the calculation according to the formula:

где Z_Х – импеданс измеряемого объекта;where Z _X is the impedance of the measured object;

Z'_X – результат измерения импеданса измеряемого объекта;Z' _X is the result of measuring the impedance of the measured object;

M – результат измерения импеданса при КЗ зажимов ячейки;M is the result of measuring the impedance at short circuit of the cell clamps;

Z_Э – импеданс эталона;Z _E is the impedance of the standard;

Z'_Э – результат измерения импеданса эталона.Z' _E - the result of measuring the impedance of the standard.

Обозначения Z_X, Z'_X, Z_Э и Z'_Э здесь совпадают с указанными выше.The designations Z _X , Z' _X , Z _E and Z' _E here coincide with those indicated above.

Отсутствие кабелей в петле ОС обеспечило, как показано далее, ту же, что и в аналоге, связь между Z_X и Z'_X, т.е. по уравнению (1), и, соответственно, общую корректность формулы (6). Это же, вместе с соответствующими изменениями, обеспечило снижение сложности устройства. Для вычислительного блока оно обусловлено большей простотой формулы (6), по сравнению с формулой (5). А для измерительной части оно состоит в уменьшении с четырех до трех количества кабелей, измерительных зажимов и согласующих резисторов и с четырех до двух количества зажимов измерительной ячейки и исключении вспомогательных генератора и векторного вольтметра и средств для введения компенсирующего фазового сдвига в петлю ОС. Последние не нужны, поскольку ни один из кабелей не включен в эту петлю и не влияет непосредственно на устойчивость усилителя.The absence of cables in the OS loop provided, as shown below, the same connection between Z _X and Z' _X as in the analogue, i.e. according to equation (1), and, accordingly, the general correctness of formula (6). This, together with the corresponding changes, provided a reduction in the complexity of the device. For the computing unit, it is due to the greater simplicity of formula (6) compared to formula (5). And for the measuring part, it consists in reducing the number of cables, measuring clamps and terminating resistors from four to three and the number of measuring cell clamps from four to two and eliminating the auxiliary generator and vector voltmeter and means for introducing a compensating phase shift into the OS loop. The latter are not needed, since none of the cables are included in this loop and do not directly affect the stability of the amplifier.

Экранирование зажимов измерительной ячейки сделало модуль паразитного импеданса между ними практически бесконечно большим. Это избавило от дополнительного измерения в режиме ХХ и учета его результата в формуле (6). Это так же упростило процесс измерения за счет уменьшения с трех до двух числа дополнительных измерений.The shielding of the terminals of the measuring cell made the modulus of parasitic impedance between them almost infinitely large. This eliminated the need for an additional measurement in the XX mode and taking into account its result in formula (6). It also simplified the measurement process by reducing the number of extra measurements from three to two.

Размещение третьего согласующего резистора между входом усилителя и третьим измерительным зажимом обеспечило, благодаря практически нулевому входному сопротивлению преобразователя, согласование третьего кабеля соединительной линии и, соответственно, возможность измерений в непрерывном частотном диапазоне. В его отсутствие, как это подробнее пояснено далее, такой возможности нет.The placement of the third terminating resistor between the input of the amplifier and the third measuring terminal provided, due to the almost zero input resistance of the converter, the matching of the third cable of the connecting line and, accordingly, the possibility of measurements in a continuous frequency range. In his absence, as explained in more detail below, this is not possible.

Использование формулы (6) не требует ни ограничения длины соединительной линии, ни высокого качества ее кабелей. Поэтому длина может быть практически любой, необходимой в конкретном случае, а кабели могут быть обычного промышленного производства. Применение этой формулы также не предполагает коррекции электрической длины какого-либо из кабелей, что, в дополнение к указанному выше, упростило процесс измерения. Для расчета по ней требуется запоминание меньшего, чем для формулы (5), количества данных, что дополнительно снизило сложность вычислительного блока.The use of formula (6) does not require any limitation of the length of the connecting line, nor the high quality of its cables. Therefore, the length can be practically any required in a particular case, and the cables can be of conventional industrial production. The application of this formula also does not require correction of the electrical length of any of the cables, which, in addition to the above, has simplified the measurement process. To calculate it, it is required to memorize a smaller amount of data than for formula (5), which further reduced the complexity of the computing unit.

Обусловленная использованием формулы (6) возможность применения кабелей обычного качества и отсутствие необходимости знать заранее их характеристики (последняя нужна только для коррекции электрической длины линии) существенно расширили выбор соединительных линий. Первое из этих обстоятельств, кроме того снизило их стоимость.Due to the use of formula (6), the possibility of using cables of ordinary quality and the absence of the need to know their characteristics in advance (the latter is only needed to correct the electrical length of the line) have significantly expanded the choice of connecting lines. The first of these circumstances, moreover, reduced their cost.

Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на фигуре.The essence of the invention is illustrated by the diagram shown in the figure.

Устройство содержит: генератор 1 измерительного напряжения; вольтметр 2, контролирующий напряжение (U), обусловленное напряжением (U') на упомянутом ниже зажиме 15; инвертирующий усилитель 3; векторный вольтметр 4, измеряющий выходное напряжение (U_x) усилителя (модуль и фазовый сдвиг относительно напряжения U); резистор 5 со ступенчато изменяемым сопротивлением; согласующие резисторы 6-8; измерительные зажимы 9-11; соединительную линию из кабелей 12-14; измерительную ячейку с зажимами 15, 16 и экраном 17; измеряемый объект 18; вычислительный блок 19. The device contains: generator 1 measuring voltage; a voltmeter 2 monitoring the voltage (U) due to the voltage (U') at the terminal 15 mentioned below; inverting amplifier 3; vector voltmeter 4, which measures the output voltage (U _x ) of the amplifier (module and phase shift relative to the voltage U); resistor 5 with step changeable resistance; terminating resistors 6-8; measuring clamps 9-11; connecting line from cables 12-14; measuring cell with clamps 15, 16 and screen 17; measured object 18; computing unit 19.

Узлы и элементы 1-11 входят в АБМ, причем 3-5 образуют преобразователь «ток-напряжение», а 12-18 – в цепь измеряемого объекта. Последняя «электрически» включает в себя и резисторы 6-8, конструктивно входящие в АБМ. На фигуре также показаны, пунктиром, эквивалентные импедансы Z, Z₁ и Z₂ цепи измеряемого объекта. При этом Z равен импедансу между зажимом 15 и входом преобразователя, а Z₁ и Z₂ отражают шунтирование названной цепью соответственно выхода генератора 1 и входа усилителя 3. Сопротивление резистора 5 задает поддиапазон измерения. Кабели 12-14 имеют одинаковые волновые сопротивления. Одинаковы и равны волновому сопротивлению кабелей (ρ) сопротивления резисторов 6-8. Соединение между собой экранов кабелей на выходе линии и их изоляция друг от друга на ее входе имеют то же, в принципе, назначение, что и в прототипе.Nodes and elements 1-11 are included in the ABM, with 3-5 forming the "current-voltage" converter, and 12-18 - in the circuit of the measured object. The latter "electrically" also includes resistors 6-8, which are structurally included in the ABM. The figure also shows, in dotted lines, the equivalent impedances Z, Z ₁ and Z ₂ of the measured object circuit. In this case, Z is equal to the impedance between terminal 15 and the input of the converter, and Z ₁ and Z ₂ reflect the shunting of the named circuit, respectively, the output of generator 1 and the input of amplifier 3. The resistance of resistor 5 sets the measurement subrange. Cables 12-14 have the same wave impedance. Identical and equal to the wave impedance of the cables (ρ) resistance resistors 6-8. The interconnection of cable screens at the output of the line and their isolation from each other at its input have the same, in principle, purpose as in the prototype.

Работает устройство следующим образом.The device works as follows.

Усилитель 3 имеет высокое усиление по напряжению. Благодаря этому, потенциал его входа практически не отличается от потенциала его общей точки (виртуальный нуль), а выходное напряжение U_X совпадает с падением напряжения на резисторе 5. При этом входное сопротивление преобразователя практически равно нулю, и напряжение U' полностью падает на каскадном соединении «измеряемый объект 18 – кабель 14 – резистор 8», т.е. фактически на Z, и связь U_X(U') имеет вид:Amplifier 3 has a high voltage gain. Due to this, the potential of its input practically does not differ from the potential of its common point (virtual zero), and the output voltage U _X coincides with the voltage drop across the resistor 5. In this case, the input resistance of the converter is practically zero, and the voltage U' drops completely on the cascade connection "measured object 18 - cable 14 - resistor 8", i.e. actually on Z, and the connection U _X (U') has the form:

где R –сопротивление резистора 5.where R is the resistance of resistor 5.

Величина U' связана с показанием U вольтметра 2 – как входное и выходное напряжение согласованного кабеля 13 – в соответствии со с.450 названной книги выражением: The value of U' is related to the indication U of the voltmeter 2 - as the input and output voltage of the matched cable 13 - in accordance with p.450 of the named book by the expression:

где γ – постоянная распространения кабеля.where γ is the cable propagation constant.

Импеданс Z равен параметру B четырёхполюсника, эквивалентного указанному соединению. Матрица А – параметров такого четырёхполюсника

равна произведению матриц А – параметров образующих его, ″отдельных″, четырёхполюсников в порядке их соединения:The impedance Z is equal to the parameter B of the four-terminal equivalent to the specified connection. Matrix A - the parameters of such a four-terminal network

is equal to the product of matrices A - the parameters of the forming it, ″individual″, quadripoles in the order of their connection:

где ||а₁||, ||а₂|| и ||а₃|| - матрицы А-параметров соответственно измеряемого объекта 18, кабеля 14 и резистора 8.where ||а ₁ ||, ||а ₂ || and ||a ₃ || - matrices of A-parameters, respectively, of the measured object 18, cable 14 and resistor 8.

Согласно с. 170, 171, 456 и 457 названной книги According to. 170, 171, 456 and 457 of the named book

В соответствии с правилом перемножения матриц:According to the rule of matrix multiplication:

или после подстановки в уравнение (13) значений параметров из выражений (10) – (12),or after substituting into equation (13) the parameter values from expressions (10) - (12),

С учетом (8) и (14) уравнение (7) преобразуется: Taking into account (8) and (14), equation (7) is transformed:

Поскольку, как и в прототипе, измеренный импеданс Z'_X определяется из формулыSince, as in the prototype, the measured impedance Z' _X is determined from the formula

из (15) и (16) получаетсяfrom (15) and (16) it turns out

Таким образом, связь

по уравнению (1) действительно имеет место. При этомThus the connection

according to equation (1) indeed takes place. Wherein

С учетом отклонения характеристик реальных кабелей от значений, приведенных в их технических данных, и их изменения под действием окружающих условий и в процессе старения и возможного не совсем полного их согласования, равенства (18) и (19) выполняются лишь приблизительно. Поэтому в формуле (6) используются величины, полученные непосредственными измерениями. При К3 зажимов ячейки измеряется М, а при подключении к ним эталона импедансом Zэ – значениеTaking into account the deviation of the characteristics of real cables from the values given in their technical data, and their changes under the influence of environmental conditions and in the course of aging and their possible incomplete matching, equalities (18) and (19) are only approximately fulfilled. Therefore, formula (6) uses quantities obtained by direct measurements. With K3 cell clamps, M is measured, and when a standard is connected to them with an impedance Ze, the value

из которого определяется K. После его подстановки в уравнение (1) и решения последнего относительно

получается формула (6). По ней и производится расчет

блоком 19, куда поступают сведения о текущих значениях U, U_x и R.from which K is determined. After substituting it into equation (1) and solving the latter with respect to

formula (6) is obtained. It is used to calculate

block 19, which receives information about the current values of U, U _x and R.

Возможность измерений в непрерывном частотном диапазоне обеспечивается, с одной стороны, тем, что независимо от частоты,

и, с другой, величинами |Z₁| ≠ 0 и |Z₂| ≠ 0. Как видно из схемы, последние всегда не менее

.The possibility of measurements in a continuous frequency range is ensured, on the one hand, by the fact that, regardless of the frequency,

and, on the other hand, the quantities |Z ₁ | ≠ 0 and |Z ₂ | ≠ 0. As can be seen from the diagram, the latter are always at least

.

В отсутствие резистора 8 величина Z равна параметру B четырехполюсника, состоящего из измеряемого объекта 18 и кабеля 14. Матрица его A-параметров равна произведению

В этом случае, с учетом вышеизложенного,In the absence of resistor 8, the value of Z is equal to the parameter B of the four-terminal network, consisting of the measured object 18 and cable 14. The matrix of its A-parameters is equal to the product

In this case, considering the above,

или, после подстановки значений A₁, B₁, B₂ и D₂ из выражений (10) и (11),or, after substituting the values of A ₁ , B ₁ , B ₂ and D ₂ from expressions (10) and (11),

Таким образом, без резистора 8So without resistor 8

или, с учетом

где величина α пояснена выше, а j и β – мнимая единица и упоминавшаяся фазовая постоянная соответственно,or, taking into account

where the value of α is explained above, and j and β are the imaginary unit and the mentioned phase constant, respectively,

Из уравнения (24) видно, что при длине линии в нечетное число λ_К/4 и относительно небольшом значении αl ≤ 0,1 величина

Одновременно и |Z₂| → 0, закорачивая вход усилителя и делая устройство неработоспособным. При увеличении αl отличие минимумов |К| и |Z₂| от нуля растет. Но, тем не менее, первый способен вызвать заметное падение чувствительности по Z_x и, соответственно, точности его измерения, а второй – падение этой точности из-за достаточно большого R/ |Z₂|, способного нарушить уравнение (7).It can be seen from equation (24) that with a line length of an odd number λ _K /4 and a relatively small value αl ≤ 0.1, the value

Simultaneously, |Z ₂ | → 0, shorting the input of the amplifier and making the device inoperable. As αl increases, the difference between the minima |К| and |Z ₂ | grows from zero. But, nevertheless, the first is capable of causing a noticeable drop in the sensitivity in Z _x and, accordingly, the accuracy of its measurement, and the second is a drop in this accuracy due to a sufficiently large R/ |Z ₂ |, which can violate equation (7).

Для практического выполнения устройства вполне достаточно технического уровня, достигнутого в области измерения импеданса, тем более что оно будет явно проще существующих устройств на основе АБМ. В нем следует использовать в качестве измерительных зажимов обычные радиочастотные коаксиальные соединители, а в качестве кабелей – обычные радиочастотные кабели. Как и в прототипе, целесообразно совместить возможности дистанционных и недистанционных измерений. Для последних резисторы 6 - 8 излишни и надо предусмотреть их исключение, например, их одновременным КЗ. При этом К и М будут определяться только паразитными параметрами внутренних соединений устройства и легко может быть обеспечена высокая точность выполнения равенств К=1, М=0 и, соответственно, Z_X=Z'_X. For the practical implementation of the device, the technical level achieved in the field of impedance measurement is quite sufficient, especially since it will be clearly simpler than existing devices based on ABM. It should use conventional RF coaxial connectors as test clamps and conventional RF cables as cables. As in the prototype, it is advisable to combine the possibilities of remote and non-remote measurements. For the latter, resistors 6 - 8 are redundant and it is necessary to provide for their exclusion, for example, their simultaneous short circuit. In this case, K and M will be determined only by the parasitic parameters of the internal connections of the device, and high accuracy of the fulfillment of the equalities K=1, M=0 and, accordingly, Z _X =Z' _X can be easily ensured.

Наиболее предпочтительным, с точки зрения устойчивости устройства к внешним электромагнитным помехам, является показанный на схеме вариант соединения с его общей заземляемой точкой общей точки преобразователя и экрана кабеля 14. При интенсивных внешних помехах кабели протяженной соединительной линии имеет смысл дополнительно защитить общей заземленной экранной оболочкой. The most preferable, from the point of view of the resistance of the device to external electromagnetic interference, is the connection option shown in the diagram with its common grounded point of the common point of the converter and the cable screen 14. In case of intense external interference, it makes sense to additionally protect the cables of an extended connecting line with a common grounded screen shell.

Использование заявляемого устройства, в сравнении с известным устройством, позволяет, как минимум, в десятки раз увеличить расстояние от СИ до измеряемого объекта при высокочастотных измерениях импеданса. Меньшая сложность такого СИ, как и отсутствие повышенных требований к качеству кабелей соединительной линии, ведут к уменьшению его стоимости. А меньшая сложность измерительного процесса обеспечивает повышение производительности труда при выполнении измерений. Кроме того, при этом, благодаря отсутствию кабелей в петле ОС усилителя и, таким образом, его большей, чем в прототипе, устойчивости, создается возможность для увеличения верхней измерительной частоты, составляющей у существующих приборов лишь немного больше 100 МГц. У собственно цепи измеряемого объекта верхняя частота ограничивается началом области превращения в систему с распределенными постоянными самого этого объекта. Для диэлектрических образцов, например, она составляет сотни мегагерц (при этом критическая частота кабелей, обычно превышающая 10 ГГц, лимитирующим фактором, естественно, не является). С учетом этого представляется возможным и целесообразным увеличение названной частоты хотя бы в 2-3 раза.The use of the proposed device, in comparison with the known device, allows at least ten times to increase the distance from the SI to the measured object in high-frequency impedance measurements. The lower complexity of such MI, as well as the absence of increased requirements for the quality of connecting line cables, lead to a decrease in its cost. And less complexity in the measurement process results in increased productivity when performing measurements. In addition, at the same time, due to the absence of cables in the amplifier OS loop and, thus, its greater stability than in the prototype, it is possible to increase the upper measuring frequency, which is only slightly more than 100 MHz for existing devices. In the actual circuit of the measured object, the upper frequency is limited to the beginning of the region of transformation into a system with distributed constants of this object itself. For dielectric samples, for example, it is hundreds of megahertz (at the same time, the critical frequency of cables, usually exceeding 10 GHz, is naturally not a limiting factor). With this in mind, it seems possible and expedient to increase the named frequency by at least 2-3 times.

Claims (7)

Устройство для дистанционного измерения импеданса, содержащее автобалансный мост, состоящий из генератора измерительного напряжения, вольтметра, контролирующего напряжение в измерительной цепи, преобразователя тока в напряжение из усилителя с резистивной параллельной отрицательной обратной связью и векторного вольтметра, измеряющего модуль выходного напряжения усилителя и его фазовый сдвиг относительно напряжения, измеряемого упомянутым вольтметром, измерительных зажимов и согласующих резисторов с одинаковыми сопротивлениями, соединительную линию из одинаковых коаксиальных кабелей, подключенную входом к измерительным зажимам, измерительную ячейку на выходе соединительной линии для подключения измеряемого объекта, причем количества измерительных зажимов, согласующих резисторов и кабелей совпадают, сопротивление согласующих резисторов равно волновому сопротивлению кабелей, первый согласующий резистор включен между выходом генератора и одним измерительным зажимом, второй подключен параллельно вольтметру, контролирующему напряжение в измерительной цепи, и соединен одним выводом со вторым измерительным зажимом и третий согласующий резистор соединен первым выводом со входом усилителя, а экраны кабелей соединены между собой на выходе линии и изолированы друг от друга на её входе, и вычислительный блок для расчета искомого импеданса по результатам измерений, отличающееся тем, что автобалансный мост содержит по три измерительных зажима и согласующих резистора, второй вывод третьего согласующего резистора подключен к третьему измерительному зажиму, соединительная линия состоит из трех кабелей, измерительная ячейка содержит два электрически экранированных друг от друга зажима, экран которых подключен к экранам кабелей на выходе линии, а вычислительный блок выполняет расчет по формулеA device for remote impedance measurement, containing an auto-balancing bridge, consisting of a measuring voltage generator, a voltmeter that controls the voltage in the measuring circuit, a current-to-voltage converter from an amplifier with resistive parallel negative feedback, and a vector voltmeter that measures the magnitude of the amplifier output voltage and its phase shift relative to voltage measured by the said voltmeter, measuring clamps and terminating resistors with the same resistances, a connecting line of identical coaxial cables connected to the measuring clamps at the input, a measuring cell at the output of the connecting line for connecting the measured object, and the number of measuring clamps, terminating resistors and cables are the same, the resistance of the terminating resistors is equal to the wave resistance of the cables, the first terminating resistor is connected between the generator output and one measuring terminal, the second is connected in parallel voltmeter, which controls the voltage in the measuring circuit, and is connected by one output to the second measuring clamp and the third terminating resistor is connected by the first output to the input of the amplifier, and the cable screens are connected to each other at the output of the line and isolated from each other at its input, and a computing unit for calculation of the desired impedance based on the results of measurements, characterized in that the auto-balance bridge contains three measuring clamps and terminating resistors, the second terminal of the third terminating resistor is connected to the third measuring clamp, the connecting line consists of three cables, the measuring cell contains two clamps electrically shielded from each other , the screen of which is connected to the cable screens at the output of the line, and the computing unit performs the calculation according to the formula

где Z_Х – импеданс измеряемого объекта;where Z _X is the impedance of the measured object; Z'_X – результат измерения импеданса измеряемого объекта;Z' _X is the result of measuring the impedance of the measured object; M – результат измерения импеданса при КЗ зажимов ячейки;M is the result of measuring the impedance at short circuit of the cell clamps; Z_Э – импеданс эталона;Z _E is the impedance of the standard; Z'_Э – результат измерения импеданса эталона.Z' _E - the result of measuring the impedance of the standard.

Images