способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем

Формула изобретения

Способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем, заключающийся в том, что двухполюсник включают в измерительную цепь последовательно с резистором с регулируемым сопротивлением, подают на измерительную цепь синусоидальное переменное напряжение, измеряют напряжение на резисторе, регулируют сопротивление резистора, отличающийся тем, что напряжение измеряют при трех значениях сопротивления резистора, а значения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и приложенного к нему напряжения определяют из выражений











где Х - активная составляющая комплексного сопротивления двухполюсника;

Y - реактивная составляющая комплексного сопротивления двухполюсника;

а₁=А₁-1;

а₂=А₂-1;

b₁=A₁R₁-R₂;

b₂=A₂R₁-R₂;

c₁=R₂-A₁R₁;

c₂=R₃ ²-A₂R₁ ²;





R₁ - первое значение сопротивления резистора;

R₂ - второе значение сопротивления резистора;

R₃ - третье значение сопротивления резистора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению активной и реактивной составляющих комплексного электрического сопротивления двухполюсных электрических цепей, и позволяет также измерять напряжение на двухполюснике без подключения средства измерения к одному из его выводов. Преимущественными областями применения изобретения являются измерение составляющих комплексного сопротивления высоковольтных пассивных электронных компонентов в процессе их производства и электрической изоляции высоковольтного электрического оборудования, особенно непосредственно в процессе его эксплуатации.

Известен способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника на основе мостовой измерительной цепи (Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992, с.36-37).

Указанный способ измерения состоит в следующем. На мостовую измерительную цепь, в которую включен измеряемый двухполюсник, подают синусоидальное переменное напряжение. Постоянно измеряя напряжение в диагонали измерительной цепи, регулируют сопротивления опорных двухполюсников до достижения напряжением нулевого значения. Результаты измерения определяют по значениям регулируемых параметров измерительной цепи в этот момент при известных значениях постоянных параметров.

При реализации данного способа моменту равенства напряжения нулю соответствует равенство

Z₁Z₄=Z₂Z, (1)

где Z₁= Х+jY - комплексное сопротивление исследуемого двухполюсника с активной составляющей Х и реактивной составляющей Y, Z₄=X₄+jY₄ - комплексное сопротивление третьего опорного двухполюсника с активной составляющей Х₄ и реактивной составляющей Y₄, Z₂ - комплексное сопротивление первого опорного двухполюсника с активной составляющей Х₂ (реактивная составляющая равна нулю), Z₃ - комплексное сопротивление второго опорного двухполюсника с реактивной составляющей Y₄ (активная составляющая равна нулю), j - мнимая единица.

Подставляя эти выражения в уравнение (1), получаем результат измерения составляющих комплексного сопротивления измеряемого двухполюсника в виде



При исследовании электрофизических параметров диэлектрических материалов, испытаниях и контроле состояния электрической изоляции электрооборудования, определении зависимости от приложенного напряжения сопротивления резисторов и емкости электрических конденсаторов необходимо знать значение приложенного к двухполюснику напряжения.

Определение напряжения на измеряемом двухполюснике UZ при использовании описанного способа измерения возможно путем измерения напряжений на первом и третьем опорных двухполюсниках из выражения

UZ=U-UZ₂, (3)

где U - напряжение на измерительной цепи;

UZ₂ - напряжение на первом опорном двухполюснике.

При этом напряжение на измерительной цепи вычисляется из выражения



где UZ₃ - напряжение на третьем опорном двухполюснике.

Недостатками описанного способа при измерении составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем является сложность его реализации из-за использования мостовой измерительной цепи с большим числом элементов, необходимости измерять напряжение как в диагонали моста, так и на опорном двухполюснике, и необходимости регулировать и активную, и реактивную составляющие сопротивления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения относительного изменения модуля комплексной проводимости двух или более однородных двухполюсников на основе измерения суммы токов, протекающих через контролируемые двухполюсники (Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992, с.78) - прототип.

Указанный способ измерения основан на использовании измерительной цепи в виде группы из не менее двух делителей напряжения, соединенных параллельно. Каждый делитель напряжения образован последовательным соединением одного из группы измеряемых двухполюсников и резистора с регулируемым сопротивлением. На измерительную цепь подают синусоидальное переменное напряжение, измеряют напряжение на каждом резисторе и суммируют эти напряжения. Затем сопротивления резисторов регулируют до достижения суммой напряжений нулевого значения. Суммарное напряжение периодически измеряют. При отклонении результата измерения суммарного напряжения от нуля значение отклонения фиксируют. Относительное изменение модуля суммарного комплексного сопротивления группы исследуемых двухполюсников определяют из уравнения



где Z - абсолютное изменение модуля суммарного комплексного сопротивления группы исследуемых двухполюсников, Z - модуль суммарного сопротивления группы исследуемых двухполюсников, k - коэффициент преобразования, U_s - абсолютное изменение суммарного напряжения. При этом

Z = (X²+Y²)^0.5, (6)

где X и Y - абсолютные изменения активной и реактивной составляющих суммарного комплексного сопротивления группы исследуемых двухполюсников соответственно.

При реализации данного способа измерения в отличие от аналога не требуется использование мостовой измерительной цепи, что упрощает его реализацию.

Недостатками прототипа являются невозможность измерения абсолютных значений составляющих комплексного сопротивления каждого исследуемого двухполюсника из группы, измерения составляющих комплексного сопротивления единичного объекта и измерения напряжения на измеряемом двухполюснике.

Предлагаемым изобретением решаются задачи расширения функциональных возможностей и расширения области применения способа измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения, заключается, во-первых, в обеспечении возможности измерения абсолютных значений составляющих комплексного сопротивления двухполюсника без использования мостовой измерительной цепи, во-вторых, в возможности измерения параметров единичного двухполюсника без необходимости использования других двухполюсников, однородных исследуемому, в-третьих, в возможности определения напряжения на измеряемом двухполюснике.

Для достижения технического результата в способе измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем двухполюсник включают в измерительную цепь последовательно с резистором с регулируемым сопротивлением, подают на измерительную цепь синусоидальное переменное напряжение, измеряют напряжение на резисторе и регулируют сопротивление резистора, причем напряжение измеряют при трех значениях сопротивления резистора, а значения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и приложенного к нему напряжения определяют из выражений











где X - активная составляющая комплексного сопротивления двухполюсника; Y - реактивная составляющая комплексного сопротивления двухполюсника;

a₁=-A₁-1; (13)

а₂=А₂-1; (14)

b₁=A₁R₁-R₂; (15)

b₂=A₂R₁-R₂; (16)

с₁=R₂-A₁R₁; (17)

c₂=R₃ ²-A₂R₁ ²; (18)





где R₁ - первое значение сопротивления резистора, R₂ - второе значение сопротивления резистора, R₃ - третье значение сопротивления резистора, UZ₁ - напряжение на измеряемом двухполюснике при первом значении сопротивления резистора, U₁ - напряжение на резисторе при первом значении сопротивления, UZ₂ - напряжение на измеряемом двухполюснике при втором значении сопротивления резистора, U₂ - напряжение на резисторе при втором значении сопротивления, UZ₃ - напряжение на измеряемом двухполюснике при третьем значении сопротивления резистора, U₃ - напряжение на резисторе при третьем значении сопротивления.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем, реализующего предлагаемый способ измерения. На фиг.2 представлен вариант реализации резистора с регулируемым сопротивлением.

Устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем (фиг.1) содержит генератор переменного напряжения 1, двухполюсник 2, резистор с регулируемым сопротивлением 3, аналого-цифровой преобразователь напряжения 4, блок управления и вычислений 5.

Резистор с регулируемым сопротивлением 3 в предпочтительном варианте реализации (фиг.2) содержит первый 6, второй 7 и третий 8 постоянные резисторы, первый 9 и второй 10 аналоговые ключи, которые управляются сигналами 11 и 12 с блока управления и вычисления 5.

Предлагаемый способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем реализуется следующим образом.

Образуют измерительную цепь последовательным соединением двухполюсника и резистора с регулируемым сопротивлением. На измерительную цепь подают синусоидальное переменное напряжение. Последовательно во времени устанавливают три различных известных значения сопротивления резистора с регулируемым сопротивлением.

Напряжения, формируемые на резисторе с регулируемым сопротивлением при этих трех значениях его сопротивления, определяются соответственно как







После установления каждого значения сопротивления измеряют соответствующее напряжение на резисторе с регулируемым сопротивлением. Результаты измерения фиксируют и запоминают.

Значения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника определяют путем решения системы двух уравнений относительно этих неизвестных:



Уравнения системы (24) получены путем деления на уравнение (23) уравнений (21) и (22) соответственно.

Значения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления двухполюсника определяются как решения (8) и (9) данной системы уравнений.

Значение напряжения UZ₁, приложенного к двухполюснику при первом значения R₁ сопротивления резистора с регулируемым сопротивлением, определяют из уравнения

UZ₁=U-U₁. (25)

Из уравнения (21) имеем



Подставляя в уравнение (25) выражение для U из уравнения (26), получаем уравнение (10).

Аналогично получены уравнения (11) и (12), позволяющие определить значения UZ₂ и UZ₃ напряжения, приложенного к измеряемому двухполюснику, при значениях сопротивления резистора с регулируемым сопротивлением R₂ и R₃ соответственно.

Устройство, которым может быть реализован предложенный способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем, с предпочтительным вариантом реализации резистора с регулируемым сопротивлением функционирует следующим образом.

В момент начала измерения по сигналам 11 и 12 с блока управления и вычисления 5 аналоговые ключи 9 и 10 резистора с регулируемым сопротивлением 3 разомкнуты. В средней точке делителя напряжения, образованного двухполюсником 2 и первым постоянным резистором 6, формируется напряжение U₁ в соответствии с уравнением (21).

Напряжение U₁ подается на вход аналого-цифрового преобразователя напряжения 4 и подвергается аналого-цифровому преобразованию. Код результата аналого-цифрового преобразования поступает в блок управления и вычислений 5 и запоминается.

После этого блок управления и вычислений 5 формирует сигнал 11 на замыкание аналогового ключа 9. При этом второй постоянный резистор 7 подключается параллельно первому постоянному резистору 6, образуя резистор с общим сопротивлением R₂.

В средней точке делителя напряжения формируется напряжение ₂ в соответствии с (22).

Напряжение U₂ также подвергается аналого-цифровому преобразованию, и код результата запоминается в блоке управления и вычислений 5.

После этого по сигналу 12 с блока управления и вычислений 5 замыкается аналоговый ключ 10. При этом третий постоянный резистор 8 подключается параллельно первому 6 и второму 7 постоянным резисторам, образуя резистор с общим сопротивлением R₃.

В средней точке делителя напряжения при этом формируется напряжение U₃ в соответствии с (23).

Напряжение U₃ также подвергается аналого-цифровому преобразованию, и код результата запоминается в блоке управления и вычислений 5.

На основе результатов измерения напряжений U₁, U₂, U₃ при известных значениях сопротивления резистора с регулируемым сопротивлением R₁, R₂, R₃ блоком управления и вычислений 5 производится вычисление значений активной Х и реактивной Y составляющих комплексного сопротивления согласно (8) и (9) соответственно, а также значений напряжения на измеряемом двухполюснике UZ₁, UZ₂, UZ₃ в соответствии с уравнениями (10), (11), (12).

Значения параметров R₁, R₂, R₃ заносятся в память блока измерений и вычислений 9 при изготовлении устройства и корректируются при его поверках. Параметры А₁, А₂, a₁, а₂, b₁, b₂, c₁, c₂ вычисляются в каждом цикле измерения по результатам измерения напряжений U₁, U₂, U₃ с использованием констант R₁, R₂, R₃.

Блок управления и вычислений 9 может быть реализован на основе обычных средств вычислительной техники, например, персональной ЭВМ семейства IBM PC, соединенной с аналого-цифровым преобразователем и аналоговыми ключами стандартным интерфейсом.

Рабочая программа блока управления и вычислений может быть написана на любом языке высокого уровня, например, Паскаль, с включением в нее подпрограмм на языке Ассемблер.