Инвариантные методы измерения значений параметров двухполюсников

Метод прямого преобразования параметров двухи трёхэлементных электрических цепей в цифровой эквивалент основан на обработке результатов измерений реакции измеряемой цепи на сложные виды воздействия. Для получения значений параметров цепей используются аналоговые операции интегрирования и дифференцирования, сложения и вычитания, затем аналогово-цифровое преобразование напряжения в цифровой эквивалент. Такие преобразователи, обладая достаточной простотой и быстродействием, имеют сравнительно невысокую точность измерения.

Применение микропроцессорной техники и ПЭВМ открывает широкие возможности для решения задач улучшения метрологических характеристик устройств для измерения параметров электрических цепей.

В общем случае выходной сигнал любого преобразователя практически можно рассматривать состоящим из нескольких составляющих:

Значение каждой из них обычно несёт информацию об одном или нескольких параметрах интересующего нас процесса. Выделение из сигнала информации только об одном параметре независимо от других и есть инвариантное преобразование.

Для инвариантного преобразования необходимо, чтобы в сигнале u_t присутствовала хотя бы одна составляющая u_tx по которой можно получить информацию только об одном параметре, и чтобы к моменту считывания (фиксации) информации сумма остальных составляющих.

п

стремилась к нулю Yj^uti «> 0 или по крайней мере выполнялось бы неравенство ¹⁼¹

При преобразовании параметров ДП в электрические сигналы необходим выбор в соответствии с его структурой и характером составляющих его элементов типа измерительной цепи, вариация характера и формы воздействия на измерительную цепь и измеряемый ДП, а также различные алгоритмы обработки выходных сигналов.

Наиболее известны инвариантные преобразователи параметров ДП в напряжение, частоту, код.

Рассмотрим преобразователи параметров ДП в напряжение. В подавляющем большинстве известных решений инвариантные преобразователи параметров ДП в напряжении строятся по структурной схеме прямого преобразования. Из преобразователей с УПТ в настоящее время наибольшее внимание уделяется структурам с источниками постоянных опорных напряжений как более простым. Все они имеют в своём составе быстродействующее устройство (устройства) выделения из выходного напряжения изменяющейся во времени составляющей (составляющих), и последующего вычитания её (их) из u (t). Они позволяют с высокой скоростью преобразовать в постоянные напряжения параметры трёхэлементных ДП типа последовательного или параллельного соединения R_x, С_х, L_x элементов.

На рисунке 3.12 приведена схема одного из таких преобразователей, предназначенного для преобразования в напряжение значения активной проводимости ДП, состоящего из параллельного соединения резистора с сопротивлением R_x, конденсатора с ёмкостью С_х и катушки с индуктивностью L_x. Работа её происходит следующим образом. По команде Пуск напряжение + Е₀ с выхода ИОН поступает через R_x, С_х, L_x — ДП на инвертирующий вход УПТ, в цепь отрицательной обратной связи которого включён опорный резистор с сопротивлением R₀.

Выходное напряжение усилителя при достаточно большом значении коэффициента его передачи и входного сопротивления можно считать состоящим из постоянной и линейно-изменяющейся составляющих:

Рис. 3.12. Схема преобразователя.

Значение первой из них пропорционально интересующему нас значению проводимости (К₀ = const, Е₀ = const), а вторую необходимо скомпенсировать. Для этого в схему преобразователя введён дифференциатор-ограничитель Д, интегратор И и вычитающий усилитель ВУ. Избавившись с помощью дифференциатора от постоянной составляющей напряжения и (0 и проинтегрировав выходное напряжение и_д=Е₀х х R₀т_д / L_x (здесь т_д = const — постоянная времени Д), получим.

где т_и — постоянная времени интегратора И. Очевидно, что при т_д = = т_и значение выходного напряжения вычитающего усилителя ВУ U_x = = EqR₀ / R_x будет пропорционально значению активной проводимости.

В тех случаях, когда увеличение времени преобразования, связанное с последовательным во времени получением информации о значениях величин 1 / R_x, 1 / С_х, 1 / L_x, R_x, С_х и L_x, по каким-либо причинам неприемлемо, можно применить схему преобразователя, приведённую на рисунке 3.13. Она отличается тем, что в неё введены дополнительные вторые дифференциатор-ограничитель Д2, интегратор И2 и вычитающий усилитель ВУ2, а также образцовый резистор заменён образцовым конденсатором.

Рис. 3.13. Преобразователь параметров R_XC_XL_X ДП в постоянные напряжения с параллельным во времени получением информации Её работа происходит следующим образом. По команде Пуск напряжение + Е₀ с выхода ИОН поступает через — ДП на инвертирующих вход У ПТ, в цепь ООС которого включён опорный конденсатор с ёмкостью С₀. Выходное напряжение усилителя.

содержит постоянную, линейно-изменяющуюся во времени и квадратурную составляющие. Для получения информации о значениях величин R_x, С_х и L_x, как следует из (3.18), эти составляющие напряжения U (t) сначала надо разделить, а затем ещё и преобразовать напряжения, зависящие от времени, в постоянные. Для этих целей в схему преобразователя введены дифференциаторы — ограничители Д1 и Д2, интеграторы И1 и И2, вычитающие усилители ВУ1 и ВУ2. Рассмотренный преобразователь может быть применён и для преобразования параметров ДП с последовательным соединением резистора, конденсатора и катушки индуктивности.

В общем случае для получения информации о параметрах двухэлементных ДП может быть использована любая измерительная схема, выходной сигнал которой имеет различную информационную значимость в различные моменты времени.

В заключение следует отметить, что основные достоинства преобразователей параметров ДП в постоянные напряжения заключаются в их широких функциональных возможностях и простоте, а основной недостаток при требовании высокой точности преобразования — в необходимости применения в них узлов с высокой стабильностью характеристик.