способ дистанционного измерения импеданса двухполюсников

Формула изобретения

1. Способ дистанционного измерения импеданса двухполюсников, заключающийся в том, что используют трансформаторный мост, измерительное плечо моста подключают посредством линии связи к измеряемой и опорной нагрузкам и ключу, осуществляют ключом поочередное подключение и отключение измеряемой нагрузки или поочередное подключение измеряемой 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 измеряемой и опорной нагрузок, в зависимости от фазы управляющего напряжения первичного синхронного детектора и режима работы ключа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление ключом синхронизируют по фазе с генератором, питающим мост.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют, по меньшей мере, два измерительных плеча, каждое из которых соединяют отдельной измерительной линией со своими измеряемой и опорной нагрузками и ключом и, по меньшей мере, два опорных плеча, к каждому из которых подключают свою опорную нагрузку моста, поочередно подсоединяют к трансформаторному мосту требуемые измерительные и опорные плечи и производят измерения.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что управление ключом синхронизируют по фазе с генератором, питающим мост.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что для измерения действительной и мнимой частей комплексной проводимости, выраженных в физических единицах проводимости, осуществляют калибровку выходного напряжения используя емкости индуктивности или сопротивления известного номинала, для чего подключают двухполюсник с известным импедансом в качестве измеряемого и фиксируют величину выходного сигнала.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что управление ключом синхронизируют по фазе с генератором, питающим мост.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения действительной и мнимой частей комплексной проводимости, выраженных в физических единицах проводимости, осуществляют калибровку выходного напряжения используя емкости индуктивности или сопротивления известного номинала, для чего подключают двухполюсник с известным импедансом в качестве измеряемого и фиксируют величину выходного сигнала.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что управление ключом синхронизируют по фазе с генератором, питающим мост.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в качестве измеряемого двухполюсника используют двухполюсник, находящийся под воздействием поляризующего напряжения и/или магнитного поля, или сам двухполюсник является источником напряжения.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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 получают по закону Ома

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).

Трансформаторный мост с индуктивным компаратором тока показан на Фиг.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.

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 |Z ₁|<<|Z₂|.

Таким образом, при наличии соединительной линии в соответствии со схемой, изображенной на Фиг.3б, измеряемая проводимость равна и конечно, вообще говоря, отлична от проводимости полезной нагрузки.

По отношению к переменной |Z| при условии |Z₁|<<|Z₂| возможны три случая.

1. Выполняется двойное неравенство |Z₁|<<|Z|<<|Z₂|.

В этом случае величина _изм будет близка к 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.

2. Измеряемый импеданс Z мал, т.е. неравенство |Z|<<|Z₂| выполняется, а неравенство |Z₁|<<|Z| не выполняется.

В этом случае измеряемой величиной проводимости становится и на результат измерения оказывает влияние импеданс Z ₁. Существуют способы устранения влияния Z₁ на результаты измерения (см., например, патент SU257607 опубл. 1969.01.01, кл. G01R 17/12).

3. Измеряемый импеданс Z велик, т.е. верным является неравенство |Z₁|<<|Z|,а неравенство |Z|<<|Z₂| неверно.

В этом случае измеряемой величиной проводимости становится и на результат измерения оказывает влияние проводимость

При влияние кабеля велико, и мы имеем дело с проблемой выделения малого полезного сигнала от проводимости на фоне большого (фонового), обусловленного проводимостью

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.

Предшествующий уровень техники.

Существующие способы уменьшения влияния проводимости на результаты измерений основаны на использовании экранированных проводов, на экран которых вместо нулевого потенциала (земли) подают напряжение, синфазное напряжению на проводе, соединяющем нагрузку с измерительным прибором. В способе, описанном в патенте GB 531477, опубл. 1941-01-06, кл. G01R 27/26, кабель, соединяющий мост с измеряемым двухполюсником, делают с двумя оплетками. Роль экрана (земли) играет внешняя оплетка, а на внутреннюю оплетку подают напряжение, равное напряжению на центральном проводе кабеля. Таким образом фактически происходит вычитание проводимости. Измеряемой становится величина проводимости где К - коэффициент передачи повторителя, близкий к единице. Однако в этом случае нестабильность коэффициента передачи К (или отличие его от единицы) может оказывать существенное влияние на измеряемую величину. Кроме того, необходим специальный кабель. Эти недостатки ограничивают область применения этого способа.

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.

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.

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.

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.

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).

К недостаткам аналога можно отнести следующее.

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.

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.

Кроме того, этот способ предназначен для измерения изменения емкости датчика вследствие его заполнения веществом, а не для измерения самой величины его емкости.

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.

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.

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.

В обоих вариантах заявляемого способа происходит подавление фонового сигнала, обусловленного проводимостью соединительных проводов.

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 или связанного с ней, комплексного импеданса Z двухполюсника.

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.

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.

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.

А также тем, что управление ключом синхронизируют по фазе с генератором, питающим мост.

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.

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.

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.

Описание изобретения иллюстрируется следующими фигурами:

Фиг.1 - схема простейшего способа измерения импеданса двухполюсника;

Фиг.2 - общий вид трансформаторного моста;

Фиг.3а - полезная нагрузка;

Фиг.3б - полезная нагрузка, подключенная посредством кабеля;

Фиг.4 - блок-схема для иллюстрации сущности изобретения;

Фиг.5а - векторная диаграмма токов через суммирующие обмотки

трансформаторного моста;

Фиг.5б - вращение фазы опорного напряжения;

Фиг.6 - улучшенный вариант блок-схемы.

В последующем изложении следует различать опорную нагрузку моста (на Фиг.4 и Фиг.6 обозначена цифрой 8) и опорную нагрузку измерительной линии - 14.

Сущность изобретения.

Сущность изобретения проиллюстрирована на Фиг.4, Фиг.5а и Фиг.5б и состоит в следующем.

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.

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.

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.

Изображенная на Фиг.4 схема работает следующим образом.

Генератор 9 формирует переменное напряжение синусоидальной формы, которое подается на входную обмотку 1 трансформаторного моста, запитывая мост напряжением несущей частоты.

На фиг.5а изображена векторная диаграмма токов, текущих через суммирующие обмотки 4 и 5 трансформаторного моста. Входное напряжение генератора обозначено горизонтальным вектором Измерительные обмотки 2 и 4 моста (измерительное плечо) соединены с измеряемой нагрузкой 13 кабелем 7. Поэтому ток, текущий через обмотку 4, состоит из суммы двух токов, первый из которых обусловлен проводимостью кабеля ₂, а второй - проводимостью полезной нагрузки . На векторной диаграмме эти токи обозначены как и соответственно. Опорные обмотки 3 и 5 моста (опорное плечо) соединены с опорной нагрузкой 8 моста с целью компенсации тока , обусловленного кабелем. Ток обмотки 5, обусловленный опорной нагрузкой 8 моста, на Фиг.5а обозначен _. На векторной диаграмме Фиг.5а представлена ситуация, когда кабель является емкостной нагрузкой, при этом опорная нагрузка 8 также представляет собой емкость. Непараллельность токов и на векторной диаграмме отражает возможное отклонение импеданса кабеля и опорной нагрузки от чисто емкостного характера. Напряжение на выходной обмотке 6 трансформаторного моста пропорционально векторной сумме токов , и . При этом сумма векторов и по модулю оказывается много меньше как , так и .

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 показано на фиг.5б. Выходное напряжение синхронного детектора 16 после фильтрации фильтром 17 низких частот пропорционально проекции вектора на ось опорного напряжения синхронного детектора В случае, когда эта ось совпадает с осью х, (см. фиг.5б), выходное напряжение фильтра 17 низких часто равно k где k - коэффициент пропорциональности. Если же фазу повернули до совпадения с осью у, то выходное напряжение фильтра 17 равно k

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.

Рассмотрим два случая, в одном из которых измеряется действительная, а в другом - мнимая части проводимости измеряемого двухполюсника.

1. Выходное напряжение фазовращателя 22 по направлению совпадает с осью х.

В этом случае на вход синхронного детектора 19 поступает переменный низкочастотный сигнал с размахом (двойной амплитудой), равным k₁( + + )_х.-k₁( + )_x=k₁( )_x, где k₁ - коэффициент пропорциональности. При этом происходит уничтожение слагаемых и связанных с проводимостью кабеля и опорного двухполюсника. Синхронный детектор 19 детектирует этот сигнал и подает его на фильтр низких частот 20. С выхода фильтра 20 напряжение подается на усилитель постоянного тока 21, на выходе которого получается постоянное напряжение, пропорциональное . Это постоянное напряжение, в соответствии с законом Ома, пропорционально действительной части комплексной проводимости измеряемого двухполюсника.

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 . Это напряжение пропорционально мнимой части комплексной проводимости измеряемого двухполюсника.

Таким образом, проведя измерения при двух значениях фазы управляющего напряжения синхронного детектора 16, мы получаем как действительную, так и мнимую части комплексной проводимости измеряемого двухполюсника.

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.

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.

Пример реализации.

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.

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.

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.

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).

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.

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.