RU2695030C1 - Device for double-probe measurement of phase shifts of distributed rc-structure - Google Patents
Device for double-probe measurement of phase shifts of distributed rc-structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2695030C1 RU2695030C1 RU2018141354A RU2018141354A RU2695030C1 RU 2695030 C1 RU2695030 C1 RU 2695030C1 RU 2018141354 A RU2018141354 A RU 2018141354A RU 2018141354 A RU2018141354 A RU 2018141354A RU 2695030 C1 RU2695030 C1 RU 2695030C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- phase
- distributed
- probe
- Prior art date
Links
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R25/00—Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents
- G01R25/02—Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents in circuits having distributed constants
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур.The device of two-probe measurement of phase shifts of a distributed RC-structure refers to the measurement technique and can be used to assess the electrophysical characteristics of the media described by the model of distributed RC-structures.
Известные устройства для измерения фазовых сдвигов распределённых RC-структур основаны на выделении отдельных гармонических сигналов одинаковой частоты и измерении временного промежутка между точками с одинаковой фазой с последующим делением на период гармонического сигнала (Например, статья Siblini A., Souquet S., Mesnard G. Automatic measurement of the phase difference between two VLF sinusoidal signals./ Electronique Techn. And Industry, 1984, №11, pp. 62-66; книги 1) Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. - М.: Энергия, 1972, 2) Измерения в промышленности. Справочник.Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359; патент РФ №2244937 С1 Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце, МПК G01R 25/02, опубл. 20.01.2005, бюл. №1 и т.д.).The known devices for measuring phase shifts of distributed RC structures are based on isolating individual harmonic signals of the same frequency and measuring the time interval between points with the same phase and then dividing by the period of the harmonic signal (For example, article Siblini A., Souquet S., Mesnard G. Automatic VLF sinusoidal signals./ Electronique Techn. And Industry, 1984, No. 11, pp. 62-66; books 1) VP Bukhgolts, E.T. Tisevich Capacitive converters in systems of automatic control and management. - M .: Energy, 1972, 2) Measurements in industry. Reference book.
Для осуществления измерения фазовых сдвигов используют генератор синусоидального сигнала, управляемый в соответствии с программой нахождения искомого результата. Программа включает как различные подключения объекта измерения, так и обработку полученных результатов. Это удлиняет процесс измерения, является источником погрешностей, что, в конечном счёте удорожает и снижает точность измерения фазовых сдвигов.For the measurement of phase shifts, a sinusoidal signal generator is used, controlled in accordance with the program for finding the desired result. The program includes both various connections of the measurement object and the processing of the obtained results. This lengthens the measurement process, is a source of errors, which ultimately increases the cost and reduces the accuracy of measuring phase shifts.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2244937, G01R 25/02, принятое за прототип.Closest to the proposed device is described in the patent of the Russian Federation No. 2244937, G01R 25/02, adopted for the prototype.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:The layout of the prototype device is shown in FIG. 1, where indicated:
1 – генератор;1 - generator;
2 – измеряемое устройство (распределенная RC-структура);2 - measured device (distributed RC-structure);
3, 4 – зонды; 3, 4 - probes;
6 – двухзондовый фазочувствительный элемент;6 - dual probe phase sensitive element;
7, 14 – первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 7, 14 - the first and second analog-to-digital converter (ADC);
8 – устройство сопряжения;8 - interface;
9 – ПЭВМ;9 - PC;
10 – 3-децибельный балансный делитель;10 - 3-decibel balanced divider;
11 – фазовый модулятор;11 - phase modulator;
12, 13 – первый и второй вентили;12, 13 - the first and second valves;
15, 16 – первая и вторая детекторные секции.15, 16 - the first and second detector sections.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор 1, 3-децибельный балансный делитель 10, фазовый модулятор 11, измеряемое устройство 2 и второй вентиль 13, выход которого соединен с первым входом двухзондового фазочувствительного элемента 6. Другой выход 3-децибельного балансного делителя 10 через первый вентиль 12 соединен со вторым входом двухзондового фазочувствительного элемента 6. При этом первый зонд 3 двухзондового фазочувствительного элемента 6 через последовательно соединенные первую детекторную секцию 15 и первый АЦП 7 соединен с соответствующим входом устройства сопряжения (согласования) 8. Второй зонд 4 через последовательно соединенные вторую детекторную секцию 16 и второй АЦП 14 соединен с соответствующим входом устройства сопряжения 8, выход которого соединен с ПЭВМ 9.The prototype device contains a series-connected 1, 3-decibel
Устройство-прототип работает следующим образом.The device prototype works as follows.
Непрерывный СВЧ-сигнал от генератора 1 разделяется на два плеча с равными амплитудами в 3-децибельном балансном делителе 10. Далее сигнал от одного из плеч 3-децибельного балансного делителя 10 поступает на фазовый модулятор 11 и через измеряемое устройство 2 и второй вентиль 13 – на первый вход двухзондового фазочувствительного элемента 6. Сигнал от второго плеча (опорный сигнал) через первый вентиль 12 поступает на второй вход двухзондового фазочувствительного элемента 6. Далее сигналы от двухзондового фазочувствительного элемента 6 детектируются первой 15 и второй 16 детекторными секциями соответственно, преобразуются в цифровую форму в первом 6 и втором 14 аналого-цифровых преобразователях и поступают через устройство сопряжения 8 в ПЭВМ 9.The continuous microwave signal from the
Цикл измерения состоит из двух тактов, отличающихся состоянием фазового модулятора 11 (0 или 180 градусов), в каждом из которых по команде от ПЭВМ 9 измеряются значения амплитуд сигналов от двух зондов 3 и 4 двухзондового фазочувствительного элемента 6 с последующим вычислением сдвига фаз, внесённым измеряемым устройством 2, по предложенному для данного способа выражению с регистрацией результатов в ПЭВМ 9.The measurement cycle consists of two clock cycles differing by the state of the phase modulator 11 (0 or 180 degrees), each of which measures the amplitudes of the signals from two
Недостатками устройства-прототипа являются его сложность, большая длительность процесса измерения, низкая точность результата измерения за счёт влияния паразитных параметров зондов и переключающих устройств.The disadvantages of the prototype device are its complexity, the long duration of the measurement process, the low accuracy of the measurement result due to the influence of the parasitic parameters of the probes and switching devices.
Для решения поставленной задачи в устройство измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, содержащее генератор, измеряемое устройство, фазочувствительный элемент и два зонда, а также последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующее устройство и персональную ЭВМ (ПЭВМ), согласно изобретению, введен операционный усилитель, инверсный вход которого соединен с одним зондом и через первый резистор – с его выходом и сигнальным входом фазочувствительного элемента, выход которого подключен к входу АЦП, при этом выход ПЭВМ соединен с управляющим входом генератора, выход которого соединен с другим зондом и опорным входом фазочувствительного элемента, причем оба зонда подключены к распределённой RC-структуре, используемой в качестве измеряемого устройства; неинверсный вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной.To solve this problem, the device for measuring the phase shifts of a distributed RC structure, comprising a generator, a measuring device, a phase-sensitive element and two probes, as well as serially connected analog-to-digital converter (ADC), matching device and personal computer (PC), according to the invention, An operational amplifier is introduced, the inverse input of which is connected to one probe and through the first resistor to its output and signal input of the phase-sensitive element, the output of which is connected to the input of the ADC, When the output of the PC connected to the control input of the generator, whose output is connected to the other probe and the reference input of phase change element, wherein both probes are connected to a distributed RC-structure, is used as a measuring device; non-inverted input of the operational amplifier through the second resistor is connected to the common bus.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:The scheme of the proposed device is shown in figure 2, where indicated:
1 – генератор;1 - generator;
2 – распределённая RC-структура (измеряемое устройство);2 - distributed RC-structure (measured device);
3, 4 – первый и второй зонды;3, 4 - the first and second probes;
5 – операционный усилитель;5 - operational amplifier;
6 – фазочувствительный элемент;6 - phase sensitive element;
7 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);7 - analog-to-digital converter (ADC);
8 – согласующее устройство;8 - matching device;
9 – персональная ЭВМ (ПЭВМ);9 - personal computer (PC);
R1, R2 – первый и второй резисторы.R1, R2 - the first and second resistors.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные операционный усилитель 5 и фазочувствительный элемент 6, выход которого через последовательно соединенные АЦП 7 и согласующее устройство 8 шиной соединен с ПЭВМ 9, выход которой подключен к управляющему входу генератора 1, один выход которого соединен с общей шиной. При этом другой выход генератора 1 соединен с первым зондом 3 и опорным входом фазочувствительного элемента 6. Выход операционного усилителя 5 через первый резистор R1 соединен с его инверсным входом и вторым зондом 4. Неинверсный вход операционного усилителя 5 через второй резистор R2 соединен с общей шиной. Таким образом, в отрицательную обратную связь операционного усилителя 5 через два зонда 3 и 4 подключена распределённая RC-структура 2, являющаяся измеряемым устройством.The proposed device contains serially connected operational amplifier 5 and a phase-
Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device works as follows.
Распределённая RC-структура 2 подключается через первый 3 и второй 4 зонды в отрицательную обратную цепь операционного усилителя 5, что обеспечивает появление гармонического сигнала на его выходе. Фазочувствительный элемент 6 преобразует изменение фазы сигнала в изменение амплитуды, которая получается на его выходе. Distributed RC-
Заданный с помощью ПЭВМ 9 гармонический сигнал генератора 1 UГ подаётся на первый зонд 3, подключенный к распределённой RC-структуре 2. В результате на выходе операционного усилителя UУ будет гармонический сигнал, определяемый по следующей формуле:The harmonic signal of the 1 U G generator set using the
где UГ– напряжение на выходе генератора 1; UУ – напряжение на выходе операционного усилителя 5; R – номинал резистора 6 операционного усилителя 5; j =(-1)½ - мнимая единица; ω=2πf – круговая частота гармонического сигнала; RRC и CRC – эквивалентные сопротивление и ёмкость распределённой RC-структуры.where U G - the voltage at the output of the
Эквивалентную ёмкость распределённой RC-структуры можно определить какEquivalent capacity of a distributed RC structure can be defined as
где
Эквивалентное сопротивление представимо в видеEquivalent resistance is represented as
где
Следовательно, произведение RRC*CRC можно представить какTherefore, the product R RC * C RC can be represented as
Подставляя результат (4) в формулу (1), можно определить фазовый сдвиг гармонического сигнала φ, получающийся на выходе операционного усилителя 5 относительно сигнала на выходе генератора 1Substituting the result (4) into formula (1), one can determine the phase shift of the harmonic signal φ resulting from the output of the operational amplifier 5 relative to the signal at the output of the
На опорный вход фазочувствительного элемента 6 поступает гармонический сигнал с выхода генератора 1, а на его сигнальный вход поступает гармонический сигнал с выхода операционного усилителя 5. На выходе фазочувствительного элемента 6 получается сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу φ согласно формуле (5) и подается на вход АЦП 7, с выхода которого через устройство сопряжения 8 этот сигнал поступает в ПЭВМ 9, где запоминается и обрабатывается. Для управления работой генератора 1 используется выход ПЭВМ 9, с помощью которого устанавливается заданное значение частоты генератора 1, его включение и выключение.The reference input of the phase-
Для обеспечения заданной точности измерения фазового сдвига φ номиналы резисторов R1 и R2 должны быть одинаковыми. Формула (5) также указывает на отсутствие влияния конструктивных параметров зондов 2 и 4 на результат измерения фазового сдвига.To ensure a given accuracy of measuring the phase shift φ, the ratings of resistors R1 and R2 should be the same. Formula (5) also indicates the absence of the influence of the design parameters of
Фазочувствительный элемент может быть выполнен, например, как описано в книге Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. Л. «Энергия», 1974, С. 86, рис. 5-57. Phase sensitive element can be performed, for example, as described in the book Marché J. Operational amplifiers and their application. Per. from French L. "Energy", 1974, p. 86, fig. 5-57.
Другие блоки общеизвестны и их реализация не вызывает затруднений.Other blocks are well known and their implementation is not difficult.
Предлагаемое устройство может быть использовано для определения других характеристик распределённой RC-структуры: тангенс угла диэлектрических потерь, удельной проводимости подстилающей поверхности, диэлектрической проницаемости и т.д. аналогично тому, как описано в патенте РФ 2671299, G01V 3/08/The proposed device can be used to determine other characteristics of a distributed RC structure: the dielectric loss tangent, the conductivity of the underlying surface, the dielectric constant, etc. in the same way as described in the patent of the Russian Federation 2671299,
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет повысить точность измерения электрофизических параметров распределённой RC-структуры при упрощении и ускорении процесса измерения.Thus, in comparison with the prototype, the claimed device allows improving the accuracy of measuring the electrophysical parameters of a distributed RC structure while simplifying and speeding up the measurement process.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018141354A RU2695030C1 (en) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Device for double-probe measurement of phase shifts of distributed rc-structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018141354A RU2695030C1 (en) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Device for double-probe measurement of phase shifts of distributed rc-structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2695030C1 true RU2695030C1 (en) | 2019-07-18 |
Family
ID=67309164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018141354A RU2695030C1 (en) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Device for double-probe measurement of phase shifts of distributed rc-structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2695030C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU459741A1 (en) * | 1972-12-18 | 1975-02-05 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Quasio-optimal phase meter |
US4506333A (en) * | 1981-07-24 | 1985-03-19 | Thomson-Csf | Device for measuring the phase angle between a sine wave signal and a cyclic logic signal of the same frequency |
SU1337812A1 (en) * | 1986-03-13 | 1987-09-15 | Войсковая Часть 32103 | Single=channel infrasonic frequency phase meter |
SU1472831A1 (en) * | 1987-05-29 | 1989-04-15 | Харьковское Высшее Военное Командно-Инженерное Училище Ракетных Войск Им.Маршала Советского Союза Крылова Н.И. | Digital single-chain infra-low-frequency phase meter |
RU2244937C1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-01-20 | ОАО "НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова" | Two-probe method of measuring phase shifts in balance ring |
CN201917612U (en) * | 2010-09-30 | 2011-08-03 | 上海华建电力设备股份有限公司 | Phase difference measuring device |
-
2018
- 2018-11-26 RU RU2018141354A patent/RU2695030C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU459741A1 (en) * | 1972-12-18 | 1975-02-05 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Quasio-optimal phase meter |
US4506333A (en) * | 1981-07-24 | 1985-03-19 | Thomson-Csf | Device for measuring the phase angle between a sine wave signal and a cyclic logic signal of the same frequency |
SU1337812A1 (en) * | 1986-03-13 | 1987-09-15 | Войсковая Часть 32103 | Single=channel infrasonic frequency phase meter |
SU1472831A1 (en) * | 1987-05-29 | 1989-04-15 | Харьковское Высшее Военное Командно-Инженерное Училище Ракетных Войск Им.Маршала Советского Союза Крылова Н.И. | Digital single-chain infra-low-frequency phase meter |
RU2244937C1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-01-20 | ОАО "НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова" | Two-probe method of measuring phase shifts in balance ring |
CN201917612U (en) * | 2010-09-30 | 2011-08-03 | 上海华建电力设备股份有限公司 | Phase difference measuring device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vooka et al. | A direct digital readout circuit for impedance sensors | |
JPH09511056A (en) | Material property measurement system | |
Ayari et al. | Active power measurement comparison between analog and digital methods | |
US3768006A (en) | Method and apparatus for direct measurement of percent | |
Dauphinee | An isolating potential comparator | |
Atmanand et al. | A microcontroller-based quasi-balanced bridge for the measurement of L, C and R | |
RU2695030C1 (en) | Device for double-probe measurement of phase shifts of distributed rc-structure | |
Linthish et al. | Autonulling-based multichannel impedance measurement system for capacitive sensors | |
CN111289806B (en) | Dynamic measurement circuit of array type capacitance sensor | |
KR101203041B1 (en) | Method of measuring an amplitude of a sinusoidal wave using a phase difference and apparatus thereof | |
RU156519U1 (en) | DEVICE FOR CONTACTLESS CONTROL OF ELECTROMAGNETIC PARAMETERS OF THIN FILMS AND NANOMATERIALS | |
Atmanand et al. | A novel method of measurement of L and C | |
RU2695025C1 (en) | Two-probe method of measuring phase shifts of distributed rc-structure | |
US3576491A (en) | Resistance measuring bridge circuit including output gating means | |
Yu et al. | Multi-channel impedance measurement system for polymer humidity sensors | |
JPS59187272A (en) | Electric constant measuring apparatus | |
Sen et al. | An arbitrary power-law device based on operational transconductance amplifiers | |
RU2152622C1 (en) | Two-port device parameter meter | |
JP4741900B2 (en) | Automatic balancing circuit for impedance measurement | |
RU2671299C9 (en) | Method and device for measuring parameters of underlying environment | |
Vooka et al. | A novel capacitance-to-digital converter for capacitive sensors with AC excitation | |
Noel | Sinusoidal excited direct digitizer circuit for measurement of inductance and resistance | |
RU2462185C1 (en) | Device for measuring impedance of biological media | |
Żebrowska-Łucyk | New approach for examination of the displacement sensor characteristics | |
Bujalski et al. | The Use of Multifrequency Binary Sequences MBS Signal in the Anemometer with Thermal Wave |