RU2695030C1 - Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры - Google Patents
Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры 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
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
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур. Заявлено устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, в которое введен операционный усилитель (5), инверсный вход которого соединен с одним зондом (4) и через первый резистор (R1) – с его выходом и сигнальным входом фазочувствительного элемента (6), выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. При этом выход ПЭВМ (9) соединен с управляющим входом генератора (1), выход которого соединен с другим зондом (3) и опорным входом фазочувствительного элемента (6). Причем оба зонда подключены к распределённой RC-структуре (2), используемой в качестве измеряемого устройства; неинверсный вход операционного усилителя (5) через второй резистор (R2) соединен с общей шиной. Технический результат – повышение точности измерения электрофизических параметров распределённой RC-структуры, упрощение и ускорение процесса измерения. 2 ил.
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.
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.).
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.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2244937, G01R 25/02, принятое за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 – генератор;
2 – измеряемое устройство (распределенная RC-структура);
3, 4 – зонды;
6 – двухзондовый фазочувствительный элемент;
7, 14 – первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 – устройство сопряжения;
9 – ПЭВМ;
10 – 3-децибельный балансный делитель;
11 – фазовый модулятор;
12, 13 – первый и второй вентили;
15, 16 – первая и вторая детекторные секции.
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.
Устройство-прототип работает следующим образом.
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.
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.
Недостатками устройства-прототипа являются его сложность, большая длительность процесса измерения, низкая точность результата измерения за счёт влияния паразитных параметров зондов и переключающих устройств.
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.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1 – генератор;
2 – распределённая RC-структура (измеряемое устройство);
3, 4 – первый и второй зонды;
5 – операционный усилитель;
6 – фазочувствительный элемент;
7 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 – согласующее устройство;
9 – персональная ЭВМ (ПЭВМ);
R1, R2 – первый и второй резисторы.
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.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
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.
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:
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.
Эквивалентную ёмкость распределённой RC-структуры можно определить как
где – конструктивный параметр зонда, м; – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды ( , Ф/м; – относительная диэлектрическая проницаемость; - ёмкость датчика, Ф.
Эквивалентное сопротивление представимо в виде
где – тот же конструктивный параметр датчика, м; – удельная электропроводность среды, См/м; - активное сопротивление датчика, Ом.
Следовательно, произведение RRC*CRC можно представить как
Подставляя результат (4) в формулу (1), можно определить фазовый сдвиг гармонического сигнала φ, получающийся на выходе операционного усилителя 5 относительно сигнала на выходе генератора 1
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.
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.
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.
Другие блоки общеизвестны и их реализация не вызывает затруднений.
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/
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет повысить точность измерения электрофизических параметров распределённой RC-структуры при упрощении и ускорении процесса измерения.
Claims (1)
- 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), отличающееся тем, что 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018141354A RU2695030C1 (ru) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018141354A RU2695030C1 (ru) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2695030C1 true RU2695030C1 (ru) | 2019-07-18 |
Family
ID=67309164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018141354A RU2695030C1 (ru) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2695030C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU459741A1 (ru) * | 1972-12-18 | 1975-02-05 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Квазиооптимальный фазометр |
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 (ru) * | 1986-03-13 | 1987-09-15 | Войсковая Часть 32103 | Одноканальный инфранизкочастотный фазометр |
SU1472831A1 (ru) * | 1987-05-29 | 1989-04-15 | Харьковское Высшее Военное Командно-Инженерное Училище Ракетных Войск Им.Маршала Советского Союза Крылова Н.И. | Цифровой одноканальный инфранизкочастотный фазометр |
RU2244937C1 (ru) * | 2003-07-24 | 2005-01-20 | ОАО "НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова" | Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце |
CN201917612U (zh) * | 2010-09-30 | 2011-08-03 | 上海华建电力设备股份有限公司 | 一种相位差测量装置 |
-
2018
- 2018-11-26 RU RU2018141354A patent/RU2695030C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU459741A1 (ru) * | 1972-12-18 | 1975-02-05 | Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники | Квазиооптимальный фазометр |
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 (ru) * | 1986-03-13 | 1987-09-15 | Войсковая Часть 32103 | Одноканальный инфранизкочастотный фазометр |
SU1472831A1 (ru) * | 1987-05-29 | 1989-04-15 | Харьковское Высшее Военное Командно-Инженерное Училище Ракетных Войск Им.Маршала Советского Союза Крылова Н.И. | Цифровой одноканальный инфранизкочастотный фазометр |
RU2244937C1 (ru) * | 2003-07-24 | 2005-01-20 | ОАО "НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова" | Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце |
CN201917612U (zh) * | 2010-09-30 | 2011-08-03 | 上海华建电力设备股份有限公司 | 一种相位差测量装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vooka et al. | A direct digital readout circuit for impedance sensors | |
JPH09511056A (ja) | 物質特性の測定システム | |
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 (ru) | Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры | |
Esmaili et al. | Differential pressure based liquid level measurement in sloshing condition | |
Linthish et al. | Autonulling-based multichannel impedance measurement system for capacitive sensors | |
CN111289806B (zh) | 一种阵列式电容传感器的动态测量电路 | |
KR101203041B1 (ko) | 위상차를 이용한 정현파 진폭 측정 방법 및 그 장치 | |
CN104142430A (zh) | 一种rlc测量仪及测量方法 | |
Atmanand et al. | A novel method of measurement of L and C | |
RU2695025C1 (ru) | Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры | |
US3576491A (en) | Resistance measuring bridge circuit including output gating means | |
Yu et al. | Multi-channel impedance measurement system for polymer humidity sensors | |
JPS59187272A (ja) | 電気定数測定装置 | |
Sen et al. | An arbitrary power-law device based on operational transconductance amplifiers | |
RU2260809C2 (ru) | Способ определения параметров двухполюсника | |
RU2152622C1 (ru) | Измеритель параметров двухполюсников | |
JP4741900B2 (ja) | インピーダンス測定用自動平衡回路 | |
RU2671299C9 (ru) | Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления | |
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 (ru) | Устройство для измерения импеданса биологических сред | |
Żebrowska-Łucyk | New approach for examination of the displacement sensor characteristics |