[1]Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур.
[2]Известные способы 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, G01R 25/02 «Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце»).
[3]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 результате удорожает процесс и снижает точность измерения фазовых сдвигов.
[4]Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в патенте РФ №2244937, G01R 25/02 «Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце», принятый за прототип.
[5]Способ-прототип основан на разделении непрерывного сигнала генератора синусоиды на два плеча, в одно из которых установлен двухзондовый фазочувствительный элемент и измеряемое устройство, а в другое плечо – фазовый модулятор, имеющий два состояния 0 или 180 градусов. При проведении измерения на каждом из двух зондов производится суммирование двух сигналов, один из которых несёт информацию о сдвиге фазы сигнала, а другой является опорным. Определение фазового сдвига, вносимого измеряемым устройством, проводится расчётным путём с использованием найденных в двух такта амплитуд сигналов на двух неподвижных зондах. Для первого такта при начальном фазовом состоянии сигнала и для второго такта при изменённом фазовом состоянии сигнала на 180 градусов в одном из плеч балансного кольца.
[6]Из изложенного следует, что процесс измерения фазовых сдвигов достаточно сложен, длителен, а результат измерения имеет недостаточную точность.
[7]Задача – повышение точности измерения при упрощении процесса измерения фазовых сдвигов распределенной RC-структуры для различных частот гармонического сигнала.
[8]Для решения поставленной задачи в способе измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, основанном на получении непрерывного гармонического сигнала, измерении фазового сдвига с помощью двух зондов и вычислении фазовых сдвигов, согласно изобретению, получение непрерывного гармонического сигнала осуществляют подключением распределённой RC-структуры через два зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, на выходе которого формируется гармонический сигнал частотой f0
, по которому рассчитывают фазовый сдвиг δ
распределенной RC-структуры по формуле δ=arctg[f0/(2π2f)],
где f0
- частота генератора в момент измерения, Гц; f
- частота, для которой определяется фазовый сдвиг δ распределённой RC-структуры, Гц.
[9]Предлагаемый способ заключается в подключении распределенной RC-структуры через два разнесенных зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, обеспечивающего получение гармонического сигнала определенной частоты, измерением этой частоты с последующим пересчетом на частоту сигнала, на основе которых определяются фазовые сдвиги распределенной RC-структуры на различных частотах.
[10]Источником измеряемого сигнала является генератор, построенный на операционном усилителе, в отрицательную обратную связь которого через два зонда подключается распределенная RC-структура.
[11]Матрица генератора представима произведением трёх матриц следующего вида:
[12]‖a11a12a21a22‖=‖101/R1‖‖chγlZ1shγlZ1−1shγlchγl‖‖10G1‖
, (1)
[14]Решая матричное уравнение (1) и, учитывая, что элемент а22=1, а коэффициент распространения представим как γl=α+jα=ωRC/2+jωRC/2
, получим в результате выражения для действительной и мнимой частей следующего вида:
[15]Z1(R)−1shαcosα+chαcosα=1
, (2,а)
[16]Z1(R)−1chαsinα+shαsinα=0
. (2,б)
[19]f0=π/RC
, (3)
[20]где f0 - частота генератора в момент измерения, Гц.
[22]RC=π/f0
. (4)
[23]Фазовый сдвиг δ находят следующим образом. Тангенс угла сдвига вектора тока относительно вектора напряжения tgδ
определяют по формуле, приведённой в книге «Измерения в промышленности. Справочник.Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359
[24]tgδ=(ωRC)−1
(5)
[25]Подставляя в это выражение формулу (4), получим
[26]tgδ=(ωRC)−1=(2πf⋅RC)−1=f0/(2π2f),
(6)
[27]где f – заданная частота гармонического сигнала, Гц.
[28]Отсюда фазовый сдвиг δ находят по формуле
[29]δ=arctg[f0/(2π2f)], (7)
[31]При этом δ = 2,9 градуса.
[32]Следует отметить, что предлагаемый способ может быть использован для определения других характеристик распределённой RC-структуры. По формуле (6) можно определять тангенс угла диэлектрических потерь и другие электрофизические параметры распределённой RC-структуры.
[33]Заявляемый способ может быть реализован устройством, схема которого представлена на фиг. 1, где обозначено:
[35]2 – распределенная RC-структура;
[36]3, 4 – первый и второй зонды;
[37]5 – операционный усилитель;
[38]6 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
[39]7 – согласующее устройство;
[40]8 – персональная ЭВМ (ПЭВМ).
[41]Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор 1, состоящий из операционного усилителя 5, в отрицательную обратную цепь которого через два зонда 3 и 4 подключена распределенная RC-структура 2. При этом выход операционного усилителя 5, являющийся выходом генератора 1, соединен с входом АЦП 6, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом согласующего устройства 7, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом ПЭВМ 8.
[42]Устройство работает следующим образом.
[44]Технический результат – повышение точности измерения при упрощении процесса измерения фазовых сдвигов распределенной RC-структуры для различных частот гармонического сигнала
[45]Это достигается за счет проведения измерений в один этап, результат измерения получается автоматически в виде частоты генерируемого сигнала с последующим пересчетом на ПЭВМ на искомые частоты фазовых сдвигов.
