CS245089B1

CS245089B1 - Transformer bridge for small impedance measurements

Info

Publication number: CS245089B1
Application number: CS851762A
Authority: CS
Inventors: Jaroslav Bohacek
Original assignee: Jaroslav Bohacek
Priority date: 1985-03-14
Filing date: 1985-03-14
Publication date: 1986-08-14
Also published as: CS176285A1

Abstract

Transformátorový můstek zabezpečuje vysokou přesnost a citlivost měření a umožňuje přímé měření vzájemné indukčnosti. Můstek sestává z proudového transformátoru s několika přepínatelnými primárními vinutími, ze dvou indukčních děličů a dvou napěťových transformátorů. V sérii s primárním vinutím proudového transformátoru je zdroj napájecího napětí a svorky (10, 11), k nimž jsou připojeny proudové svorky měřené impedance nebo jedna z cívek vzájemné indukčnosti. K jeho sekundárnímu vinutí je proudovými svorkami (14, 15) připojen odporový etalon, k jehož napěťovým svorkám (16, 17 J je paralelně připojen vstup oddělovacího stupně. K jeho výstupu je paralelně připojen obvod fázového posunu. Paralelně k výstupu oddělovacího stupně a obvodu fázového posunu jsou připojeny indukční děliče (5, 6), k jejichž výstupům jsou připojeny prlmáry napěťových transformátorů (7, 8). Jejich sekundární vinutí jsou v sérii s indikátorem vyvážení a druhými svorkami (12, 13) pro připojení napěťových svorek měření impedance nebo druhé cívky vzájemné indukčnosti. Druhá svorka (12) spojená s indikátorem vyvážení je uzemněna. S výhodou jsou všechny transformátory vytvořeny s pomocným buzením.The transformer bridge provides high accuracy and sensitivity of measurement and allows direct measurement of mutual inductance. The bridge consists of a current transformer with several switchable primary windings, two inductive dividers and two voltage transformers. In series with the primary winding of the current transformer is a source of supply voltage and terminals (10, 11), to which the current terminals of the measured impedance or one of the mutual inductance coils are connected. A resistance standard is connected to its secondary winding by current terminals (14, 15), to whose voltage terminals (16, 17 J the input of the separation stage is connected in parallel. A phase shift circuit is connected in parallel to its output. Inductive dividers (5, 6) are connected in parallel to the output of the separation stage and the phase shift circuit, to whose outputs the primary terminals of the voltage transformers (7, 8) are connected. Their secondary windings are in series with the balance indicator and second terminals (12, 13) for connecting the voltage terminals of the impedance measurement or the second mutual inductance coil. The second terminal (12) connected to the balance indicator is grounded. Preferably, all transformers are designed with auxiliary excitation.

Description

Transformátorový můstek zabezpečuje vysokou přesnost a citlivost měření a umožňuje přímé měření vzájemné indukčnosti.The transformer bridge ensures high measurement accuracy and sensitivity and enables direct measurement of mutual inductance.

Můstek sestává z proudového transformátoru s několika přepínatelnými primárními vinutími, ze dvou indukčních děličů a dvou napěťových transformátorů. V sérii s primárním vinutím proudového transformátoru je zdroj napájecího napětí a svorky (10, 11), k nimž jsou připojeny proudové svorky měřené impedance nebo jedna z cívek vzájemné indukčnosti. K jeho sekundárnímu vinutí je proudovými svorkami (14, 15) připojen odporový etalon, k jehož napěťovým svorkám (16, 17 J je paralelně připojen vstup oddělovacího stupně. K jeho výstupu je paralelně připojen obvod fázového posunu. Paralelně k výstupu oddělovacího stupně a obvodu fázového posunu jsou připojeny indukční děliče (5, 6), k jejichž výstupům jsou připojeny prlmáry napěťových transformátorů (7, 8). Jejich sekundární vinutí jsou v sérii s indikátorem vyvážení a druhými svorkami (12, 13) pro připojení napěťových svorek měření impedance nebo druhé cívky vzájemné indukčnosti. Druhá svorka (12) spojená s indikátorem vyvážení je uzemněna. S výhodou jsou všechny transformátory vytvořeny s pomocným buzením.The bridge consists of a current transformer with several switchable primary windings, two inductive dividers and two voltage transformers. In series with the primary winding of the current transformer is a source of supply voltage and terminals (10, 11), to which the current terminals of the measured impedance or one of the mutual inductance coils are connected. A resistance standard is connected to its secondary winding by current terminals (14, 15), to whose voltage terminals (16, 17 J the input of the separation stage is connected in parallel. A phase shift circuit is connected in parallel to its output. Inductive dividers (5, 6) are connected in parallel to the output of the separation stage and the phase shift circuit, to whose outputs the primary terminals of the voltage transformers (7, 8) are connected. Their secondary windings are in series with the balance indicator and second terminals (12, 13) for connecting the voltage terminals of the impedance measurement or the second mutual inductance coil. The second terminal (12) connected to the balance indicator is grounded. Preferably, all transformers are designed with auxiliary excitation.

Vynález se týká transformátorového můstku pro měření malých impedancí se zabezpečením vysoké přesnosti a citlivosti měření.The invention relates to a transformer bridge for measuring small impedances with high measurement accuracy and sensitivity.

K přesnému měření impedancí se v současné době nejčastěji používá transformátorových můstků. Tyto můstky se hodí především pro měření impedancí větších hodnot, kdy se i s poměrně jednoduchými zapojeními dosahuje vysoké přesnosti měření a vysoké citlivosti. Naproti tomu přesnost transformátorových můstků pro· měření malých impedancí bývá podstatně nižší, i když se používá složitějších zapojení a vyvažování je komplikovanější vzhledem k nutnosti zajistit co' nejlepší eliminaci vlivu odporů přívodů a přechodových odporů. Další nevýhodou těchto můstků je, že zpravidla neumožňují přímé měření vzájemných indukčností.Transformer bridges are currently most often used for precise impedance measurements. These bridges are particularly suitable for measuring impedances of larger values, where high measurement accuracy and high sensitivity are achieved even with relatively simple connections. In contrast, the accuracy of transformer bridges for measuring small impedances tends to be significantly lower, even when more complex connections are used, and balancing is more complicated due to the need to ensure the best possible elimination of the influence of lead resistances and transition resistances. Another disadvantage of these bridges is that they usually do not allow direct measurement of mutual inductances.

Uvedené nevýhody odstraňuje transformátorový můstek pro měření malých impedancí s proudovým transformátorem s několika přepínatelnými primárními vinutími, se dvěma několikadekádovými indukčními děliči a se dvěma napěťovými transformátory, podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že v sérii s primárním vinutím proudového transformátoru je zapojen zdroj napájecího napětí a první svorky, ke kterým je svými proudovými svorkami připojena měřená impedance, nebo v případě měření vzájemné indukcnosti jedna z cívek této indukcnosti, zatímco k sekundárnímu vinutí proudového transformátoru je proudovými svorkami připojen odporový etalon. Paralelně k jeho napěťovým svorkám je připojen vstup oddělovacího stupně s jednotkovým zesílením, k jehož výstupu je paralelně připojen vstup obvodu fázového posunu. V výstupu oddělovacího stupně s jednotkovým zesílením a obvodu fázového posunu jsou připojeny vstupy prvního a druhého indukčního děliče, přičemž k výstupům těchto děličů jsou připojena primární vinutí prvního a druhého napětového transformátoru, jejichž sekundární vinutí jsou zapojena do série s indikátorem vyvážení a s druhými svorkami, ke kterým je svými napěťovými svorkami připojena měřená impedance a v případě měření vzájemné indukčnosti druhá z jejích cívek. Druhá svorka měřené impedance spojená s indikátorem vyvážení je uzemněna. Jako napěťových transformátorů lze použít napěťových transformátorů s pomocným buzením a jako proudového transformátoru proudového transformátoru s pomocným buzením, paralelně k jehož sekundárnímu vinutí je svými vstupy připojen operační zesilovač, mezi jehož invertující vstup a výstup je proudovými svorkami připojen odporový etalon.The above disadvantages are eliminated by a transformer bridge for measuring small impedances with a current transformer with several switchable primary windings, with two multi-decade inductive dividers and with two voltage transformers, according to the invention. Its essence lies in the fact that in series with the primary winding of the current transformer, a supply voltage source and first terminals are connected, to which the measured impedance is connected by its current terminals, or in the case of measuring mutual inductance, one of the coils of this inductance, while a resistance standard is connected by current terminals to the secondary winding of the current transformer. In parallel to its voltage terminals, an input of a separation stage with unity gain is connected, to whose output the input of the phase shift circuit is connected in parallel. The outputs of the separation stage with unity gain and the phase shift circuit are connected to the inputs of the first and second inductive dividers, and the outputs of these dividers are connected to the primary windings of the first and second voltage transformers, the secondary windings of which are connected in series with the balance indicator and with the second terminals, to which the measured impedance is connected with its voltage terminals and, in the case of measuring mutual inductance, the second of its coils. The second terminal of the measured impedance connected to the balance indicator is grounded. As voltage transformers, voltage transformers with auxiliary excitation can be used, and as current transformers, a current transformer with auxiliary excitation, parallel to the secondary winding of which an operational amplifier is connected by its inputs, between the inverting input and output of which a resistance standard is connected between the current terminals.

Širokého měřicího rozsahu můstku a vysoké přesnosti se dosahuje použitím proudového transformátoru s pomocným buzením a s několika přepínatelnými primárními vinutími a dvou několikadekádových indukčních děličů.The wide measuring range of the bridge and high accuracy are achieved by using a current transformer with auxiliary excitation and several switchable primary windings and two multi-decade inductive dividers.

Příklady zapojení transformátorového můstku pro měření malých impedancí jsou schematicky uvedeny na přiložených výkresech. Na obr. 1 je všeobecné schéma zapojení, na obr. 2 je konkretizace tohoto zapojení pro měření obecné impedance a na obr. 3 je konkretizace zapojení pro měření vzájemné indukcnosti.Examples of transformer bridge connections for measuring small impedances are schematically shown in the attached drawings. Fig. 1 is a general connection diagram, Fig. 2 is a concretization of this connection for measuring general impedance, and Fig. 3 is a concretization of the connection for measuring mutual inductance.

V sérii s primárním vinutím proudového transformátoru 1, obr. 1, je zapojen zdroj 2 napájecího napětí a svorky 10, 11, ke kterým je svými proudovými svorkami připojena měřená impedance Z_x. K sekundárnímu vinutí tohoto proudového transformátoru 1 je proudovými svorkami 14, 15 připojen odporový etalon R_n. Paralelně k napěťovým svorkám 16, 17 odporového etalonu R_n je připojen vstup oddělovacího stupně 3, který má jednotkové zesílení. Paralelně k výstupu oddělovacího stupně 3 je připojen vstup obvodu 4 fázového posunu. K výstupu oddělovacího stupně 3 je připojen vstup prvního indukčního děliče 5, k jehož výstupu je připojeno primární vinutí prvního napěťového transformátoru 7. K výstupu obvodu 4 fázového posunu je připojen vstup druhého indukčního děliče 6, k jehož výstupu je připojeno primární vinutí druhého napěťového transformátoru 8. Sekundární vinutí prvního a druhého napěťového transformátoru 7, 8 jsou zapojena do série s indikátorem 9 vyvážení a s druhými svorkami 12, 13, ke kterým se svými napěťovými svorkami připojuje měřená impedance Z_x. Druhá svorka 13, na kterou je připojena napěťová svorka měřené impedance Z_x, která je spojena s indikátorem vyvážení 9, je uzemněna. Rovněž tak jsou uzemněny indukční děliče 5, 8, primární vinutí napěťových transformátorů 7, 8, jedna vstupní a jedna výstupní svorka oddělovacího stupně 3 a obvodu 4 fázového posunu, jakož 1 výstup Indikátoru 9 vyvážení, který je spojen s druhou svorkou 12.In series with the primary winding of the current transformer 1, Fig. 1, a source 2 of supply voltage and terminals 10, 11 are connected, to which the measured impedance Z _x is connected by its current terminals. A resistance standard R _n is connected to the secondary winding of this current transformer 1 by current terminals 14, 15. In parallel to the voltage terminals 16, 17 of the resistance standard R _n is connected the input of the separation stage 3, which has unity gain. In parallel to the output of the separation stage 3 is connected the input of the phase shift circuit 4. The output of the separation stage 3 is connected to the input of the first inductive divider 5, to the output of which the primary winding of the first voltage transformer 7 is connected. The output of the phase shift circuit 4 is connected to the input of the second inductive divider 6, to the output of which the primary winding of the second voltage transformer 8 is connected. The secondary windings of the first and second voltage transformers 7, 8 are connected in series with the balance indicator 9 and with the second terminals 12, 13, to which the measured impedance Z _x is connected with its voltage terminals. The second terminal 13, to which the voltage terminal of the measured impedance Z _x is connected, which is connected to the balance indicator 9, is grounded. Inductive dividers 5, 8, primary windings of voltage transformers 7, 8, one input and one output terminal of the separation stage 3 and the phase shift circuit 4, as well as 1 output of the balance indicator 9, which is connected to the second terminal 12, are also grounded.

Při měření se nastavením dělicích poměrů prvního indukčního děliče 5 a druhého indukčního děliče 6 transformátorový můstek vyváží. Potom se odečtou dělicí poměry ni, nz, nastavené na prvním indukčním děliči 5 a na druhém indukčním děliči 6. Pro rovnovážný stav pak platíDuring the measurement, the transformer bridge is balanced by setting the division ratios of the first inductive divider 5 and the second inductive divider 6. Then, the division ratios ni, nz, set on the first inductive divider 5 and on the second inductive divider 6, are subtracted. For the equilibrium state, then

ReRe

ΆA

ImI am

Ιηι[Ζχ]I[Ζχ]

7 - 7 - ďť-j p Re [?x] ďť-j p Re [?x] ^zx ^from x ⁼ p uJUj ⁼ p uJUj »*» »*» <2 Ra <2 Ra

kdewhere

Re [Z_x], popřípadě Im (Z_xj je reálná, případně imaginární část měřené Impedance, ω je úhlový kmitočet napájecího napětí, ni, případně nz je dělicí poměr nastavený v rovnováze na indukčním děliči 5, popřípadě S, p je převod proudového transformátoru 1, τι a T2 jsou časové konstanty obvodu fázového posunu 4.Re [Z _x ], or Im (Z _x j is the real, or imaginary part of the measured Impedance, ω is the angular frequency of the supply voltage, ni, or nz is the division ratio set in equilibrium on the inductive divider 5, or S, p is the ratio of the current transformer 1, τι and T2 are the time constants of the phase shift circuit 4.

V sérii s primárním vinutím proudového transformátoru 1, obr. 2 je zdroj 2 napájecího napětí a první svorky 10, 11, ke kterým je svými proudovými svorkami připojena měřená impedance Z_x. Paralelně k sekundárnímu vinutí proudového transformátoru 1 je svými vstupy připojen první operační zesilovač 18, mezi jehož invertující vstup a výstup je proudovými svorkami 14, 15 připojen odporový etalon R_:1. Paralelně k napěťovým svorkám 16, 17 tohoto odporového etalonu R_n je připojen vstup napěťového sledovače, realizovaného pomocí druhého operačního zesilovače 19, který je zde ve funkci oddělovacího stupně 3. Mezi výstup tohoto druhého operačního zesilovače 19 a zem je svým vstupem připojen jednak integrátor, který je zde ve funkci obvodu 4 fázového posunu a který je tvořen třetím operačním zesilovačem 20, rezistory Ri, Rž a kondenzátorem C, jednak první několikadekádový indukční dělič 5, paralelně k jehož výstupu je připojen vstup prvního napěťového transformátoru 7 s pomocným buzením a s převodem 1 :1, tvořeného čtvrtým operačním zesilovačem 71 ve funkci napěťového sledovače a třemi vinutími se stejnými počty závitů na obou jádrech. Mezi výstup třetího operačního zesilovače 20 a zem je připojen vstup druhého několikadekádového indukčního děliče 6, jehož výstup je připojen lke vstupu druhého napěťového transformátoru 8 s pomocným buzením a s převodem 1:1, tvořeného pátým operačním zesilovačem 81 ve funkci napěťového sledovače a třemi vinutími se stejnými. počty závitů na obou jádrech. Sekundární vinutí obou napěťových transformátorů 7, 8 jsou zapojena do série a jsou v sérii též s indikátorem 9 vyvážení a druhými svorkami 12, 13, ke kterým se svými napěťovými svorkami připojuje měřená impedance Z_x. Druhá svorka 12, spojená s indikátorem 9 vyvážení, je uzemněna. Při měření vzájemné indukčnosti mezi dvěma cívkami, obr. 3, se jedna z těchto cívek připojí k prvním svorkám 10, 11 a druhá pak k druhým svorkám 12, 13.In series with the primary winding of the current transformer 1, Fig. 2, there is a source 2 of supply voltage and first terminals 10, 11, to which the measured impedance Z _x is connected by its current terminals. In parallel to the secondary winding of the current transformer 1, a first operational amplifier 18 is connected by its inputs, between whose inverting input and output a resistance standard R _:1 is connected by its current terminals 14, 15. In parallel to the voltage terminals 16, 17 of this resistance standard R _n is connected the input of a voltage follower, implemented by a second operational amplifier 19, which here functions as a separating stage 3. Between the output of this second operational amplifier 19 and the ground, there is connected by its input, on the one hand, an integrator, which here functions as a phase shift circuit 4 and which is formed by a third operational amplifier 20, resistors Ri, Rž and a capacitor C, on the other hand, a first multi-decade inductive divider 5, in parallel to whose output is connected the input of the first voltage transformer 7 with auxiliary excitation and with a 1:1 conversion, formed by a fourth operational amplifier 71 in the function of a voltage follower and three windings with the same number of turns on both cores. Between the output of the third operational amplifier 20 and the ground is connected the input of the second multi-decade inductive divider 6, the output of which is connected to the input of the second voltage transformer 8 with auxiliary excitation and with a 1:1 conversion, formed by the fifth operational amplifier 81 in the function of a voltage follower and three windings with the same. number of turns on both cores. The secondary windings of both voltage transformers 7, 8 are connected in series and are also in series with the balance indicator 9 and the second terminals 12, 13, to which the measured impedance Z _x is connected with its voltage terminals. The second terminal 12, connected to the balance indicator 9, is grounded. When measuring the mutual inductance between two coils, Fig. 3, one of these coils is connected to the first terminals 10, 11 and the other to the second terminals 12, 13.

Můstek se opět vyvažuje nastavením dělicích poměrů indukčních děličů 5, Β. V rovnováze platí dříve uvedené vztahy. Časová konstanta τι je zde dána součinem CRi a časová konstanta τζ součinem CRz.The bridge is again balanced by adjusting the division ratios of the inductive dividers 5, Β. In equilibrium, the previously mentioned relations apply. The time constant τι is here given by the product CRi and the time constant τζ by the product CRz.

Zapojení podle vynálezu je určeno k přesnému měření elektrického odporu, elektrické kapacity a vlastní i vzájemné indukčnosti. Samotné vyhodnocení výsledků měření se s výhodou provede například pomocí programovatelného kalkulátoru.The circuit according to the invention is intended for precise measurement of electrical resistance, electrical capacitance and self and mutual inductance. The evaluation of the measurement results is preferably carried out, for example, using a programmable calculator.

Claims

A transformer bridge for measuring low impedances with a current transformer having several switchable primary windings, two multi-row inductive dividers and two voltage transformers, characterized in that a power supply (2) of the power supply (2) is connected in series with the primary winding of the current transformer (1). voltage and the first terminals (10, 11) to which either the measured impedance (Z _x ) is connected by its current terminals or one of the coils of the measured mutual inductance, while · to the secondary winding of the current transformer (lj is the current terminals (14, 15)) connected to a resistance standard (R _n ) of the invention, parallel to whose voltage terminals (16, 17), the input of the isolation stage (3) with unit gain is connected, to the output of which the input of the phase shift circuit (4) is connected in parallel; stage (3) with unit gain and phase circuit (4) The first and second inductive divider (5, 6) are connected to their outputs to the outputs of which the primary windings of the first and second voltage transformers (7, 8) are connected, whose secondary windings are in series with the indicator (9j balancing and second terminals). 12, 13) to which either the measured impedance (ZJ) or the second coil of measured mutual inductance is connected by its voltage terminals, the second terminal (12) connected to the balance indicator (9) being grounded.

Transformer bridge according to claim 1, characterized in that the first and second voltage transformers (7, 8) are formed by auxiliary excitation voltage transformers.

Transformer bridge according to claim 1, characterized in that the current transformer (1) is formed by an auxiliary excitation current transformer parallel to the secondary winding of which is connected via its inputs an operational amplifier (18) between which the inverting input and output are current terminals. (14, 15) connected a resistance standard (R _n j.