Преобразователь параметров многоэлементных двухполюсников

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема которых является N-элементным двухполюсником (Д). Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя путем обеспечения измерения параметров N-элементного двухполюсника, а также обеспечения пересчета параметров других исследуемых нерезонансных двухполюсников через значения параметров эквивалентного двухполюсника - достигается введением N генераторов импульсов с изменением напряжения по законам степенных функций, выходные напряжения которых поочередно подаются на входы двух операционных усилителей (ОУ). В обратную связь первого ОУ включен Д, а во входную цепь второго ОУ - модель Д, состоящая из переменных элементов. Выходные напряжения вычитающего блока, подключенного к выходам ОУ фиксируются N элементами выборки и хранения (ЭВХ), затем поочередно приводятся к нулю регулировкой соответствующих элементов модели Д при подаче на входы ОУ выходных напряжений первого - N-го генератора импульсов соответственно. Выходное напряжение первого ЭВХ пропорционально первому параметру Д, а значения остальных определяются выходными напряжениями делительных звеньев, подключенных к выходам N ЭВХ. При измерении параметров объектов, имеющих другую схему замещения, блок пересчета осуществляет вычисление искомых параметров любого друго

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С О1 R 27/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4430100/24-21 (22) 24.05.88 (46) 30.01.90. Бюл. Р 4 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при

Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Г.И.Передельский и А.Н.Сапрыкин (53) 621. 317. 363(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М:938199, кл. G 01 R 27/02, 1980.

АвторcKoе свидетельство СССР

Р -1187102, кл. G 01 R 27/02, 1984. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ mOГОЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛОСНИКОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема которых является и-„ элементным двухполюсником (Д). Цель изобретения — расширение функциональных возможностей преобразователя путем обеспечения измерения параметров и-элементного двухполюсника, а также обеспечения пересчета параметров других исследуемых нерезонансных двухполюсников через значения параметров эквивалентного двухполюсника—

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для, измерения параметров п-элементных нерезонансных двухполюсников, через значения параметров эквивалентного двухполюсника, содержащего n/2 после- довательно соединенных резисторов, причем второй вывод последнего рези„„SU„„! 539679

2 достигается введением п генераторов импульсов с изменением напряжения по законам степенных функций, выходные напряжения которых поочередно подаются на входы двух операционных усилителей (ОУ). В обратную связь первого ОУ включен Д, а во входную цепь второго ОУ вЂ” модель Д, состоящая из переменных элементов. Выходные напряжения вычитающего блока, подключенного к выходам ОУ фиксируются и элементами выборки и хранения (ЭВХ), затем поочередно приводятся к нулю регулировкой соответствующих элементов модели Д при подаче на входы ОУ выходных напряжений первого — п-ного генератора импульсов соответственно.

Выходное напряжение первого ЭВХ прогорционально первому параметру Д, а значения остальных определяются выходными напряжениями делительных звеньев, подключенных к выходам и ЭВХ.

При измерении параметров объектов, имеющих другую схему замещения, блок пересчета осуществляет вычисление искомых параметров любого другого Д через эквивалентные значения параметров приведенного Д. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. стора объединен с вторыми выводами

n/2 катушек индуктивностей, первые выводы которых подключены к первым выводам соответствующих резисторов.

Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения измерения параметров иэлементного двухполюсника, а также

1539679 ки. Выход первого элемента 13 непосредственно соединен с первым выходом преобразователя и первым входом блока 49 пересчета, а выход любого из элементов 14-17 выборки и хранения соединен с соответствующими выходом преобразователя и входом блока 49 пересчета через пару последовательно соединенных делительных звеньев 50-57 (например, третий выход — через звенья 52 и 53), вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента выборки и хранения и предыдущим выходом преобразователя соответственно, исследуемый двухполюсник 58, параметры которого могут быть определены через эквивалентные значения параметров двухполюсника 27, Преобразователь работает следующим образом.

Для случая n=4 исследуемый двухполюсник 27 состоит из резисторов 28, 29 и катушек индуктивностей 31, 32, причем второй вывод резисторов 29 объединен с вторыми выводами катушек индуктивностей 31, 32. Модель 36 содержит переменные конденсаторы 40, 41, ключ 37, причем второй вывод конденсатора 41 объединен с вторым выводом переменного резистора 44. Следует заметить, что число переменных элементов и модели 36 всегда должно быть равно п-1, т.е. на единицу мень-" ше, чем число элементов измеряемого двухполюсника 27. . °

В исходном состоянии ключи 8, 18 замкнуты, а ключи 19-21 8-11, 37 разомкнуты, значения параметров переменных элементов модели 36 равны нулю. Тактовые. импульсы задающего генератора 1 поступают на вход генератора 2 прямоугольных импульсов, работающего в ждущем режиме. Выходные импульсы прямоугольной формы

U (й) =П t =U (t — время) длительностью t> генератора 2 через контакты ключа 18 поступают во входные цепи усилителей 23, 24. С учетом того, что коэффициент усиления и входной импеданс усилителя 24 достаточно велики, его передаточную функцию V (P) можно определить из известного соатФ ношения обеспечения пересчета параметров других исследуемых нерезонансных двухполюсников через значения параметров эквивалентного двухполюсника.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема преобразователя параметров многоэлементных двухполюсников, где п=4; на фиг. 2— эквивалентный исследуемый двухполюс- 10 ник.

Преобразователь содержит задающий генератор 1, выход которого соединен с входами генераторов 2-6 импульсов ,с изменением напряжений по законам 15

1степенных функций с показателями сте-! пени п-1 и входом элемента 7 задержки, выход которого через ключи 8-12 подключен к управляющим входам элементов 13-17 выборки и хранения. Выходы 20 генераторов 2-6 соединены через клю\ ,,чи 18-22 с входными цепями операци;онных усилителей 23 и 24. Первый об разцовый элемент 25 (L ) включен во входную цепь усилителя 24, а второй 25 образцовый элемент 26 (СО) — в цепь обратной связи усилителя 23. Исследуемый двухполюсник 27 содержит последовательно соединенные резисторы

28-30 (R> R,...,К„ ), причем второй 30 выход последнего резйстора 30 объединен с вторыми выводами катушек 31-33 индуктивностей (L,L Ь„ ), первые выводы которых подключены к первым выводам соответствующих резисторов 28-30 и подключен в цепь обратной связи усилителя 24 к клеммам 34 и 35.

Настраиваемая модель 36 исследуемого двухполюсника включена во входную цепь усилителя 23. Модель 36 содержит 40 последовательно соединенные ключи 3739 и переменные конденсаторы 40-43 (С,С,,...,С„ ), причем второй вывод последнего конденсатора 43 объединен с вторыми выводами переменных резис- 45 торов 44-46 (r,, r,..., г<„,„, ), первые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих конденсаторов. Выходы усилителей 23 и 24 подключены к входам вычитающего блока 47, 50 выход которого соединен с информационными входами элементов 13-17 выборки и хранения и нуль-органа 48.

Вход синхронизации нуль-органа 48 соединен с выходом элемента 7 задерж- 55

Zgg(p) 1 PLgLg (Rg+R 3+R iR Ь,. гй PLo Lo Р Ь1Ь,+Р(Р,L<+R

15396

Аналогично можно показать, что (P)«(P) — — —, (3)

U (P) э 2 з . PC 2 (Р) .где 2 (Р) — сопротивление модели 36

96 в операторной форме.

На основании (2) можно показать, что оригинал выходного напряжения усилителя 24 после окончания переходных процессов (у) определяется параметром L <.

25 (4) й4 У о

Это напряжение через вычитающий блок .

47 (т.к. переменные элементы модели

36 установлены в нулевые положения, то на выходе усилителя 23 нулевой потенциал) поступает на информационные входы элементов 13-16 выборки и хранения и фиксируется элементом 13, т.к. на его управляющий вход посту- 35 пают через замкнутый ключ 8 задержанные элементом 7 задержки тактовые импульсы. Время задержки элемента 7 выбирается заведомо больше длительности переходных процессов. Затем ключ 40

8 размыкакт и на выходе элемента 13 выборки и хранения, подклкченного к первому выходу преобразователя, присутствует напряжение (4 ), однозначно определяющее параметр L>, Затем 45 изменением значения емкости переменного конденсатора 40 выходное напряжение U вычитающего блока 47 приво4 ится к нулю:

С, ц (,) ь () ц () ц ц „ 0, а o(5) Са при этом С,=L,— о

55 выходное напряжение операционных усилителей 23 и 24 соответственно, где U„(t),U„(t)— где P — оператор Лапласа;

2<$P) — сопротивление исследуемого двухполюсника 27 в оператор- ной форме.

Изображение выходного напряжения цй4(Р) B COOTBeTCTBHH C (1) pBBHO. (P ) « 4(P ), где Uz(P) " выходйое напряжение гене- 10 ратора 2. в операторной форме.

1 1

U (t)=U — — (L t- — )-U — — — С е

47 " t 1 1 R, 111

1 L, (6) MLo

Напряжение (6) фиксируется элементом 14 выборки и хранения, управляемым выходными импульсами элемента

7 задержки, поступающими через контакты ключа 9, и затем дважды делится на напряжение (4) делительными звеньями 50 и 5.1:

Lo

U = — ——

51 U (7) Затем ключ 9 размыкают, и изменением величины сопротивления переменного резистора 44 выходное напряжение вы- читающего блока 47 приводится к нули:

1 и

Ь1 r,С, U (t) = -U — — — — +U — — =О, при

t„Lî R, t uCo этом r, = ——

Lî (8)

К,С

Далее ключ 19 размыкается, а ключи

20 и 10 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 с выхода генератора 4 поступают импульсы с изменением напряжения по закону квадратичной параболы: и

Ц,(е)=U„(--) и

После окончания переходных процессов выходное напряжение вычитающего блока 47 с учетом выполнения условий (5) и (8) будет равно .

1 з

Г 2Um L„L, Ь ЬЬл

U it)= — --(--"e — — t+ — + - --)4 1Ь 2 R, R i Rß

2U», С ь,L, — — -"-(— t -r С t+r С )=2U „ С;, 2 1 1 1 1»1 Е1Ь К1

» (9) Это напряжение фиксируется элементом 15 выборки и хранения, управ79 б

Состояние равновесия здесь и далее фиксируется нуль-органом 48. Далее ключ 18 размыкается, а ключи 19 и 9 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 поступают линейно-изменяющиеся импульсы с выхода генератоt ра 3: V3 (t)=U --, при этом после окончания переходных процессов выходное напряжение вычитающего блока 47, 1 определяемое разностью напряжений на его входах, с учетом (5), будет равно:

1539679 ляемым выходными импульсами элемента

7 задержки, поступающими через контакты ключа 10, и затем делится на напряжения (6) и (7) делительными

5 звеньями 52 и 53 соответственно:

U =2U

Lz

5 3 (10) Затем размыкается ключ 10, замыкает- 10 ся ключ 37 и изменением величины емкости переменного конденсатора 41 выходное напряжение вычитающего блока 47 приводится к нулю:

z 1 Z

Ь«Ь 2 r С,С1

V С) =211 — — --- -211 — — -.-=O

4Р m 1Ь R 1 п к о -1 о при этом С1=Ь

Со

Ьо (11) 3Ьо

U (13)

211„с„В

Таким образом, выражения (4), (7), (10), (13) однозначно определяют Нскомые параметры L „ Р „, Ь,, R исслеpyeMorg двухполюсника 27. При увеличении числа элементов п исследуемого двухполюсника порядок работы преобразователя аналогичен вышеприведенному.

Данный преобразователь позволяет определить параметры любого нерезо-. нансного многоэлементного двухполюсДалее ключ 20 размыкается, а ключи 20

21 и 11 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 с выхода генератора 5 поступают импульсы с изменением напряжения по закону кубичной параболы: U (1) =U (t/t„) . После 25 окончания переходных процессов выхоцное напряжение вычитающего блока 47 с учетом выполнения .условий (5), (8) и .(11) будет равно:

6У ГЬ з Ь 1 Ь

30 ()= — — 1 t — — - t +(д фъ зЬ (6 2R Rz Z 1 1 2 ),ЬЬ

К, R ò Р,1э.1 ь 1 1

611 С з r C, 1 1 э з — t — — — t +r С t-r С 1эС 6 2 35 к

1 >

-2r С С -r С С ) 6U — — — — . (12)

3 z 3 1 1 1

1 ) 2J t3L R1Я и о р 1

Это напряжение фиксируется элементом

16 выборки и хранения, управляемым 40 выходными импульсами элемента 7 задержки, поступающими через контакты ключа 11, и затем делится на напряжения (9) и (10) делительными звеньями 54 и 55 соответственно: 45

11 (Р)

Е (Р) 1

Rô Ро

P (RgR.ôCý+F.эР.gCq)+Rÿ

Р R эВ С эС4+Р (Р«эС4+Р Сэ+КаС )+1

Следовательно, порядок уравновешивания и функционирования делительных звеньев 50-55 одинаков при исследовании двухполюсников 27 и 58, Выра жения (4), (7), (10), (13) принимают ц ц е (15)

1 о

R (С э+С )

Ut„

2U RqCq

53 К (Сз+С )1 (16) о (12) ЗКо С 3 (Сз+Со )

2Ut„C 4 (18) Совместный анализ выражений (4), (7), (10), (13) и выражений (15)- (18) позволяет получить формулы пересчета от эквивалентных значений параметров

R „ R < Ь I двухполюсника 27

1экэ 1экУ экю 1 экв к йскомым параметрам R» R<, C» С измеряемого двухполюсника 58:

К о(Сз+Сф) U tq кз Ь экю

U =U

14 w 1» ю Ь 1 о о

Ьо

Э м" я экь

211щК С 211о? 1экв

Ф

Бз «к (С +Сз)1 (19) э 1.155

31эоС «(Сз+Сф) ЗЬо

«И

20 „С 211 г. „К ника, состоящего из и элементов. Необходимым условием при этом является соответствие передаточной функции усилителя 24 виду (1), что достигается включением образцового элемента

25 и исследуемого двухполюсника 27 либо во входную цепь, либо в цегь .отрицательной обратной связи усилителя 24, а также варьированием характера применяемого образцового элемента

25 (образцовой катушки индуктивности

Ь, образцового конденсатора С или образцового резистора Р,). Например, исследуемый двухполюсник 58 (фиг.2) ключается в цепь обратной связи, а бразцовый элемент 25 (резистор R,) о входную цепь усилителя 24, передаточная функция которого 11 .(Р) в 24 этом случае имеет вид, аналогичный (1):

Rî о як о

Lo

С3

9

15396

Из системы уравнений 19 следует:

Ro (Ri +RgQ яке

° «Ф а t

Lo

5 о

° 04

Рм 2 ЭК8 к -- — — — —--- (20)

1экв 1экв 2зк1

Напряжения, определяемые выражениями (15)-(18),с первого-четвертого выходов преобразователя поступают на соответствующие входы блока 49 пересчета. Блок 49 пересчета по алгоритму 15 определяемому выражениями (20), осуществляет расчет искомых параметров

К, R<, С, С+ двухполюсника 58.

Аналогично можно получить формулы пересчета от значений эквивалентных 20 параметров R,, 1,,„ двухполюсника

27 к искомым параметрам х. любого

1 другого нерезонансного многоэлементного двухполюсника, . при этом число параметров этого двухполюсника должно быть равно числу параметров двухполюсника 27.

Таким образом, данный преобразователь позволяет определить параметры п-элементных нерезонансных двухполюс- 30 ников и может найти применение при определении параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема которых представляет собой иэлементный двухполюсник. Например, двухполюсник 27 представляет собой схему замещения, встречающуюся в устройствах автоматики, связи в качестве амплитудных корректоров, плечей фильтров, двухполюсник 58 — схему замещения белкового раствора. По сравнению с прототипом данное изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства, так как обеспечивает измерение парамет- 45 ров п-элементного двухполюсника. В данном решении уравновешиванИе по каждому параметру осуществляется раздельно, т.е. выполняется однократной регулировкой переменных элемен- 50 тов.

Ф о р м у л а и з о б р е т.е н и я

Преобразователь параметров многоэлементных двухполюсников, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом элемента задержки и входами пяти генераторов

79

10 импульсов, выходные напряжения кото-. рых соответственно изменяются по законам степенных функций с показателями степени О, 1, 2, 3, 4, а выходы через соответствующие ключи подключены к первому выводу настраиваемой модели исследуемоro двухполюсника, второй вывод которой соединен с первым выводом первого образцового элемента и первым входом первого операционного усилителя, второй вход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя и с общей шиной, при этом второй вход. второго операционного усилителя соединен с первым выводом второго образцового элемента и с первой клеммой для подключения исследуемого и-элементного двухполюсника, выход первого операционного усилителя подключен к второму выводу первого образцового элемента и первому входу вычитающего блока, выход которого подключен к информационным входам пяти элементов выборки и хранения, входы управления элементов через соответствующие ключи соединены с выходом элемента задержки, выход первого элемента выборки и хранения подключен к первому выходу преобразователя. выход любого из оставшихся элементов соединен с соответствующим выходом преобразователя через пару последовательно включенных делительных звеньев, вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента выборки и хранения и предыдущим выходом преобразователя соответственно, вторую клемму для подключения исследуемоro п-элементного двухполюсника, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, в него введены 2п-5 ключей, 2п-8 делительных звеньев, нуль-орган, блок пересчета, и-5 элементов выборки и хранения и п-5 генераторов импульсов, выходные напряжения которых изменяются по законам степенных функций с показателями степени

5,6,...,п-1, входы которых соединены с выходом задающего генератора, а выходы через и-5 соответствующих ключей подключены к первым выводам модели исследуемого двухполюсника и

:второго образцового элемента, при этом вторая клемма для подключения исследуемого п-элементного двухполюсника соединена с выходом второго

11 15396 усилителя и с вторым входом вычита= ющего блока, выход которого подключен к входу нуль-органа и к информационным входам остальных и-5 элемен5 тов выборки и хранения, управляющие входы которых подключены к выходу элемента задержки через п-5 соответствующих ключей, выход любого из элементов соединен с соответствующим 1р выходом преобразователя через пару последовательно соединенных делительных звеньев, вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента и предыдущим входом преобразова-15 теля соответственно, при этом и входов блока пересчета подключены к и соответствующим выходам преобразова79

12 теля, а вход синхронизации нуль-органа соединен с выходом элемента задержки.

2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что модель исследуемого двухполюсника содержит

n/2 последовательно соединенных ключей и n/2 переменных конденсаторов, причем между первым выводом каждого последующего ключа и вторым выводом предыдущего включен переменный конденсатор, при этом второй вывод последнего и/2 конденсатора объединен с вторыми выводами (n/2)-1 переменных резисторов, первые выводы которых соединены с вторыми выводами соот" ветствующих конденсаторов.

1539679

Составитель В.Семенчук

Редактор М.Циткина Техред M.Õoäàíè÷

/ Г

Корректор Э.Лончакова

Заказ 215

Тираж 540

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101