Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников

 

Устройство относится к области измерения физических величин, в частности к измерителям параметров двухполюсников. Мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор 1 последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, ... K_n-1t^n-1 (где K₀, K₁ ... - постоянные коэффициенты, t - время), электрический мост и нуль-индикатор 29. Генератор состоит из формирователей импульсов 2, 3, 4, ... с изменением напряжения по закону степенных функций, коммутатора 5 и усилителя 6 мощности. Работа отдельных формирователей генератора и нуль-индикатора синхронизируется блоком синхронизации 7, имеющимся в генераторе. Ветвь моста с объектом измерения образована резистором 22 плеча отношения и двумя клеммами для подключения объекта измерения, общий вывод резистора и одной из клемм образует первый вывод выхода электрического моста. Ветвь моста с уравновешивающими (регулируемыми) резисторами содержит резистор 8 плеча отношения, последовательно с которым включена цепь, состоящая из параллельно включенных резистора 9 и цепи из последовательно соединенных конденсатора 10 и двух резисторов 11, 12. Новым в мостовом измерителе является введение в ветвь с уравновешивающими резисторами моста n - 3-одинаковых цепей наращивания, где n - число элементов в схеме замещения объекта измерения. Каждая цепь наращивания состоит из последовательно соединенных конденсатора (например 19), первого и второго резисторов (например, 20, 21). Конденсатор (например, 19) каждой последующей цепи наращивания подключен к общему выводу конденсатора (например, 16) и первого резистора (например, 17) предыдущей цепи, а второй резистор (например, 21) ее - к общему выводу двух резисторов (например, 17, 18) предыдущей цепи наращивания. Общий вывод двух резисторов (например, 20, 21) последней цепи наращивания образует второй вывод выхода моста. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, промышленной электронике, автоматике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения, содержащих в схеме замещения активные сопротивления и емкости, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включенных в электрический мост.

Известен мостовой измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников [1] , содержащий генератор импульсов сложной формы, четырехплечий электрический мост, в два смежных плеча отношения которого включены по одному резистору, а два плеча сравнения образуют n-элементные двухполюсники из резисторов и конденсаторов и нуль- индикатор, выход генератора соединен с диагональю питания моста, а измерительная диагональ его подключена ко входу нуль-индикатора.

Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми резисторами.

Известен электрический мост [2], который содержит генератор импульсов трапецеидальной формы, соединенный с диагональю питания мостовой цепи, первая ветвь которой образована резистором плеча отношения и объектом измерения, вторая ветвь представляет собой сложную цепь, где в качестве уравновешивающих элементов используются только регулируемые резисторы.

Недостатком его является отсутствие раздельного уравновешивания по двум из четырех измеряемых параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа электрический мост [3], содержащий генератор сложных импульсов, мостовую цепь, одна ветвь которой образована последовательно соединенными резистором плеча отношения и объектом измерения, другая ветвь представляет собой сложную цепь, где в качестве уравновешивающих элементов использованы только регулируемые резисторы, генератор соединен со входом мостовой цепи, а выход ее подключен ко входу нуль-индикатора.

Недостатком его является отсутствие возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми резисторами при определении более трех параметров объекта измерения, что сужает его функциональные возможности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей электрического моста при раздельном уравновешивании его только регулируемыми резисторами.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t²,..., K_n-1t^n-1 (где K₀, K₁, K₂...-постоянные коэффициенты, t - время), коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей, а выход соединен с усилителем мощности, выход которого образует первый выход генератора импульсов, блока синхронизации, выходы которого соединены со входами синхронизации формирователей, а один из выходов его образует второй выход генератора (выход синхронизации); генератор подключен ко входу электрического моста, первая из двух ветвей которого образована резистором плеча отношения, последовательно с которым включена сложная цепь, состоящая из параллельно включенных резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора и двух резисторов, вторая ветвь моста состоит из резистора второго плеча отношения и двух клемм для подключения объекта измерения, который, в частности, состоит из параллельно соединенных резистора и конденсатора, последовательно относительно их включен второй конденсатор, параллельно этой группе включен второй резистор, а последовательно третий конденсатор, и параллельно результирующей цепи соединен третий резистор, один вывод входа моста образует общий вывод сложной цепи в первой ветви и одна из клемм для подключения объекта измерения во второй ветви, второй вывод этого входа заземлен и образован общим выводом двух резисторов плеч отношения в разных ветвях; нуль-индикатор, один вход которого (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора, а один вывод второго входа подключен к общему выводу резистора плеча отношения второй ветви и второй из клемм для подключения объекта измерения, этот общий вывод образует первый вывод выхода моста; общая шина индикатора и общая шина генератора соединены с землей, введены в сложную цепь первой ветви моста n-3 одинаковых цепей наращивания, где n - число элементов в схеме замещения объекта измерения, каждая цепь наращивания состоит из последовательно соединенных конденсатора, первого и второго резисторов, конденсатор каждой последующей цепи наращивания подключен к общему выводу конденсатора и первого резистора предыдущей цепи, а второй резистор ее - к общему выводу двух резисторов предыдущей цепи наращивания, общий вывод двух резисторов последней цепи наращивания образует второй вывод выхода моста и соединен со вторым выводом второго входа нуль-индикатора; число формирователей в генераторе равно числу элементов в схеме замещения объекта измерения (n).

Сущность изобретения поясняется чертежом. Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор импульсов 1, который состоит из требующегося числа формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, в частности формирователя последовательности прямоугольных импульсов 2 (K₀t⁰), формирователя последовательности импульсов линейно-изменяющегося напряжения 3 (K₁t¹), формирователя последовательности квадратичных импульсов 4 (K₂t²) и т. д. В генератор также входит коммутатор 5, усилитель мощности 6 и блок синхронизации 7. Общая шина генератора соединена с землей. Выход усилителя мощности 6 образует первый выход генератора 1, а один из выходов блока синхронизации 7 - второй выход его (выход синхронизации). Первая ветвь электрического моста включает в себя резистор 8 (R8) плеча отношения и сложную цепь из резистора 9 (R9), конденсатора 10 (C 10), резистора 11 (R11), резистора 12 (R12), конденсатора 13 (C 13), резистора 14 (R14), резистора 15 (R15), конденсатора 16 (C 16), резистора 17 (R17), резистора 18 (R18), конденсатора 19 (C 19), резистора 20 (R20) и резистора 21 (R21). Общий вывод резисторов 20 и 21 образует один из выводов выхода моста. Вторую ветвь моста образуют резистор 22 (R22) плеча отношения и клеммы для подключения объекта измерения. В частности, он содержит резистор 23 (R23), конденсатор 24 (C24), резистор 25 (R25), конденсатор 26 (C26), резистор 27 (R27) и конденсатор 28 (C28). Общий вывод резистора 22 плеча отношения и одной из клемм для подключения объекта измерения образует второй вывод выхода моста. Общий вывод сложной цепи в первой ветви и другой клеммы для подключения объекта измерения второй ветви образует первый вывод входа моста и соединен с первым выходом генератора импульсов. Второй вывод входа моста заземлен и образован общим выводом двух резисторов 8 и 22 плеч отношения разных ветвей. Первый вход нуль- индикатора 29 соединен с выходом моста, а второй вход его (вход синхронизации) - со вторым выходом генератора 1 импульсов.

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе электрического моста равны нулю. Посредством коммутатора 7 вначале подадим на мост с генератора 1 последовательность импульсов прямоугольной формы. При воздействии очередного импульса в установившемся режиме в ветвях моста устанавливаются неизменяющиеся напряжения. Напряжение неравновесия зависит здесь только от значений сопротивлений резисторов 8, 9, 22 и 23, так как емкости в данном случае представляют собой разрыв цепи. Первое условие равновесия моста: R₈R₂₃-R₉R₂₂=0 Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 9 (R9) плоская вершина импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесие моста (1). Равновесие моста здесь и в дальнейшем отмечается по осциллографу (29) (нуль-индикатору). Далее посредством коммутатора 7 подаем на мост с генератора 1 последовательность импульсов линейно-изменяющегося напряжения. При воздействии очередного такого импульса на выходе моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия моста: C₁₀(R₈R₉+R₉R₁₂+ R₉R₁₂)-C₂₄R₉R₂₂ = 0 Выполнить его можно регулировкой значений сопротивлений уравновешивающих резисторов 9 (R9) и 12 (R12). Но резистор 9 уже задействован при выполнении первого условия равновесия (1) и попытка регулировать его приведет к нарушению этого условия равновесия, что недопустимо. Тогда остается только одна возможность для выполнения второго условия равновесия (2) - это регулировка уравновешивающего резистора 12. Однократной регулировкой этого резистора приводим плоскую вершину импульсного сигнала неравновесия к нулю, то есть выполняем второе условие равновесия (2). После этого посредством коммутатора 7 подаем на мост с генератора 1 последовательность квадратичных импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия имеет вид: C₁₃R₁₁R₁₅(R₈+R₉)+C₂₄ R₂₅(R₈R₉+R₈R₁₂+R₉ R₁₂)-C₂₄R₂₂R₉R₁₁= 0 Не нарушая предыдущие условия равновесия (1) и (2), выполнить это условие (3) можно регулировкой значений сопротивлений 11 (R11) или 15 (R15) или обоих этих сопротивлений. Однократной регулировкой приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (3). При воздействии на мост питающих импульсов всех последующих форм, кроме последней, в каждом последующем условии равновесия находятся два сопротивления, регулировка которых не приводит к нарушению предыдущих условий равновесия и в то же время позволяет выполнить очередное условие равновесия, аналогично последнему описанному случаю. В частности, для четвертого условия равновесия это C₁₃C₁₆R₁₁R₁₄R₁₈(R₈+ R₉)+C₁₃(C₂₄+C₂₆)R₁₁R₁₅ R₂₅(R₈+R₉)+C₁₃C₂₄ R₂₅(R₁₁+R₁₄+R₁₅)(R₈R₉+ R₈R₁₂+R₉R₁₂)-C₂₄R₉R₁₁ R₂₂(C₂₆R₂₅+C₁₃R₁₄) = 0 регулируемые сопротивления 14 (R14) и 18 (R18), а для пятого условия равновесия регулируемые сопротивления 17 (R17) и 21 (R21). При последней C₁₃C₁₆C₁₉R₁₁R₁₄R₁₇ R₂₁(R₈+R₉)+C₁₃C₁₆R₁₁R₁₄ R₁₈(R₈+R₉)(C₂₄R₂₅+C₂₆ R₂₅+C₂₆R₂₇)+C₁₃R₁₁ R₁₅R₂₅(R₈+R₉)[C₁₆ (C₂₄+C₂₆)(R₁₄+R₁₇+R₁₈)+ C₂₄C₂₆R₂₇] +C₁₃C₂₄R₂₅ (R₁₁R₁₄+R₁₅)(R₈R₉+R₈ R₁₂+R₉R₁₂)(C₁₆R₁₇+C₁₆ R₁₈+C₂₆R₂₇)+C₁₃C₁₆C₂₄R₁₄ R₂₅(R₁₁+R₁₅)(R₈R₉+R₈ R₁₂+R₉R₁₂)-C₁₆C₂₄R₉R₁₁ R₁₇R₂₂(C₂₆R₂₅+C₁₃R₁₄)- C₁₃C₂₄C₂₆R₉R₁₁R₁₄ R₂₂(R₂₅+R₂₇)=0
форме питающих импульсов, то есть при последнем уравновешивании, имеется только одно регулируемое сопротивление, которое не приводит к нарушению предыдущих условий равновесия и позволяет выполнить последнее условие равновесия. Это первое сопротивление последней цепи наращивания. В частности, для моста на чертеже, таким регулируемым сопротивлением является сопротивление 20 (R20), что подтверждает последнее условие равновесия
C₁₀C₁₃C₁₆C₁₈{R₁₁ R₁₄R₁₇R₂₁(R₈+R₉) [R₂₅(C₂₄+C₂₆)+R₂₇(C₂₆+ C₂₈)] +R₁₁R₁₄R₁₈(R₈+R₉) (R₁₇+R₂₀+R₂₁)(C₂₄R₂₅+C₂₆ R₂₅+C₂₆R₂₇)+C₂₄R₁₄R₂₅ (R₁₁+R₁₅)(R₈R₉+R₈R₁₂+ R₉R₁₂)(R₁₇+R₂₀+R₂₁)+ R₁₁R₁₅R₂₅(R₈+R₉)(C₂₄+ C₂₆)[(R₂₀+R₂₁)(R₁₄+R₁₇+R₁₈)+ R₁₇(R₁₄+R₁₈)] +C₂₄R₂₅ (R₁₁+R₁₄+R₁₅)(R₈R₉+R₈ R₁₂+R₉R₁₂)[R₁₇(R₂₀+R₂₁)+ R₁₈(R₁₇+R₂₀+R₂₁)]}+ C₁₀C₁₃C₁₆R₂₅R₂₇{R₁₁ (R₈+R₉)(C₂₄C₂₆+C₂₄C₂₈+ C₂₆C₂₈)[R₁₄R₁₈+R₁₅(R₁₄+ R₁₇+R₁₈)] +C₂₄(C₂₆+C₂₈)(R₈ R₉+R₈R₁₂+R₉R₁₂)[R₁₄ (R₁₁+R₁₅)+(R₁₁+R₁₄+R₁₅) (R₁₇+R₁₈)] } +C₁₀C₁₃C₁₉C₂₄ C₂₆R₂₅R₂₇(R₁₇+R₂₀+R₂₁) [R₁₁R₁₅(R₈+R₉)+(R₁₁+R₁₄+ R₁₅)(R₈R₉+R₈R₁₂+R₉R₁₂)] - C₁₀C₂₄R₉R₁₁R₂₂{ C₁₆R₁₇ (C₂₈R₂₇+C₁₉R₂₀)(C₂₆R₂₇+ C₁₃R₁₄)+C₁₃C₂₆R₁₄(R₂₅+ R₂₇)[C₁₆R₁₇+C₁₉(R₁₇+R₂₀+ R₂₁)] +C₂₆R₂₅[C₂₈R₂₇(C₁₃ R₁₄+C₁₆R₁₄+C₁₆R₁₈)+C₁₆ C₁₉R₁₇R₂₀+C₁₆C₁₉(R₁₄+ R₁₈)(R₁₇+R₂₀+R₂₁)]}=0.

Таким образом, данный мостовой измеритель параметров n- элементных двухполюсников позволяет расширить функциональные возможности и определять параметры 4-, 5-, 6- и т.д. элементных двухполюсников с однородными реактивными элементами. При этом мост уравновешивается раздельно только образцовыми регулируемыми резисторами. Кроме того, сохраняются меньший вес и меньшие габариты, так как используемые в качестве уравновешивающих элементов магазины сопротивлений имеют меньший вес и габариты по сравнению с магазинами емкости и индуктивности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1. А.с. N 1150556, МКИ G 01 R 17/10. Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников /Г.И. Передельский. - опубл. в БИ, 1985, N14.

2. А. с. N 998967, МКИ G 01 R 17/10. Электрический мост / Г.И. Передельский. - опубл. в БИ, 1983, N7.

3. Передельский Г.П. Мостовые цепи с импульсным питанием. -М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 114, рис. 4.5, мост 1 - прототип.

Формула изобретения

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹...K_n-1t^n-1 (где K₀, K₁, K₂... - постоянные коэффициенты, t - время), коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей, а выход соединен с усилителем мощности, выход которого образует первый выход генератора импульсов, блока синхронизации, выходы которого соединены со входами синхронизации формирователей, а один из выходов его образует второй выход генератора импульсов (выход синхронизации), генератор импульсов подключен ко входу электрического моста, первая из двух ветвей которого образована резистором плеча отношения, последовательно с которым включена сложная цепь, состоящая из параллельно включенных резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора и двух резисторов, вторая ветвь электрического моста состоит из резистора второго плеча отношения и двух клемм для подключения объекта изменения, который, в частности, состоит из параллельно соединенных резистора и конденсатора, последовательно относительно их включен второй конденсатор, параллельно этой группе включен второй резистор, а последовательно - третий конденсатор и параллельно результирующей цепи соединен третий резистор, один вывод входа электрического моста образует общий вывод сложной цепи в первой ветви и одна из клемм для подключения объекта измерения во второй ветви, второй вывод входа электрического моста заземлен и образован общим выводом двух резисторов плеч отношения в разных ветвях; нуль-индикатор, один вход которого (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, а один вывод второго входа подключен к общему выводу резистора плеча отношения второй ветви и второй из клемм для подключения объекта измерения, этот общий вывод образует первый вывод выхода электрического моста; общая шина нуль-индикатора и общая шина генератора импульсов соединены с землей, отличающийся тем, что введены в сложную цепь первой ветви электрического моста n-3 одинаковых цепей наращивания, где n - число элементов в схеме замещения объекта измерения, каждая цепь наращивания состоит из последовательно соединенных конденсатора, первого и второго резисторов, конденсатор каждой последующей цепи наращивания подключен к общему выводу конденсатора и первого резистора предыдущей цепи, а второй резистор названной последующей цепи наращивания - к общему выводу двух резисторов предыдущей цепи наращивания, общий вывод двух резисторов последней цепи наращивания образует второй вывод выхода электрического моста и соединен со вторым выводом второго входа нуль-индикатора, число формирователей в генераторе импульсов равно числу элементов в схеме замещения объекта измерения (n).

РИСУНКИ

Рисунок 1