Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к области измерения параметров объектов, имеющих схемы замещения в виде многоэлементных пассивных двухполюсников. Устройство содержит генератор, включающий в себя формирователи импульсов линейного, квадратичного и кубичного напряжения, коммутатор, блок синхронизации и усилитель мощности. Выход усилителя мощности является первым выходом генератора, выход блока синхронизации - вторым выходом генератора, третий выход генератора является вторым входом мостовой цепи. К генератору подключена четырехплечая мостовая цепь, состоящая из двух параллельных ветвей. Первая ветвь содержит два последовательно включенных двухполюсника. Элементы первого двухполюсника имеют постоянные параметры, элементы второго - регулируемые и используются для уравновешивания моста. Первый и второй многоэлементные двухполюсники первой ветви мостовой цепи содержат по нескольку одинаковых цепей наращивания, каждая из которых подключается параллельно катушке предыдущей цепи наращивания. Общее число цепей наращивания равно частному от деления количества элементов объекта измерения на 4. Вторая ветвь моста содержит последовательно соединенные одиночный резистор и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения. Первый выход мостовой цепи образован общей точкой первого и второго многоэлементного двухполюсника первой ветви моста, второй вывод - общей точкой одной из клемм и одиночным резистором второй ветви. Оба выхода моста подключены к дифференциальному входу нуль-индикатора, второй вход которого подключен к блоку синхронизации, а общая шина - заземлена. Технический результат изобретения заключается в увеличении числа определяемых параметров объектов измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков.

Известен измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников [1], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь для определения параметров резистивно-емкостных (R-C двухполюсников и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определения параметров резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C).

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [2], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком этого измерителя является отсутствие расширенных функциональных возможностей, то есть он не пригоден для определения пяти, шести и более параметров многоэлементных двухполюсников объектов измерения.

Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников [3], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей, заключающееся в том, что измеритель позволит определять четыре, пять и более параметров многоэлементных двухполюсников, а также он позволит определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов напряжения, который состоит из формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону целочисленной степени времени K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², …, K_n-1t^n-1, где K_i - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения, коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей, а выход подключен к входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно земли генератора импульсов (выход импульсов питания), блока синхронизации, выход которого соединен с входами синхронизации каждого из формирователей импульсов, а также его выход образует второй выход генератора относительно земли (выход синхронизации); первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечего электрического моста, в состав первой ветви которого входит первый многоэлементный двухполюсник, где первый резистор соединен с конденсатором, а другой вывод первого резистора соединен с индуктивной катушкой, общий вывод первого резистора и конденсатора подключен к первому выходу генератора импульсов, а общий вывод первого резистора и индуктивной катушки образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи; параллельно первой ветви моста включена его вторая ветвь, состоящая из последовательно соединенных одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы образуют второй вывод выхода мостовой цепи; свободный вывод одиночного резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, а вторая клемма к «земле»; нуль-индикатор, к дифференциальному входу которого подсоединены два вывода выхода мостовой цепи, а ко входу синхронизации - второй выход генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительный (второй) резистор, вторая, третья и т.д. одинаковые цепи наращивания, а первая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединенных двух многоэлементных двухполюсников, одинаковых по количеству элементов, их составу и включению, дополнительный (второй) резистор подключен к свободному выводу конденсатора первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста и свободному выводу индуктивной катушки, имеющийся двухполюсник из первого резистора, конденсатора, второго (дополнительного) резистора и индуктивной катушки образует первую цепь наращивания, общее количество одинаковых цепей наращивания равно частному от деления числа n на четыре (n/4), если n делится на четыре без остатка, и в этом случае последняя цепь наращивания является полной, если же n делится на четыре с остатком, то число цепей наращивания равно целой части частного (n/4) плюс единица и последняя цепь наращивания является неполной и состоит из первого резистора, конденсатора и второго резистора, при этом свободный вывод второго резистора подключен к общему выводу многоэлементных двухполюсников первой ветви моста, либо последняя цепь наращивания состоит из первого резистора и конденсатора, при этом свободный вывод конденсатора подключен к общему выводу многоэлементных двухполюсников первой ветви моста, и, наконец, последняя цепь наращивания может состоять только из одного первого резистора, общее число элементов в первом многоэлементном двухполюснике первой ветви моста равно числу элементов в двухполюснике объекта измерения, каждая последующая (вторая, третья и т.д.) цепь наращивания подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника первой ветви моста заземлен, число формирователей в генераторе импульсов, питающих мостовую цепь, равно числу n элементов в двухполюснике объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов напряжения, в состав которого входят n формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону целочисленной степени времени: формирователь 2 напряжения K₀t⁰, формирователь 3 напряжения K₁t¹, формирователь 4 напряжения K₂t² и т.д., где K_i - постоянные коэффициенты, t - время, выходы формирователей соединены с входами коммутатора 5, выход которого подключен к входу усилителя мощности 6. Выход блока 7 синхронизации соединен с входами синхронизации каждого из формирователей импульсов. Первая ветвь четырехплечей мостовой электрической цепи состоит из двух последовательно включенных многоэлементных двухполюсников. Первый из них содержит первый резистор 8 (R8), параллельно которому подключены последовательно соединенные конденсатор 9 (С9), второй резистор 10 (R10) и катушка 11 индуктивности (L11). Элементы 8, 9, 10 и 11 имеют постоянные параметры. Второй многоэлементный двухполюсник выполнен по схеме, аналогичной (одинаковой) схеме первого двухполюсника, и состоит из первого резистора 12 (R12), параллельно которому подключены последовательно соединенные конденсатор 13 (С13), второй резистор 14 (R14) и катушка 15 индуктивности (L15). Элементы 12, 13, 14 и 15 имеют регулируемые параметры и используются для уравновешивания моста. Вторая ветвь мостовой цепи содержит последовательно соединенные одиночный резистор 16 (R16) и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения. Общий вывод первого резистора 8 и конденсатора 9 первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста соединен со свободным выводом одиночного резистора 16 второй ветви, и они образуют вход мостовой цепи, который подключен к выходу усилителя 6 мощности генератора импульсов. Общий вывод первого резистора 8 и катушки 11 индуктивности первого многоэлементного двухполюсника и первого резистора 12 и конденсатора 13 второго многоэлементного двухполюсника первой ветви мостовой цепи образуют первый вывод выхода мостовой цепи, а общий вывод одиночного резистора 16 второй ветви и первой клеммы для подключения объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи (дифференциальный выход моста), оба вывода выхода мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 17, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора 17 заземлена. Двухполюсник, образованный параллельно включенными первым резистором 18 и цепью, состоящей из последовательно соединенных конденсатора 19, второго резистора 20 и катушки 21, является второй цепью наращивания для первого многоэлементного двухполюсника; она подключена параллельно катушке 11. Аналогично цепь, образованная параллельно включенными первым резистором 22 и последовательно соединенными конденсатором 23, вторым резистором 24 и катушкой 25 индуктивности, является второй цепью наращивания для второго многоэлементного двухполюсника; она подключена параллельно катушке 15. Элементы 22, 23, 24 и 25 имеют регулиремые параметры и служат для уравновешивания моста.

Первый и второй многоэлементные двухполюсники первой ветви мостовой цепи в общем случае содержат по несколько цепей наращивания. Каждая последующая цепь наращивания подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания. Общее количество одинаковых цепей наращивания равно частному от деления числа n на четыре (n/4), если n делится на четыре без остатка, и в этом случае последняя цепь наращивания является полной. Если же n делится на четыре с остатком, то число цепей наращивания равно целой части частного (n/4) плюс единица и последняя цепь наращивания является неполной. Она может состоять из первого резистора, конденсатора и второго резистора, свободный вывод которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи. Последняя цепь наращивания может состоять из первого резистора и конденсатора, свободный вывод которого подключен к первому выводу выхода моста. И, наконец, последняя цепь наращивания может содержать только один первый резистор. Общее число элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников в первой ветви моста равно количеству элементов в двухполюснике объекта измерения. Также этому числу равно количество формирователей в генераторе импульсов.

Для примера приведены три варианта двухполюсников объектов измерений:

1) резистивно-емкостный {R-C) двухполюсник, который состоит из первого резистора 26 (R26), параллельно которому соединены последовательно включенные первый конденсатор 27 (С27) и второй резистор 28 (R28), параллельно резистору 28 подключен второй конденсатор 29 (С29);

2) резистивно-индуктивный (R-L) двухполюсник, который состоит из последовательно включенных резистора 30 (R30) и первой катушки индуктивности 31 (ZJ7), параллельно которой соединены последовательно включенные второй резистор 32 (R32) и вторая катушка индуктивности 33 (L33);

3) двухполюсник с разнородными реактивными элементами (R-L-C), который состоит из первого резистора 34 (R34), параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 35 (С35), второй резистор 36 (R36) и катушка индуктивности 37 (L37).

Поясним работу измерителя. Как и в известных мостовых цепях, элементы 8, 9, 10, 11, 18, 19, 20 и 21, а также элемент 16 являются образцовыми элементами с известными постоянными значениями параметров повышенной точности и стабильности. Элементы 12, 13, 14, 15, 22, 23, 24 и 25 - это образцовые регулируемые элементы с известными значениями параметров для уравновешивания электрической мостовой цепи. Элементы 26, 27, 28 и 29 R-C двухполюсника, 30, 31, 32 и 33 R-L двухполюсника и, наконец, 34, 35, 36 и 37 R-L-C двухполюсника - это элементы объектов измерения с неизвестными значениями параметров.

На каждом этапе измерений в начале питающего импульса и после его окончания в мостовой цепи возникают переходные процессы в виде всплесков напряжения, которые со временем затухают до нуля по экспоненциальному закону. Полезной для измерений является часть выходного импульса моста в интервале времени от окончания переходного процесса до момента окончания питающего импульса. На этом участке импульса приводят к нулю плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия на выходе моста. Рассмотрим работу мостового измерителя при подключении к нему резистивно-емкостного (R-C) двухполюсника объекта измерения R₂₆-С₂₇-R₂₈-C₂₉. Вначале на мостовую цепь подают с выхода усилителя 6 последовательность прямоугольных импульсов. При воздействии на мост очередного импульса напряжения прямоугольной формы после окончания переходного процесса в мостовой цепи и до момента окончания питающего мост импульса напряжение неравновесия, которое поступает на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение этой плоской вершины зависит, в том числе, от соотношения значений сопротивления резисторов 8 (R₈) и 12 (R₁₂). Регулировкой значения сопротивления R₁₂ в двухполюснике с уравновешивающими элементами напряжение неравновесия приводят к нулю и, тем самым, выполняют первое условие равновесия мостовой цепи

Нулевое значение напряжения плоской вершины отмечают по нуль-индикатору 17, в качестве которого, например, можно использовать осциллограф. Отсчет неизвестного сопротивления R₂₆ резистора 26 берут из выражения (1), в котором все остальные величины известны.

После этого на мостовую цепь с выхода генератора 1 подают импульсы линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от параметров R₁₂ резистора 12 и С₁₃ конденсатора 13 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Регулировкой значения емкости С₁₃ напряжение плоской вершины приводят к нулю и выполняют второе условие равновесия

Нулевое значение отмечают по нуль-индикатору 17. Не следует регулировать значение сопротивления R₁₂, так как это приведет к нарушению условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет значения неизвестного параметра С₂₇ (емкости конденсатора 27) берут из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе, значение сопротивления R₂₆ из выражения (1).

Далее на мостовую цепь с выхода генератора 1 подают импульсы квадратичной формы. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от емкости С₁₃ конденсатора 13 и сопротивления R₁₄ резистора 14 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Параметр С₁₃ уже был задействован ранее для уравновешивания моста, и его значение изменять нельзя, так как нарушится выполнение предыдущих условий равновесия. Остается параметр R₁₄, который ранее не входил в условия равновесия (1) и (2), и регулировкой его значения приводят напряжение плоской вершины к нулю, отмечая это по нуль-индикатору 17. В результате выполняется третье условие равновесия

Из выражения (3) берут отсчет значения неизвестного параметра R₂₈ (сопротивления резистора 28), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе, значения сопротивления R₂₆ из выражения (1) и емкости C₂₇ из выражения (2).

На следующем, четвертом, этапе на мостовую цепь с генератора подают импульсы кубичной формы. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от сопротивления R₁₂ резистора 12, емкости C₁₃ конденсатора 13, сопротивления R₁₄ резистора 14 и индуктивности L₁₅ катушки 15 двухполюсника с уравновешивающими элементами мостовой цепи. Ранее для уравновешивания были задействованы R₁₂, C₁₃ и R₁₄, поэтому их значения изменять не следует, так как перестанут выполняться предыдущие условия равновесия. Остается параметр L₁₅, который не входил в предыдущие условия равновесия (1)-(3), и регулировкой его значения приводят напряжение плоской вершины к нулю, это отмечают по нуль-индикатору 17. Для примера подробно рассмотрены три этапа уравновешивания и кратко изложен четвертый этап. Далее на последующих этапах уравновешивания используются питающие импульсы с изменением напряжения по закону четвертой, пятой и т.д. степеней. Число этапов уравновешивания и количество используемых форм питающих импульсов равно числу параметров в двухполюсниках объектов измерения. На каждом этапе приводится к нулю плоская вершина напряжения неравновесия в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания питающего импульса. Это осуществляется регулированием параметра уравновешивающего элемента, который не использовался на предыдущих этапах уравновешивания и не входил в предыдущие условия равновесия. В частности, на пятом, шестом, седьмом и т.д. этапах уравновешивания последовательно используются элементы 22 (сопротивление R₂₂), 23 (емкость C₂₃), 24 (сопротивление R₂₄) и т.д.

Из приведенных положений следует, что на каждом этапе уравновешивания изменяют значение только одного из уравновешивающих параметров, и при этом выполняется только одно из условий равновесия (A_i=0). Таким образом, уравновешивание мостовой цепи является раздельным зависимым.

При подключении к мостовой цепи других двухполюсников объектов измерения все приведенные выше операции повторяются. Так, для R-L двухполюсника объекта измерения R₃₀-L₃₁-R₃₂-L₃₃ сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежний порядок регулирования их значений: R₁₂, C₁₃, R₁₄, …. Приведем условия равновесия для первых трех этапов:

Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R₃₀ резистора 30, индуктивности L₃₁ катушки 31 и сопротивления R₃₂ резистора 32.

При подключении к мостовой цепи R-L-C двухполюсника с разнородными реактивными элементами R₃₄-C₃₅-R₃₆-L₃₇ используют те же регулируемые параметры и порядок регулирования их значений: R₁₂, C₁₃, R₁₄, …. Приведем условия равновесия для первых трех этапов:

Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R₃₄ резистора 34, емкости С₃₅ конденсатора 35 и сопротивления R₃₆ резистора 36.

Таким образом, применение цепей наращивания в многоэлементных двухполюсниках моста с образцовыми и регулируемыми элементами существенно расширяет функциональные возможности мостового измерителя и позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения с n-элементной схемой замещения, где число n измеряемых параметров может быть равно пяти, шести и более. При этом мостовая цепь сохраняет такое важное свойство, как раздельное уравновешивание.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1150556, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, опубл. 1985, Бюл. №14 (аналог).

2. Патент РФ №2365921, G01R 17/00. Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, В.И.Иванов, опубл. 2009, Бюл. №24 (аналог).

3. Авторское свидетельство СССР №798606, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, опубл. 1981, Бюл. №3 (прототип).

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов напряжения, который состоит из формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону целочисленной степени времени K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², …, K_n-1t^n-1, где K_i - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения, коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей, а выход подключен к входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно земли генератора импульсов (выход импульсов питания), блока синхронизации, выход которого соединен с входами синхронизации каждого из формирователей импульсов, а также его выход образует второй выход генератора относительно земли (выход синхронизации); первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечего электрического моста, в состав первой ветви которого входит первый многоэлементный двухполюсник, где первый резистор соединен с конденсатором, а другой вывод первого резистора соединен с индуктивной катушкой, общий вывод первого резистора и конденсатора подключен к первому выходу генератора импульсов, а общий вывод первого резистора и индуктивной катушки образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи; параллельно первой ветви моста включена его вторая ветвь, состоящая из последовательно соединенных одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы образует второй вывод выхода мостовой цепи; свободный вывод одиночного резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, а вторая клемма к «земле»; нуль-индикатор, к дифференциальному входу которого подсоединены два вывода выхода мостовой цепи, а ко входу синхронизации - второй выход генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены дополнительный (второй) резистор, вторая, третья и т.д. одинаковые цепи наращивания, а первая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединенных двух многоэлементных двухполюсников, одинаковых по количеству элементов, их составу и включению, дополнительный (второй) резистор подключен к свободному выводу конденсатора первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста и свободному выводу индуктивной катушки, имеющийся двухполюсник из первого резистора, конденсатора, второго (дополнительного) резистора и индуктивной катушки образует первую цепь наращивания, общее количество одинаковых цепей наращивания равно частному от деления числа n на четыре (n/4), если n делится на четыре без остатка, и в этом случае последняя цепь наращивания является полной, если же n делится на четыре с остатком, то число цепей наращивания равно целой части частного (n/4) плюс единица, и последняя цепь наращивания является неполной и состоит из первого резистора, конденсатора и второго резистора, при этом свободный вывод второго резистора подключен к общему выводу многоэлементных двухполюсников первой ветви моста, либо последняя цепь наращивания состоит из первого резистора и конденсатора, при этом свободный вывод конденсатора подключен к общему выводу многоэлементных двухполюсников первой ветви моста, и, наконец, последняя цепь наращивания может состоять только из одного первого резистора, общее число элементов в первом многоэлементном двухполюснике первой ветви моста равно числу элементов в двухполюснике объекта измерения, каждая последующая (вторая, третья и т.д.) цепь наращивания подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника первой ветви моста заземлен, число формирователей в генераторе импульсов, питающих мостовую цепь, равно числу n элементов в двухполюснике объекта измерения.