Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников

Изобретение относится к информационно-измерительной технике. Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Мостовая цепь состоит из двух ветвей, в первой из которых установлены последовательно соединенные первый и второй многоэлементые двухполюсники. Во второй ветви установлены одиночный резистор и клеммы для объекта измерения. Каждый из двух многоэлементых двухпоюсников первой ветви представляет собой C-R цепь наращивания. При этом общее количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n}{2}-2\right]$$ при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя C-R цепь является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n+1}{2}-2\right]$$ тоже начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один конденсатор, который включается параллельно резистору предпоследней цепи наращивания, каждая последующая C-R цепь наращивания подключается параллельно резистору предыдущей C-R цепи наращивания. Количество элементов в каждом из двух двухполюсников в первой ветви моста равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения, количество формирователей импульсов в генераторе импульсов тоже равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 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 мостовой измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №1150556, МКИ G01R 17/10. Измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников. - Опубл. 1986, БИ №14 (аналог)], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определять параметры резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C) объектов измерения.

Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №1247762, МКИ G01R 17/10. Измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников. - Опубл. 1986, БИ №28], содержащий последовательно соединенные генератор электрических сигналов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостаток его заключается в том, что отсутствует возможность определить пять, шесть, и так далее параметров двухполюсников объектов измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №2399918, МКИ G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников. - Опубл. 2010, БИ №26 (прототип)]. Он содержит последовательно соединенные генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является то, что отсутствует возможность определять пять, шесть и так далее параметров двухполюсных объектов измерения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей, заключающемся в том, что измеритель позволит определять пять, шесть и так далее параметров многоэлементного двухполюсника объектов измерения, а также он позволит определять параметры R-C, R-L, R-L-C двухполюсников объектов измерения.

Это достигается тем, что в мостовом измерителе параметров n-элементных двухполюсников, содержащем генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², K₃t³,…, K_n-1t^n-1, где K₀, К₁ К₂, К₃,…, К_n-1 - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения, из коммутатора, усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора, а выход коммутатора - со входом усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора относительно «земли», вход синхронизации каждого формирователя импульсов соединен с выходом блока синхронизации, а также его выход образует второй выход относительно «земли» генератора импульсов (выход синхронизации), общая шина генератора импульсов заземлена; первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первую ветвь мостовой цепи образуют два последовательно соединенных многоэлементных двухполюсника, общий вывод их образует первый вывод выхода моста, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника заземлен, первый многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого конденсатора и первого резистора, к их общему выводу подключен второй конденсатор, последовательно с которым соединен второй резистор, вторая ветвь моста включает в себя последовательно соединенные одиночный резистор плеча отношения и две клеммы для подключения двухполюсников - объектов измерения, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы для подключения объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, общий вывод одиночного резистора и первого конденсатора первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста образует вход мостовой цепи относительно «земли»; нуль-индикатор, к первому входу которого (дифференциальному входу) соединены оба вывода выхода мостовой цепи, второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, изменено включение элементов в первом многоэлементном двухполюснике первой ветви моста, выделена цепь наращивания, определено количество цепей наращивания и их подключение, свободные выводы первого и второго резисторов первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста соединены с первым выводом выхода мостовой цепи, каждая из двух цепей из первого конденсатора и первого резистора, а также из второго конденсатора и второго резистора представляет собой C-R цепь наращивания, общее количество дополнительных этих цепей равно $$\left[\frac{n}{2}-2\right]$$ при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя C-R цепь является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n+1}{2}-2\right]$$ тоже начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один конденсатор, который включается параллельно резистору предпоследней цепи наращивания, каждая последующая C-R цепь наращивания подключается параллельно резистору предыдущей C-R цепи наращивания, оба многоэлементных двухполюсника в первой ветви моста являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой, количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников в первой ветви моста равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения, количество формирователей импульсов в генераторе импульсов тоже равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1).

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников включает в себя генератор импульсов 1, который состоит из блока синхронизации 2, формирователей импульсов 3, 4, 5, 6,… с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², K₃t³,… , K_n-1t^n-1, где K₀, К₁, К₂, К₃,… , K_n-1 - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения; из коммутатора 7 и усилителя мощности 8. Выход каждого формирователя импульсов 3, 4, 5, 6,… соединен с соответствующим входом коммутатора 7, а выход коммутатора 7 - со входом усилителя мощности 8. Выход усилителя мощности 8 образует первый выход генератора 1 относительно «земли». Вход синхронизации каждого формирователя импульсов 3, 4, 5, 6,… соединен с выходом блока синхронизации 2. Выход блока синхронизации 2 образует второй выход относительно «земли» генератора импульсов 1 (выход синхронизации). Общая шина генератора импульсов 1 заземлена. Первый выход генератора импульсов 1 подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста.

Первую ветвь мостовой цепи образуют два последовательно соединенных многоэлементных двухполюсника. Общий вывод их образует первый вывод выхода моста. Свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника заземлен. Первый многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого конденсатора 9 и первого резистора 10. К их общему выводу подключен второй конденсатор 11, последовательно с которым соединен второй резистор 12. К общему выводу второго конденсатора 11 и второго резистора 12 подключен третий конденсатор 13, последовательно с которым соединен третий резистор 14. Второй многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого конденсатора 15 и первого резистора 16. К их общему выводу подключен второй конденсатор 17, последовательно с которым соединен второй резистор 18. К общему выводу второго конденсатора 17 и второго резистора 18 подключен третий конденсатор 19, последовательно с которым соединен третий резистор 20.

Вторая ветвь моста включает в себя последовательно соединенные одиночный резистор плеча отношения 21 и две клеммы 22 и 23 для подключения двухполюсников - объектов измерения. Общий вывод одиночного резистора 21 и первой клеммы 22 для подключения объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи. Вторая клемма 23 заземлена. Общий вывод одиночного резистора 21 и первого конденсатора 9 первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста образует вход мостовой цепи относительно «земли». Имеется нуль-индикатор 24, к первому входу которого (дифференциальному) соединены оба вывода выхода мостовой цепи. Второй вход нуль-индикатора 24 (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов 1 (выходом синхронизации). Общая шина нуль-индикатора 24 заземлена. Свободные выводы первого 10, второго 12 и третьего 14 резисторов первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста соединены с первым выводом выхода мостовой цепи.

Каждая из двухэлементных цепей первой ветви мостовой цепи, состоящая из первого конденсатора 9 (15) и первого резистора 10 (16), из второго конденсатора 11 (17) и второго резистора 12 (18), а также третьего конденсатора 13 (19) и третьего резистора 14 (20), представляет собой C-R цепь наращивания. Общее количество дополнительных этих цепей равно $$\left[\frac{n}{2}-2\right]$$ при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя C-R цепь является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n+1}{2}-2\right]$$ тоже начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один конденсатор, который включается параллельно резистору предпоследней цепи наращивания. Каждая последующая C-R цепь наращивания подключается параллельно резистору предыдущей C-R цепи наращивания. Оба многоэлементных двухполюсника в первой ветви моста являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой. Количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников в первой ветви моста равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения. Количество формирователей импульсов в генераторе импульсов 1 тоже равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.

В качестве примеров двухполюсников - объектов измерения приведены двухполюсники R-C, R-L и R-L-C. Пример резистивно-емкостного R-C двухполюсника содержит резистор 25, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 26 и резистора 27, параллельно резистору 27 включен конденсатор 28. Пример резистивно-индуктивного двухполюсника R-L содержит последовательно соединенные резистор 29 и катушку индуктивности 30, параллельно катушке индуктивности 30 включены последовательно соединенные резистор 31 и катушка индуктивности 32. И, наконец, пример R-L-C двухполюсника содержит резистор 33, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 34, резистора 35 и катушки индуктивности 36.

Образцовые элементы мостовой цепи 9, 10, 11, 12, 13, 14, 21,… имеют известные и постоянные значения параметров. Образцовые элементы мостовой цепи 15, 16, 17, 18, 19, 20,… имеют известные регулируемые значения параметров и используются для уравновешивания мостовой цепи. Наконец, элементы 25, 26, 27, 28,…; 29, 30, 31, 32,…; 33, 34, 35, 36,… имеют неизвестные значения параметров и относятся к двухполюсникам объекта измерения.

Перед началом воздействия очередного импульса с генератора 1 реактивные элементы мостовой цепи свободны от запасов энергии и напряжение на входе и выходе моста равно нулю. На каждом этапе уравновешивания при воздействии очередного импульса в мостовой цепи в начале импульса и после его окончания возникают переходные процессы в виде всплесков напряжения на выходе, которые за время переходного процесса затухают до нуля. Полезной является часть импульса с выхода моста от окончания переходного процесса и до окончания импульса, она имеет плоскую вершину.

Рассмотрим работу мостового измерителя при подключении к мостовой цепи двухполюсника R-C объекта измерения, содержащего элементы 25 (R₂₅), 26 (С₂₆), 27 (R₂₇) и 28 (С₂₈). Вначале с формирователя импульсов 3 через коммутатор 7 и усилитель 8 на мостовую цепь с генератора 1 подаются импульсы прямоугольной формы K₀t⁰. Регулировкой значения емкости конденсатора 15 (С₁₅) приводим плоскую вершину импульсного напряжения с выхода моста (напряжение неравновесия) к нулю, отмечая это здесь и в дальнейшем по нуль-индикатору 24, в качестве которого можно использовать, например, осциллограф. В результате выполняется первое условие равновесия $$A_1=C_9{R}_{21}-C_{15}{R}_{25}=0\text{ (1)}$$

Отсчет неизвестного значения сопротивления 25 (R₂₅) берется из условия равновесия (1), где значения параметров всех других элементов (С₉, R₂₁, C₁₅) являются известными.

После этого на мостовую цепь с формирователя импульсов 4 через коммутатор 7 и усилитель 8 с генератора 1 подаются импульсы линейно изменяющегося напряжения (K₁t¹). Регулировкой сопротивления 16 (R₁₆) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и тем самым выполняется второе условие равновесия $$A_2=R_{21}\left(C_{15}{R}_{16}+C_{26}{R}_{25}\right)-C_{15}{R}_{10}{R}_{25}=0\text{ (2)}$$

При этом не следует регулировать значение емкости конденсатора 15 (C₁₅), так как это приведет к нарушению первого условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет неизвестного параметра С₂₆ берется из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе значение сопротивления R₂₅ из выражения (1).

Затем на мостовую цепь с формирователя импульсов 5 через коммутатор 7 и усилитель 8 с генератора 1 подаются импульсы квадратичной формы (K₂t²). Регулировкой значения емкости конденсатора 17 (С17) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и выполняется третье условие равновесия $$\begin{array}{l}{A}_3=C_{15}{R}_{16}{R}_{21}\left[C_{11}{R}_{10}+C_{26}\left(R_{25}+R_{27}\right)\right]+C_{26}{R}_{21}{R}_{25}\left(C_{11}{R}_{10}+C_{17}{R}_{16}\right)-\\ -C_{15}{R}_{25}{R}_{10}\left(C_{17}{R}_{16}+C_{26}{R}_{27}\right)=0.\text{ (3)}\end{array}$$

Параметры элементов 15 (С₁₅) и 16 (R₁₆) при этом регулировать нельзя, так как это приведет к нарушению выполнения первых двух условий равновесия (1) и (2). Отсчет неизвестного параметра R₂₇ берется из (3), так как остальные величины в нем известны, в том числе R₂₅ из (1) и С₂₆ из (2).

Для примера подробно приведены три этапа уравновешивания мостовой цепи. Далее на последующих этапах уравновешивания используются импульсы с генератора 1 с изменением напряжения по закону третьей (K₃t³), четвертой (К₄t⁴), пятой (K₅t⁵) и так далее степени. Число этапов уравновешивания и количество используемых форм импульсов равно числу параметров в двухполюсных объектах измерения. На каждом этапе приводится к нулю плоская вершина импульса напряжения неравновесия в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания питающего импульса. Это реализуется регулированием значения уравновешивающего элемента, который не использовался ранее на предыдущих этапах уравновешивания и не входил в предыдущие условия равновесия. Отсчет искомых параметров берется из условий равновесия.

При подключении к мостовой цепи резистивно-индуктивного (R-L) двухполюсника объекта измерения, содержащего элементы 29 (R₂₉), 30 (L₃₀), 31 (R₃₁), 32 (L₃₂), используются приведенные выше этапы уравновешивания в прежней последовательности. Сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений: С₁₉, R₂₀, С₂₁,…. Приведены условия равновесия для первых трех этапов:

$$A_1=C_9{R}_{21}-C_{15}{R}_{29}=\mathrm{0,}\text{ (4)}$$

$$A_2=C_9\left(R_{16}{R}_{21}-R_{10}{R}_{29}\right)-L_{30}=\mathrm{0,}\text{ (5)}$$

$$\begin{array}{l}{A}_3=C_9\left[R_{16}{R}_{21}\left(L_{30}+C_{11}{R}_{10}{R}_{31}\right)-R_{29}{R}_{31}{C}_{15}{R}_{10}{R}_{16}\right]-L_{30}[R_{10}{C}_9\left(R_{29}+R_{31}\right)+\\ +R_{31}\left(C_{11}{R}_{10}+C_{17}{R}_{16}\right)]=0.\text{ (6)}\end{array}$$

Из них берется отсчет значений искомых параметров: R₂₉, L₃₀, R₃₁,….

Если к мостовой цепи подключается R-C-L двухполюсник, содержащий элементы 33 (R₃₃), 34 (С₃₄), 35 (R₃₅), 36 (L₃₆), то используются те же формы питающих импульсов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений. Условия равновесия для первых трех этапов:

$$A_1=C_9{R}_{21}-C_{15}{R}_{33}=\mathrm{0,}\text{ (7)}$$

$$A_2=R_{21}\left(C_{15}{R}_{16}+C_{34}{R}_{33}\right)-C_{15}{R}_{10}{R}_{33}=\mathrm{0,}\text{ (8)}$$

$$\begin{array}{l}{A}_3=R_{21}\left[C_{15}{R}_{16}\left(C_{11}{R}_{10}+C_{34}\left(R_{33}+R_{35}\right)\right)+C_{34}{R}_{33}\left(C_{11}{R}_{10}+C_{17}{R}_{16}\right)\right]-\\ -C_{15}{R}_{33}{R}_{10}\left(C_{17}{R}_{16}+C_{34}{R}_{35}\right)=0.\text{ (9)}\end{array}$$

Из них берется отсчет значений искомых параметров R₃₃, С₃₄, R₃₅,….

После выполнения всех n этапов уравновешивания мост к полному равновесию не приводится, но получены n условий равновесия (n уравнений), из которых, как известно, можно взять отсчет n искомых параметров двухполюсников объектов измерения. Здесь на выходе моста в начале импульса имеется всплеск напряжения, который затухает до нуля за время переходного процесса, и напряжение плоской вершины импульса, равное нулю. После окончания импульса в течение переходного процесса тоже имеется всплеск напряжения, которое затухает до нуля. Такие мостовые цепи относятся к квазиуравновешенным мостам.

Таким образом, в приведенном мостовом измерителе параметров двухполюсников существенно расширены функциональные возможности и он позволяет определить параметры R-C, R-L и R-L-C n-элементных двухполюсников объектов измерения, где число п может быть равно пяти, шести и так далее. При этом сохранено такое важное качество мостовой цепи, как раздельное уравновешивание.

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, K₃t³, …, K_n-1t^n-1, где K₀, К₁, К₂, К₃,…, K_n-1 - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения, из коммутатора, усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя соединен с соответствующим входом коммутатора, а выход коммутатора - со входом усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора относительно «земли», вход синхронизации каждого формирователя импульсов соединен с выходом блока синхронизации, а также его выход образует второй выход относительно «земли» генератора импульсов (выход синхронизации), общая шина генератора импульсов заземлена; первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первую ветвь мостовой цепи образуют два последовательно соединенных многоэлементных двухполюсника, общий вывод их образует первый вывод выхода моста, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника заземлен, первый многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого конденсатора и первого резистора, к их общему выводу подключен второй конденсатор, последовательно с которым соединен второй резистор, вторая ветвь моста включает в себя последовательно соединенные одиночный резистор плеча отношения и две клеммы для подключения двухполюсников - объектов измерения, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы для подключения объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, общий вывод одиночного резистора и первого конденсатора первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста образует вход мостовой цепи относительно «земли»; нуль-индикатор, к первому входу которого (дифференциальному входу) соединены оба вывода выхода мостовой цепи, второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что изменено включение элементов в первом многоэлементном двухполюснике первой ветви моста, выделена цепь наращивания, определено количество цепей наращивания и их подключение, свободные выводы первого и второго резисторов первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста соединены с первым выводом выхода мостовой цепи, каждая из двух цепей из первого конденсатора и первого резистора, а также из второго конденсатора и второго резистора представляет собой C-R цепь наращивания, общее количество дополнительных этих цепей равно $$\left[\frac{n}{2}-2\right]$$ при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя C-R цепь является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n+1}{2}-2\right]$$ тоже начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один конденсатор, который включается параллельно резистору предпоследней цепи наращивания, каждая последующая C-R цепь наращивания подключается параллельно резистору предыдущей C-R цепи наращивания, оба многоэлементных двухполюсника в первой ветви моста являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой, количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников в первой ветви моста равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения, количество формирователей импульсов в генераторе импульсов тоже равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.