Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике и предназначено для определения параметров четырехэлементных двухполюсников или параметров датчиков с четырехэлементной схемой замещения. Технический результат: уменьшение погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей относительно «земли» регулируемых уравновешивающих элементов и нестабильности этих паразитных емкостей. Сущность: мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Новым является то, что в него введены дополнительный (третий) резистор, дополнительный конденсатор и интегратор и изменено включение формирователей импульсов. Третий резистор включен между точкой соединения выводов одиночного резистора, первого резистора, второго вывода выхода мостовой цепи и «землей» во второй ветви мостовой цепи дополнительный резистор включен между общим выводом первого, второго резисторов, второго вывода выхода мостовой цепи и «землей». Дополнительный конденсатор включен параллельно имеющейся индуктивной катушке. Вывод формирователя прямоугольных импульсов соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом интегратора, выход которого соединен со входом формирователя кубичных импульсов, выход последнего соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов с изменением напряжения по закону четвертой степени времени. 1 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения.

Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников (а.с. СССР №1103695, G01R 17/10, БИ 1998, №3), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его являются повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно «земли». Здесь заземлен один из четырех регулируемых уравновешивающих элементов. Образцовые регулируемые уравновешивающие элементы имеют существенно большие размеры, чем элементы с постоянными значениями параметров, поэтому и паразитные емкости этих элементов относительно «земли» тоже значительно больше. В указанном измерителе, в принципе, невозможно заземлить все регулируемые уравновешивающие элементы, поэтому названные паразитные емкости и соответствующая составляющая погрешности измерения здесь обязательно присутствуют. От нестабильности паразитных емкостей возникает также дополнительная составляющая погрешности, т.к. они существенно изменяются с течением времени (от старения) и особенно сильно с изменением температуры. На незаземленные регулируемые элементы уравновешивания в более сильной степени оказывают вредное влияние электрические помехи и наводки. Кроме того, для уменьшения вредного влияния внешних электромагнитных полей и наводок уравновешивающие элементы нередко экранируют, тогда в случае незаземленности этих элементов возникает вопрос, с какой вершиной электрического моста лучше соединять экраны. При этом каждый из имеющихся вариантов соединения экранов не является безупречным. Если же названные элементы заземлены, то очевидно, что экраны следует соединять с «землей». В случае регулирования незаземленных уравновешивающих элементов посредством использования матрицы резисторов, электронных ключей и управляющих электрических сигналов с электронного блока управления изменение значения сопротивления осуществляется за счет коммутации резисторов с соответствующими значениями сопротивлений. При этом возникают дополнительные трудности в связи с тем, что электрический управляющий сигнал передается от заземленного электронного блока управления к незаземленным электронным ключам. Тогда приходится вводить развязывающие элементы в виде трансформаторов или оптронных пар и соответствующие дополнительные согласующие электронные каскады. При заземленных уравновешивающих элементах приведенные трудности отсутствуют и нет необходимости в развязывающих элементах и дополнительных согласующих каскадах. В мостовых устройствах при прочих равных условиях предпочтение отдается мостовым цепям с наибольшим числом заземленных регулируемых уравновешивающих элементов и лучшим вариантом является тот, где заземлен один из двух выводов всех уравновешивающих элементов.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (А.с. СССР №1157467, G01R 17/10, БИ 1985, №19), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно «земли». Здесь заземлено три из пяти регулируемых уравновешивающих элементов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников (а.с. СССР №918862, G01R 17/10, БИ 1982, №13), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно «земли». Здесь заземлены два из четырех регулируемых уравновешивающих элементов.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей относительно «земли» регулируемых уравновешивающих элементов и нестабильности этих паразитных емкостей. Названные паразитные емкости отсутствуют потому, что в измерителе используются только заземленные регулируемые уравновешивающие элементы.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов прямоугольной формы К₀t⁰, импульсов линейно изменяющегося напряжения К₁t¹, импульсов кубичной формы К₃t³ и импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульса по закону четвертой степени времени К₄t⁴, где К₀, К₁, К₃, К₄ - постоянные коэффициенты, a t - текущее время, из коммутатора, усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора питающих импульсов, выход каскада синхронизации соединен со входом формирователя импульсов прямоугольной формы, а также выход этого каскада образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора импульсов заземлена; четырехплечую мостовую электрическую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них включает две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор, первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения подключена к первому выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, двухполюсник объекта измерения состоит из параллельно включенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора и индуктивной катушки, параллельно последней включен второй резистор, общий вывод первого резистора и конденсатора подключен к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения, общий вывод первого, второго резисторов и индуктивной катушки подключен ко второй клемме, вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и двухполюсника с уравновешивающими элементами. Двухполюсник с уравновешивающими элементами включает в себя последовательно соединенные первый резистор и индуктивную катушку, параллельно которой включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, свободный вывод одиночного резистора подключен к общему выводу первого выхода генератора импульсов и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, общий вывод одиночного резистора и первого резистора двухполюсника с уравновешивающими элементами образует второй вывод выхода мостовой цепи, общий вывод индуктивной катушки и второго резистора заземлен; нуль-индикатор, к дифференциальному входу которого подключены оба вывода выхода мостовой цепи, ко входу синхронизации подключен выход синхронизации генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены третий резистор, дополнительный конденсатор и интегратор, во второй ветви мостовой цепи в двухполюсник с уравновешивающими элементами введены третий резистор и дополнительный конденсатор, причем третий резистор включен между точкой соединения выводов одиночного резистора, первого резистора, второго вывода выхода мостовой цепи и «землей», а дополнительный конденсатор включен параллельно имеющейся индуктивной катушке; выход формирователя прямоугольных импульсов соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом интегратора, выход которого соединен со входом формирователя кубичных импульсов, выход последнего соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов с изменением напряжения по закону четвертой степени времени.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, представленный блоками 2-9, который может формировать последовательности прямоугольных импульсов, линейно изменяющихся импульсов, кубичных импульсов, а также импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени. Формирователь 3 импульсов обеспечивает формирование прямоугольных импульсов, изменяющихся по закону К₀t⁰ и его выход соединен со входом формирователя 4 импульсов, который обеспечивает формирование линейно изменяющихся импульсов, изменяющихся по закону К₁t¹, и его выход соединен со входом интегатора 5, последовательно включенный с ним формирователь 6 импульсов обеспечивают формирование кубичных импульсов, изменяющихся по закону К₃t³, и его выход соединен со входом формирователя 7 импульсов, который обеспечивает формирование импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени К₄t⁴, где К₀, К₁. К₃ и К₄ - постоянные коэффициенты, a t - текущее время, причем каждый из формирователей импульсов 4(К₁t¹), 6(К₃t³) и 7(К₄t⁴) выполнен на основе интегратора.

Выходы формирователей 3, 4, 6, 7 импульсов соединены также со входами коммутатора 8. Коммутатор 8 обеспечивает выбор одного из четырех видов импульсов, формируемых с помощью формирователей 3, 4, 6, 7 импульсов, и далее сигнал с его выхода подается на вход усилителя 9 мощности, с выхода которого усиленный по мощности сигнал поступает на первый выход генератора 1 питающих импульсов. С выхода блока 2 синхронизации сигнал синхронизации поступает на вход формирователя 3 импульсов, а также на второй выход генератора 1 питающих импульсов. Генератор 1 имеет два выхода, первый выход относительно «земли» является выходом питающих сигналов. Второй выход генератора импульсов является выходом синхронизации. Общая шина генератора импульсов заземлена.

В первой ветви мостовой цепи включены две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор 14(R14) первого плеча отношения. Первая клемма соединена с первым выходом генератора импульсов. Общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи. Свободный вывод одиночного резистора заземлен. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из первого резистора 10(R10) и включенных параллельно ему последовательно соединенных конденсатора 11(C11) и индуктивной катушки 12(L12), параллельно которой включен второй резистор 13(R13).

Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 15(R15) второго плеча отношения и двухполюсника с элементами уравновешивания. Двухполюсник с уравновешивающими элементами образуют третий резистор 16(R16), параллельно которому включены последовательно соединенные первый резистор 17(R17) и индуктивная катушка 18(L18), параллельно которой включены: дополнительный конденсатор 19(C19) и последовательно соединенные между собой конденсатор 20(C20) и второй резистор 21(R21). Свободный вывод одиночного резистора 15 соединен с первым выходом генератора импульсов. Общий вывод третьего резистора 16, первого резистора 17 и одиночного резистора 15 образует второй вывод выхода мостовой цепи. Общий вывод третьего резистора 16, индуктивной катушки 18, дополнительного конденсатора 19 и второго резистора 21 заземлен.

Оба вывода выхода моста соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 22. Общая шина нуль-индикатора 22 заземлена, вход синхронизации нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора 1 импульсов.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Подадим на мост с генератора сигналов (посредством коммутатора 8) последовательность прямоугольных импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения, разность которых определяет напряжение в измерительной диагонали мостовой цепи (выходное напряжение моста). Оно зависит от значений сопротивлений 10(R10), 14(R14), 15(R15), 16(R16) и 17(R17). Первое условие равновесия моста -

Однократной регулировкой значения заземленного резистора 16 плоская вершина импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия моста (1). Равновесие моста здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 22, при этом подача сигнала синхронизации со второго выхода генератора на второй вход нуль-индикатора 22 обеспечивает устойчивость его показаний.

Далее подадим на мост с генератора 1 последовательность линейно изменяющихся импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения, разность которых определяет напряжение в измерительной диагонали мостовой цепи. Второе условие равновесия моста -

Однократной регулировкой значения заземленной индуктивности 18 напряжение плоской вершины импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, т.е. выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие (1) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр 18 в него не входит.

После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность кубичных импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия моста -

Однократной регулировкой значения заземленной емкости 19 приводим напряжение плоской вершины импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (3), при этом первые два условия равновесия (1), (2) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр 19 в них не входит.

После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия моста -

Однократной регулировкой значения сопротивления резистора 21 приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем четвертое условие равновесия (4), при этом первые три условия равновесия (1) - (3) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр 21 в них не входит.

Из приведенного вытекает, что мостовая цепь (фиг. 1) обладает свойством раздельного зависимого уравновешивания, и уравновешивание следует проводить в приведенной выше последовательности 16(R16), 18(L18), 19(C19), 21(R21). Из четырех условий равновесия (1) - (4) берется отсчет искомых четырех параметров: 10(R10), 11(C11), 12(L12), 13(R13), Значения параметров элементов 14(R14), 15(R15), 17(R17), 20(C20) являются постоянными и известными. Все регулируемые уравновешивающие элементы - 16(R16), 18(L18), 19(C19), 21(R21)заземлены, значения их параметров являются известными и регулируемыми.

Таким образом, данный мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет реализовать раздельное уравновешивание мостовой цепи при выполнении однократных регулировок значений уравновешивающих параметров, что упрощает и ускоряет проведение измерений. Все регулируемые элементы уравновешивания заземлены, поэтому отсутствуют их паразитные емкости относительно земли, как у незаземленных элементов.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов прямоугольной формы К₀t⁰, импульсов линейно изменяющегося напряжения К₁t¹, импульсов кубичной формы К₃t³ и импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульса по закону четвертой степени времени К₄t⁴, где К₀, К₁; К₃, К₄ - постоянные коэффициенты, a t - текущее время, из коммутатора, усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора питающих импульсов, выход каскада синхронизации соединен со входом формирователя импульсов прямоугольной формы, а также выход этого каскада образует выход синхронизации генератора импульсов, являющийся вторым его выходом, общая шина генератора импульсов заземлена; четырехплечую мостовую электрическую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них включает две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор, первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения подключена к первому выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, двухполюсник объекта измерения состоит из параллельно включенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора и индуктивной катушки, параллельно последней включен второй резистор, общий вывод первого резистора и конденсатора подключен к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения, общий вывод первого, второго резисторов и индуктивной катушки подключен ко второй клемме, вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и двухполюсника с уравновешивающими элементами, двухполюсник с уравновешивающими элементами включает в себя последовательно соединенные первый резистор и индуктивную катушку, параллельно которой включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, свободный вывод одиночного резистора подключен к общему выводу первого выхода генератора импульсов и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, общий вывод одиночного резистора и первого резистора двухполюсника с уравновешивающими элементами образует второй вывод выхода мостовой цепи, общий вывод индуктивной катушки и второго резистора заземлен; нуль-индикатор, к дифференциальному входу которого подключены оба вывода выхода мостовой цепи, ко входу синхронизации подключен выход синхронизации генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены третий резистор, дополнительный конденсатор и интегратор, во второй ветви мостовой цепи в двухполюсник с уравновешивающими элементами введены третий резистор и дополнительный конденсатор, причем третий резистор включен между точкой соединения выводов одиночного резистора, первого резистора, второго вывода выхода мостовой цепи и «землей», а дополнительный конденсатор включен параллельно имеющейся индуктивной катушке; выход формирователя прямоугольных импульсов соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом интегратора, выход которого соединен со входом формирователя кубичных импульсов, выход последнего соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов с изменением напряжения по закону четвертой степени времени.