МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2000 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике мостовых цепей с импульсным питанием для измерения параметров двухполюсников, имеющих многоэлементную схему замещения.

Известны устройства для измерения параметров многоэлементных двухполюсников, выполненные в виде четырехплечевого электрического моста, два смежных плеча которого, включенные в диагональ питания, содержат соответственно измеряемый двухполюсник и первое плечо отношения, а два других смежных плеча, также включенные в диагональ питания, составляют плечо сравнения (уравновешивающий двухполюсник) и второе плечо отношения. Напряжение питания электрического моста вырабатывает генератор последовательностей импульсных сигналов, который содержит n формирователей импульсов напряжения, изменяющихся по закону степенной функции времени [1]:

k = 0, 1, ..., n-1,
где U_m - амплитуда импульса; t_u - длительность импульса,
а также коммутатор этих напряжений.

Плечи отношения обычно содержат по одному элементу (резистору, конденсатору или катушке), а плечо сравнения, как правило, содержит комплексное сопротивление, то есть является пассивным многоэлементным двухполюсником. В указанном двухполюснике обязательно включаются элементы с регулируемыми значениями параметров: сопротивления, емкости или индуктивности. С их помощью мосты уравновешиваются. Уравновешивание электрического моста осуществляется за n этапов путем раздельного регулирования на каждом этапе одного из компонентов уравновешивающего многоэлементного двухполюсника. Уравновешивание достигается на плоской части импульса напряжения в измерительной диагонали электрического моста после окончания переходных процессов поочередно при прямоугольной, линейной, квадратичной, кубичной и т.д. форме импульса напряжения питания моста [1 - 3]. Процесс уравновешивания моста на каждом этапе контролируется включенным в измерительную диагональ нуль-индикатором, синхронизируемым с выходным напряжением соответствующего формирователя импульсов напряжения.

Недостатком известных мостовых измерителей параметров многоэлементных двухполюсников является сложность аппаратуры, содержащей в составе генератора последовательностей импульсных сигналов n формирователей импульсов, причем к каждому из формирователей предъявляются высокие требования по точности воспроизведения сложной формы импульсов напряжения. Отклонение формы импульсов напряжения от требуемой согласно (1) приводит к искажению плоской части импульса напряжения в измерительной диагонали, что не только увеличивает погрешность измерения, но и затрудняет сам процесс уравновешивания электрического моста. Кроме того, так как многоэтапный измерительный процесс сопровождается коммутацией выходов генератора последовательностей импульсных сигналов, цепи коммутатора вносят дополнительные искажения этих импульсов.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [4]. В этом измерителе генератор последовательностей импульсных сигналов содержит четыре формирователя импульсов напряжения: импульсов прямоугольной формы и импульсов с изменением напряжения по линейному, квадратичному и кубичному законам, а также коммутатор, соответствующие входы которого соединены с выходами генератора последовательностей импульсных сигналов, а выход соединен с диагональю питания электрического моста.

Недостатком данного устройства является сложность схемы источника напряжения питания моста, содержащего четыре отдельных формирователя импульсных сигналов, каждый из которых должен вырабатывать с высокой точностью импульсы напряжения вида степенной функции времени. Наличие в данном устройстве коммутатора импульсов с повышенной мощностью обусловливает необходимость принятия дополнительных мер для компенсации искажений формы импульсов напряжения питания моста после прохождения цепей коммутации.

Изобретение направлено на упрощение генератора последовательностей импульсных сигналов для питания электрического моста.

Это достигается тем, что указанный генератор последовательностей импульсных сигналов содержит только один формирователь импульсов напряжения, форма которых соответствует старшей степени в выражении (1), то есть кубичной. Выход генератора последовательностей импульсных сигналов подключен непосредственно к диагонали питания четырехплечевого электрического моста. К измерительной диагонали моста подключены первый и второй входы дифференциального усилителя, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый, второй и третий дифференциаторы. В устройство заложен принцип уравновешивания электрического моста путем последовательного (поэтапного) приведения к нулевому значению напряжений на выходах соответственно третьего, второго и первого дифференциаторов, а также дифференциального усилителя. Напряжения на указанных выходах измеряются после окончания переходных процессов в цепях электрического моста.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема мостового измерителя параметров. Позиции на чертеже обозначают:
генератор последовательностей импульсных сигналов - 1; измеряемый многоэлементный пассивный двухполюсник - 2; первое плечо отношения - 3; уравновешивающий многоэлементный пассивный двухполюсник - 4; второе плечо отношения - 5; дифференциальный усилитель - 6; первый дифференциатор - 7; второй дифференциатор - 8; третий дифференциатор - 9; схема синхронизации - 10; нуль-индикатор - 11.

Генератор последовательностей импульсных сигналов 1 выполнен в виде формирователя импульсов напряжения кубической формы. Нуль-индикатор 11 содержит четыре измерительных канала и имеет пять входов, первый, третий, четвертый и пятый из которых соответствуют первому, второму, третьему и четвертому измерительным каналам, а второй вход предназначен для подключения сигнала синхронизации.

Входы дифференциального усилителя 6 подключены к измерительной диагонали электрического моста, а выход этого усилителя соединен с первым входом нуль-индикатора 11, второй вход которого соединен с выходом устройства синхронизации 10. Устройство синхронизации 10 обеспечивает задержку начала измерения входного напряжения нуль-индикатора 11 относительно начала выходного импульса генератора последовательностей импульсных сигналов 1 до окончания переходных процессов на выходе измерительной диагонали моста.

К выходу дифференциального усилителя 6 подключены три последовательно соединенных дифференциатора 7, 8 и 9. Выходные напряжения первого дифференциатора 7, второго дифференциатора 8 и третьего дифференциатора 9 поступают соответственно на третий, четвертый и пятый входы нуль-индикатора 11.

Устройство работает следующим образом. Пусть передаточная функция электрической цепи, содержащей измеряемый многоэлементный двухполюсник 2 и первое плечо отношения 3, имеет вид

где коэффициенты K₁₀, A₁, B₁, a₁, b₁ определяются параметрами измеряемого двухполюсника 2 и плеча отношения 3, а передаточная функция другой электрической цепи, содержащей уравновешивающий многоэлементный двухполюсник 4 и второе плечо отношения 5, соответственно

где коэффициенты K₂₀, A₂, B₂, a₂, b₂ являются функциями параметров уравновешивающего двухполюсника 4 и плеча отношения 5.

При питании электрического моста импульсным напряжением вида

установившееся после переходных процессов напряжение в измерительной диагонали имеет вид

Далее для упрощения объяснения, не учитываем величину коэффициента усиления дифференциального усилителя 6, то есть полагаем его равным единице. Напряжение на выходе первого дифференциатора 7 равно

на выходе второго дифференциатора 8

и на выходе третьего дифференциатора 9

В формулах (6), (7), (8) τ₁, τ₂, τ₃ - постоянные времени соответственно первого, второго и третьего дифференциаторов.

На первом этапе уравновешивания электрического моста регулировкой параметра соответствующего компонента уравновешивающего многоэлементного двухполюсника 4 добиваются равенства нулю напряжения (8) на выходе третьего дифференциатора 9; условие равновесия имеет вид
K₁₀ = K₂₀. (9)
На втором этапе аналогичной регулировкой параметра другого компонента двухполюсника 4 добиваются равенства нулю напряжения (7) на выходе второго дифференциатора 8; в этом напряжении первая, линейно изменяющаяся, составляющая уже уравновешена на первом этапе. Условие равновесия на втором этапе имеет вид
A₁ - a₁ = A₂ - a₂. (10)
На третьем этапе регулировкой уравновешивающего двухполюсника 4 приводят к нулю напряжение (6) на выходе первого дифференциатора 7; в этом напряжении две составляющие (квадратичная и линейная) уже уравновешены по результатам первого и второго этапов. Условие равновесия на третьем этапе имеет вид
B₁ - b₁ - a₁(A₁ - a₁) = B₂ - b₂ - a₂(A₂ - a₂). (11)
На четвертом, заключительном, этапе добиваются равенства нулю напряжения (5) в измерительной диагонали моста, то есть на выходе дифференциального усилителя 6. Три составляющие этого напряжения (кубическая, квадратичная и линейная) уже уравновешены на предыдущих этапах, поэтому условием равновесия на последнем этапе является равенство
(a₁ ²-b₁)(A₁ - a₁) - a₁(B₁ - b₁) = (a₂ ² - b₂)(A₂ - a₂)-a₂(B₂-b₂). (12)
Соотношения (9) - (12) позволяют вычислить измеряемые параметры двухполюсника 2 по известным параметрам компонентов уравновешивающего многоэлементного двухполюсника 4, которые были установлены в процессе уравновешивания электрического моста, и параметрам первого плеча отношения 3 и второго плеча отношения 5.

Для обеспечения условий раздельного уравновешивания электрического моста схема уравновешивающего многоэлементного двухполюсника 4 (плеча сравнения) строится таким образом, чтобы выходное напряжение третьего дифференциатора 9 зависело только от одного из параметров многоэлементного двухполюсника 4, выходное напряжение второго дифференциатора 8 должно определяться значениями двух параметров двухполюсника 4, причем одним из них должен быть тот параметр, который влиял на выходное напряжение третьего дифференциатора 9. На выходное напряжение первого дифференциатора 7 влияют значения трех параметров и т.д. Конкретная реализация электрической схемы уравновешивающего многоэлементного двухполюсника 4, первого плеча отношения 3 и второго плеча отношения 5 определяется моделью (схемой замещения) объекта измерения - многоэлементного двухполюсника 2 [1].

Следует отметить, что и в мостовых измерителях [2 - 4] условия равновесия (9) - (12) обеспечиваются также поэтапно при поочередном подключении к диагонали питания электрического моста импульсов напряжения прямоугольной, линейной, квадратичной и кубичной формы. В данном же измерителе требуется лишь один формирователь импульсных сигналов сложной формы, что исключает необходимость коммутации выходов генератора последовательностей импульсных сигналов. Кроме того, четырехканальный нуль-индикатор обеспечивает контроль электрического моста по всем измеряемым параметрам объекта, уже уравновешенным на предыдущих этапах.

Как было показано, предложенная схема мостового измерителя обеспечивает упрощение источника импульсов напряжения сложной формы, позволяет устранить коммутатор в цепи питания электрического моста; при этом уменьшаются потери времени на уравновешивание моста.

Источники информации
1. Передельский Г. И. Мостовые цепи с импульсным питанием. - М.: Энергоатомиздат, 1988, 192 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 1150556, G 01 R 17/10, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 1150557, G 01 R 17/10, 1985.

4. Авторское свидетельство СССР N 1242762, G 01 R 17/10, 1986.

Устройство предназначено для применения в измерительной технике для измерения параметров пассивных двухполюсников, имеющих многоэлементную схему замещения. Для достижения технического результата - упрощения аппаратуры генератор последовательностей импульсов напряжения для питания четырехплечевого электрического моста содержит один формирователь импульсов напряжения кубичной формы. Для поэтапного уравновешивания электрического моста к входам нуль-индикатора подключены выход дифференциального усилителя, соединенного своими входами с измерительной диагональю моста, а также выходы трех последовательно включенных дифференциаторов, первый из которых своим входом объединен с выходом дифференциального усилителя. В процессе уравновешивания моста последовательно приводят к нулевому значению напряжения на выходах третьего, второго и первого дифференциаторов и дифференциального усилителя. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников, содержащий генератор последовательностей импульсных сигналов, соединенный с диагональю питания четырехплечего электрического моста, одна ветвь которого состоит из последовательно соединенных объекта измерения и первого плеча отношения, а вторая ветвь - из последовательно соединенных уравновешивающего многоэлементного двухполюсника и второго плеча отношения, дифференциальный усилитель, первый и второй входы которого подключены к измерительной диагонали моста, нуль-индикатор, первый вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, устройство синхронизации, вход которого подключен к второму выходу генератора последовательностей импульсных сигналов, а выход - к второму входу нуль-индикатора, отличающийся тем, что генератор последовательностей импульсных сигналов выполнен в виде формирователя импульсов напряжения кубической формы, нуль-индикатор содержит четыре измерительных канала, дополнительно введены три последовательно соединенных дифференциатора, вход первого дифференциатора соединен с выходом дифференциального усилителя, а выходы каждого из дифференциаторов соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами нуль-индикатора.