МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2006 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, промышленной электронике, автоматике и может быть использовано для контроля и определения резистивных сопротивлений, а также физических величин посредством резистивных параметрических датчиков, включенных в электрический мост.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [1], содержащий последовательно включенные генератор питающих импульсов, формирующий последовательности импульсных сигналов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, электрическую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности одновременно заземлять и двухполюсник объекта измерения, и двухполюсник с регулируемыми (уравновешивающими) элементами.

Известен мостовой измеритель параметров [2], содержащий включенные последоваельно генератор питающих импульсов, мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определять параметры более двух заземленных резистивных датчиков.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров [3], содержащий последовательно включенные генератор питающих импульсов, формирующий импульсы с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитной емкости, которую образует незаземленный датчик относительно "земли". В приведенном измерителе отсутствует возможность заземлить все три параметрических датчика, поэтому обязательно присутствует названная паразитная емкость и соответствующая составляющая погрешности. Дополнительная составляющая погрешности возникает и от нестабильности этой паразитной емкости.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитной емкости относительно земли трех резистивных датчиков, а также нестабильности этой паразитной емкости.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся трех формирователей, выходы которых подключены к коммутатору, а общий вывод его соединен со входом усилителя мощности, выход этого усилителя образует первый выход генератора питающих импульсов относительно "земли", второй выход генератора - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, первый выход генератора питающих импульсов соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи, в трех плечах которой включены одиночные резисторы, четвертое плечо образовано двумя параллельно включенными ветвями, первая из них состоит из одиночного резистора и электрической цепи из трех элементов - последовательно соединенных конденсатора и резистора, параллельно которым включен резистор, вторая ветвь состоит из последовательно соединенных двух резисторов и индуктивной катушки, параллельно которой включен еще один резистор, два вывода измерительной диагонали мостовой цепи соединены с двумя входами нуль-индикатора, третий вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, один вывод генератора - общий вывод, один вывод мостовой цепи и один вывод нуль-индикатора соединены с "землей", введены два резистора, первый из них введен в первую ветвь четвертого плеча мостовой цепи между одиночным резистором и электрической цепью из трех элементов, второй резистор включен параллельно электрической цепи из последовательно соединенных первого введенного резистора и цепью из трех элементов.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из каскада 2 синхронизации, формирователя 3 последовательности прямоугольных импульсов (K₀t⁰), формирователя 4 последовательности линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 5 последовательности квадратичных импульсов (K₂t²), коммутатора 6 и усилителя 7 мощности. Выход каскада 2 синхронизации соединен с каждым входом трех формирователей импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 6. Общий вывод коммутатора 6 соединен со входом усилителя 7 мощности. Выход усилителя 7 мощности образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно "земли". Второй выход генератора 1 питающих импульсов - выход синхронизации - образует выход каскада синхронизации 2. Первый выход генератора 1 питающих импульсов соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи, в три плеча которой включены одиночные резистор 8 (R8), резистор 19 (R19) и резистор 20 (R20). В четвертое плечо мостовой цепи включен частотно-независимый двухполюсник, образованный двумя параллельно соединенными ветвями. Первая из них состоит из одиночного резистора 9 (R9) и электрической цепи из трех элементов - последовательно соединенных конденсатора 12 (С12) и резистивного датчика 13 (R13), параллельно которым включен резистивный датчик 11 (R11). Между одиночным резистором 9 (R9) и трехэлементной электрической цепью включен резистор 10 (R10). Резистивный датчик 14 (R14) в первой ветви моста включен параллельно с соединенными последовательно резистором 10 (R10) и цепью из трех элементов (резистивных датчиков 11 (R11) и 13 (R13)и конденсатора 12 (С12)). Вторая ветвь состоит из последовательно соединенных резистора 15 (R15), значение сопротивления которого равно значению сопротивления резистора 9 (R9), резистора 16 (R16) и индуктивной катушки 17 (L17), параллельно которой включен резистор 18 (R18). При выполнении условий частотной независимости эквивалентное сопротивление частотно-независимого двухполюсника постоянное резистивное и равное значению сопротивления R9 или R15. В мостовой цепи известны постоянные значения сопротивлений резисторов R8, R9, R10, R15, R19, R20, емкости конденсатора С12, искомыми являются сопротивления трех резистивных датчиков: R11, R13, R14, регулируемыми - переменные параметры R16, L17 и R18. Два вывода измерительной диагонали мостовой цепи соединены с двумя входами нуль-индикатора 21. Третий вход нуль-индикатора 21 (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общий вывод генератора 1 питающих импульсов, один вывод мостовой цепи и один вывод нуль-индикатора 21 соединены с "землей". В мостовой цепи одновременно заземлены три резистивных датчика и уравновешивающий двухполюсник с переменными регулируемыми параметрами.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. В исходном состоянии напряжение на входе и выходе электрического моста равно нулю. Так как сопротивление частотно-независимого двухполюсника при выполнении условий частотной независимости приводится к резистивному сопротивлению R9 (R15), то для мостовой цепи должно быть выполнено предварительное условие:

В частном случае условие (1) будет выполнено, если равны значения сопротивлений R8, R9, R19 и R20, т.е. если R₈=R₉=R₁₉=R₂₀.

На мостовую цепь посредством коммутатора 6 с генератора 1 формирователем 3 подается последовательность импульсных сигналов прямоугольной формы. При воздействии очередного импульса в установившемся режиме в измерительной диагонали моста устанавливается неизменяющееся напряжение неравновесия. Плоская вершина напряжения неравновесия моста после окончания переходного процесса приводится к нулю при выполненном условии (1) однократной регулировкой переменного параметра R16, тем самым выполняется первое условия равновесия мостовой цепи:

Затем посредством коммутатора 6 на мост подается с генератора 1 формирователем 4 последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного такого импульса на выходе мостовой цепи после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта плоская вершина напряжения неравновесия приводится к нулю с учетом выполненных предварительного условия (1) и первого условия равновесия (2) однократной регулировкой переменного параметра L17, в результате чего выполняется второе условие равновесия моста:

При воздействии на мост последовательности питающих импульсов квадратичной формы, подаваемых посредством коммутатора 6 с генератора 1 формирователем 5, выходной импульсный сигнал неравновесия мостовой цепи после окончания переходного процесса имеет плоскою вершину, которая приводится к нулю при выполненных условиях (1)-(3) однократной регулировкой переменного параметра R18, чем достигается выполнение третьего условия равновесия моста:

Таким образом, при выполнении предварительного условия (1) имеет место зависимое раздельное уравновешивание мостовой цепи в определенной последовательности: R16-L17-R18.

Условия частотной независимости частотно-независимого двухполюсника определяются выражениями (2)-(4) и, таким образом, совпадают с условиями равновесия мостовой цепи. При воздействии на мостовую цепь последовательности импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций при выполнении очередного условия частотной независимости при выполненных предыдущих условиях эквивалентное сопротивление частотно-независимого двухполюсника приводится к резистивному сопротивлению R9 (R15), что с учетом выполнения предварительного условия (1) означает приведение к нулю плоской вершины напряжения неравновесия в измерительной диагонали моста, т.е. каждый раз при выполнении очередного условия частотной независимости и выполненных условии (1) и предыдущих условиях частотной независимости имеет место уравновешивание мостовой цепи.

Отсчет искомых параметров резистивных датчиков R₁₁, R₁₃ и R₁₄ берется из условий равновесия мостовой цепи (2)-(4). Система трех независимых алгебраических уравнений, записанная в виде условий равновесия моста, с тремя неизвестными (искомыми параметрами резистивных датчиков R₁₁, R₁₃ и R₁₄) решается хорошо изученными и широко распространенными методами (например, методом подстановки). В этой системе число уравнений равно числу неизвестных, поэтому отсчет искомых параметров характеризуется сравнительно несложной процедурой.

Таким образом, данный мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет уменьшить погрешность измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно земли трех резистивных датчиков, а также составляющей погрешности от нестабильности этой паразитной емкости. Это достигается в предложенном варианте схемы измерителя заземлением всех трех резистивных датчиков. В данном мостовом измерителе сохраняются все достоинства мостовых цепей с импульсным питанием, в частности реализуется такое важное качество, как зависимое раздельное уравновешивание.

Источники информации

1. А.С. №1157467, G 01 R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников. / Г.И.Передельский. - Опубл. в БИ, 1985, №19.

2. Передельский Г.И. О свойстве потенциально частотно-независимых двухполюсников. - Электричество. 2000, №11, стр.56, рис.2.

3. Передельский Г.И., Диденко Ю.В., Ионочкин Д.А. Варианты мостовых цепей на основе частотно-независимых двухполюсников. // Сборник материалов 6-й Международной конференции "Распознавание - 2003", с.158, рис.1.1.

Изобретение может быть использовано для определения активных сопротивлений, а также сопротивлений резистивных параметрических датчиков физических величин, включенных в электрический мост. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов (прямоугольных, линейно изменяющихся и изменяющихся по квадратичному закону), четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор 21. В три плеча мостовой цепи включены одиночные резисторы 8, 19, 20. В четвертое плечо мостовой цепи включен частотно-независимый двухполюсник, образованный двумя параллельными ветвями. Первая ветвь состоит из одиночных резисторов 9, 10, конденсатора 12 и резистивных датчиков 11, 13, 14. Вторая ветвь состоит из последовательно соединенных резисторов 15, 16 и индуктивной катушки 17, параллельно которой включен резистор 18. Резистивные датчики 11, 13, 14 заземлены. Предлагаемая схема мостовой цепи позволяет уменьшить погрешность измерения сопротивления датчиков за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно земли трех резистивных датчиков. В данном мостовом измерителе реализуется зависимое раздельное уравновешивание мостовой цепи. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся трех формирователей, выходы которых подключены к коммутатору, а общий вывод его соединен со входом усилителя мощности, выход этого усилителя образует первый выход генератора питающих импульсов относительно "земли", второй выход генератора - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, первый выход генератора питающих импульсов соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи, в трех плечах которой включены одиночные резисторы, четвертое плечо образовано двумя параллельно включенными ветвями, первая из них состоит из одиночного резистора и электрической цепи из трех элементов - последовательно соединенных конденсатора и резистора, параллельно которым включен резистор, вторая ветвь состоит из последовательно соединенных двух резисторов и индуктивной катушки, параллельно которой включен еще один резистор, два вывода измерительной диагонали мостовой цепи соединены с двумя входами нуль-индикатора, третий вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, один вывод генератора - общий вывод, один вывод мостовой цепи и один вывод нуль-индикатора соединены с "землей", отличающийся тем, что в него введены два резистора, первый из них введен в первую ветвь четвертого плеча мостовой цепи между одиночным резистором и электрической цепью из трех элементов, второй резистор включен параллельно электрической цепи из последовательно соединенных первого введенного резистора и цепью из трех элементов.