МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2013 года по МПК G01R17/00 

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №1157467 G01R. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский - Опубл. в Бюл., 1985, №19], содержащий последовательно включенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять оба имеющихся многоэлементных двухполюсника. При прочих равных условиях на практике отдается предпочтение мостовым цепям, где заземлены все имеющиеся многоэлементные двухполюсники. Незаземленный многоэлементный двухполюсник образует паразитную емкость относительно «земли», которая вызывает соответствующую дополнительную составляющую погрешности измерения, обусловленную этой паразитной емкостью. Кроме того, эта паразитная емкость не стабильна и, как известно, существенно изменяется с течением времени и особенно с изменением температуры. В частном случае, при незаземленном двухполюснике объекта измерения и использовании датчика с линией связи на последней наводятся сигналы помех и вызывают соответствующую дополнительную составляющую погрешности измерения, так как здесь линия связи тоже незаземлена. Датчик или датчик совместно с линией связи представляют собой многоэлементную схему замещения. Если же объект измерения заземлен, то сигналы помех и соответствующая составляющая погрешности измерения существенно меньше, так как линия связи заземлена. Незаземленная линия связи также имеет паразитную емкость относительно земли. Можно обратить внимание, что заземлить оба многоэлементных двухполюсника в принципе невозможно в мостах Максвелла [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - M.-Л: Энергия, 1966, - 88 с., стр.40, рис.15], Хея [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - М.-Л.: Энергия, 1966, - 88 с., стр.40, рис.16], Андерсона [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - M.-Л.: Энергия, 1966, - 88 с, стр.42, рис.18].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников [А.С., СССР, №918862, G01R. Мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский. - Опубл. в Бюл., 1982, №13]. Мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлить оба имеющихся многоэлементных двухполюсника.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости, за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₁t, K₂t², K₃t³, K₄t⁴, где K₁, K₂, K₃, K₄ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из 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 относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также выход блока синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора питающих импульсов относительно «земли», общая шина генератора питающих импульсов заземлена; первый выход генератора питающих импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи (моста), который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первую ветвь образуют последовательно соединенные два резистора, свободный вывод первого из них подключен к первому выходу генератора питающих импульсов, свободный вывод второго резистора заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторую ветвь моста образуют последовательно соединенные первый, второй резисторы и первая индуктивная катушка, параллельно которой включена цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и третьего резистора, общий вывод первого и второго резисторов образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, также четырехплечая мостовая цепь включает в себя последовательно соединенные второй конденсатор и вторую индуктивную катушку, параллельно которой включен четвертый резистор, а также две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения; нуль-индикатор, с дифференциальным входом которого соединены оба вывода выхода четырехплечей мостовой цепи, ко второму входу (входу синхронизации) нуль-индикатора подключен второй выход генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены три дополнительных резистора, электрическая цепь из второго конденсатора, второй индуктивной катушки и четвертого резистора перенесены из первой ветви моста во вторую ветвь, изменено включение элементов мостовой цепи, первый дополнительный резистор подключен параллельно первой индуктивной катушки второй ветви моста, второй дополнительный резистор подключен к общему выводу первого и второго резисторов второй ветви, третий дополнительный резистор подключен последовательно с электрической цепью из второго конденсатора, второй индуктивной катушки и четвертого резистора, первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения соединена со свободным выводом второго дополнительного резистора, вторая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения заземлена, имеющийся двухполюсник из второго конденсатора, второй индуктивной катушки, четвертого резистора и третьего дополнительного резистора является двухполюсником объекта измерения, а свободный вывод третьего дополнительного резистора соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из формирователя 2 линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 3 квадратичных импульсов (K₂t²), формирователя 4 кубичных импульсов (K₃t³), формирователя 5 импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени (K₄t⁴), где K₁, K₂, K₃ и K₄ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 6 мощности, коммутатора 7 и блока 8 синхронизации. Выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора 7, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности, выход которого образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Выход блока 8 синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов. Также выход блока 8 синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена. Первый выход генератора 1 питающих импульсов подключен ко входу (к первой вершине генераторной диагонали) четырехплечей мостовой цепи (моста), образованной двумя параллельно включенными ветвями. Первая из этих ветвей состоит из двух последовательно соединенных резисторов 9 (R9) и 10 (R10), образующих соответственно первое и второе плечи четырехплечей мостовой цепи. Свободный вывод резистора R9 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод резистора R10 заземлен. Общий вывод резисторов R9 и R10 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь моста образована последовательно соединенными первым 11 (R11) и вторым 12 (R12) резисторами и первой индуктивной катушкой 13 (L13), параллельно которой включены первый дополнительный резистор 14 (R14) и соединенные последовательно первый конденсатор 15 (С15) и третий резистор 16 (R16). Резистор R11 составляет третье плечо четырехплечей мостовой цепи. Общий вывод резисторов R9 и R11 образует первую вершину генераторной диагонали моста. Общий вывод резисторов R11 и R12 образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Также четырехплечая мостовая цепь содержит второй дополнительный резистор 17 (R17), одним выводом подключенный к общему выводу резисторов R11 и R12, а другим - к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения. Вторая такая клемма заземлена. Резисторы R12 и R17 имеют равные значения сопротивлений. Двухполюсник объекта измерения образован соединенными последовательно вторым конденсатором 18 (С18), включенными параллельно второй индуктивной катушкой 19 (L19) и четвертым резистором 20 (R20), третьим дополнительным резистором 21 (R21). Свободный вывод конденсатора С18 подключен к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения, свободный вывод резистора R21 подключен ко второй клемме для подключения двухполюсника объекта измерения. Четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи образовано резисторами R12, R14, R16, R17, R20 и R21, индуктивными катушками L13 и L19, конденсаторами С15 и С18. Заземленная общая шина генератора 1 питающих импульсов соединена со второй вершиной генераторной диагонали моста, образованной свободными выводами резисторов R10, R14 и R16, а также свободным выводом индуктивной катушки L13 и второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Оба вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 22. Ко второму входу (входу синхронизации) нуль-индикатора 22 подключен второй выход генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 22 соединена со второй вершиной генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и с общей шиной генератора 1 питающих импульсов и заземлена. В мостовом измерителе параметров двухполюсников сопротивления резисторов R9, R10, R11, R12 и R17 известны и постоянны. Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - резисторов R14 и R16, а также индуктивной катушки L13 и конденсатора С15. Искомыми являются параметры элементов двухполюсника объекта измерения - резисторов R20 и R21, индуктивной катушки L19 и конденсатора С18.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Математические выражения условий равновесия четырехплечей мостовой цепи будут иметь более простой вид при выполнении равенств

Поэтому ниже условия равновесия четырехплечей мостовой цепи приводятся с учетом предварительного выполнения этих равенств.

В генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 3 квадратичных импульсов, формирователь 4 кубичных импульсов, формирователь 5 импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени формируют последовательности импульсных сигналов соответствующей формы. Через коммутатор 7 и усилитель 6 мощности эти сигналы поочередно поступают на выход генератора 1 питающих импульсов и затем воздействуют на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи.

В первую очередь, на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность импульсных сигналов линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного такого импульса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса устанавливается неизменяющееся в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса напряжение неравновесия. Плоская вершина этого напряжения приводится к нулю однократной регулировкой переменного параметра уравновешивающего элемента - индуктивной катушки L13. В результате выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, которое имеет вид

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов квадратичной формы. При воздействии очередного импульса квадратичной формы на выходе четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта вершина с учетом выполненного первого условия равновесия (3) приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R14. Второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

Выполнение первого условия равновесия (3) в этом случае сохраняется, поскольку это условие не содержит сопротивление резистора R14.

Далее на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействуют импульсы кубичной формы. В измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи при воздействии очередного импульса кубичной формы устанавливается импульсный сигнал неравновесия. Этот сигнал после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса имеет плоскую вершину, которая при выполненных условиях (3) и (4) приводится к нулю однократной регулировкой переменной емкости уравновешивающего элемента - конденсатора С₁₅. При этом третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

Предыдущие условия равновесия (3) и (4) сохраняются, поскольку в этих условиях отсутствует емкость конденсатора С₁₅.

В последнюю очередь, на вход моста подается последовательность импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени. Воздействие на мостовую цепь очередного импульса такой формы приводит к тому, что в измерительной диагонали моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия, имеющий после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса плоскую вершину, приводимую к нулю при выполнении условий (3)-(5) однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R16. В результате выполняется четвертое и последнее условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, имеющее вид

При этом выполнение предыдущих условий равновесия (3)-(5) не нарушается, поскольку в них не содержится сопротивление резистора R16.

Искомые значения параметров четырех элементов двухполюсника объекта измерения С18, R21, L19 и R20 определяются из четырех условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (3)-(6). Таким образом, четыре неизвестных параметра находятся из решения по сути четырех уравнений.

Таким образом, предлагаемый мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет уменьшить погрешность измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости, за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников. Кроме того, в предлагаемом мостовом измерителе параметров двухполюсников реализуется такое важное свойство мостовых цепей, как зависимое раздельное уравновешивание.

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Генератор содержит формирователи импульсов линейной, квадратичной, кубичной форм, а также импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени, усилитель мощности, коммутатор и блок синхронизации. Мостовая цепь образована двумя параллельно включенными ветвями. Первая ветвь состоит из двух последовательно соединенных резисторов, а вторая содержит последовательно соединенные сопротивления, цепь с регулируемыми уравновешивающими элементами, а также двухполюсник объекта измерения. Общий вывод сопротивлений первой ветви образует первую вершину измерительной диагонали и подключен к дифференциальному входу нуль-индикатора. Вторая вершина измерительной диагонали образована общим выводом последовательно соединенных сопротивлений второй ветви и также подключена к дифференциальному входу нуль-индикатора, вход синхронизации которого соединен со вторым выходом генератора. Общий вывод генератора, нуль-индикатора, а также выводы элементов уравновешивающей цепи, второго сопротивления первой ветви и второй клеммы для подключения объекта измерения заземлены. Технический результат изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₁t, K₂t², K₃t³, K₄t⁴, где K₁, K₂, K₃, K₄ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из 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 относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также выход блока синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора питающих импульсов относительно «земли», общая шина генератора питающих импульсов заземлена; первый выход генератора питающих импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи (моста), который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первую ветвь образуют последовательно соединенные два резистора, свободный вывод первого из них подключен к первому выходу генератора питающих импульсов, свободный вывод второго резистора заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторую ветвь моста образуют последовательно соединенные первый, второй резисторы и первая индуктивная катушка, параллельно которой включена цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и третьего резистора, общий вывод первого и второго резисторов образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, также четырехплечая мостовая цепь включает в себя последовательно соединенные второй конденсатор и вторую индуктивную катушку, параллельно которой включен четвертый резистор, а также две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения; нуль-индикатор, с дифференциальным входом которого соединены оба вывода выхода четырехплечей мостовой цепи, ко второму входу (входу синхронизации) нуль-индикатора подключен второй выход генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены три дополнительных резистора, электрическая цепь из второго конденсатора, второй индуктивной катушки и четвертого резистора перенесены из первой ветви моста во вторую ветвь, изменено включение элементов мостовой цепи, первый дополнительный резистор подключен параллельно первой индуктивной катушки второй ветви моста, второй дополнительный резистор подключен к общему выводу первого и второго резисторов второй ветви, третий дополнительный резистор подключен последовательно с электрической цепью из второго конденсатора, второй индуктивной катушки и четвертого резистора, первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения соединена со свободным выводом второго дополнительного резистора, вторая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения заземлена, имеющийся двухполюсник из второго конденсатора, второй индуктивной катушки, четвертого резистора и третьего дополнительного резистора является двухполюсником объекта измерения, а свободный вывод третьего дополнительного резистора соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения.