Показать метаданные Скрыть метаданные

(19)

(11)

2 499 263

(13)

(51)

МПК

G01R17/00(2006-01-01)

(21) (22)

Заявка

2012118465/28, 2012-05-03

(24)

Дата начала отсчета патента

2012-05-03

(22)

дата подачи заявки

2012-05-03

(45)

опубликовано

2013-11-20

(72)

авторы

Иванов Владимир Ильич

(73)

патентообладатели

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования Государственный Университет"

(56)

Документы, цитированные в отчете о поиске

Передельский Г.ИМостовые цепи с импульсным питанием- М.: Энергоатомиздат, 1988 (фиг.2.26, с.26)Захаров И.Си дрМостовые электрические цепи с расширенными функциональными возможностями- Электричество, 2009, №9, с.28US 3895292 A1, 15.07.1975DE 19744152 A1, 29.04.1999.

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

Описание патента на изобретение RU2499263C1

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 многоэлементных пассивных двухполюсников по патенту РФ 2365921, G01R 17/00, Бюл. №24, 2009, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов напряжения, изменяющегося по закону степенных функций, в состав которого входят коммутируемые формирователи импульсов прямоугольной, линейной, квадратичной и кубичной формы, мостовую цепь для определения параметров двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C) и нуль-индикатор. Для расширения функциональных возможностей вторая ветвь содержит многоэлементные двухполюсники и в плече отношения (с фиксированными параметрами элементов), и в плече сравнения (с регулируемыми параметрами). Недостатками такого измерителя являются:

1) наличие потерь и искажение формы питающих мостовую цепь импульсов в цепях коммутации;

2) невозможность измерения параметров двухполюсников с нулевым сопротивлением между полюсами на постоянном токе;

3) отсутствие унифицированной процедуры и сложный вид аналитических выражений для вычисления измеряемых параметров при различных конфигурациях схемы замещения объектов.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников по патенту РФ 2144195, G01R 17/10, Бюл. №1, 2000. С целью упрощения аппаратуры мостовой измеритель содержит единственный генератор последовательностей импульсов напряжения кубичной формы. В измерительную диагональ моста включены входы дифференциального усилителя, а к выходу дифференциального усилителя подключены последовательно соединенные три дифференциатора. Выходы дифференциаторов, а также выход дифференциального усилителя подключены к входам нуль-индикатора. Уравновешивание моста осуществляют после окончания переходных процессов в его цепях, последовательно приводя к нулевому значению напряжения на выходах третьего, второго и первого дифференциаторов, а затем и дифференциального усилителя. Недостатками этого мостового измерителя являются:

1) сложная схема ветви с многоэлементным двухполюсником отношения и многоэлементным уравновешивающим двухполюсником, в состав которого входят регулируемые резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности;

2) невозможность измерения параметров двухполюсников с индуктивной ветвью между полюсами, т.е. с нулевым сопротивлением на постоянном токе;

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей мостовой цепи, упрощении и унификации процедуры вычисления измеряемых параметров многоэлементных пассивных двухполюсников.

Поставленная задача решается тем, что в мостовой измеритель параметров многоэлементных RLC двухполюсников, содержащий генератор импульсов напряжения, изменяющегося по закону n-й степени времени, выход которого подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой состоит из последовательно включенных одиночного резистора в первом плече отношения и многоэдементного двухполюсника с уравновешивающими элементами в первом плече сравнения, а вторая ветвь - из одиночного резистора во втором плече отношения и одиночного резистора во втором плече сравнения, общий вывод плеча отношения и плеча сравнения первой ветви образует первый вывод выхода мостовой цепи, а общий вывод плеча отношения и плеча сравнения второй ветви - второй вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод плеча сравнения второй ветви моста заземлен; дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходом мостовой цепи, а выход подключен к w-каскадному дифференциатору, состоящему из n последовательно включенных дифференцирующих RC звеньев; нуль-индикатор, первый вход которого соединен с выходом n-го RC звена, второй вход - с выходом (n-1)-го RC звена, и т.д., n-й вход - с выходом 1-го RC звена, (n+1)-й вход - с выходом дифференциального усилителя; устройство управления, выход синхронизации которого соединен с входами синхронизации генератора импульсов и нуль-индикатора, в качестве многоэлементной двухполюсной цепи с уравновешивающими элементами в плечо сравнения первой ветви введен потенциально частотно-независимый двухполюсник, который содержит две последовательно соединенные двухполюсные цепи, одна из которых состоит из параллельно включенных первого резистора и последовательно соединенных первого конденсатора и второго резистора, параллельно которому подключен второй конденсатор, другая двухполюсная цепь содержит параллельно включенные первую катушку индуктивности и последовательную цепь, состоящую из резистора и второй катушки индуктивности; свободный полюс второй двухполюсной цепи соединен с первой клеммой для подключения двухполюсной RLC цепи объекта измерения, вторая клемма для подключения двухполюсной RLC цепи заземлена.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1). Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов напряжения, имеющих форму степенной функции времени:

$u_{и} (t) = \frac{U_{m} t^{n}}{t_{и}^{n}},$

где U_m - амплитуда, t_и - длительность импульса, n - целочисленный показатель степени. Выход генератора 1 подключен к диагонали питания четырехплечей мостовой электрической цепи. Первая ветвь мостовой цепи состоит из двух последовательно включенных двухполюсников, первый из которых содержит одиночный резистор 2, а второй - многоэлементную двухполюсную цепь 3. Вторая ветвь мостовой цепи состоит из двух последовательно включенных резисторов 4 и 5. Двухполюсники 2 и 4 являются плечами отношения, а двухполюсники 3 и 5 - плечами сравнения мостовой цепи. Общий вывод двухполюсников 2 и 3 служит первым выводом выхода мостовой цепи, а общий вывод двухполюсников 4 и 5 - вторым выводом вывода моста. Выход мостовой цепи соединен с симметричным входом дифференциального усилителя 6, к выходу которого подключен n-каскадный дифференциатор, содержащий n последовательно соединенных дифференцирующих RC звеньев. На рисунке представлена схема мостового измерителя с питающими импульсами кубичной формы: n=3. Каскады дифференциатора выполнены на конденсаторе 7 и резисторе 8, конденсаторе 9 и резисторе 10, конденсаторе 11 и резисторе 12. Выходы дифференцирующих RC звеньев соединены с 1-м, 2-м и 3-м входами нуль-индикатора 13, 4-й вход нуль-индикатора подключен к выходу дифференциального усилителя 6. Входы синхронизации генератора импульсов 1 и нуль-индикатора 13 подключены к выходу синхронизации устройства управления 14.

Плечо сравнения первой ветви мостовой цепи содержит многоэлементный двухполюсник 3 с регулируемыми элементами. Он состоит из двух последовательно включенных двухполюсных цепей, первая из которых содержит параллельно включенные первый резистор 15 и цепь последовательно соединенных первого конденсатора 16 и второго резистора 17, параллельно с которым включен второй конденсатор 18, вторая двухполюсная цепь содержит параллельно включенные первую катушку индуктивности 19 и последовательную цепь, состоящую из резистора 20 и второй катушки 21 индуктивности. В состав плеча сравнения первой ветви моста входит также RLC двухполюсник 22 объекта измерения. Первая клемма для подключения RLC двухполюсника объекта измерения соединена со свободным полюсом второй двухполюсной цепи, входящей в двухполюсник 3. Вторая клемма для подключения объекта измерения заземлена. В качестве примера объект измерения 22 представлен двухполюсной цепью, содержащей параллельно включенные первый резистор 23 и цепь последовательно соединенных конденсатора 24, второго резистора 25 и катушки 26 индуктивности.

Рассмотрим работу мостового измерителя. При возбуждении мостовой цепи импульсом кубичной формы

$u_{и} (t) = \frac{U_{m} t^{3}}{t_{и}^{3}}$

на выходах первой и второй ветвей моста появляются импульсы напряжения, которые содержат свободные и принужденные составляющие. После окончания переходных процессов в мостовой цепи устанавливаются сигналы, используемые для определения параметров двухполюсника 22. Выходное напряжение резисторного делителя R₄-R₅ второй ветви имеет форму питающего импульса

$u_{в ы х .2} (t) = \frac{R_{5}}{R_{4} + R_{5}} \frac{U_{m} t^{3}}{t_{и}^{3}} . (1)$

Выходное напряжение первой ветви содержит импульсы степенной формы с показателями степени от n до нулевой:

$u_{в ы х .1} (t) = \frac{H_{0} U_{m} t^{3}}{t_{и}^{3}} + \frac{3 H_{1} U_{m} t^{2}}{t_{и}^{3}} + \frac{6 H_{2} U_{m} t}{t_{и}^{3}} + \frac{6 H_{3} U_{m}}{t_{и}^{3}}, (2)$

где Н₀, Н₁, Н₂, Н₃ - обобщенные параметры передаточной функции H(p) первой ветви мостовой цепи. Эта функция имеет вид

$H (p) = \frac{Z_{3} (p) + Z_{22} (p)}{R_{2} + Z_{3} (p) + Z_{22} (p)}, (3)$

где Z₃(p) - операторное изображение комплексного сопротивления двухполюсника 3; Z₂₂(p) - операторное изображение комплексного сопротивления измеряемого двухполюсника 22. Если раскрыть выражения числителя и знаменателя в (3), получим представление Н(p) в виде дробно-рациональной функции оператора p:

$H (p) = \frac{b_{0} + b_{1} p + b_{2} p^{2} + \dots}{a_{0} + a_{1} p + a_{2} p^{2} + \dots}, (4)$

где величины а₀, а₁, а₂, … в знаменателе и b₀, b₁, b₂, … в числителе определяются конфигурацией схем двухполюсников и значениями параметров элементов. Обобщенные параметры передаточной функции Н(p) первой ветви мостовой цепи (см. Иванов В.И., Титов В.С., Голубов Д.А. Применение обобщенных параметров измерительной цепи для идентификации многоэлементных двухполюсников // Датчики и системы. - 2010. - №8. - С.43-45) равны:

$H_{0} = \frac{b_{0}}{a_{0}};$ $H_{1} = \frac{b_{1} - a_{1} H_{0}}{a_{0}};$ $H_{2} = \frac{b_{2} + a_{2} H_{0} - a_{1} H_{1}}{a_{0}};$

$H_{3} = \frac{b_{3} - a_{3} H_{0} - a_{2} H_{1} - a_{1} H_{2}}{a_{0}} . (5)$

Из выражений (1) и (2) видно, что уравновешивание напряжений u_вых.1(t) и u_вых.2(t) в измерительной диагонали моста происходит при следующих условиях:

$H_{0} = \frac{R_{5}}{R_{4} + R_{5}}; (6)$

$H_{1} = H_{2} = H_{3} = 0. (7)$

Выражения для обобщенных параметров Н₀, H₁, H₂, Н₃, определяются параметрами элементов первой ветви мостовой цепи, в первую очередь, суммарным комплексным сопротивлением последовательно включенных многоэлементных двухполюсников Z(p)=Z₃(p)+Z₂₂(p), которое также может быть представлено в форме дробно-рациональной функции оператора p:

$Z (p) = \frac{d_{0} + d_{1} p + d_{2} p^{2} + \dots}{e_{0} + e_{1} p + e_{2} p^{2} + \dots} . (8)$

Обобщенные параметры Z₀, Z₁, Z₂, Z₃ комплексного сопротивления Z(p) могут быть найдены с помощью формул (5):

$Z_{0} = \frac{d_{0}}{e_{0}};$ $Z_{1} = \frac{d_{1} - e_{1} Z_{_{0}}}{e_{0}};$ $Z_{2} = \frac{d_{2} - e_{2} Z_{0} - e_{1} Z_{1}}{e_{0}};$

$Z_{3} = \frac{d_{3} - e_{3} Z_{0} - e_{2} Z_{1} - e_{1} Z_{2}}{e_{0}} . (9)$

H-параметры первой ветви мостовой цепи связаны с Z-параметрами многоэлементного двухполюсника, образованного двухполюсниками 3 и 22. В самом деле, учитывая (3), получим:

$H (p) = \frac{d_{0} + d_{1} p + d_{2} p^{2} + \dots}{d_{0} + R_{2} e_{0} + (d_{1} + R_{2} e_{1}) p + (d_{2} + R_{2} e_{2}) p^{2} + \dots} . (10)$

Сопоставляя (5) и (8), можно выразить H-параметры через Z-параметры:

$H_{0} = \frac{Z_{0}}{Z_{0} + R_{2}};$ $H_{1} = \frac{R_{2} Z_{1}}{{(Z_{0} + R_{2})}^{2}};$ $H_{2} = \frac{R_{2} Z_{2}}{{(Z_{0} + R_{2})}^{2}} - \frac{R_{2} Z_{1}^{2}}{{(Z_{0} + R_{2})}^{3}};$

$H_{3} = \frac{R_{2} Z_{3}}{{(Z_{0} + R_{2})}^{2}} - \frac{2 R_{2} Z_{1} Z_{2}}{{(Z_{0} + R_{2})}^{3}} + \frac{R_{2} Z_{1}^{3}}{{(Z_{0} + R_{2})}^{4}}; \dots (11)$

Таким образом, условия уравновешивания (6) и (7) выражаются более простыми формулами:

$\frac{Z_{0}}{R_{2}} = \frac{R_{5}}{R_{4}}; (12)$

$Z_{1} = Z_{2} = Z_{3} = 0. (13)$

Из выражений (12) и (13) следует, что двухполюсник, образованный последовательно соединенными двухполюсниками 3 и 22, при достижении равновесия в измерительной диагонали моста становится частотно независимым, а его импеданс - вещественной величиной. Покажем это свойство на комплексной частотной характеристике Z(ω), выражение для которой получим, выполнив подстановку в (8)р=jω:

$Z (j ω) = \frac{d_{0} + d_{1} (j ω) + d_{2} {(j ω)}^{2} + d_{3} {(j ω)}^{3} + \dots}{e_{0} + e_{1} (j ω) + e_{2} {(j ω)}^{2} + e_{3} {(j ω)}^{3} + \dots} . (14)$

Вынесем за скобки свободные члены в числителе и знаменателе:

$Z (j ω) = \frac{d_{0}}{e_{0}} \cdot \frac{1 + \frac{d_{1}}{d_{0}} (j ω) + \frac{d_{2}}{d_{0}} {(j ω)}^{2} + \frac{d_{3}}{d_{0}} {(j ω)}^{3} + \dots}{1 + \frac{e_{1}}{e_{0}} (j ω) + \frac{e_{2}}{e_{0}} {(j ω)}^{2} + \frac{e_{3}}{e_{0}} {(j ω)}^{3} + \dots} . (15)$

Сопротивление двухполюсника не зависит от частоты и равно Z=Z₀ при условиях:

$\frac{d_{1}}{d_{0}} = \frac{e_{1}}{e_{0}}, \frac{d_{2}}{d_{0}} = \frac{e_{2}}{e_{0}}, \frac{d_{3}}{d_{0}} = \frac{e_{3}}{e_{0}}, \dots (16)$

Из выражений (9) следует, что при выполнении условий (16) все Z-параметры многоэлементного двухполюсника, кроме Z₀, равны нулю.

Для достижения свойства частотной независимости многоэлементного двухполюсника в первой ветви мостовой цепи необходимо, чтобы и отдельно взятый двухполюсник 3 с регулируемыми элементами был потенциально частотно-независимым. Двухполюсная цепь 3 состоит из двух последовательно соединенных многоэлементных двухполюсников: резистивно-емкостного, который содержит первый резистор 15, параллельно которому включена последовательная цепь, состоящая из первого конденсатора 16 и параллельно соединенных второго резистора 17 и второго конденсатора 18, и резистивно-индуктивного двухполюсника, в состав которого входят параллельно включенные первая катушка индуктивности 19 и цепь, содержащая последовательно соединенные резистор 20 и вторую катушку индуктивности 21. При последовательном соединении двухполюсников происходит суммирование их Z-параметров с одинаковыми индексами. Это свойство позволяет существенно упростить процедуру нахождения выражений для условий уравновешивания через Z-параметры. Операторное изображение комплексного сопротивления двухполюсника R₁₅-C₁₆-R₁₇-C₁₈ имеет вид

$Z (p) = \frac{R_{15} + p R_{15} R_{17} (C_{16} + C_{18})}{1 + p [R_{15} C_{16} + R_{17} (C_{16} + C_{18})] + p^{2} R_{15} C_{16} R_{17} C_{18}}$ .

Z-параметры резистивно-емкостного двухполюсника равны

Z₀=R₁₅; $Z_{1} = - R_{15}^{2} C_{16}$ ; $Z_{2} = R_{15}^{2} C_{16}^{2} (R_{15} + R_{17})$ ;

$Z_{3} = - R_{15}^{2} C_{16}^{2} [{(R_{15} + R_{17})}^{2} C_{16} + R_{17}^{2} C_{18}] . (17)$

Операторное изображение комплексного сопротивления двухполюсника L₁₉-R₂₀-L₂₁ имеет вид

$Z (p) = \frac{p R_{20} L_{19} + p^{2} L_{19} L_{21}}{R_{20} + p (L_{19} + L_{21})} .$

Z-параметры резистивно-индуктивного двухполюсника равны

$Z_{0} = 0; Z_{1} = L_{19}; Z_{2} = - \frac{L_{19}^{2}}{R_{20}}; Z_{3} = \frac{L_{19}^{2}}{R_{20}^{2}} (L_{19} + L_{21}) . (18)$

Операторное изображение комплексного сопротивления двухполюсника объекта измерения r₂₃-c₂₄-r₂₅-l₂₆ имеет вид

$z (p) = \frac{r_{23} + p r_{23} r_{25} c_{24} + p^{2} r_{23} l_{26} c_{24}}{1 + p (r_{23} + r_{25}) c_{24} + p^{2} l_{26} c_{24}}$ .

Z-параметры двухполюсника объекта измерения равны

z₀=r₂₃; $z_{1} = - r_{23}^{2} c_{24}$ ; $z_{2} = r_{23}^{2} c_{24}^{2} (r_{23} + r_{25})$ ;

$z_{3} = - r_{23}^{2} c_{24}^{2} [{(r_{23} + r_{25})}^{2} c_{24} - l_{26}] . (19)$

Сложим Z-параметры всех двухполюсных цепей, входящих в состав двухполюсников 3 и 22.

$Z_{Σ 0} = R_{15} + r_{23}; (20)$

$Z_{Σ 1} = L_{19} - R_{15}^{2} C_{16} - r_{23}^{2} c_{24}; (21)$

$Z_{Σ 2} = R_{15}^{2} C_{16}^{2} (R_{15} + R_{17}) - \frac{L_{19}^{2}}{R_{20}} + r_{23}^{2} c_{24}^{2} (r_{23} + r_{25}); (22)$

$\begin{array}{l} Z_{Σ 3} = \frac{L_{19}^{2}}{R_{20}^{2}} (L_{19} + L_{21}) - R_{15}^{2} C_{16}^{2} [{(R_{15} + R_{17})}^{2} C_{16} + R_{17}^{2} C_{18}] - \\ - r_{23}^{2} c_{24}^{2} [{(r_{23} + r_{25})}^{2} c_{24} - l_{26}] . \end{array} (23)$

Для уравновешивания моста согласно (12)и(13) необходимо обеспечить условия:

$\frac{Z_{Σ 0}}{R_{2}} = \frac{R_{5}}{R_{4}}, и л и \frac{R_{15} + r_{23}}{R_{2}} = \frac{R_{5}}{R_{4}} . (24)$

$Z_{Σ 1} = Z_{Σ 2} = Z_{Σ 3} = 0. (25)$

Процесс уравновешивания осуществляется в такой же последовательности, в какой приведены условия равновесия (24), (25). Для того чтобы можно было избирательно регулировать амплитуды кубичной, квадратичной и линейной составляющих напряжения в измерительной диагонали моста, выходное напряжение дифференциального усилителя подается на дифференциатор, который содержит три последовательно включенных дифференцирующих RC-звена: конденсатор 7 и резистор 8, конденсатор 9 и резистор 10, конденсатор 11 и резистор 12. Выходы каскадов дифференциатора и дифференциального усилителя подключены к входам нуль-индикатора (НИ) 13. Работа НИ и генератора 1 импульсов синхронизируется устройством управления 14 (УУ). На выходе третьего каскада дифференциатора после трехкратного дифференцирования выходного напряжения дифференциального усилителя по окончании переходного процесса формируется и поступает на первый вход нуль-индикатора 13 постоянное напряжение u_3RC, пропорциональное разности амплитуд кубичных составляющих выходных напряжений первой и второй ветвей мостовой цепи:

$u_{3 R C} (t) = \frac{6 {(R C)}^{3} U_{m} K_{u}}{t_{и}^{3}} (\frac{Z_{Σ 0}}{Z_{Σ 0} + R_{2}} - \frac{R_{5}}{R_{4}}),$

где K_u - коэффициент передачи дифференциального усилителя. Полагаем, что все RC звенья имеют одинаковые постоянные времени: R₈C₇=R₁₀C₉=R₁₂C₁₁=RC.

Компенсация кубичной составляющей осуществляется приведением к нулю выходного напряжения третьего RC звена путем регулирования сопротивления R₁₅ резистора 15 при установленных значениях сопротивлений R₂, R₄, R₅ резисторов 2, 4 и 5 соответственно или регулированием сопротивления R₅ резистора 5 при фиксированных значениях сопротивлений R₂, R₄, R₁₅ резисторов 2, 4 и 15.

Затем анализируют напряжение u_2RC, поступающее на второй вход НИ с выхода второго RC-звена дифференциатора. В результате компенсации кубичной составляющей и двукратного дифференцирования выходного напряжение дифференциального усилителя по окончании переходного процесса напряжение u_2RC будет пропорционально амплитуде квадратичной составляющей выходного напряжения первой ветви моста:

$u_{2 R C} (t) = \frac{6 {(R C)}^{2} U_{m} K_{u}}{t_{и}^{3}} \frac{R_{2} Z_{Σ 1}}{{(Z_{Σ 0} + R_{2})}^{2}}$ .

Компенсация квадратичной составляющей осуществляется приведением к нулю выходного напряжения второго RC-звена путем регулирования емкости конденсатора 16 при фиксированной индуктивности катушки 19, либо регулировкой индуктивности катушки 19 при фиксированной емкости конденсатора 16. При этом параметр Z $Σ 1$ приводится к нулю: Z $Σ 1$ =0.

Далее анализируют установившееся по окончании переходного процесса напряжение u_1RC на выходе первого дифференцирующего RC-звена, которое после компенсации кубичной и квадратичной составляющих в результате дифференцирования пропорционально амплитуде линейной составляющей выходного напряжения первой ветви моста:

$u_{1 R C} (t) = \frac{6 R C U_{m} K_{u}}{t_{и}^{3}} \frac{R_{2} Z_{Σ 2}}{{(Z_{Σ 0} + R_{2})}^{2}}$ .

Это напряжение подается на третий вход НИ. Компенсация линейной составляющей напряжения осуществляется приведением к нулю выходного напряжения первого. RC-звена путем регулирования сопротивления резистора 17 при фиксированном сопротивлении резистора 20 или регулировкой сопротивления резистора 20 при фиксированном сопротивлении резистора 17. При этом параметр Z $Σ 2$ приводится к нулю: Z $Σ 2$ =0.

И, наконец, для компенсации постоянной составляющей напряжения на выходе первой ветви моста приводят к нулю выходное напряжение дифференциального усилителя 6

$u д у (t) = \frac{6 U_{m} K_{u}}{t_{и}^{3}} \frac{R_{2} Z_{Σ 3}}{{(Z_{Σ 0} + R_{2})}^{2}} .$

которое подается на четвертый вход нуль-индикатора, регулируя емкость конденсатора 18 при фиксированной индуктивности катушки 21, либо регулировкой индуктивности катушки 21 при фиксированной емкости конденсатора 18. При этом параметр Z $Σ 3$ приводится к нулю: Z $Σ 3$ =0.

После четырех этапов уравновешивания выходных напряжений первой и второй ветвей моста вычисляют с помощью формул (20)-(23) параметры элементов измеряемой двухполюсной RLC цепи. В частности, для приведенного примера сопротивление r₂₃, емкость c₂₄, сопротивление r₂₅ и индуктивность l₂₆ соответственно равны:

$r_{23} = \frac{R_{2} R_{5}}{R_{4}} - R_{15};$

$c_{24} = \frac{L_{19} - R_{15}^{2} C_{16}}{r_{23}^{2}};$

$r_{25} = \frac{\frac{L_{19}^{2}}{R_{20}} - R_{15}^{2} C_{16}^{2} (R_{15} + R_{17})}{r_{23}^{2} c_{24}^{2}} - r_{23};$

$l_{26} = \frac{R_{15}^{2} C_{16}^{2} [{(R_{15} + R_{17})}^{2} C_{16} + R_{17}^{2} C_{18}] - \frac{L_{19}^{2}}{R_{20}^{2}} (L_{19} + L_{21})}{r_{23}^{2} c_{24}^{2}} - {(r_{23} + r_{25})}^{2} c_{24} .$

Мостовой измеритель позволяет определять параметры двухполюсников и с нулевым сопротивлением между их полюсами на постоянном токе. Например, двухэлементный двухполюсник, состоящий из параллельно включенных катушки индуктивности L и резистора R имеет комплексное сопротивление в операторной форме

$Z (p) = \frac{p R L}{R + p L}$ .

Его Z-параметры равны: Z₀=0; Z₁=L; Z₂=-L²/R. При подстановке Z₀=0 в (24) получим условие равновесия на первом этапе в виде

$\frac{R_{_{15}}}{R_{2}} = \frac{R_{5}}{R_{4}} .$

На втором и третьем этапах определяем параметры двухполюсника:

$L = L_{19} - R_{15}^{2} C_{16}$ ;

$R = \frac{L^{2}}{R_{15}^{2} C_{16}^{2} (R_{15} + R_{17}) - \frac{L_{19}^{2}}{R_{20}}} .$

Таким образом, получено расширение функциональных возможностей измерителя, унифицирован процесс измерений на этапах определения обобщенных параметров измеряемого двухполюсника, упрощены аналитические выражения для вычисления искомых электрических параметров элементов схемы: сопротивлений резисторов, емкостей конденсаторов, индуктивностей катушек.

Реферат патента 2013 года МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ RLC ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Изобретение относится к измерительной технике. Мостовой измеритель параметров многоэлементных RLC двухполюсников содержит генератор импульсов напряжения, выход которого подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой состоит из последовательно включенных одиночного резистора в первом плече отношения и многоэлементного двухполюсника с уравновешивающими элементами в первом плече сравнения, а вторая ветвь - из одиночного резистора во втором плече отношения и одиночного резистора во втором плече сравнения, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходом мостовой цепи, а выход подключен к n-каскадному дифференциатору, состоящему из n последовательно включенных дифференцирующих RC звеньев; нуль-индикатор; устройство управления, выход синхронизации которого соединен с входами синхронизации генератора импульсов и нуль-индикатора. При этом в качестве многоэлементной двухполюсной цепи с уравновешивающими элементами в плечо сравнения первой ветви введен потенциально частотно-независимый двухполюсник, который содержит две последовательно соединенные двухполюсные цепи, одна из которых состоит из параллельно включенных первого резистора и последовательно соединенных первого конденсатора и второго резистора, параллельно которому подключен второй конденсатор, другая двухполюсная цепь содержит параллельно включенные первую катушку индуктивности и последовательную цепь, состоящую из резистора и второй катушки индуктивности; свободный полюс второй двухполюсной цепи соединен с первой клеммой для подключения двухполюсной RLC цепи объекта измерения, вторая клемма для подключения двухполюсной RLC цепи заземлена. Технический результат - расширение функциональных возможностей измерителя. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 499 263 C1

Мостовой измеритель параметров многоэлементных RLC двухполюсников, содержащий генератор импульсов напряжения, изменяющегося по закону n-й степени времени, выход которого подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой состоит из последовательно включенных одиночного резистора в первом плече отношения и многоэлементного двухполюсника с уравновешивающими элементами в первом плече сравнения, а вторая ветвь - из одиночного резистора во втором плече отношения и одиночного резистора во втором плече сравнения, общий вывод плеча отношения и плеча сравнения первой ветви образует первый вывод выхода мостовой цепи, а общий вывод плеча отношения и плеча сравнения второй ветви - второй вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод плеча сравнения второй ветви моста заземлен; дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходом мостовой цепи, а выход подключен к n-каскадному дифференциатору, состоящему из n последовательно включенных дифференцирующих RC звеньев; нуль-индикатор, первый вход которого соединен с выходом n-го RC звена, второй вход - с выходом (n-1)-го RC звена, и т.д., n-й вход - с выходом 1-го RC звена, (n+1)-й вход - с выходом дифференциального усилителя; устройство управления, выход синхронизации которого соединен с входами синхронизации генератора импульсов и нуль-индикатора, отличающийся тем, что в качестве многоэлементной двухполюсной цепи с уравновешивающими элементами в плечо сравнения первой ветви введен потенциально частотно-независимый двухполюсник, который содержит две последовательно соединенные двухполюсные цепи, одна из которых состоит из параллельно включенных первого резистора и последовательно соединенных первого конденсатора и второго резистора, параллельно которому подключен второй конденсатор, другая двухполюсная цепь содержит параллельно включенные первую катушку индуктивности и последовательную цепь, состоящую из резистора и второй катушки индуктивности; свободный полюс второй двухполюсной цепи соединен с первой клеммой для подключения двухполюсной RLC цепи объекта измерения, вторая клемма для подключения двухполюсной RLC цепи заземлена.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2499263C1

МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ	1998	Иванов В.И. Передельский Г.И.	RU2144195C1
Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников	1984	Передельский Геннадий Иванович	SU1247762A1
Передельский Г.И
Мостовые цепи с импульсным питанием
- М.: Энергоатомиздат, 1988 (фиг.2.26, с.26)
Захаров И.С
и др
Мостовые электрические цепи с расширенными функциональными возможностями
- Электричество, 2009, №9, с.28
US 3895292 A1, 15.07.1975
DE 19744152 A1, 29.04.1999.

RU 2 499 263 C1

Авторы

Иванов Владимир Ильич

Даты

2013-11-20—Публикация

2012-05-03—Подача

название	год	авторы	номер документа
МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ RLC ДВУХПОЛЮСНИКОВ	2012	Иванов Владимир Ильич Емельянов Сергей Геннадьевич Титов Виталий Семенович	RU2509311C1
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНЫХ RLC ЦЕПЕЙ	2012	Иванов Владимир Ильич Титов Виталий Семенович Балашов Алексей Вячеславович	RU2499269C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ	2009	Иванов Владимир Ильич Титов Виталий Семенович Голубов Дмитрий Александрович	RU2390785C1
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ	2012	Иванов Владимир Ильич Титов Виталий Семенович Клюев Алексей Леонидович	RU2495440C2
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ	2009	Иванов Владимир Ильич Титов Виталий Семенович Голубов Дмитрий Александрович	RU2390787C1
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ	2014	Гвоздева Светлана Николаевна Иванов Владимир Ильич Титов Виталий Семенович	RU2575765C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ	2010	Иванов Владимир Ильич Емельянов Сергей Геннадьевич Титов Виталий Семенович Сохэн Михаил Юрьевич	RU2434234C1
МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ	2008	Передельский Геннадий Иванович Иванов Владимир Ильич	RU2365921C1
Измеритель параметров многоэлементных RLC- двухполюсников	2015	Иванов Владимир Ильич Титов Виталий Семенович Чернецкая Ирина Евгеньевна Брежнева Екатерина Олеговна	RU2615014C1
МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ	2013	Передельский Геннадий Иванович Диденко Юрий Владимирович	RU2527658C1