МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ N-ЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2013 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, оно может быть использовано для измерения параметров объектов, которые можно представить схемами замещения в виде многоэлементных пассивных двухполюсников, а также его можно использовать для определения параметров датчиков.

Известен измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников по авторскому свидетельству СССР №1247762, МКИ G01R 17/10, 1986 г., Бюл. №28, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую цепь для определения R, L, C параметров двухполюсников и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определения параметров резистивно-индуктивных (R-L) и резистивно-емкостных (R-C) двухполюсников.

Известен мостовой измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников по авторскому свидетельству СССР №1150556, G01R 17/10, 1985 г., Бюл. №14, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую цепь для определения параметров резистивно-емкостных (R-C) двухполюсников и нуль-индикатор.

Недостатком этого измерителя является отсутствие расширенных функциональных возможностей, то есть его нельзя применять для определения параметров резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №918862, G01R 17/10, 1982, БИ №13), содержащий последовательно соединенные генератор последовательностей импульсных сигналов сложной формы, электрическую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его являются ограниченные функциональные возможности, а именно, он не позволяет измерять параметры более четырех элементов двухполюсников объектов измерения.

Технический результат достигается тем, что в измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону k₀·t⁰, k₁·t¹, k₂·t², …, k_n-1·t^n-1, где k₀, k₁, k₂, … - постоянные коэффициенты (t_i - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения или в его схеме замещения), коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход соединен с усилителем мощности, выход которого образует первый выход относительно «земли» генератора импульсов, блока синхронизации, выход которого соединен со входами синхронизации формирователей импульсов, а также его выход образует второй выход относительно «земли» генератора импульсов (выход синхронизации), общая шина генератора импульсов заземлена. Первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечего моста переменного тока, в состав первой ветви которого входят последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, первая клемма которого подключается к первому выходу генератора импульсов, а свободный вывод одиночного резистора к «земле», общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи. Параллельно первой ветви мостовой цепи включена его вторая ветвь. В ее состав входят два последовательно соединенные двухполюсника, общий выход которых образует второй вывод выхода мостовой цепи, второй двухполюсник является многоэлементным и состоит из последовательно соединенных первого резистора и первой индуктивной катушки, свободный вывод первого резистора соединен с общим выводом двух двухполюсников второй ветви моста, а свободный вывод индуктивной катушки заземлен. Второй двухполюсник состоит из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, свободный вывод конденсатора подключен к общему выводу первого резистора и индуктивной катушки; нуль-индикатор, к дифференциальному входу которого подсоединены два вывода выхода мостовой цепи: один к входу синхронизации, второй к выходу генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены: дополнительный резистор, дополнительная индуктивная катушка и цепи наращивания, а во второй ветви мостовой цепи два двухполюсника являются одинаковыми по числу элементов, их составу и включению, дополнительный (третий), резистор включен параллельно первой индуктивной катушке второго многоэлементного двухполюсника второй ветви мостовой цепи, дополнительная (вторая) индуктивная катушка включена во втором многоэлементном двухполюснике второй ветви моста между свободным выводом второго резистора и «землей», дополнительный (третий) резистор, конденсор, второй резистор и дополнительная (вторая) индуктивная катушка образуют цепь наращивания, общее количество одинаковых цепей наращивания равно частому от деления (n-2) на четыре $$\left[\frac{n-2}{4}\right]$$ , если частное от деления является целым числом. При этом последняя цепь наращивания является полной, если частное от деления содержит целую и дробную части, то количество цепей наращивания равно целой части плюс единица, и последняя цепь наращивания является неполной и состоит из дополнительного (третьего) резистора, конденсатора и второго резистора. При этом свободный вывод второго резистора заземлен, или последняя цепь наращивания состоит из дополнительного (третьего) резистора и конденсатора, а свободный вывод последнего заземлен и, наконец, последняя цепь наращивания представляет собой только один дополнительный (третий) резистор, общее число элементов во втором двухполюснике второй ветви моста равно количеству элементов в двухполюснике объекта измерения, каждая последующая цепь наращивания вторая, третья и т.д. подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания, количество формирователей в генераторе импульсов равно числу элементов в двухполюснике объекта измерения или в его схеме замещения.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов напряжения, в состав которого входят n формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону степенных функций (n - количество элементов в двухполюснике объекта измерения); формирователь 2 напряжения k₀·t⁰, формирователь 3 напряжения (k₁·t¹), формирователь 4 напряжения k₂·t² т.д, где k_i - постоянные коэффициенты, t - текущее время. Выходы формирователей соединены со входами коммутатора 5, выход которого подключен ко входу усилителя мощности 6, выход которого образует первый выход генератора импульсов 1. Выход блока синхронизации 7 соединен со входами синхронизации каждого из формирователей импульсов, а также образует второй выход, выход синхронизации генератора импульсов 1. Общая шина генератора импульсов 1 заземлена.

Первый выход генератора импульсов 1 соединен со входом четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой содержит две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночного резистора 8 (R₈), свободный вывод которого заземлен. Пример двухполюсника с разнородными реактивными элементами (R-L-C) содержит резистор 9 (R₉), параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 10 (С₁₀), резистора 11 (R₁₁) и индуктивной катушки 12 (L₁₂). Пример резистивно-индуктивного двухполюсника (R-L) содержит последовательно соединенные резистор 13 (R₁₃) и индуктивную катушку 14 (L₁₄), параллельно которой включены последовательно соединенные резистор 15 (R₁₅) и индуктивная катушка 16 ((L₁₆). И, наконец, пример резистивно-емкостного двухполюсника, состоящего из резистора 17 (R₁₇), параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 18 (C₁₈) и резистор 19 (R₁₉), параллельно которому включен конденсатор 20 (С₂₀). Общий вывод второй клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночного резистора 8 (R₈) образуют первый вывод выхода мостовой цепи.

Параллельно первой ветви мостовой цепи включена его вторая ветвь. Она состоит из двух последовательно соединенных одинаковых многоэлементных двухполюсников, общий вывод которых образует второй вывод выхода мостовой цепи. Каждый из одинаковых двухполюсников содержит начальную цепь из последовательно соединенных резистора 21 (R₂₁) и индуктивной катушки 22 (L₂₂). Параллельно индуктивной катушке 22 (L₂₂) включена цепь из резистора 23 (R₂₃), параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 24 (С₂₄), резистора 25 (R25) и индуктивной катушки 26 (L₂₆). Элементы 23, 24, 25 и 26 образуют первую цепь наращивания 27 (на рисунке выделена пунктирными линиями). Далее параллельно индуктивной катушке 26 (L₂₆) подключается вторая цепь наращивания 28 (обведена пунктирными линиями), одинаковая с первой цепью наращивания, аналогично - третья цепь наращивания и т.д. Последняя цепь наращивания может быть полной, если n-2 делится на четыре без остатка. Если с остатком, то последняя цепь наращивания является неполной и содержит только один первый резистор или первый резистор и конденсатор и, наконец, первый резистор, конденсатор и второй резистор. Общее число элементов в обсуждаемом двухполюснике равно числу элементов в двухполюснике объекта измерения n, или числу параметров в схеме замещения объекта измерения.

Одинаковый с первым многоэлементным двухполюсником второй двухполюсник второй ветви мостовой цепи содержит аналогично начальную цепь 29 (R₂₉), 30 (L₃₀), элементы 31 (R₃₁), 32 (C₃₂), 33 (R₃₃) и 34 (L₃₄), образующие первую цепь наращивания 35 (обведена пунктирной линией), далее вторую цепь наращивания 36 и т.д.

Оба вывода выхода мостовой цепи соединяются с дифференциальным входом нуль-индикатора 37. Его вход синхронизации соединен с вторым выходом генератора импульсов 1. Общая шина нуль индикатора заземлена.

Как и распространенных измерителях параметров двухполюсников образцовые элементы мостовой цепи 8, 21, 22, 23, 24, 25, 26, … имеют известные и постоянные значения параметров. Образцовые элементы 29, 30, 31, 32, 33, 34, …имеют известные регулируемые значения параметров и используются для уравновешивания мостовой цепи. И, наконец, элементы 9, 10, 11, 12…, 13, 14, 15, 16…, 17, 18, 19, 20…, имеют неизвестные искомые параметры и относятся к двухполюсникам объектов измерения.

Перед началом воздействия очередного импульса с генератора 1 реактивные элементы мостовой цепи свободны от запасов энергии, и напряжения на входе и выходе моста равны нулю. На каждом этапе уравновешивания, при воздействии очередного импульса в мостовой цепи в начале импульса и после его окончания возникают переходные процессы в виде всплесков напряжения на выходе, которые за время переходного процесса затухают до нуля. Полезным является часть импульса с выхода моста от окончания переходного процесса и до окончания импульса, она имеет плоскую вершину. Рассмотрим работу мостового измерителя при подключении к мостовой цепи двухполюсника (R-L-C) объекта измерения с разнородными реактивными элементами 9, 10, 11, 12. В начале посредством коммутатора 5 на мост с генератора 1 подаются импульсы прямоугольной формы (k₀·t⁰). Регулировкой значения сопротивления 29 (R₂₉) приводим плоскую вершину импульсного напряжения с выхода моста (напряжения неравновесия) к нулю, отмечая это здесь и дальнейшем по нуль - индикатору 37, в качестве которого можно использовать осциллограф. В результате выполняется первое условие равновесия.

$$A_1=R_8\cdot R_{21}-R_9\cdot R_{29}=0.(1)$$

Отсчет неизвестного значения сопротивления 9 (R₉) берется из условия равновесия (1), где значения параметров всех других элементов являются известными.

После этого на мостовую цепь посредством коммутатора 5 с генератора 1 подаются импульсы линейно изменяющегося напряжения (k₁·t¹). Регулировкой значения индуктивности катушки 30 (L₃₀) плоская вершина импульсного напряжения неравновесия приводится к нулю и тем самым выполняется второе условие равновесия

$$A_2=R_8\cdot L_{22}-R_9\cdot L_{30}+R_8\cdot R_9{R}_{21}\cdot C_{10}=0.(2)$$

Не следует регулировать значение сопротивления 29 (R₂₉), т.к. это приведет к нарушению условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет неизвестного параметра 10 (С₁₀) берется из выражения (2), т.к. остальные величины в нем являются известными, в том числе значение сопротивления R₉ из выражения (1).

Затем на мостовую цепь посредством коммутатора 5 с генератора 1 подаются импульсы квадратичной формы (k₂·t²). Регулировкой значения сопротивления 31 (R₃₁) плоская вершина импульсного напряжения неравновесия приводится к нулю и выполняется третье условие равновесия

$$\begin{array}{l}{A}_3=R_8\cdot R_9\cdot R_{21}\cdot R_{23}\cdot L_{30}\cdot C_{10}+R_8\cdot R_9\cdot R_{21}\cdot R_{31}\cdot L_{22}\cdot C_{10}+R_8\cdot R_{23}\cdot L_{22}\cdot L_{30}-\\ -R_9\cdot R_{11}\cdot R_{23}\cdot R_{31}\cdot L_{30}\cdot C_{10}-R_9\cdot R_{31}\cdot L_{22}\cdot L_{30}=0.(3)\end{array}$$

Параметры элементов 29 (R₂₉) и 30 (L₃₀) регулировать нельзя, т.к. нарушится выполнение первых двух условий равновесия (1, 2). Отсчет неизвестного параметра 11 (R₁₁) берется из (3), т.к. остальные величины в нем известны, в том числе 9 (R₉) из (1) и 10 (C₁₀) из (2).

Для примера подробно приведены три этапа уравновешивания мостовой цепи. Далее на последующих этапах, уравновешивания используются импульсы с генератора с изменением напряжения по закону третьей, четвертой, пятой и т.д. степени. Число этапов уравновешивания и количество используемых форм питающих импульсов равны числу параметров в двухполюсниках объектов измерения. На каждом этапе приводится к нулю плоская вершина напряжения неравновесия в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания питающего импульса. Это реализуется регулировкой значений уравновешивающего элемента, который не использовался на предыдущих этапах уравновешивания и не входил в предыдущие условия равновесия. В частности, на четвертом, пятом, шестом и т.д. этапах уравновешивания последовательно используются для регулирования уравновешивающие элементы 32 (C₃₂), 33 (R₃₃), 34 (L₃₄) и т.д. Отсчет искомых параметров берется из условий равновесия.

При подключении к мостовой цепи резистивно-индуктивного (R-L) двухполюсника объекта измерения 13, 14, 15, 16, … используются приведенные выше этапы уравновешивания в прежней последовательности. Сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений: R₂₉, L₃₀, R_31, …Приведены условия равновесия для первых трех этапов:

$$A_1=R_8\cdot R_{21}-R_{13}\cdot R_{29}=\mathrm{0,}(4)$$

$$A_2=R_8\cdot L_{22}-R_{13}\cdot L_{30}-R_{29}\cdot L_{14}=\mathrm{0,}(5)$$

$$\begin{array}{l}{A}_3=R_8\cdot R_{23}\cdot L_{22}\cdot (R_{31}\cdot L_{14}+R_{15}\cdot L_{30})-R_{13}\cdot R_{31}\cdot L_{30}(R_{23}\cdot L_{14}+R_8\cdot L_{22})-R_{15}{L}_{14}\cdot (R_{29}\cdot R_{31}\cdot L_{22}+\\ +R_{23}\cdot L_{30}\cdot (R_{29}+R_{31}))=0.(6)\end{array}$$

Из них берется отсчет значений параметров: R₁₃, L₁₄, R₁₅,…

Если к мостовой цепи подключается R-C двухполюсник, то используются те же формы питающих импульсов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений.

Условия равновесия для первых трех этапов:

$$A_1=R_8\cdot R_{21}-R_{17}\cdot R_{29}=\mathrm{0,}(7)$$

$$A_2=R_8\cdot L_{22}-R_{17}\cdot L_{30}+R_8{R}_{17}\cdot R_{21}\cdot C_{18}=\mathrm{0,}(8)$$

$$\begin{array}{l}{A}_3=R_8\cdot R_{17}\cdot R_{21}\cdot R_{23}\cdot L_{30}\cdot C_{18}+R_8\cdot R_{17}\cdot R_{21}\cdot R_{31}\cdot L_{22}\cdot C_{18}+R_8\cdot R_{23}\cdot L_{22}\cdot L_{30}-\\ -R_{17}\cdot R_{19}\cdot R_{23}\cdot R_{31}\cdot L_{30}\cdot C_{18}-R_{17}\cdot R_{31}\cdot L_{22}\cdot L_{30}=0.(9)\end{array}$$

Из них берется отсчет значений искомых параметров.

После выполнения всех n этапов уравновешивания мост не приводится к полному равновесию, но получены n условий равновесия (n уравнений), из которых, как известно, можно взять отсчет n искомых параметров двухполюсников объектов измерения. Здесь на выходе моста в начале импульса имеется всплеск напряжения, который затухает до нуля за время переходного процесса, и напряжение плоской вершины, равное нулю.

После окончания импульса в течение переходного процесса также наблюдается всплеск напряжения, которое затухает до нуля. Такие мостовые цепи относятся к квазиуравновешенным мостам.

Таким образом, в приведенном мостовом измерителе параметров n - элементных двухполюсников существенно расширены функциональные возможности, и он позволяет определять параметры R-L-C, R-L и R-C n-элементных двухполюсников объектов измерения, где число n измеряемых параметров может быть равно пяти, шести и т.д. При этом сохранено такое важное свойство мостовой цепи, как раздельное уравновешивание.

Оно дает возможность увеличивать число n определяемых параметров объектов измерения и контроля.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, оно может быть использовано для измерения параметров объектов, которые можно представить схемами замещения в виде многоэлементных пассивных двухполюсников, а также его можно использовать для определения параметров датчиков. Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей измерителя, а именно мостовой измеритель позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения, содержащих пять, шесть и более элементов. Технический результат достигается благодаря тому, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников введены дополнительный резистор, дополнительная индуктивная катушка и цепи наращивания, определяют количество таких цепей и их подключение друг к другу. Общее количество одинаковых цепей наращивания равно частному от деления n-2 на четыре (n - число параметров в двухполюснике объекта измерения), если это частное от деления является целым числом. При этом последняя цепь наращивания является полной, если частное от деления содержит целую и дробную части, то количество цепей наращивания равно целой части плюс единица, и последняя цепь наращивания является неполной. Общее количество элементов в каждом из двух одинаковых двухполюсников во второй ветви моста равно числу параметров n в двухполюснике объекта измерения, каждая последующая цепь наращивания подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону k₀t⁰, k₁t¹, k₂t², …, k_n-1t^n-1 (где k₀, k₁, k₂, … - постоянные коэффициенты, t-время, n-число элементов в двухполюснике объекта измерения или в его схеме замещения), коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход соединен с усилителем мощности, выход которого образует первый выход относительно «земли» генератора импульсов, блока синхронизации, выход которого соединен с входами синхронизации формирователей импульсов, а также его выход образует второй выход относительно «земли» генератора импульсов (выход синхронизации), общая шина генератора импульсов заземлена; первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечего электрического моста, в состав первой ветви которого входят последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, первая клемма его подключается к первому выходу генератора импульсов, а свободный вывод одиночного резистора - к «земле», общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, параллельно первой ветви мостовой цепи включена его вторая ветвь, в ее состав входят последовательно соединенные два двухполюсника, общий вывод которых образует второй вывод выхода мостовой цепи, второй двухполюсник является многоэлементным и состоит из последовательно соединенных первого резистора и первой индуктивной катушки, свободный вывод первого резистора соединен с общим выводом двух двухполюсников второй ветви моста, а свободный вывод индуктивной катушки заземлен, из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора свободный вывод конденсатора подключен к общему выводу первого резистора и индуктивной катушки; нуль-индикатор, к дифференциальному входу которого подключены два вывода выхода мостовой цепи, ко входу синхронизации - второй выход генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены дополнительный резистор, дополнительная индуктивная катушка и цепи наращивания, а во второй ветви мостовой цепи два двухполюсника являются одинаковыми по числу элементов, их составу и включению, дополнительный (третий) резистор включен параллельно первой индуктивной катушке второго многоэлементного двухполюсника второй ветви мостовой цепи, дополнительная (вторая) индуктивная катушка включена во втором многоэлементном двухполюснике второй ветви моста между свободным выводом второго резистора и «землей», дополнительный (третий) резистор, конденсатор, второй резистор и дополнительная (вторая) индуктивная катушка образуют цепь наращивания, общее количество одинаковых цепей наращивания равно частному от деления (n-2) на четыре [(n-2)/4], если частное от деления является целым числом, при этом последняя цепь наращивания является полной, если частное от деления содержит целую и дробную части, то количество цепей наращивания равно целой части плюс единица, и последняя цепь наращивания является неполной и состоит из дополнительного (третьего) резистора, конденсатора и второго резистора, при этом свободный вывод второго резистора заземлен, или последняя цепь наращивания состоит из дополнительного (третьего) резистора и конденсатора, а свободный вывод последнего заземлен и, наконец, последняя цепь наращивания представляет собой только один дополнительный (третий) резистор, общее число элементов во втором двухполюснике второй ветви моста равно количеству элементов в двухполюснике объекта измерения, каждая последующая цепь наращивания вторая, третья и т.д. подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания, количество формирователей в генераторе импульсов равно числу элементов в двухполюснике объекта измерения или в его схеме замещения.