ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2014 года по МПК G01R17/10 

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 (АС СССР №1157467 G01R 17/10, БИ 1985, №19), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является понижение точности при дистанционных измерениях за счет сравнительно большой составляющей погрешности от паразитной емкости соединительной линии для информативного сигнала. В случае дистанционных измерений имеется соединительная линия (например, коаксиальный кабель) между мостом и объектом контроля, измерения или исследования. Объектами измерения также могут быть параметры параметрических датчиков. Эквивалентные параметры соединительной линии (в данном случае паразитные параметры) вносят соответствующие составляющие в погрешность измерения. Основная (наибольшая) из них - это составляющая погрешности от электрической емкости соединительной линии (от паразитной емкости). При измерениях на переменном токе в текущее время приведенное положение настолько обострилось, что стало представлять собой проблему дистанционных измерений, что обосновано в статье - Соловьев А.Л. Развитие компенсационно-мостовых методов построения измерительных преобразователей для емкостных и индуктивных датчиков, Приборы и системы управления, 1995, №6, стр.20, второй столбец, вторая половина предпоследнего абзаца. Это, в частности, объясняется тем, что распространение получили малогабаритные и миниатюрные датчики, которые соответственно имеют малые значения информативных параметров. Такие значения становятся косвенно сопоставимыми со значениями емкостей соединительных линий для информативных сигналов. В частности, емкостный датчик может иметь значения в районе единиц и десятка пФ, что приведено в вышеназванной статье на стр.23, последний абзац. Значение паразитной емкости соединительной линии является известной со сравнительно большой ошибкой, это значение емкости существенно изменяется с изменением влажности, с течением времени от старения и особенно сильно с изменением температуры. Эти два положения создают дополнительную составляющую погрешности измерения от ошибки значения паразитной емкости линии связи и от нестабильности ее значения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников (АС СССР №798607 G01R 17/10, БИ 1981, №3) содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, мостовую электрическую цепь и индикатор равновесия (прототип).

Недостатком его является понижение точности при дистанционных измерениях за счет сравнительно большой составляющей погрешности от ошибки значения паразитной емкости соединительной линии для информативного сигнала и ее нестабильности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности при дистанционных измерениях за счет уменьшения составляющей погрешности от ошибки значения емкости (паразитной) соединительной линии для информативного сигнала и от нестабильности этой емкости.

Это достигается тем, что в измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², где K₀, K₁, K₂ - постоянные коэффициенты и t - время, из коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно «земли» генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединен со входами синхронизации формирователей импульсов, а также образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора импульсов «заземлена»; измерительную цепь, которая включает в себя первую ветвь из первого и второго резисторов, параллельно первому из них включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и третьего резистора, двухполюсник из первого резистора, конденсатора и третьего резистора является примером двухполюсника объекта измерения, вторую ветвь из последовательно соединенных первого резистора, второго резистора и индуктивной катушки, параллельно которой включен третий резистор, свободный общий вывод катушки индуктивности и третьего резистора соединен с общей заземленной шиной, свободный вывод первого резистора соединен с первым выходом генератора импульсов; нуль-индикатор, вход синхронизации которого соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введена совокупность элементов из первой линии связи для информативного сигнала, второй линии связи для питающего сигнала с генератора импульсов, операционного усилителя, дополнительного резистора, неинвертирующего повторителя напряжения и аналогового сумматора, а также изменено включение элементов, первый вывод сигнального провода первой линии связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод этого сигнального провода соединен с общим выводом первого и третьего резисторов первой ветви измерительной цепи, первый вывод сигнального провода второй линии связи соединен с первым выходом генератора импульсов, второй вывод этого сигнального провода соединен с общим выводом первого резистора и конденсатора первой ветви измерительной цепи, несигнальные проводники обеих линий связи заземлены, второй резистор первой ветви измерительной цепи включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землей», вход неинвертирующего повторителя напряжения соединен с общим выводом первого и второго резисторов второй ветви измерительной цепи, два входа аналогового сумматора подключены к выходу операционного усилителя и к выходу неинвертирующего повторителя напряжения, общие шины этого повторителя и аналогового сумматора соединены с «землей», выход аналогового сумматора подключен ко входу нуль-индикатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 импульсов, включающий в себя формирователь 2 импульсов напряжения прямоугольной формы K₀t⁰, где здесь и в дальнейшем K_i - постоянные коэффициенты, t - время, формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения K₁t¹ и формирователь 4 импульсов квадратичной формы K₂t². Выходы каждого формирователя соединены со входами коммутатора 5, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности. Выход его образует первый выход генератора импульсов относительно «земли». Выход блока 7 синхронизации соединен со входами (входами синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также образует второй выход генератора импульсов (выход синхронизации). Общая шина генератора 1 заземлена.

Измерительная цепь включает в себя две ветви. Первая из них содержит два резистора 8 (R8) и 9 (R9), параллельно первому из них 8 включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 10 (C10) и резистора 11 (R11). Двухполюсник из резистора 8, конденсатора 10 и резистора 11 является примером двухполюсника объекта контроля, измерения или исследования. Общий вывод резисторов 8 и 11 подключен к сигнальному проводу соединительной линии 12 для информативного сигнала. Другой вывод этого сигнального провода соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 13. В качестве соединительной линии может служить коаксиальный кабель, несигнальный провод его соединен с «землей». Резистор 9 (R9) включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 13, а резистор 14 (R14) между его неинвертирующим входом и «землей». Вторая ветвь измерительной цепи содержит последовательно соединенные резистор 15 (R15), резистор 16 (R16) и индуктивную катушку 17 (L17), параллельно которой включен резистор 18 (R18). Общий вывод резистора 8 и конденсатора 10 соединен с сигнальным проводом соединительной линии 19 для сигнала с генератора 1 импульсов, второй вывод сигнального провода соединен со свободным выводом резистора 15 и их общий вывод соединен с первым выходом генератора 1 импульсов. Общий вывод резисторов 15 и 16 подключен ко входу неинвертирующего повторителя напряжения 20, общая шина этого повторителя заземлена. Выходы повторителя 20 и операционного усилителя 13 подключены ко входам аналогового сумматора 21, общая шина которого заземлена. Выход последнего соединен со входом нуль-индикатора, в качестве которого может служить осциллограф. Резистор R15 имеет постоянное известное значение сопротивления. Резистор R₉ тоже имеет постоянное значение сопротивления, равное

$$R_9=\mathrm{0,5}{R}_{15}.\left(1\right)$$

Резистор 16, индуктивная катушка 17 и резистор 18 имеют известные регулируемые значения параметров. Они являются элементами уравновешивания. Вход измерительной цепи относительно «земли» образует общий вывод резистора 15 и сигнального провода линии связи 19 для питающих импульсов. Выходное напряжение измерительной цепи образуется двумя напряжениями противоположной полярности. Это выходное напряжение операционного усилителя 13 и выходное напряжение неинвертирующего повторителя напряжения 20. Сумма значений этих напряжений может равняться нулю. В исходном состоянии до прихода питающего импульса с генератора 1 реактивные элементы измерительной цепи 10 и 17 свободны от запасов энергии, входное напряжение измерительной цепи при этом и ее выходные напряжения равны нулю.

Измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. Вначале посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора импульсов 1 подается на измерительную цепь последовательность импульсов прямоугольной формы (K₀t⁰). При воздействии очередного импульса в установившемся режиме в импульсе выходного напряжения сумматора 21 имеется плоская вершина в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 16 приводится значение напряжения этой плоской вершины к нулю, и тем самым выполняется первое условие равновесия.

$$A_1=R_{16}[R_8(K+1)+\mathrm{0,5}{R}_{15}]-\mathrm{0,5}K{R}_{15}[R_{15}+R_{16})=\mathrm{0,}\left(2\right)$$

где K - коэффициент усиления операционного усилителя 13. Здесь и в дальнейшем отмечаем равновесие измерительной цепи по нуль-индикатору 22 (например, осциллограф). Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 на второй вход нуль-индикатора 22 обеспечивает устойчивость показаний последнего.

Далее посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора 1 подается на измерительную цепь последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения (K₁t¹). При воздействии очередного такого импульса на выходе сумматора после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной. Однократной регулировкой значения индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности 17 приводится значение напряжения этой плоской вершины к нулю, т.е., выполняется второе условие равновесия

$$\begin{array}{l}{A}_2=L_{17}[R_8(K+1)+\mathrm{0,5}{R}_{15}]+\mathrm{0,5}{R}_{15}\{R_8{R}_{16}(C_{10}+C_{п})-K[L_{17}+\\ +C_{10}{R}_8(R_{15}+R_{16})]\}=\mathrm{0,}\left(3\right)\end{array}$$

где С_п - емкость линии связи 12 (паразитная емкость).

При этом первое условие (2) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр L₁₇ в него не входит.

После этого посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора 1 подается на измерительную цепь последовательность импульсов квадратичной формы K₂t². При поступлении очередного импульса на выходе сумматора 21 после окончания переходного процесса имеется напряжение с плоской вершиной. Это напряжение однократной регулировкой сопротивления уравновешивающего резистора 18 приводится к нулю, тем самым выполняется третье условие равновесия.

$$\begin{array}{l}{A}_3=\mathrm{0,5}{R}_8{R}_{15}{R}_{16}\left(C_{10}+C_{п}\right)+R_{18}[C_{10}{R}_8{R}_{11}\left(K+1\right)+\mathrm{0,5}{R}_{15}(C_{10}{R}_8+\\ +C_{10}{R}_{11}+C_{п}{R}_8)]-\mathrm{0,5}K{C}_{10}{R}_{15}[R_8(R_{15}+R_{16}+R_{18})+R_{11}{R}_{18}]=0.\left(4\right)\end{array}$$

Первые два условия равновесия (2) и (3) от этого не нарушаются, так как регулируемый параметр R₁₈ в них не входит.

Отсчет искомых параметров R₈, C₁₀ и R₁₁ берется из трех условий равновесия. (2)-(4). По сути, из трех уравнений берется отсчет трех неизвестных параметров.

В приведенном (фиг.1) частном случае линия связи 19 для питающих импульсов и линия связи 12 для информативного сигнала выбраны в виде коаксиальных кабелей. Реализация их может быть и другой. В частности, в виде двух изолированных проводов. Один - сигнальный провод для питающих импульсов с первого выхода генератора 1. Другой - сигнальный провод для информативного сигнала.

Емкость линии связи С_п для информативного сигнала включается между инвертирующим входом операционного усилителя 13 и «землей». В рассмотренном варианте она не вносит погрешность в определение первого параметра R8, т.к. первая производная от неизменяющейся величины равна нулю. При определении двух других параметров емкость линии связи С_п вносит весьма малую составляющую погрешности. Это объясняется тем, что при большом и очень большом коэффициенте усиления операционного усилителя 13 амплитуда напряжения на его инвертирующем входе и на емкости С_п весьма мала и, соответственно, весьма малой является скорость изменения напряжения $$(\frac{d{u}_c}{dt})$$ . Электрический ток и напряжение на емкости связаны между собой известной дифференциальной зависимостью

$$i_c=C\frac{d{u}_c}{dt}\left(5\right)$$

В рассмотренной схеме (фиг.1) скорость изменения напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя 13 является очень малой, емкость линии связи тоже стремятся выбирать малой, поэтому в правой части выражения (5) имеется произведение двух малых величин. Отсюда на емкость С_п ответвляется исчезающе малый электрический ток, что предопределяет очень малую составляющую погрешности от емкости линии связи для информативного сигнала и соответственно, малую составляющую погрешности от ошибки в значении паразитной емкости С_п и от ее нестабильности.

Условие равновесия (3) учитывает значение паразитной емкости С_п, тогда составляющая относительной погрешности от ошибки в значении емкости С_п и от ее нестабильности при определении значения емкости С₁₀ находится из выражения:

$${\delta }_c\left(\Delta C_{п}\right)=\left|\frac{\mathrm{0,5}\Delta C_{п}{R}_8{R}_{15}{R}_{16}}{L_{17}\left[R_8\left(K+1\right)-\mathrm{0,5}{R}_{15}\left(K-1\right)\right]+\mathrm{0,5}{C}_{п}{R}_8{R}_{15}{R}_{16}}\right|,\left(6\right)$$

где ΔС_П - изменение паразитной емкости от ошибки ее известного значения и от ее нестабильности. Составляющая относительной погрешности от ошибки в значении емкости С_п и от ее нестабильности при определении значения сопротивления R₁₁ определяется выражением

$${\delta }_R\left(\Delta C_n\right)=\left|\frac{\mathrm{0,5}\Delta C_n{R}_8{R}_{15}(R_{16}+R_{18})}{\mathrm{0,5}{R}_8{R}_{15}\left[(R_{16}+R_{18})(C_{10}+C_n)-K{C}_{10}\left(R_{15}+R_{16}+R_{18}\right)\right]}\right|,\left(7\right)$$

Видно, что обе относительные погрешности получаются весьма малыми при больших и очень больших коэффициентах усиления К операционного усилителя 13. Поэтому следует выбирать соответствующий операционный усилитель, например, 140УД25А с коэффициентом усиления К=10⁶.

Таким образом, измеритель параметров двухполюсников реализует повышение точности при дистанционных измерениях за счет уменьшения составляющей погрешности от ошибки значения емкости линии связи для информативного сигнала и от нестабильности этой емкости. Он имеет раздельное уравновешивание и сохранил другие достоинства устройств с импульсным питанием измерительной цепи.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор импульсов, измерительную цепь, аналоговый сумматор и нуль-индикатор. В мостовой измеритель введены первая линия связи для информативного сигнала, вторая линия связи для питающих импульсов, дополнительный резистор, операционный усилитель, неинвертирующий повторитель напряжения и аналоговый сумматор. При этом первый вывод сигнального провода первой линии связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод сигнального провода соединен с общим выводом первого и третьего резисторов первой ветви измерительной цепи, первый вывод сигнального провода второй линии связи соединен с первым выходом генератора импульсов, второй вывод этого сигнального провода соединен с общим выводом первого резистора и конденсатора первой ветви измерительной цепи, второй резистор первой ветви измерительной цепи включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землей», вход неинвертирующего повторителя напряжения соединен с общим выводом первого и второго резисторов второй ветви измерительной цепи, два входа аналогового сумматора подключены к выходу операционного усилителя и к выходу неинвертирующего повторителя напряжения, выход аналогового сумматора подключен ко входу нуль-индикатора. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², где K₀, K₁, K₂ - постоянные коэффициенты и t - время, из коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно «земли» генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединен со входами синхронизации формирователей импульсов, а также образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора импульсов «заземлена»; измерительную цепь, которая включает в себя первую ветвь из первого и второго резисторов, параллельно первому из них включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и третьего резистора, двухполюсник из первого резистора, конденсатора и третьего резистора является примером двухполюсника объекта измерения, вторую ветвь из последовательно соединенных первого резистора, второго резистора и индуктивной катушки, параллельно которой включен третий резистор, свободный общий вывод катушки индуктивности и третьего резистора соединен с общей заземленной шиной, свободный вывод первого резистора соединен с первым выходом генератора импульсов; нуль-индикатор, вход синхронизации которого соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введена совокупность элементов из первой линии связи для информативного сигнала, второй линии связи для питающего сигнала с генератора импульсов, операционного усилителя, дополнительного резистора, неинвертирующего повторителя напряжения и аналогового сумматора, а также изменено включение элементов, первый вывод сигнального провода первой линии связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод этого сигнального провода соединен с общим выводом первого и третьего резисторов первой ветви измерительной цепи, первый вывод сигнального провода второй линии связи соединен с первым выходом генератора импульсов, второй вывод этого сигнального провода соединен с общим выводом первого резистора и конденсатора первой ветви измерительной цепи, несигнальные проводники обеих линий связи заземлены, второй резистор первой ветви измерительной цепи включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землей», вход неинвертирующего повторителя напряжения соединен с общим выводом первого и второго резисторов второй ветви измерительной цепи, два входа аналогового сумматора подключены к выходу операционного усилителя и к выходу неинвертирующего повторителя напряжения, общие шины этого повторителя и аналогового сумматора соединены с «землей», выход аналогового сумматора подключен ко входу нуль-индикатора.