МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2014 года по МПК G01R17/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [Передельский Г.И. А.С. 1247762 G01R 17/10, 1986, №28], 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 отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь заземленными образцовыми регулируемыми элементами. Незаземленные регулируемые элементы образуют паразитную емкость относительно «земли». Образцовые регулируемые уравновешивающие элементы имеют существенно большие габаритные размеры, чем размеры элементов с постоянным значением параметра, поэтому и паразитные емкости этих элементов относительно «земли» также значительно больше. Паразитные емкости предопределяют соответствующую составляющую погрешности измерения. От нестабильности паразитных емкостей возникает также дополнительная составляющая погрешности измерения, так как они существенно изменяются с течением времени (например, от старения) и особенно сильно - с изменением температуры. На незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы в более сильной степени оказывают вредное влияние электрические помехи и наводки. Для ослабления такого вредного влияния уравновешивающие элементы нередко экранируют, тогда в случае незаземленности этих элементов возникает вопрос, с какой вершиной электрического моста лучше соединять экраны. При этом каждый из имеющихся вариантов соединения экранов не является безупречным. Если же названные элементы заземлены, то очевидно, что экраны следует соединять с «землей». В случае регулирования незаземленных уравновешивающих элементов посредством использования, например, матрицы резисторов, электронных ключей и управляющих электрических сигналов с электронного блока управления, возникают дополнительные трудности и необходимость использования развязывающих элементов (трансформаторов, оптронных пар). При заземленных уравновешивающих элементах такие трудности отсутствуют. В мостовых устройствах при прочих равных условиях предпочтение отдается мостовым цепям с наибольшим числом заземленных регулируемых элементов уравновешивания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа электрический мост [Передельский Г.И. А.С. 998967 G01R 17/10, 1983, №7], содержащий последовательно соединенные генератор трапецеидальных импульсов, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является то, что мостовая цепь уравновешивается незаземленными образцовыми регулируемыми резисторами.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в том, чтобы увеличить число заземленных образцовых регулируемых резисторов и довести его до половины от общего числа регулируемых образцовых элементов.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону k₀t⁰, k₁t¹, k₂t² и k₃t³, где k₀, k₁, k₂ и k₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с одним из входов коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора импульсов относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также выход его образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов относительно «земли», общая шина генератора импульсов заземлена; первый выход генератора импульсов подключен ко входу мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первую ветвь моста образуют последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, одна из клемм соединена с первым выходом генератора импульсов, общий вывод другой клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из первого резистора, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор и второй резистор, параллельно последнему подключен второй конденсатор, вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно включенных первого и второго резисторов, свободный вывод первого резистора соединен с первым выходом генератора импульсов, свободный вывод второго резистора заземлен, параллельно первому резистору подключена электрическая цепь из последовательно соединенных первого конденсатора, третьего и четвертого резисторов, к общему выводу третьего и четвертого резисторов подключена цепь из последовательно соединенных пятого резистора и второго конденсатора, нуль-индикатор, первый вывод дифференциального входа которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, вход синхронизации нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительный конденсатор и два дополнительных резистора и изменено включение элементов, все дополнительные элементы: конденсатор, первый и второй резисторы включены между собой последовательно, свободный вывод дополнительного конденсатора соединен с первым выходом генератора импульсов, свободный вывод второго дополнительного резистора заземлен, к общему выводу двух дополнительных резисторов подключен свободный вывод второго конденсатора второй ветви мостовой цепи, общий вывод третьего, четвертого и пятого резисторов второй ветви моста образует второй вывод выхода мостовой цепи, этот второй вывод соединен со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит питающий генератор, электрическую мостовую измерительную цепь и нуль-индикатор. Питающий генератор 1 состоит из формирователей 2, 3, 4 и 5 последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов и имеет два выхода, образованных тремя выводами, один из которых заземлен. Генератор содержит также коммутатор 6, входы которого соединены с выходами формирователей, а выход соединен с усилителем мощности 7, выход последнего является первым выходом генератора импульсов относительно «земли», и блок синхронизации 8, выход которого соединен со входами синхронизации формирователей, а также этот выход является вторым выходом генератора импульсов относительно «земли» (выходом синхронизации).

Первая из двух ветвей электрического моста имеет две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и последовательный с ними одиночный резистор 9 (R₉), одна из клемм соединена с первым выходом генератора импульсов, общий вывод другой клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен.

Двухполюсник объекта измерения состоит из резистора 10 (R₁₀), параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 11 (С₁₁) и резистор 12 (R₁₂), параллельно последнему подключен конденсатор 13 (C₁₃).

Вторую ветвь мостовой цепи образуют последовательно соединенные резисторы 14 (R₁₄) и 15 (R₁₅). Свободный вывод резистора 14 подключен к первому выходу генератора импульсов, свободный вывод резистора 15 заземлен. Параллельно резистору 14 подключена электрическая цепь из последовательно соединенных конденсатора 16 (C₁₆), резисторов 17 (R₁₇) и 18(R₁₈). К общему выводу резисторов подключена цепь последовательно соединенных резистора 19 (R₁₉) и конденсатора 20 (С₂₀).

Первый вывод дифференциального входа нуль-индикатора 24 соединен с первым выводом выхода мостовой цепи. Вход синхронизации нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена.

К первому выходу генератора импульсов также подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора 21 (C₂₁), резисторов 22 (R₂₂) и 23 (R₂₃). Свободный вывод конденсатора 21 соединен с первым выходом генератора. Свободный вывод резистора 23 заземлен. К общему выводу резисторов подключен свободный вывод конденсатора 20.

Общий вывод резисторов 17, 18 и 19 образует второй вывод выхода мостовой цепи, этот второй вывод соединен со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Подадим на мост с генератора 1 последовательность импульсов прямоугольной формы. При действии очередного импульса в установившемся режиме в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения. Плоская вершина импульса напряжения неравновесия здесь зависит только от сопротивлений резисторов 9, 10, 14 и 15. Первое условие равновесия мостовой цепи -

$$A_1=R_{10}{R}_{15}-R_9{R}_{14}=0.(1)$$

Однократной регулировкой значения сопротивления образцового резистора 15 плоская вершина импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия мостовой цепи (1). Равновесие мостовой цепи здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 24, при этом сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 на второй вход нуль-индикатора обеспечивает устойчивость его показаний.

Далее на вход мостовой цепи подаем с генератора 1 последовательность импульсов, изменяющихся по линейному закону. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия моста -

$$A_2=\left(R_{10}{C}_{16}-R_9{C}_{20}\right)V_1-R_9{R}_{10}{R}_{14}{C}_{11}=\mathrm{0,}(2)$$

где V₁=R₁₄R₁₅+R₁₄R₁₈+R₁₅R₁₈ (3)

Выполняется оно регулировкой значения сопротивления образцового резистора 18. Однократной регулировкой сопротивления приводим плоскую вершину импульсного сигнала неравновесия к нулю, т.е. выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие (1) не нарушается, так как регулируемый здесь параметр R₁₈ в него не входит.

Затем на вход мостовой цепи подаем с генератора 1 последовательность квадратичных импульсов. При воздействии очередного такого импульса по окончании переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия мостовой цепи -

$$\begin{array}{l}{A}_3=V_1[R_{10}{R}_{23}{V}_2+R_{12}{C}_{11}(R_{10}{C}_{16}-R_9{C}_{20})+R_9{C}_{20}(R_{19}{C}_{20}-\\ -R_{17}{C}_{16}-R_{10}{C}_{11})]-R_9{R}_{10}{R}_{14}{C}_{11}[R_{17}{C}_{16}+R_{23}(C_{20}+C_{21})]=\mathrm{0,}(4)\end{array}$$

где $$V_2=C_{16}{C}_{20}+C_{16}{C}_{21}+C_{20}{C}_{21}.(5)$$

Однократной регулировкой сопротивления образцового резистора 23 приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (4), при этом первые два условия равновесия (1) и (2) не нарушаются, так как регулируемый здесь параметр R₂₃ в них не входит.

Далее на вход мостовой цепи подаем с генератора 1 последовательность кубических импульсов. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия мостовой цепи -

Однократной регулировкой сопротивления образцового резистора 22 приводим плоскую вершину импульса напряжения неравновесия к нулю и выполняем четвертое условие равновесия (6), при этом первые три условия равновесия (1), (2) и (4) не нарушаются, так как регулируемый здесь параметр R₂₂ в них не входит.

Изложенное показывает, что раздельное уравновешивание мостовой цепи следует проводить в приведенной последовательности 15, 18, 23, 22. По уравнениям условия равновесия (1), (2), (4) и (6) выполняется отсчет искомых четырех параметров R₁₀, С₁₁, R₁₂, С₁₃. Значения параметров элементов 9, 14, 16, 17, 19, 20, 21 мостовой цепи являются постоянными и известными. Параметры R₁₅, R₁₈, R₂₂ и R₂₃ являются регулируемыми и также известными.

Таким образом, задача увеличения в мостовой цепи числа заземленных образцовых уравновешивающих резисторов, доведения его до половины от общего числа регулируемых образцовых резисторов в настоящем изобретении решена. При этом не нарушается свойство раздельного уравновешивания измерительного моста.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение их длительности пропорционально tⁿ, где n при раздельном уравновешивании принимает значения 0, 1, 2 и 3, мостовую цепь и нуль-индикатор. Мостовая цепь содержит двухполюсник с уравновешивающими резисторами, образующий вторую ветвь мостовой цепи, а также дополнительный конденсатор и два дополнительных резистора. При этом все дополнительные элементы - конденсатор и дополнительные первый и второй резисторы включены между собой последовательно, свободный вывод конденсатора соединен с выходом генератора импульсов, свободный вывод второго резистора заземлен, к общему выводу дополнительных резисторов подключен второй конденсатор второй ветви моста. Общий вывод третьего, четвертого и пятого резисторов второй ветви моста образует второй вывод выхода мостовой цепи, этот вывод соединен с дифференциальным входом нуль-индикатора. Второй, четвертый и оба дополнительных резистора двухполюсника с уравновешивающими элементами являются регулируемыми, а функциональные элементы двухполюсника объекта измерения выступают в качестве искомых параметров - первого и второго сопротивлений резисторов и первой и второй емкостей конденсаторов. Технический результат - повышение точности измерения. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону k₀t⁰, k₁t¹, k₂t² и k₃t³, где k₀, k₁, k₂ и k₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с одним из входов коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора импульсов относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со входом каждого формирователя импульсов (входом синхронизации), а также выход его образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов относительно «земли», общая шина генератора импульсов заземлена, первый выход генератора импульсов подключен ко входу мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первая ветвь моста образована двумя клеммами для подключения двухполюсника объекта измерения, который, в частности, состоит из первого резистора, параллельно ему включены последовательно соединенные первый конденсатор и второй резистор, параллельно последнему подключен второй конденсатор, последовательно с двумя клеммами соединен одиночный резистор, первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения соединена с первым выходом генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует один из двух выводов выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов, свободный вывод первого резистора соединен с первым выходом генератора импульсов, свободный вывод второго резистора заземлен, параллельно первому резистору подключена электрическая цепь из последовательно соединенных первого конденсатора, третьего и четвертого резисторов, к общему выводу третьего и четвертого резисторов подключена цепь из последовательно соединенных пятого резистора и второго конденсатора, нуль-индикатор, первый вывод дифференциального входа которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, вход синхронизации нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены дополнительный конденсатор и два дополнительных резистора и изменено включение элементов, все дополнительные элементы: конденсатор, первый и второй дополнительные резисторы включены между собой последовательно, свободный вывод дополнительного конденсатора соединен с первым выходом генератора импульсов, свободный вывод второго дополнительного резистора заземлен, к общему выводу двух дополнительных резисторов подключен свободный вывод второго конденсатора второй ветви мостовой цепи, общий вывод третьего, четвертого и пятого резисторов второй ветви моста образует второй вывод выхода мостовой цепи, этот второй вывод соединен со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора.