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

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включенных в электрический мост.

Известен электрический мост [А.С. СССР №920532, G01R. Электрический мост / Г.И.Передельский - Опубл. в Бюл., 1982, №14], содержащий последовательно соединенные генератор трапецеидальных импульсов, мостовую электрическую 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 с регулируемыми уравновешивающими элементами и использовании в качестве них матрицы однотипных элементов, управляемых ключей и схемы управления необходимо использовать дополнительные развязывающие элементы - трансформаторы или оптронные пары. Изменение значения уравновешивающего параметра осуществляется здесь замыканием и размыканием ключей под действием сигналов с заземленной электронной схемы управления. Если же уравновешивающий элемент заземлен, то не требуется использовать дополнительные развязывающие элементы. Также 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. - М. - 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. - М. - Л.: Энергия, 1966. - 88 с., стр.42, рис.18].

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 соединенные 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР, №798607, G01R. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл, 1981, №3], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, четырехплечую мостовую 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 каскада синхронизации, формирователей линейно изменяющихся, квадратичных, кубичных импульсов и импульсов, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены ко входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, 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 четырехплечей мостовой цепи, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод первого из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод второго резистора заземлен, вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника, свободный вывод одиночного резистора соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод многоэлементного двухполюсника заземлен, многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого резистора и катушки индуктивности, к общему выводу которых присоединен второй резистор, свободный вывод первого резистора соединен со вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод катушки индуктивности заземлен, также многоэлементный двухполюсник включает в себя две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и последовательно соединенные конденсатор и третий резистор, которые относятся к двухполюснику объекта измерения, свободный вывод конденсатора соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения; нуль-индикатор, с дифференциальным входом которого соединены оба вывода выхода четырехплечей мостовой цепи, ко второму входу нуль-индикатора (входу синхронизации) подключен второй выход генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены четыре дополнительных резистора, дополнительная катушка индуктивности и дополнительный конденсатор, а также цепь из конденсатора и третьего резистора перенесена из первой ветви четырехплечей мостовой цепи в ее вторую ветвь и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор и дополнительная катушка индуктивности соединены между собой параллельно и включены в многоэлементном двухполюснике второй ветви между свободным выводом имеющегося второго резистора и «землей», второй дополнительный резистор включен между общим выводом имеющихся первого резистора, второго резистора и катушки индуктивности и первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, третий дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, четвертый дополнительный резистор и дополнительный конденсатор соединены между собой параллельно и включены между свободным выводом имеющегося третьего резистора и второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, эта вторая клемма соединена с «землей».

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, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени, (K₄t⁴), где К₁, К₂, К₃ и К₄ - 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 первого резистора R9 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод второго резистора R10 заземлен. Общий вывод резисторов R9 и R10 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 11 (R11), образующего третье плечо моста, и многоэлементного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи. Свободным выводом резистор R11 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Общий вывод резисторов R9 и R11 образует первую вершину генераторной диагонали моста. Общий вывод резистора R11 и многоэлементного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи, образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) моста. Свободный вывод многоэлементного двухполюсника заземлен. Этот многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого резистора 12 (R12) и катушки индуктивности 13 (L13), параллельно которой включена электрическая цепь, состоящая из второго резистора 14 (R14), последовательно с которым соединены включенные параллельно дополнительная катушка индуктивности 15 (L15) и первый дополнительный резистор 16 (R16). Свободный вывод резистора R12 соединен со второй вершиной измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Второй дополнительный резистор 17 (R17) включен между общим выводом резисторов R12 и R14 и катушки индуктивности L13 и первой из двух клемм для подключения двухполюсника объекта измерения. Вторая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения заземлена. Также в многоэлементном двухполюснике имеется третий дополнительный резистор 18 (R18), один вывод которого присоединен ко второй вершине измерительной диагонали четрехплечей мостовой цепи, а второй вывод - к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения. Двухполюсник объекта измерения, входящий в многоэлементный двухполюсник, состоит из соединенных последовательно конденсатора 19 (С19), третьего резистора 20 (R20) и четвертого дополнительного резистора 21 (R21), параллельно которому включен дополнительный конденсатор 22 (С22). К первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения подключен свободный вывод конденсатора С19, ко второй клемме - общий вывод четвертого дополнительного резистора R21 и дополнительного конденсатора С22. Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 23. Ко второму входу (входу синхронизации) нуль-индикатора 23 подключен второй выход генератора 1 питающих импульсов. Заземленная общая шина генератора 1 питающих импульсов соединена со второй вершиной генераторной диагонали моста, образованной общим выводом резисторов R10 и R16, катушек индуктивности L13 и L15 и второй клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения. Общая шина нуль-индикатора 23 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, R11, R12, R18 известны, постоянны и имеют равные значения (R9=R11=R12=R18). Также известно и постоянно значение сопротивления резистора R17. Значение сопротивления резистора R10 определяется из выражения

$$R_{10}=\frac{R_{12}+\left(R_{17}+R_{18}\right)}{R_{12}+R_{17}+R_{18}}=\frac{R_{12}+\left(R_{17}+R_{18}\right)}{R_{12}+R_{17}}$$ .

Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - катушек индуктивности L13 и L15 и резисторов R14 и R16. Искомыми являются параметры элементов двухполюсника объекта измерения - резисторов R20 и R21 и конденсаторов С19 и С22.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. В генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 3 квадратичных импульсов, формирователь 4 кубичных импульсов, формирователь 5 импульсов, напряжение которых изменяется 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 воздействуют на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи.

В первую очередь на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность линейно изменяющихся импульсных сигналов. 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 уравновешивающей катушки индуктивности L13. В результате выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, которое имеет вид

$$A_1={\left(2R_{12}+R_{17}\right)}^2{L}_{13}-R_{12}^2{R}_{17}^2{C}_{19}=0.\left(1\right)$$

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 (1) приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего элемента - резистора R14. Второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

$$A_2={\left(2R_{12}+R_{17}\right)}^2\left(R_{20}+R_{21}\right)R_{14}-R_{12}^2{R}_{17}^2=0.\left(2\right)$$

Выполнение первого условия равновесия (1) в этом случае сохраняется, поскольку это условие не содержит переменное сопротивление уравновешивающего 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 (1) и (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменного параметра уравновешивающей катушки индуктивности L15. При этом третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

$$A_3={\left(2R_{12}+R_{17}\right)}^2\left[R_{14}{R}_{20}{R}_{21}{C}_{22}+\left(R_{20}+R_{21}\right)L_{15}\right]-R_{12}^2{R}_{17}^2{R}_{21}{C}_{22}=0.\left(3\right)$$

Предыдущие условия равновесия (1) и (2) сохраняются, поскольку в этих условиях отсутствует переменная индуктивность уравновешивающей катушки индуктивности L15.

В последнюю очередь на вход моста подается последовательность импульсов, напряжение которых изменяется 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 (1)-(3) однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R16. В результате выполняется четвертое и последнее условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, имеющее вид

$$A_4={\left(2R_{12}+R_{17}\right)}^2\left(R_{14}+R_{16}\right)R_{20}-R_{12}^2{R}_{17}^2=0.\left(4\right)$$

При этом выполнение условий равновесия (1)-(3) не нарушается, поскольку в них не содержится переменное сопротивление уравновешивающего резистора R16.

Искомые значения параметров четырех элементов двухполюсника объекта измерения С19, R20, R21 и С22 определяются из четырех условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (1)-(4).

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 измерительной технике. Измеритель содержит генератор импульсов, нуль-индикатор, мостовую цепь. В мостовой измеритель параметров двухполюсников введены четыре дополнительных резистора, дополнительная катушка индуктивности и дополнительный конденсатор, а также цепь из конденсатора и третьего резистора перенесена из первой ветви четырехплечей мостовой цепи в ее вторую ветвь и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор и дополнительная катушка индуктивности соединены между собой параллельно и включены в многоэлементном двухполюснике второй ветви между свободным выводом имеющегося второго резистора и «землей», второй дополнительный резистор включен между общим выводом имеющихся первого резистора, второго резистора и катушки индуктивности и первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, третий дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, четвертый дополнительный резистор и дополнительный конденсатор соединены между собой параллельно и включены между свободным выводом имеющегося третьего резистора и второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, эта вторая клемма соединена с «землей».

Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей линейно изменяющихся, квадратичных, кубичных импульсов и импульсов, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены ко входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, 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 четырехплечей мостовой цепи, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод первого из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод второго резистора заземлен, вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника, свободный вывод одиночного резистора соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод многоэлементного двухполюсника заземлен, многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого резистора и катушки индуктивности, к общему выводу которых присоединен второй резистор, свободный вывод первого резистора соединен со вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод катушки индуктивности заземлен, также многоэлементный двухполюсник включает в себя две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и последовательно соединенные конденсатор и третий резистор, которые относятся к двухполюснику объекта измерения, свободный вывод конденсатора соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения; нуль-индикатор, с дифференциальным входом которого соединены оба вывода выхода четырехплечей мостовой цепи, ко второму входу нуль-индикатора (входу синхронизации) подключен второй выход генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены четыре дополнительных резистора, дополнительная катушка индуктивности и дополнительный конденсатор, а также цепь из конденсатора и третьего резистора перенесена из первой ветви четырехплечей мостовой цепи в ее вторую ветвь и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор и дополнительная катушка индуктивности соединены между собой параллельно и включены в многоэлементном двухполюснике второй ветви между свободным выводом имеющегося второго резистора и «землей», второй дополнительный резистор включен между общим выводом имеющихся первого резистора, второго резистора и катушки индуктивности и первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, третий дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, четвертый дополнительный резистор и дополнительный конденсатор соединены между собой параллельно и включены между свободным выводом имеющегося третьего резистора и второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, эта вторая клемма соединена с «землей».