МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2015 года по МПК G01R27/02 

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 n-элементных пассивных двухполюсников (А.с. СССР №1150556, G01R 17/10, БИ 1985, №14), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его являются повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно "земли". В указанном измерителе, в принципе, невозможно заземлить все регулируемые уравновешивающие элементы, поэтому названные паразитные емкости и соответствующая составляющая погрешности измерения здесь обязательно присутствуют. От нестабильности паразитных емкостей возникает также дополнительная составляющая погрешности. Кроме того, для уменьшения вредного влияния внешних электромагнитных полей и наводок уравновешивающие элементы нередко экранируют, тогда в случае незаземленности этих элементов возникает вопрос, с какой вершиной электрического моста лучше соединять экраны. Если же названные элементы заземлены, то, очевидно, что экраны следует соединять с «землей». Находит применение выполнение регулируемого уравновешивающего элемента, например, резистора, в виде матрицы резисторов, коммутируемых электронными ключами под действием электрических сигналов с электронного блока управления. Если такой регулируемый уравновешивающий элемент не заземлен, то соответственно электронные ключи тоже не заземлены, и к ним управляющие электрические сигналы передаются от заземленного блока управления. Тогда приходится использовать дополнительные развязывающие элементы (трансформаторы, оптронные пары) и соответственно дополнительные согласующие схемы. При заземленных уравновешивающих элементах необходимость в дополнительных развязывающих элементах и в дополнительных согласующих схемах отсутствует. В мостовых устройствах при прочих равных условиях предпочтение отдается мостовым цепям с наибольшим числом заземленных регулируемых элементов уравновешивания, и лучшим вариантом здесь является такой, где заземлен один из двух выводов всех элементов уравновешивания.

Известен мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников (А.с. СССР №1147986, G01R 17/10, БИ 1985, №12), 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 повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно ″земли″.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников (А.с. СССР №918862, G01R 17/10, БИ 1982, №13), содержащий последовательно включенные генератор импульсов сложной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно ″земли″.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей относительно "земли" регулируемых уравновешивающих элементов и нестабильности этих паразитных емкостей. Названные паразитные емкости отсутствуют потому, что в измерителе используются только заземленные регулируемые уравновешивающие элементы.

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 K₁t¹, K₂t², K₃t³ и K₄t⁴, где K₁, K₂, K₃ и K₄ - постоянные коэффициенты, a t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом 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; четырехплечую мостовую электрическую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, первая клемма для подключения двухполюсников объектов измерения подключена к первому выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно включенных конденсатора и индуктивной катушки, параллельно которой включен первый резистор, также имеется второй резистор, один из выводов которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные первый резистор и индуктивную катушку, параллельно которой включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, кроме того, в нее входит третий резистор, общий вывод индуктивной катушки и второго резистора заземлен; нуль-индикатор, первый вывод первого (дифференциального) входа которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введен дополнительный конденсатор и изменено включение элементов мостовой цепи, во второй ветви мостовой цепи дополнительный конденсатор включен параллельно имеющейся индуктивной катушке, параллельно этой же индуктивной катушке включен имеющийся третий резистор, свободный вывод первого резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод первого резистора и индуктивной катушки образует второй вывод выхода мостовой цепи, который соединяется со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора, в двухполюснике объекта измерения первой ветви мостовой цепи свободный вывод второго резистора соединен с общим выводом имеющейся индуктивной катушки и первого резистора.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор питающих импульсов 1, представленный блоками 2-8, который может формировать последовательности линейно изменяющихся, квадратичных, кубичных импульсов, а также импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени. Формирователь импульсов 2 обеспечивает формирование линейно изменяющихся импульсов, изменяющихся по закону K₁t¹; формирователь импульсов 3 обеспечивает формирование квадратичных импульсов, изменяющихся по закону K₂t²; формирователь импульсов 4 обеспечивает формирование кубичных импульсов, изменяющихся по закону K₃t³, формирователь импульсов 5 обеспечивает формирование импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени K₄t⁴, где K₁, K₂, K₃ и K₄ - постоянные коэффициенты, a t - текущее время.

Выходы формирователей импульсов 2-5 соединены со входами коммутатора 6. Коммутатор 6 обеспечивает выбор одного из четырех видов импульсов, формируемых с помощью формирователей импульсов 2-5, и далее сигнал с его выхода подается на вход усилителя мощности 7, с выхода которого усиленный по мощности сигнал поступает на первый выход генератора 1 питающих импульсов. С выхода блока 8 синхронизации сигнал синхронизации поступает на входы формирователей импульсов 2-5, а также на второй выход генератора 1 питающих импульсов. Генератор 1 имеет два выхода, первый выход относительно «земли» является выходом питающих сигналов. Второй выход генератора импульсов является выходом синхронизации. Общая шина генератора импульсов заземлена.

В первой ветви мостовой цепи последовательно включены две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор 13(R13) первого плеча отношения. Первая клемма соединена с первым выходом генератора импульсов. Общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи. Свободный вывод одиночного резистора заземлен. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных конденсатора 9 и индуктивной катушки 10, параллельно которой включен первый резистор 11, последовательно с этой цепью соединен второй резистор 12.

Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 14(R14) второго плеча отношения и двухполюсника с элементами уравновешивания. Двухполюсник с уравновешивающими элементами образует индуктивная катушка 15(L5), параллельно которой включены: первый резистор 16(R16), первый конденсатор 17(C17) и последовательно включенные между собой второй конденсатор 18(C18) и второй резистор 19(R19). Свободный вывод одиночного резистора 14 соединен с первым выходом генератора импульсов. Общий вывод индуктивной катушки 15, первого резистора 16, первого конденсатора 17, второго конденсатора 18 и одиночного резистора 14 образует второй вывод выхода мостовой цепи. Общий вывод индуктивной катушки 15, первого резистора 16, первого конденсатора 17 и второго резистора 19 заземлен.

Оба вывода выхода моста соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 20. Общая шина нуль-индикатора 20 заземлена, вход синхронизации нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора импульсов (выходом синхронизации).

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 сигналов последовательность линейно изменяющихся импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения, разность которых определяет напряжение в измерительной диагонали мостовой цепи (выходное напряжение моста). Оно зависит от значений сопротивлений 13(R13), 14(R14), емкости 9(C9) и индуктивности 15(L15). Первое условие равновесия моста

Однократной регулировкой значения заземленной индуктивности 15 плоская вершина импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия моста (1). Равновесие моста здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 20 (осциллографу), при этом подача сигнала синхронизации со второго выхода генератора на второй вход нуль-индикатора 20 обеспечивает устойчивость его показаний.

Далее подаем на мост последовательность квадратичных импульсов. При воздействии очередного такого импульса на выходе моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия моста

Выполнить его можно регулировкой значения заземленного резистора 16. Однократной регулировкой значения сопротивления этого резистора приводим напряжение плоской вершины импульсного сигнала неравновесия к нулю, т.е. выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие (1) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр 16 в него не входит.

После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность кубичных импульсов. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия моста

Однократной регулировкой значения заземленной емкости 17 приводим напряжение плоской вершины импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (3), при этом первые два условия равновесия (1), (2) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр 17 в них не входит.

После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия моста

Однократной регулировкой значения сопротивления резистора 19 приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем четвертое условие равновесия (4), при этом первые три условия равновесия (1)-(3) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр 19 в них не входит.

Из приведенного вытекает, что мостовая цепь (фиг.1) обладает свойством раздельного зависимого уравновешивания, и уравновешивание следует проводить в приведенной выше последовательности 15(L15), 16(R16), 17(C17), 19(R19). Из четырех уравнений [четырех условий равновесия (1)-(4)] берется отсчет искомых четырех параметров: 9(C9), 10(L10), 11(R11), 12(R12). Значения параметров элементов 13(R13), 14(R14), 18(C18) являются постоянными и известными. Все регулируемые уравновешивающие элементы - 15(L15), 16(R16), 17(С17), 19(R19), заземлены. Значения их параметров являются известными и регулируемыми.

Таким образом, данный мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет реализовать раздельное уравновешивание мостовой цепи при выполнении однократных регулировок значений уравновешивающих параметров, что упрощает и ускоряет проведение измерений. Все регулируемые элементы уравновешивания заземлены, поэтому отсутствуют их паразитные емкости относительно земли, как у незаземленных элементов.

Изобретение относится к метрологии. Измеритель содержит генератор, мост, нуль-детектор. Генератор содержит формирователи импульсов, синхронизатор, коммутатор, усилитель мощности. Первая ветвь моста содержит объект измерения и одиночный резистор, общий вывод которых образует первый выход моста. Вторая ветвь моста ветвь моста содержит одиночный резистор и многоэлементный уравновешивающий двухполюсник. В измеритель введен дополнительный конденсатор и изменено включение элементов мостовой цепи. Во второй ветви мостовой цепи дополнительный конденсатор включен параллельно имеющейся индуктивной катушке, параллельно этой же индуктивной катушке включен имеющийся третий резистор, свободный вывод первого резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод первого резистора и индуктивной катушки образует второй вывод выхода мостовой цепи, который соединяется со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора, в двухполюснике объекта измерения первой ветви мостовой цепи свободный вывод второго резистора соединен с общим выводом имеющейся индуктивной катушки и первого резистора. Технический результат - повышение точности. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₁t¹, K₂t², K₃t³ и K₄t⁴, где К₁, К₂, К₃ и К₄ - постоянные коэффициенты, а t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом 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; четырехплечую мостовую электрическую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, первая клемма для подключения двухполюсников объектов измерения подключена к первому выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно включенных конденсатора и индуктивной катушки, параллельно которой включен первый резистор, также имеется второй резистор, один из выводов которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные первый резистор и индуктивную катушку, параллельно которой включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, кроме того, в нее входит третий резистор, общий вывод индуктивной катушки и второго резистора заземлен; нуль-индикатор, первый вывод первого (дифференциального) входа которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введен дополнительный конденсатор и изменено включение элементов мостовой цепи, во второй ветви мостовой цепи дополнительный конденсатор включен параллельно имеющейся индуктивной катушке, параллельно этой же индуктивной катушке включен имеющийся третий резистор, свободный вывод первого резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод первого резистора и индуктивной катушки образует второй вывод выхода мостовой цепи, который соединяется со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора, в двухполюснике объекта измерения первой ветви мостовой цепи свободный вывод второго резистора соединен с общим выводом имеющейся индуктивной катушки и первого резистора.