МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ N-ЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2015 года по МПК G01R17/00 

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 n-элементных пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №1150556, МКИ G01R 17/10. БИ 1986, №14 (аналог)], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определять параметры резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C) объектов измерения.

Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [Патент РФ №2103695, МКИ G01R 17/10. БИ 1998, №3 (аналог)], содержащий последовательно соединенные генератор электрических сигналов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостаток его заключается в том, что отсутствует возможность определить значение пяти, шести и так далее параметров двухполюсников объектов измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [Патент РФ №2365921, МКИ G01R 17/10. БИ 2009, №24 (прототип)], содержащий последовательно соединенные генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является то, что отсутствует возможность определять пять, шесть и так далее параметров двухполюсных объектов измерения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей, заключающемся в том, что измеритель позволит определять пять, шесть и так далее параметров многоэлементных двухполюсников объектов измерения, а также он позволит определять параметры R-C, R-L, R-L-C двухполюсников объектов измерения.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и т.д. форм (u_i=K_itⁱ, где u_i - изменение напряжения в импульсе, K_i - постоянные коэффициенты и i - принимает целочисленные значения 0, 1, 2, 3, …), а также импульсы синхронизации, первый выход генератора импульсов является сигнальным, второй - выходом синхронизации, общая шина генератора импульсов заземлена; четырехплечую мостовую цепь, состоящую из двух параллельно включенных ветвей, первая из которых включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, первая клемма подключена к сигнальному выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора является первым выводом выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, вторая ветвь мостовой цепи состоит из двух последовательно соединенных многоэлементных двухполюсников, свободный вывод первого многоэлементного двухполюсника подключен к сигнальному выходу генератора импульсов, общий вывод двух многоэлементных двухполюсников образует второй вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника заземлен, второй многоэлементный двухполюсник включает в себя последовательно соединенные первый резистор и первую катушку индуктивности, к их общему выводу подключен второй резистор, свободный вывод первой катушки индуктивности заземлен; нуль-индикатор, к первому (дифференциальному) входу которого подключены оба вывода выхода мостовой цепи, ко второму входу (входу синхронизации) - второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введена во второй многоэлементный двухполюсник второй ветви моста дополнительная (вторая) катушка индуктивности, изменено включение этого второго многоэлементного двухполюсника, выделена цепь наращивания, определено количество дополнительных цепей наращивания и их подключение, дополнительная (вторая) катушка индуктивности включена между свободным выводом второго резистора и «землей», свободный вывод первого резистора подключен ко второму выводу выхода мостовой цепи, цепь из последовательно соединенных первого резистора и первой катушки индуктивности, а также вторая такая же цепь из второго резистора и второй (дополнительной) катушки индуктивности каждая представляет собой R-L цепь наращивания, количество дополнительных этих цепей равно $$\left[\frac{n}{2}-2\right]$$ при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя R-L цепь наращивания является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n+1}{2}-2\right]$$ , также начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один резистор, который включается параллельно катушке индуктивности предпоследней цепи наращивания, каждая последующая R-L цепь наращивания подключается параллельно катушке индуктивности предыдущей цепи наращивания, оба многоэлементных двухполюсника во второй ветви мостовой цепи являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой, количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников во второй ветви мостовой цепи равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения, количество различных форм импульсов с первого (сигнального) выхода генератора импульсов тоже равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется Фиг.1.

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников включает в себя генератор импульсов 1, формирующий импульсы напряжения с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², …, K_n-1t^n-1, где K₀, K₁ K₂, …, K_n-1 - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения. Эти импульсы напряжения поступают с сигнального выхода генератора импульсов 1 на вход мостовой измерительной цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей мостовой цепи. Также генератор импульсов 1 формирует импульсы синхронизации, поступающие с выхода синхронизации генератора импульсов 1 на вход синхронизации нуль-индикатора 2. Общая шина генератора импульсов 1 заземлена.

Первая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные две клеммы 3 и 4 для подключения двухполюсников - объектов измерения и одиночный резистор 5. Общий вывод одиночного резистора 5 и клеммы 4 для подключения объектов измерения образуют первый вывод выхода мостовой цепи.

Вторую ветвь мостовой цепи образуют два последовательно соединенных многоэлементных двухполюсника. Общий вывод их образует второй вывод выхода мостовой цепи. Клемма 3 для подключения объектов измерения и свободный вывод первого многоэлементного двухполюсника образуют первый вывод входа мостовой цепи, соединенный с сигнальным выходом генератора импульсов 1. Свободные выводы второго многоэлементного двухполюсника и одиночного резистора 5 заземлены и образуют второй вывод входа мостовой цепи.

Первый многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого резистора 6 и первой катушки индуктивности 7. К их общему выводу подключен второй резистор 8, последовательно с которым соединена вторая катушка индуктивности 9. К общему выводу второго резистора 8 и второй катушки индуктивности 9 подключен третий резистор 10, последовательно с которым соединена третья катушка индуктивности 11. Свободный вывод резистора 6 соединен с сигнальным выходом генератора импульсов 1. Свободные выводы катушек индуктивности 7, 9 и 11 соединены со вторым выводом выхода мостовой цепи.

Второй многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого резистора 12 и первой катушки индуктивности 13. К их общему выводу подключен второй резистор 14, последовательно с которым соединена вторая катушка индуктивности 15. К общему выводу второго резистора 14 и второй катушки индуктивности 15 подключен третий резистор 16, последовательно с которым соединена третья катушка индуктивности 17. Свободный вывод резистора 12 соединен со вторым выводом выхода мостовой цепи. Свободные выводы катушек индуктивности 13, 15 и 17 заземлены.

К первому входу нуль-индикатора 2 (дифференциальному входу) соединены оба вывода выхода мостовой цепи. Второй вход нуль-индикатора 2 (вход синхронизации) соединен с выходом синхронизации генератора импульсов 1. Общая шина нуль-индикатора 2 заземлена.

Каждая из двухэлементных цепей двух многоэлементных двухполюсников второй ветви мостовой цепи, состоящая из первого резистора 6 (12) и первой катушки индуктивности 7 (13), из второго резистора 8 (14) и второй катушки индуктивности 9 (15), а также третьего резистора 10 (16) и третьей катушки индуктивности 11 (17), представляет собой R-L цепь наращивания. Количество дополнительных этих цепей, учитывая две цепи наращивания из прототипа, равно $$\left[\frac{n}{2}-2\right]$$ при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания. В этом случае последняя R-L цепь является полной. При нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n+2}{2}-2\right]$$ , также начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один резистор, который включается параллельно катушке индуктивности предпоследней цепи наращивания. Каждая последующая R-L цепь наращивания подключается параллельно резистору предыдущей R-L цепи наращивания. Оба многоэлементных двухполюсника во второй ветви мостовой цепи являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой. Количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников во второй ветви мостовой цепи равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.

В качестве примеров двухполюсников - объектов измерения приведены двухполюсники R-C, R-L и R-L-C. Пример резистивно-емкостного R-C двухполюсника содержит резистор 18, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 19 и резистора 20, параллельно резистору 20 включен конденсатор 21. Пример резистивно-индуктивного двухполюсника R-L содержит последовательно соединенные резистор 22 и катушку индуктивности 23, параллельно катушке индуктивности 23 включены последовательно соединенные резистор 24 и катушка индуктивности 25. И, наконец, пример R-L-C двухполюсника содержит резистор 26, последовательно с которым включена цепь из параллельно соединенных катушки индуктивности 27, резистора 28 и конденсатора 29.

Образцовые элементы мостовой цепи 5 (R₅), 6 (R₆), 7 (L₇), 8 (R₈), 9 (L₉), 10 (R₁₀), 11 (L₁₁), … имеют известные и постоянные значения параметров. Образцовые элементы мостовой цепи 12 (R₁₂), 13 (L₁₃), 14 (R₁₄), 15 (L₁₅), 16 (R₁₆), 17 (L₁₇), … имеют известные регулируемые значения параметров и используются для уравновешивания мостовой цепи. Наконец, элементы 18 (R₁₈), 19 (С₁₉), 20 (R₂₀), 21 (C₂₁), …; 22 (R₂₂), 23 (L₂₃), 24 (R₂₄), 25 (L₂₅), …; 26 (R₂₆), 27 (L₂₇), 28 (R₂₈), 29 (C₂₉), … имеют неизвестные значения параметров и относятся к двухполюсникам объекта измерения.

Перед началом воздействия очередного импульса с сигнального выхода генератора импульсов 1 реактивные элементы мостовой цепи свободны от запасов энергии, и напряжение на входе и выходе мостовой цепи равно 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 мостовой цепи, которые за время переходного процесса затухают до нуля. Полезной является часть импульса с выхода мостовой цепи от окончания переходного процесса и до окончания импульса, она имеет плоскую вершину.

Рассмотрим работу мостового измерителя при подключении к мостовой цепи двухполюсника R-C объекта измерения, содержащего элементы 18 (R₁₈), 19 (C₁₉), 20 (R₂₀) и 21 (C₂₁). Вначале на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы прямоугольной формы K₀t⁰. Регулировкой значения сопротивления резистора 12 (R₁₂) приводят плоскую вершину импульсного напряжения с выхода моста (напряжение неравновесия) к нулю, отмечая это здесь и в дальнейшем по нуль-индикатору 2, в качестве которого можно использовать, например, осциллограф. В результате выполняется первое условие равновесия

$$A_1=R_6{R}_5-R_{18}{R}_{12}=0.\left(1\right)$$

Отсчет неизвестного значения сопротивления 18 (R₁₈) исследуемого двухполюсника берется из условия равновесия (1), где значения параметров всех других элементов (R₅, R₆, R₁₂) являются известными. Здесь и в дальнейшем импульсы синхронизации с генератора импульсов 1 обеспечивают устойчивость показаний нуль-индикатора 2.

После этого на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы линейно изменяющегося напряжения (K₁t¹). Регулировкой катушки индуктивности 13 (L₁₃) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и тем самым выполняется второе условие равновесия

$$A_2=\left(R_6{C}_{19}{R}_5-L_{13}\right)R_{18}+L_7{R}_5=0.\left(2\right)$$

При этом не следует регулировать значение сопротивления резистора 12 (R₁₂), так как это приведет к нарушению первого условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет неизвестного параметра С₁₉ берется из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе значение сопротивления 8 (R₈) из выражения (1).

Затем на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы квадратичной формы (K₂t²). Регулировкой значения сопротивления резистора 8 (R₈) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и выполняется третье условие равновесия

$$\begin{array}{l}{A}_3=\left\{L_{13}\left(R_8{R}_5-R_{14}{R}_{18}\right)+R_{14}{C}_{19}{R}_5\left[R_{18}\left(R_6{R}_8\right)+R_8{R}_{20}\right]\right\}{L}_7+L{}_{13}R{}_8{C}_{19}{R}_{18}(R_6{R}_5-\\ -R_{14}{R}_{20})=0.\left(3\right)\end{array}$$

Параметры элементов 12 (R₁₂) и 13 (L₁₃) при этом регулировать нельзя, так как это приведет к нарушению выполнения первых двух условий равновесия (1) и (2). Отсчет неизвестного параметра R₂₀ берется из (3), так как остальные величины в нем известны, в том числе R₁₈ из (1) и С₁₉ из (2).

Для примера подробно приведены три этапа уравновешивания мостовой цепи. Далее на последующих этапах уравновешивания используются импульсы с генератора импульсов 1 с изменением напряжения по закону третьей (K₃t³), четвертой (K₄t⁴), пятой (K₅t⁵) и так далее степени. Число этапов уравновешивания и количество используемых форм импульсов равно числу параметров в двухполюсных объектах измерения. На каждом этапе приводится к нулю плоская вершина импульса напряжения неравновесия в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания питающего импульса. Это реализуется регулированием значения уравновешивающего элемента, который не использовался ранее на предыдущих этапах уравновешивания и не входил в предыдущие условия равновесия. Отсчет искомых параметров берется из условий равновесия.

При подключении к мостовой цепи резистивно-индуктивного (R-L) двухполюсника объекта измерения, содержащего элементы 22 (R₂₂), 23 (L₂₃), 24 (R₂₄), 25 (L₂₅), 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: R₁₂, L₁₃, R₁₄, …. Приведены условия равновесия для первых трех этапов:

$$A_1=R_6{R}_5-R_{12}{R}_{22}=0,\left(4\right)$$

$$A_2=R_{12}{R}_{23}-L_7{R}_5-L_{13}{R}_{22}=0,\left(5\right)$$

$$\begin{array}{l}{A}_3=R_{24}{L}_{13}{L}_7\left(R_8{R}_5-R_{14}{R}_{22}\right)+L_{23}\{R_{14}{R}_8\left(L_7{R}_5{L}_{13}{R}_{22}\right)-\{R_{24}[L_{13}{R}_8\left(R_{12}+R_{14}\right)+\\ L_7{R}_{12}{R}_{14}]\}\}=0.\left(6\right)\end{array}$$

Из них берется отсчет значений искомых параметров: R₂₂, L₂₃, R₂₄, ….

Если к мостовой цепи подключается R-L-C двухполюсник, содержащий элементы 26 (R₂₆), 27 (L₂₇), 28 (R₂₈), 29 (C₂₉), то используются те же формы питающих импульсов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений. Условия равновесия для первых трех этапов:

$$A_1=R_6{R}_5-R_{12}{R}_{26}=0,\left(7\right)$$

$$A_2=R_{12}{R}_{27}-L_7{R}_5-L_{13}{R}_{26}=0,\left(8\right)$$

$$\begin{array}{l}{A}_3=R_{28}{L}_{13}{L}_7\left(R_8{R}_5-R_{14}{R}_{26}\right)+L_{27}\{R_{14}{R}_8\left(L_7{R}_5{L}_{13}{R}_{26}\right)-\{R_{28}[L_{13}{R}_8\left(R_{12}+R_{14}\right)+\\ L_7{R}_{12}{R}_{14}]\}\}=0.\left(9\right)\end{array}$$

Из них берется отсчет значений искомых параметров R₂₆, L₂₇, R₂₈, ….

После выполнения всех n этапов уравновешивания мост к полному равновесию не приводится, 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 импульса, равное нулю. После окончания импульса в течение переходного процесса тоже имеется всплеск напряжения, которое затухает до нуля. Такие мостовые цепи относятся к квазиуравновешенным мостам.

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

Изобретение относится к области метрологии. Измеритель содержит генератор импульсов, мостовую цепь, нуль-индикатор. Мостовая цепь состоит из двух ветвей. Первая ветвь содержит клеммы и одиночный резистор. Вторая ветвь содержит два последовательно соединенных двухполюсника. Выходы мостовой цепи подключены к входу нуль-индикатора. Второй многоэлементный двухполюсник второй ветви моста состоит из последовательно соединенных первого резистора и первой катушки индуктивности, к их общему выводу подключен второй резистор, также введена дополнительная катушка индуктивности, которая включена между свободным выводом резистора и землей. Цепь из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности представляет собой цепь наращивания, количество дополнительных этих цепей равно $$\left[\frac{n}{2}-2\right]$$ при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя R-L цепь наращивания является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно $$\left[\frac{n+1}{2}-2\right]$$ , также начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и т.д. форм (u_i=K_itⁱ, где u_i - изменение напряжения в импульсе, K_i - постоянные коэффициенты и i - принимает целочисленные значения 0, 1,2, 3, …), а также импульсы синхронизации, первый выход генератора импульсов является сигнальным, второй - выходом синхронизации, общая шина генератора импульсов заземлена; четырехплечую мостовую цепь, состоящую из двух параллельно включенных ветвей, первая из которых включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, первая клемма подключена к сигнальному выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора является первым выводом выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, вторая ветвь мостовой цепи состоит из двух последовательно соединенных многоэлементных двухполюсников, свободный вывод первого многоэлементного двухполюсника подключен к сигнальному выходу генератора импульсов, общий вывод двух многоэлементных двухполюсников образует второй вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника заземлен, второй многоэлементный двухполюсник включает в себя последовательно соединенные первый резистор и первую катушку индуктивности, к их общему выводу подключен второй резистор, свободный вывод первой катушки индуктивности заземлен; нуль-индикатор, к первому (дифференциальному) входу которого подключены оба вывода выхода мостовой цепи, ко второму входу (входу синхронизации) - второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что введена во второй многоэлементный двухполюсник второй ветви моста дополнительная (вторая) катушка индуктивности, изменено включение этого второго многоэлементного двухполюсника, выделена цепь наращивания, определено количество дополнительных цепей наращивания и их подключение, дополнительная (вторая) катушка индуктивности включена между свободным выводом второго резистора и «землей», свободный вывод первого резистора подключен ко второму выводу выхода мостовой цепи, цепь из последовательно соединенных первого резистора и первой катушки индуктивности, а также вторая такая же цепь из второго резистора и второй (дополнительной) катушки индуктивности каждая представляет собой R-L цепь наращивания, количество дополнительных этих цепей равно при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя R-L цепь наращивания является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно , также начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один резистор, который включается параллельно катушке индуктивности предпоследней цепи наращивания, каждая последующая R-L цепь наращивания подключается параллельно катушке индуктивности предыдущей цепи наращивания, оба многоэлементных двухполюсника во второй ветви мостовой цепи являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой, количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников во второй ветви мостовой цепи равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения, количество различных форм импульсов с первого (сигнального) выхода генератора импульсов тоже равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.