МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2016 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 мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [а.с. СССР №1157467 G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников/Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл., 1985, №19], содержащий последовательно соединенные питающий генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, 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 трехэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №945805 G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников/Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл., 1982, №27], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, четырехплечую мостовую электрическую 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 №798606 G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников/Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл., 1981, №3], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, четырехплечую мостовую электрическую 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 формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t, K₂t², K₃t³, где К₀, К₁, К₂, К₃ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и каскада синхронизации, 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 (сигнальный) 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 последовательно соединенных многоэлементного двухполюсника и одиночного резистора, общий вывод которых образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, многоэлементный двухполюсник включает в себя резистор, к одному из выводов которого подключен конденсатор, а к другому выводу - катушка индуктивности, также в многоэлементном двухполюснике имеется двухполюсник объекта измерения, который, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора и цепи из параллельно включенных катушки индуктивности, конденсатора и второго резистора, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи включает в себя два последовательно соединенных резистора, свободный вывод первого из них соединен с общим выводом резистора и конденсатора многоэлементного двухполюсника, общий вывод этих двух резисторов образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод второго резистора соединен со свободным выводом одиночного резистора первой ветви моста; нуль-индикатор, два вывода дифференциального (первого) входа которого соединены с двумя выводами выхода четырехплечей мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена; введены четыре дополнительных резистора, две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения перенесены из второй ветви четырехплечей мостовой цепи в первую ветвь и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор включен в многоэлементном двухполюснике моста между свободным выводом конденсатора и свободным выводом катушки индуктивности, последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы подключены между общим выводом резистора и катушки индуктивности в многоэлементном двухполюснике четырехплечей мостовой цепи и общим выводом одиночного резистора первой ветви и первым выводом выхода моста, четвертый дополнительный резистор включен параллельно цепи из последовательно соединенных второго и третьего дополнительных резисторов, первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения соединена с общим выводом резистора и конденсатора многоэлементного двухполюсника первой ветви и первого резистора второй ветви четырехплечей мостовой цепи, вторая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения соединена с общим выводом второго и третьего дополнительных резисторов многоэлементного двухполюсника первой ветви моста, свободный вывод первого резистора двухполюсника объекта измерения соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, а свободный общий вывод катушки индуктивности, второго резистора и конденсатора двухполюсника объекта измерения соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, сигнальный вывод выхода генератора питающих импульсов соединен с общим выводом одиночного резистора первой ветви моста и второго резистора его второй ветви, общий вывод первой клеммы, резистора и конденсатора многоэлементного двухполюсника первой ветви моста и первого резистора второй ветви четырехплечей мостовой цепи заземлен.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из формирователя 2 прямоугольных импульсов (K₀t⁰), формирователя 3 линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 4 квадратичных импульсов (K₂t²), формирователя 5 кубичных импульсов (K₃t³), где К₀, К₁, К₂, К₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 6 мощности, коммутатора 7 и каскада 8 синхронизации. Выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора 7, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности. Выход усилителя 6 мощности образует первый (сигнальный) выход относительно «земли» генератора 1 питающих импульсов. Выход каскада 8 синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов. Также выход каскада 8 синхронизации образует второй выход относительно «земли» (выход синхронизации) генератора 1 питающих импульсов. 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 включает в себя многоэлементный двухполюсник, образующий первое плечо четырехплечей мостовой цепи.

В многоэлементном двухполюснике имеются две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, который, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора 9 (R9) и цепи из параллельно включенных катушки индуктивности 10 (L10), конденсатора 11 (С11) и второго резистора 12 (R12). Свободный вывод первого резистора R9 присоединен к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения. Свободный общий вывод катушки индуктивности L10, конденсатора С11 и второго резистора R12 соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. В многоэлементном двухполюснике имеется резистор 13 (R13), параллельно которому включена трехэлементная электрическая цепь. Одним из выводов резистор R13 соединен со вторым дополнительным резистором 14 (R14). Последовательно с резистором R14 включен третий дополнительный резистор 15 (R15). Общий вывод резисторов R14 и R15 соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Резистор R15 соединен также последовательно с одиночным резистором 16 (R16), составляющим второе плечо четырехплечей мостовой цепи. Общий вывод резисторов R15 и R16 образует первый вывод выхода моста (первую вершину измерительной диагонали).

Трехэлементная электрическая цепь, включенная параллельно резистору R13, состоит из соединенных последовательно конденсатора 17 (С17), первого дополнительного резистора 18 (R18) и катушки индуктивности 19 (L19). В многоэлементном двухполюснике четвертый дополнительный резистор 20 (R20) включен параллельно соединенным последовательно резисторам R14 и R15. Общий вывод катушки индуктивности L19 и резистора R20 соединен с общим выводом резисторов R13 и R14. Свободный вывод резистора R20 присоединен к общему выводу резисторов R15 и R16 и к первой вершине измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Многоэлементный двухполюсник и соединенный с ним последовательно одиночный резистор R16 составляют первую ветвь моста.

Вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи содержит последовательно соединенные первый резистор 21 (R21) и второй резистор 22 (R22). Первый резистор R21 входит в третье плечо моста. Второй резистор R22 входит в его четвертое плечо. Общий вывод резисторов R21 и R22 составляет второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Общий вывод резисторов R16 и R22 образует первую вершину генераторной диагонали моста, подключенную к первому (сигнальному) выходу генератора 1 питающих импульсов. Вторая вершина генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи образована свободным общим выводом резисторов R13 и R21, конденсатора С17 и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения. Эта вершина присоединена к заземленной общей шине генератора 1 питающих импульсов.

Два вывода дифференциального первого входа нуль-индикатора 23 соединены с двумя вершинами измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора 23 соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 23 соединена со второй вершиной генераторной диагонали моста и с заземленной общей шиной генератора 1 питающих импульсов.

В мостовом измерителе параметров двухполюсников сопротивления резисторов R14, R15, R16, R20, R21 и R22 известны и постоянны. При этом значения сопротивлений резисторов R15, R20 и R16, R22 попарно равны (R15=R20, R16=R22). Значение сопротивления резистора R21 определяется из выражения

$$R_{21}=\frac{R_{15}\left(R_{14}+R_{15}\right)}{R_{14}+2R_{15}}$$ . (1)

Это предварительное условие, которое следует выполнить заранее. Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - резисторов R13 и R18, конденсатора С17 и катушки индуктивности L19. Искомыми являются параметры двухполюсника объекта измерения - резисторов R9 и R12, катушки индуктивности L10 и конденсатора С11.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени при отсутствии импульсов с генератора 1 питающих импульсов напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. В генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 прямоугольных импульсов, формирователь 3 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 4 квадратичных импульсов, формирователь 5 кубичных импульсов формируют последовательности импульсных сигналов соответствующих форм. Эти сигналы поочередно посредством коммутатора 7 поступают через усилитель 6 мощности на выход генератора 1 питающих импульсов и воздействуют на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи.

В первую очередь на вход моста подается последовательность прямоугольных импульсных сигналов. При воздействии очередного прямоугольного импульса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи после оончания переходного процесса устанавливается неизменяющееся в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса напряжение неравновесия, имеющее плоскую вершину. Напряжение этой вершины приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R13. При этом выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи

$${А}_1={\left(R_{14}+2R_{15}\right)}^2{R}_9{R}_{13}-R_{14}^2{R}_{15}^2=0$$ . (2)

Здесь и в дальнейшем равновесие моста отмечается по нуль-индикатору 23. Устойчивые показания его обеспечивают сигналы синхронизации со второго выхода генератора 1 питающих импульсов.

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов линейно изменяющейся формы. При воздействии очередного такого импульса на выходе моста после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса имеется неизменяющееся напряжение неравновесия, содержащее плоскую вершину. Напряжение этой вершины с учетом выполненного первого условия равновесия (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменной емкости уравновешивающего конденсатора С17. Второе условие равновесия моста запишется в виде

$${А}_2={\left(R_{14}+2R_{15}\right)}^2{L}_{10}-R_{14}^2{R}_{15}^2{C}_{17}=0$$ . (3)

Выполнение первого условия равновесия (2) сохраняется, поскольку в нем отсутствует регулируемая емкость уравновешивающего конденсатора С17.

Далее на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействует последовательность импульсов квадратичной формы. В измерительной диагонали моста при поступлении очередного квадратичного импульса устанавливается сигнал неравновесия. Здесь после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса содержится плоская вершина, напряжение которой при выполненных условиях (2) и (3) приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R18. Третье условие равновесия моста определяется выражением

$${А}_3={\left(R_{14}+2R_{15}\right)}^2{R}_{12}{R}_{18}-R_{14}^2{R}_{15}^2=0$$ . (4)

Выполнение первого (2) и второго (3) условий равновесия в этом случае не нарушается, так как здесь не содержится регулируемое сопротивление уравновешивающего резистора R18.

В последнюю очередь на вход моста подается последовательность кубичных импульсов. Воздействие на четырехплечую мостовую цепь очередного импульса такой формы вызывает появление в измерительной диагонали моста неизменяющегося импульсного сигнала неравновесия, имеющего после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса плоскую вершину. Ее напряжение приводится к нулю при выполненных условиях (2) - (4) однократной регулировкой переменной индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L19. В итоге четвертое и последнее условие равновесия четырехплечей мостовой цепи имеет вид

$${А}_4={\left(R_{14}+2R_{15}\right)}^2{L}_{19}-R_{14}^2{R}_{15}^2{C}_{11}=0$$ . (5)

Предыдущие условия (2) - (4) выполняются. В них нет регулируемой индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L19.

Искомые значения четырех параметров двухполюсника объекта измерения R9, L10, C11 и R12 определяются из четырех условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (2) - (5). По сути из решения четырех уравнений определяются четыре неизвестных параметров.

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 метрологии, в частности к средствам измерения параметров двухполюсников. Измеритель содержит генератор, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Генератор состоит из четырех формирователей импульсов, блока синхронизации, коммутатора, усилителя мощности. Измерительный мост состоит из двух параллельных ветвей, в первую из которых включен объект измерения, многоэлементный двухполюсник, резисторы. Вторая ветвь содержит резисторы. Объект измерения состоит из двух резисторов, катушки индуктивности, конденсатора. Нуль-индикатор имеет дифференциальный вход, вход синхронизации, общая шина индикатора равновесия и генератора импульсов заземлена. В мост введены четыре дополнительных резистора. Первый дополнительный резистор включен в многоэлементном двухполюснике моста между выводом конденсатора и выводом катушки индуктивности, последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы подключены между общим выводом резистора и катушки индуктивности в многоэлементном двухполюснике четырехплечей мостовой цепи и общим выводом одиночного резистора первой ветви и первым выводом выхода моста, четвертый дополнительный резистор включен параллельно цепи из последовательно соединенных второго и третьего дополнительных резисторов. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t, K₂t², K₃t³, где К₀, К₁, К₂, К₃ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и каскада синхронизации, 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 (сигнальный) 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 последовательно соединенных многоэлементного двухполюсника и одиночного резистора, общий вывод которых образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, многоэлементный двухполюсник включает в себя резистор, к одному из выводов которого подключен конденсатор, а к другому выводу - катушка индуктивности, также в многоэлементном двухполюснике имеется двухполюсник объекта измерения, который, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора и цепи из параллельно включенных катушки индуктивности, конденсатора и второго резистора, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи включает в себя два последовательно соединенных резистора, свободный вывод первого из них соединен с общим выводом резистора и конденсатора многоэлементного двухполюсника, общий вывод этих двух резисторов образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод второго резистора соединен со свободным выводом одиночного резистора первой ветви моста; нуль-индикатор, два вывода дифференциального (первого) входа которого соединены с двумя выводами выхода четырехплечей мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена; отличающийся тем, что в него введены четыре дополнительных резистора, две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения перенесены из второй ветви четырехплечей мостовой цепи в первую ветвь и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор включен в многоэлементном двухполюснике моста между свободным выводом конденсатора и свободным выводом катушки индуктивности, последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы подключены между общим выводом резистора и катушки индуктивности в многоэлементном двухполюснике четырехплечей мостовой цепи и общим выводом одиночного резистора первой ветви и первым выводом выхода моста, четвертый дополнительный резистор включен параллельно цепи из последовательно соединенных второго и третьего дополнительных резисторов, первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения соединена с общим выводом резистора и конденсатора многоэлементного двухполюсника первой ветви и первого резистора второй ветви четырехплечей мостовой цепи, вторая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения соединена с общим выводом второго и третьего дополнительных резисторов многоэлементного двухполюсника первой ветви моста, свободный вывод первого резистора двухполюсника объекта измерения соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, а свободный общий вывод катушки индуктивности, второго резистора и конденсатора двухполюсника объекта измерения соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, сигнальный вывод выхода генератора питающих импульсов соединен с общим выводом одиночного резистора первой ветви моста и второго резистора его второй ветви, общий вывод первой клеммы, резистора и конденсатора многоэлементного двухполюсника первой ветви моста и первого резистора второй ветви четырехплечей мостовой цепи заземлен.