Мостовой измеритель параметров двухполюсников Российский патент 2018 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к контрольно-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 многоэлементных пассивных двухполюсников [АС СССР № 1157467, G01R. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл. №19, 1985], содержащий последовательно включенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять оба имеющихся многоэлементных двухполюсника. При прочих равных условиях на практике отдаётся 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 нестабильна 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 схем управления и согласования 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 Шеринга, Максвела, Хэя, Андерсона, Илювиси [Кольцов А.А. Электрические схемы уравновешивания. - : Энергия, 1976, 272 с., рисунки 4 -7 а, б и е (стр. 119), 4-8 б и г (стр. 123)соответственно].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трёхэлементных пассивных двухполюсников [АС СССР №798607, G01R. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл. №3, 1981]. Мостовой измеритель содержит последовательно соединённые генератор импульсов сложной формы, четырёхплечую 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» незаземлённого многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости за счет использования только заземлённых многоэлементных двухполюсников.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединён с каждым входом имеющихся трех формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого соединён 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 соединён с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит из двух последовательно соединённых резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а свободный вывод другого резистора заземлен, общий вывод двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединённых одиночного резистора и двухполюсника из последовательно соединённых первого резистора и катушки индуктивности, параллельно последней включен второй резистор, общий вывод одиночного резистора и двухполюсника образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, также в четырехплечей мостовой цепи имеется двухэлементная цепь из конденсатора и резистора; два вывода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным (первым) входом нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединён со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введен дополнительный резистор и изменено соединение элементов, дополнительный резистор соединён с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, которая соединена с общим выводом одиночного резистора во второй ветви мостовой цепи и двухполюсника из первого, второго резисторов и индуктивной катушки, вторая клемма для подключения двухполюсников объектов измерения заземлена, двухэлементная цепь из конденсатора и резистора перенесена из первой ветви мостовой цепи во вторую ветвь, в ней между собой элементы включены параллельно и эта двухэлементная цепь включена между свободным выводом дополнительного резистора и второй клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, совокупность дополнительного резистора, конденсатор и резистор двухэлементной цепи образуют двухполюсник объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из формирователя 2 прямоугольных импульсов $$(K_0{t}^0),$$ формирователя 3 линейно изменяющихся импульсов $$(K_1{t}^1),$$ формирователя 4 квадратичных импульсов $$(K_2{t}^2),$$ где $$K_0,K_1$$ и $$K_2$$− постоянные коэффициенты, t − текущее время, усилителя 5 мощности, коммутатора 6 и каскада 7 синхронизации. Выход каскада 7 синхронизации соединён с каждым входом формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 6. Выход коммутатора 6 соединён с входом усилителя 5 мощности. Выход усилителя 5 мощности образует первый выход генератора 1питающих импульсов относительно «земли». Второй выход генератора 1 питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада 7 синхронизации. Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена. Первый выход генератора 1 импульсов соединён с генераторной диагональю четырёхплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей. Первая ветвь четырёхплечей мостовой цепи образована двумя соединёнными последовательно резисторами 8 (R8) и 9 (R9). Свободный вывод резистора R8 соединен с первым выходом генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод резистора R9 заземлен. Общий вывод резисторов R8 и R9 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединённых одиночного резистора 10 (R10) и двухполюсника составленного из включенных последовательно первого резистора 11 (R11) и индуктивной катушки 12 (L12), параллельно которой включен второй резистор 13 (R13).

Общий вывод одиночного резистора и двухполюсника образует второй вывод выхода мостовой цепи. Первая клемма для подключения двухполюсников объектов измерения соединена с общим выводом одиночного резистора, двухполюсника и второго вывода выхода мостовой цепи. Вторая клемма заземлена. Двухполюсник объекта измерения образуют последовательно соединённые первый 14 (R14) и второй 15 (R15) резисторы, параллельно последнему включен конденсатор 16 (R16). Свободный вывод резистора 14 соединён с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, а общий вывод резистора 15 и конденсатора 16 − со второй клеммой.

Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным (первым) входом нуль-индикатора 17. Другой вход нуль-индикатора 17 - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора соединена со второй вершиной генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и заземлена. В четырёхплечей мостовой цепи значения сопротивлений резисторов R8 , R9 и R10 известны и постоянны. Искомыми являются параметры резисторов R14 и R15 и конденсатора С16, образующих двухполюсник объекта измерения. Регулируемыми переменными уравновешивающими являются параметры резисторов R11 и R13 и индуктивной катушки L12.Значения их параметров являются известными.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. Изначально напряжение на входе и выходе четырехплечей мостовой цепи равны нулю. В первую очередь на вход четырехплечей мостовой цепи подаётся последовательность импульсных сигналов прямоугольной формы. Эти сигналы формирует формирователь 2 прямоугольных импульсов в генераторе 1 питающих импульсов, и через коммутатор 6 и усилитель 5 мощности они поступают на выход генератора 1 питающих импульсов. В установившемся режиме при воздействии очередного импульса прямоугольной формы на выходе четырёхплечей мостовой цепи устанавливается неизменяющееся напряжение в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса. Плоская вершина этого напряжения неравновесия приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента R11, что обеспечивает выполнение первого условия равновесия четырехплечей мостовой цепи

$$A_1=R_9{R}_{10}(R_{11}+R_{14}+R_{15})-R_8{R}_{11}(R_{14}+R_{15})=0.\text{ (1)}$$

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействует последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса в измерительной диагонали четырёхплечей мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта вершина с учётом выполненного первого условия равновесия (1) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента L12. При этом выполняется второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи

$${А}_2=R_9{R}_{10}[L{}_{12}+C_{16}{R}_{15}(R_{11}+R_{14})]-R_8[L_{12}(R_{14}+R_{15})+C_{16}{R}_{11}{R}_{14}{R}_{15}]=0.\text{ (2)}$$

В этом случае выполнение первого условия равновесия (1) не нарушается, поскольку это условие не содержит переменный регулируемый уравновешивающий элемент L12.

В последнюю очередь посредством коммутатора 6 с генератора 1 питающих импульсов подаётся на генераторную диагональ четырёхплечей мостовой цепи импульсы квадратичной формы. В ее измерительной диагонали при воздействии очередного такого импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия. Этот сигнал после окончания переходного процесса имеет плоскую вершину, которая при выполненных условиях (1) и (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента R13. В результате имеет место выполнение третьего условия равновесия четырёхплечей мостовой цепи

$${А}_3=R_9{R}_{10}(R_{11}+R_{13}+R_{14})-R_8{R}_{14}(R_{11}+R_{13})=0.\text{ (3)}$$

При этом выполнение первого (1) и второго (2) условий равновесия не нарушается, поскольку эти условия не содержат переменный регулируемый уравновешивающий элемент R13.

Искомые значения параметров трёх элементов двухполюсника объекта измерения R14, С16 и R15 определяются из трёх условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (1) - (3). Следовательно, три неизвестных параметра находятся из решения трёх уравнений.

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 счёт использования только заземлённых многоэлементных двухполюсников. Также в предлагаемом мостовом измерителе параметров двухполюсников реализуется зависимое раздельное уравновешивание.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков. Технический результат: уменьшение погрешности измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземлённого многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости за счет использования только заземлённых многоэлементных двухполюсников. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединённые генератор импульсов с изменением напряжения по закону степных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор. Для достижения технического результата введены дополнительный резистор и изменено соединение элементов. Дополнительный резистор соединён с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, которая соединена с общим выводом одиночного резистора во второй ветви мостовой цепи и двухполюсника из первого, второго резисторов и индуктивной катушки. Вторая клемма для подключения двухполюсников объектов измерения заземлена. Двухэлементная цепь из параллельно соединенных конденсатора и резистора включена между свободным выводом дополнительного резистора и второй клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения. Совокупность дополнительного резистора, конденсатор и резистор двухэлементной цепи образуют двухполюсник объекта измерения. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединён с каждым входом имеющихся трех формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого соединён 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 соединён с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит из двух последовательно соединённых резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а свободный вывод другого резистора заземлен, общий вывод двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединённых одиночного резистора и двухполюсника из последовательно соединённых первого резистора и катушки индуктивности, параллельно последней включен второй резистор, общий вывод одиночного резистора и двухполюсника образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, также в четырехплечей мостовой цепи имеется двухэлементная цепь из конденсатора и резистора; два вывода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным (первым) входом нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединён со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены дополнительный резистор и изменено соединение элементов, дополнительный резистор соединён с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, которая соединена с общим выводом одиночного резистора во второй ветви мостовой цепи и двухполюсника из первого, второго резисторов и индуктивной катушки, вторая клемма для подключения двухполюсников объектов измерения заземлена, двухэлементная цепь из конденсатора и резистора перенесена из первой ветви мостовой цепи во вторую ветвь, в ней между собой элементы включены параллельно и эта двухэлементная цепь включена между свободным выводом дополнительного резистора и второй клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, совокупность дополнительного резистора, конденсатор и резистор двухэлементной цепи образуют двухполюсник объекта измерения.