Мостовой измеритель параметров двухполюсников Российский патент 2019 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 [А.С. СССР № 1157467, G01R17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл., 1985, № 19], содержащий последовательно соединённые 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, 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 [А.С. СССР №798607, G01R17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл., 1981, № 3]. 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, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединён с каждым входом имеющихся четырёх формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого соединён с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует (сигнальный) 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 двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод одиночного резистора соединён с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединённых первого резистора и первой индуктивной катушки, параллельно которой включены последовательно соединённые второй резистор и вторая индуктивная катушка, свободный вывод первого резистора соединён с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, а общий вывод первой и второй индуктивных катушек - со второй клеммой, также в четырёхплечей мостовой цепи имеется двухэлементная цепь из последовательно соединённых конденсатора и резистора; два вывода выхода четырёхплечей мостовой цепи соединены двумя выводами первого дифференциального входа нуль-индикатора, другой вход его − вход синхронизации соединён со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введён дополнительный конденсатор и изменено соединение элементов, двухэлементная цепь из последовательно соединённых конденсатора и резистора перенесена из первой ветви мостовой цепи во вторую ветвь, свободный вывод конденсатора этой цепи соединён с общим выводом одиночного резистора, второго вывода выхода мостовой цепи и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод резистора двухэлементной цепи заземлён, параллельно последнему резистору включен дополнительный конденсатор.

Сущность изобретения поясняется 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 $$(K_2{t}^2),$$и формирователя 5 кубичных импульсах$$(K_3{t}^3),$$где $$K_0,K_1$$ , $$K_2$$ и $$K_2$$− постоянные коэффициенты, t − текущее время, усилителя 6 мощности, коммутатора 7 и каскада 8 синхронизации. Выход каскада 8 синхронизации соединён с каждым входом формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 7. Выход коммутатора 7 соединён с входом усилителя 6 мощности. Выход усилителя 6 мощности образует первый (сигнальный) выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Второй выход генератора 1 питающих импульсов − выход синхронизации образует выход каскада 8 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 9 (R9) и 10 (R10). Свободный вывод резистора R9 соединен с первым выходом генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод резистора R10 заземлен. Общий вывод резисторов R9 и R10 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединённых одиночного резистора 11 (R11) и двухполюсника составленного из включенных последовательно первого конденсатора 12 (R12) резистора 13 (R13), параллельно которому включен второй конденсатор 14 (C14).

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 резистор 15 (R15) и первая индуктивная катушка 16 (L16), параллельно последней включены последовательно соединённые второй резистор 17 (R17) и вторая индуктивная катушка 18 (L18). Свободный вывод резистора 15 соединён с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, а общий вывод индуктивных катушек 16 и 18 - со второй клеммой.

Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным (первым) входом нуль-индикатора 19. Другой вход нуль-индикатора - 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 R9 и R11 известны и постоянны. Искомыми являются параметры резисторов R15 и R17 и индуктивных катушек L16 и L18, образующих двухполюсник объекта измерения. Регулируемыми переменными уравновешивающими являются параметры резисторов R10, R13 и конденсаторов C12 и C14.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 7 и усилитель 8 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 R10, что обеспечивает выполнение первого условия равновесия четырехплечей мостовой цепи

$$A_1=R_{10}{R}_{11}-R_9{R}_{15}=0.$$ (1)

Нулевое напряжение здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 19, в качестве которого можно использовать осциллограф. Его устойчивые показания обеспечивают сигналы синхронизации со второго выхода генератора 1 импульсов, поступающие на второй вход нуль-индикатора 19.

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. Напряжение этой вершины с учётом выполненного первого условия равновесия (1) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента C12. При этом выполняется второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи

$${А}_2=C_{12}{R}_{10}{R}_{11}{R}_{15}-L_{16}{R}_9=0.$$ (2)

В этом случае выполнение первого условия равновесия (1) не нарушается, поскольку это условие не содержит переменный регулируемый уравновешивающий параметр С12.

Далее посредством коммутатора 7 с генератора 1 питающих импульсов подаются 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

$${А}_3=R_{10}{R}_{11}(R_{15}+R_{17})-R_9{R}_{13}{R}_{17}=0.$$ (3)

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

В последнюю очередь посредством коммутатора 7 с генератора 1 подаются на мост импульсы кубичной формы. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса выходной импульс моста имеет плоскую вершину, напряжение с которой однократной регулировкой уравновешивающего параметра С14 приводится к нулю и выполняется четвёртое условие равновесия моста

$${А}_4=R_{10}{R}_{11}[L_{18}+C_{14}{R}_{13}(R_{15}+R_{17})]-L_{18}{R}_9{R}_{13}=0.$$ (4)

Предыдущие условия равновесия (1) - (3) здесь тоже не нарушаются, т.к. в них не входит регулируемый параметр С14.

Искомые значения параметров четырёх элементов двухполюсника объекта измерения R15, L16, R17 и L18 определяются из четырёх условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (1) - (4). Следовательно, четыре неизвестных параметра находятся из решения четырёх уравнений.

После выполнения всех четырёх этапов уравновешивания мостовая цепь к полному равновесию не приводится, но получены четыре условия равновесия (четыре уравнения), из которых, как известно, можно взять отсчёт четырёх искомых параметра двухполюсника объекта измерения. Здесь на выходе моста в начале импульса имеется всплеск напряжения, который содержит сумму экспоненциальных слагаемых и затухает до нуля за время переходного процесса. После окончания этого процесса напряжение на выходе моста равно нулю. После окончания питающего мост импульса в течение переходного процесса это напряжение тоже имеет всплеск напряжения, который тоже затухает до нуля после окончания переходного процесса. Такие мостовые цепи относят к квазиуравновешенным мостам.

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 сохраняется зависимое раздельное уравновешивание.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано для контроля и определения параметра 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 счёт использования только заземлённых многоэлементных двухполюсников. Сущность: мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединённые генератор импульсов с изменением напряжения по закону степных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор. Новым является то, что в него введён дополнительный конденсатор и изменено соединение элементов, двухэлементная цепь из последовательно соединённых конденсатора и резистора перенесена из первой ветви мостовой цепи во вторую ветвь, свободный вывод конденсатора этой цепи соединён с общим выводом одиночного резистора, второго вывода выхода мостовой цепи и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод резистора двухэлементной цепи заземлён, параллельно последнему резистору включен дополнительный конденсатор. 1 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует (сигнальный) 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 соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит из двух последовательно соединенных 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 соединенных одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод одиночного резистора соединен с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора и первой индуктивной катушки, параллельно которой включены последовательно соединенные второй резистор и вторая индуктивная катушка, свободный вывод первого резистора соединен с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, а общий вывод первой и второй индуктивных катушек - со второй клеммой, также в четырехплечей мостовой цепи имеется двухэлементная цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора; два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены двумя выводами первого дифференциального входа нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введен дополнительный конденсатор и изменено соединение элементов, двухэлементная цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора перенесена из первой ветви мостовой цепи во вторую ветвь, свободный вывод конденсатора этой цепи соединен с общим выводом одиночного резистора, второго вывода выхода мостовой цепи и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод резистора двухэлементной цепи заземлен, параллельно последнему резистору включен дополнительный конденсатор.