Автоматический квазиуравновешенный мост для раздельного измерения двух параметров трехэлементных двухполюсников Советский патент 1983 года по МПК G01R17/00 

Изобретение относится к электрс)измерительной технике, в частности к измерению параметров пассивных ; комплексных величин, и может быть ; использовано для измерения параметров, например, в электрохимии и бЦологии при изучении природы электрохимических и биологических систем |в микроэлектронной, электро- и радис(-, нефтяной и химической промышленной стях для контроля как различных из|делий, так и различных технологиче|ских процессов.I

Известен четырехплечий уравно- | . вешенный мост переменного тока, coiдержащий измеряемый объект, сравнения, составленное из мага зинов сопротивлений и магазина емН костей, и вспомогательные ПЛечи, Ненератора качающейся частоты и. осци|ллографа L13. ;

Недостатками данн.дго моста являН ются сложность и значительная проН должительность процесса, приведения , измерительного моста к состоянию ; равновесия из-за наличия трех взаН имосвязанных регулировок. Кроме то|го, в измерительной практике часто) возникает необходимость измерения ; только двух информативных парамет-i ров объекта (двухполюсника), в то время как третий параметр является неинформативный и усложняет и удлиг няе.т процесс измерения.j

Известен квазиуравновешеннай моЬт для раздельного измерения одного из параметров .нерезонансных трех- :. : элементных двухполюсников. Сущест-; венными признаками квазиуравновеше ного моста являются наличие четыре); плечей мостовой цепи двух генераторроз синусоидальных колебаний, двух: .ключей, переключателя, блока срав-| . нения, блока вычитания, преобразоЧ вателя. переменного сигнала в по- стоянный, интегратора, фазовращателя, формирователя прямоугольных | импульсов, двух блоков управления,: .генератора опорных импульсов, реверсивного счетчика и блока уравновешивания 23.;

к недостаткам этого квазиуравно;вешенного моста можно отнести погрешности измерения, возника -: кщей из-за разновременной подачи i сигналов разных частот на четырехпяечую измерительную цепь, а также, потенциально меньшее быстродействий из-за поочередного подключения к ; мосту то одного, TOjдругого генера|тора синусоидальных колебаний. Мос|г не-позволяет при необходимости проК извести одновременно измерение вто;рого информативного параметра контНролируемого трехэлементного двух- полюсникаг т.е. уравновесить его п второму измеряемому параметру. {

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей квазиуравновешенного моста.

Поставленная цель достигается те что в автоматический квазиуравновешенный мост для раздельного измерения двух параметров трехэлементных двухполюсников, содержащий два генератора синусоидальных колебаний, блок вычитания, интегратор, блок уравновешивания и. мостовую измерительную цепь, состоящую из трех однотипных элементов, один из которых является регулируемым, и исследуемого нерезонаисного трехэлементного двухполюсника, одна из измерительных диагоналей мостовой измерительной цепи подключена к первому и второму входам Влока вычитания, введены два плеча мостовой измерительной цепи, состоящей из четвертого и пятого однотипных элементов, один из которых является регулируемым, три блока вычитания, сумматор напряжения, четыре делителя,дифференцирующий усилитель, восемь фазочувствительных детекторов, второй блок уравновешивания, причем вторая измерительная диагональ мостовой измерительной цепи подключена к второму блоку вычитания, выход первого блока вычитания соединен с первыми входами второго и третьего фазочувствительных детекторов/непосредствено, а первого и четвертого фазочувствительных детекторов - через диф ференцирующий усилитель, выход второго блока вычитания соединен с первыми входами шестого и седьмого фазочувствительных детекторов непосредственно, а пятого и восьмого фазочувствительных детекторов - через интегратор, выход первого генератора синусоидальных колебаний подключен как к первому входу сумматора напряжений, так и к вторым входам третьего, четвертого, седьмого и восьмого фазочувствительных дОтекторов, а выход второго генератора синусоидальных колебаний подключен как ко второму входу сумматора напряжений, так и ко вторым вхдам первого, второго, пятого и шестого фазочувствительных детекторов, при этом соответственно выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого фазочувствительных детекторов подключены к первым и вторым входам делителей, выходы первого и второго делителей соединены с входами третьего блока вычитания, а выходы третьего и четвертого дели.телей подключены к входам четвертого блока вычитания, причем выходы третьего и четвертого блоков вычитания соединены соответственно с первым и вторым блоками уравновешивания, а выход сумматора напряжения

Подключен к мостовой и мерительной цепи.

Характерным для предлагаемого ав- . тсилатического квазиуравновешенного моста является то, что вся совокупность указанных существенных признаков позволяет получать измерение двух параметров двухполюсника с достаточно высокой точностью, поскольку в основу положен мостовой метод измерения, простой и быстрый процесс уравнове1шивания мостовой измерительной цепи, измерение осуществляется независимо от третьего в данном случае нейнформативного параметра контролируемого трехэлементного двухполюсника.

На фиг. 1 показана функциональная схема автоматического квазиуравновешенного моста; на фиг. 2 .примеры построения шестиплечих мостовых цепей для измерения параметров исследуемых двухполюсников с различными схемами замещения.

Автоматический квазиуравновешенный мост содержит {см. фиг. 1) шестиплечую мостовую цепь, в которую входят исследуемый трехэлементный двухполюсник 1, состоящий из резисторов ,3 и конденсатора 4, и пять однотипных образцовых элементов (резисторов) , два из которых регулируемые 5 и 6, а три остальных - и 9 постоянные. Кроме того, автоматический квазиуравновешенный мост содержит два генератора 10 и 11 синусоидальных колебаний, выходы которых через сумматор 12 напряжения соединены с шестиплечей мостовой цепью, дифференцирующий усилитель 13

интегратор 14, четыре блока 15-18 вычитания, четыре делителя 19-22, вос5емь фазочувствительных детекторов 23-30 и два блока 31 и 32 уравновешивания. Все узлы автоматического моста выполняются на серийнзык элементах аналоговой или цифровой техники, выпускаемых нашей промьлшленно.стью.

Устройство работает следующим образом.

Сумматор 12 cyNMHpyeT синусоидальные напряжения генераторов 10. и 11, при этом частоты генераторов выбираются различными. Суммарное напряжение питает шестиплечую мостовую цепь. Сигналы с изме ритель- . ных диагоналей моста через блоки 15 и 16 вычитания поступают на фа- зочувствительные детекторы. В результате работы фазочувствительных детекторов 27-30, делителей 21,22 и интё1гратора 14 на выходе блока 18 вычитания имеет место-сигнал расюогласования. мостовой цепи. Этот сигнал поступает на блок 32 уравновешиванйя, который изменяет сопрЬ-

тивление образцового резистора 6 . до наступления состояния квазйравновесия мостовой цепи. Однс5временно с регулировкой переменного резистора 6 в результате работы, фазочувствительных детекторов 23-26, делителей 19,20 и дифференцирующего усилителя 13 на входе блока 17 вычитания имеет место второй сигнал рассогласования мостовой цепи. Последний сигнал поступает -иа блок 31 уравновшйивания, который изменяет сопротивление образцового резистора 5 до наступления второго состояния квазиравновесия мостовой измерительной цепи. Существенной особенностью автоматического квчзиурав-. новешенного моста является отсут- - ствие взаимосвязи и взаимовлияния двух регулировок образцовых элементов моста, что упрощает и ускоряет процесс приведения цепи в.состояние квазиравновесия, повышает точность

измерения.

Пусть напряжение генератора,10

равно и при частоте синусоидальных колебаний Vf, а напряжение генератора 11 равно . при частоте синусоидальных колебаний сц.. Напряжение на выходз сумматора 12 равно . В этом случае напряжение U.g, на выходе блока вычитания 16 равно

.Ц-..,) R9-fttRg, -16 11 CZ tRgXRfe-i-Rgy

где R ,R ,Rg - соответственно con- ,

ротивлеиия резисторов 6,9 й1 8;

Z - комплексное сопро ивление измеряемого ; трехэлементного явухполюсника 1.

Комплексное сопротивление 2 запишем следующим образомг

,

2 -UJU;R G ) .

( .

где Rrt,R-, - соответственно сопротив ления резисторов 2 и 3; Cjj. - емкость конденсатора 4. Подставим (2) в выражение (1) и посла рядапреобразований получим

-«б

.;R.(gu.-R VR6RfiH-ju)R.,C4(RaB-o-R6ft9)

R2. + jouRa,C4( Введем в выражение (-3) следующие обозначения: .

.+ ti -l fcRg-Q; : iijC4(RaR9-R6Re b;. Rn.-vR,, R.,,04(84 M)d Выделим вещественные и мнимые части напряжения , и получщ Гп ас-Ю-) bd . I. ,, b ca. ас--шгЬа 5 +ш|а t -Kjuja Для фазочувствительных детекторов 29 и 30 опорным является напря жение и сЧастотой w, поэтому напряжения других частот, в том числе и напряжение U эти детекторы подавляют. Детектор 29 выделяет вещественную составляющую напряжения частоты , детектор 30 мнимую составляющую напряжения U , частоты (и , предварительно проин гегрирован11ого интегратором 14. В результате напряжение на выходе де лителя 22 равно С1С+1( U. - V -1/11 i Ъс-(3а . где KJ постояянля времени интегр тора 14 . Для фазочувствительных детекторов 27 и 28 опорным является напря жение и с частотой U , поэтому на пряжения других частот, в том числ и напряжение U, подавляются. Детек тор 28 выделяет вещественную соста ляющую напряжения U. частоты (tf/j./ д тектор 27 мнимую составляющую на пряжения частоты ц), предварительно проинтегрированного интегра тором 14. В результате напряжения на выходе делителя 21 равно (I - Qc+Culbd i-i Ъс-сЗа -14 Разность напряжений U/j пол чают на выходе блока 18 вычитания, , т .е , равно (1 ,, I, - a.c-fU; ba Ч6 2гр2Г bo-da -14 .a,cj4Uji.b be-da Состояние квазиравновесия мостовой измерительной цепи достигается при равенстве нулю напряжепия , но подобное со.стояние при различных частотах ш и ц; может быть достиг нуто, как видно из выражения (4), только в одном единственном случае b или d должны равняться нулю. Но, поскольку d не может равняться нулю, то приравниваем к нулюЬ. b-R,,c()0. ft« Отсюда .Rg. Следовательно, по образцовому сопротивлению Н в состоянии квазираеиовесия можно раздельно и одноз HflHHt) определить значение сопротив ления Rg. При равенстве образцовых сопротивлений Rg+R регулируемое образцовое сопротивление R равно измеряемому сопротивлению Rj, т.е.Яз.Р.б (5; Проводя рассуждения, указанным путем покажем, каким образом измеряется второй параметр трехэлементного двухполюсника. Напряжение . на выходе блока вычитания 15 равно ,, .fi, .. . ZRT-Rsfte , U,,-(U,.U,)(6) где R, R-7 и Rg - соответственно сопротивления резисторов 5,7 и8. Подставим (2) 3 выражение (б) и после ряда преобразований получим II UilU 5 MAj - rI O--Rog.8tJLOfti 4CRaR.) .(R.i + l Введем дополнительно следующие обозначения: Ят( + Кз - 5К-&-а-1; -R,,04(2,11-7- 5 g -iВыделим вещественные и мнимые части напряжения при этом получим и I Гц .. (1 игп b-iC-dg-i , TliJyd .а .1, д- с- -ш1ьд . t-ic-aa-i 1 - Ua c..a.d - . Детекторы 25 и 26 подают напряжения всех частот неравных и; . Детектор 25 выделяет вещественную составляющую напряжения и частоты uJ , фазочувотвительный .детектор 26 выделяет мнимую составляющую напряжения Uy частоту СЦ,предварительно продифференцированного усилителем 13. В результате напряжение на выходе делителя 20 равно - gi Ъ(Э .V где T-j - постоянная времени дифференцирующего усилителя. Напряжение на выходе делителя 19 равно . + Щй Ь.|сЗ (b.c-aQ,V Разность напряжений U получаЕот на выходе блока 17 вычитания a C-Cii -fa d С,ш() ,)

Второе, состояние квазиравновесия МО0ТОВОЙ измерительной цепи достига- .ется при равенстве нулю напряжения . Но, как видно из вьфажения (7),

4t7 равно нулю только в единственном случае, когда .

a-,R,)-R5Re O.: Отсюда ч ;..,H.

;-Следовательно, по рёразцовому соирб-, .тивленйю .Rg в сострявии кваэиравно-:

: Весия можно однозначно определить второе сопротивление двухполюс йяка vRj При равенстве ре}разц9вых; с&про-. ;Тий(1ений р(в 7улнруёмре об;.;15 азцрвое дЪйро1 яв.тен равно;:- ;,;V ;су 4 е:.измерйемах соп ио-тйвлёний, T,

.

Поскольку Rj в каждаай момент времени определяется через Рбразцрвое српротивление R, то

;. . ;: 5 Таким образом, пре.длсжейнаямос товая измерительная цепь позволяет производить измерения двух napaivietров двухполюсников бе измерения третьего неинформативнргб парамет 0 ра с большим быстройействием и с высокой точностью, присущей мосто вым методам изьюрений.

на фиг. 2 показаны примеру раз Личных трехэлементных Двухпрлюсййкой с разНЕдада схемами замещения. В тальнью плечёй моста включены однотипные элементы, В срстряциях квазиравновесия могут быть раздельно измерены: емкости 33 ij 34 (фцг..2а) f еодр,отивле 1гая :35 и 36 фиг. eiM0КОСТИ.37 и 38 Хфиг. 2-Р ) ; :сопрртив«- ; ления 39 и 40 (Фиг. 2 Z ) ;, сопротив- : Ленин 41 и 42 (Фиг. 2 д )..

АВТОМАТИЧЕСКИЙ КВАЗИУРАВНОВЕШЕННЫП МОСТ ДЛЯРАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДВУХ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ, содержащий два генератора синусоидами.ных колебаний, блок вычитания, интегратор, блок уравновешивания и мостовую измерительную цепь, состоящую из трех однотипных элементов, один кз которых является регулируемым, и исследуемого трехэлементного двухполюсника, одна из измерительных диагоналей мостовой измерительной цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него введены два плеча мостовой измерительной цепи,- состоящей КЗ четвертого и пятого однотипных элементов, один яз которых является регулируемым, три блока вычитания, сумматор напряжения, четыре делителя,, дифференцирующий усилитель, восемь фазочувствительных детекторов, второй блок уравновешивания, причем вторая измерительная диагональ мостовой измерительной цепи подключена к второму блоку вычитания, выход первого блока вычитания, соединен с первыми входа ми второго и третьего фазочувствительных детекторов непосредственно, а первого и четвертого фазочувствительных детекторов - через дифференцирующий усилитель, выход второго блока вычитания соединен с первыми входами шестого и седьмого фазочувствительных детекторов непосредственно, а пятого и восьмого фазочувствительных детекторов - через интегратор, выход первого г нератора синусоидальных колебани..я подключен как е первому входу сумматора напряжений, так и ко вторым входам третьего, четвертого, седьмого и сл восьмого фа.зочувствительных детекторов, а выход второго генератора с синусоидальных колебаний подключен как ко второму входу сумматора напряжений, так и ко вторым входам первого, второго, пятого.и шестого фазочувствительных детекторов, при. этом соответственно выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого фазочувствительных детекторов оо подключены к первым и вторым .входам делителей, выходы первого и втоО рого делителей соединены с входами ю третьего блока вычитания, а выходы третьего и четвертого, делителей под4 ключены к входам четвертого блока вычитания, причем выходы третьего и четвертого блоков вычитания соединены соответственно с первым и вторым блоками уравновешивани.1, а выход cy(Iмaтopa напряжения подключен к мостовой измерительной цепи.

ж

y

а

37

т :Ж

L4 Р