Способ определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников Советский патент 1988 года по МПК G01R27/02 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь- зовано для измерения параметров датчиков электрических и неэлектрически величин.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет раздельного измерения параметров двуэлементных двухполюсников при сохра- нении точности измерения.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего спосо определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников; на фиг. 2 и 3 - варианты генераторов прямоугольных импульсов, выполненных на основе мультивибраторов, с использованием последовательной и параллельной схем замещения исследуемых двухполюсников; на фиг. 4 и 5 - функциональные схемы генераторов пилообразных импульсов, выполненных на основе емкостных и индуктивньк интеграторов; на фиг. 6 и 7 - схемы двух генераторов синусоидальных колебаний с емкостными и индуктивными времяза- дающими элементами.

Устройство содержит генератор 1

сигналов, бло1 2 вычисления, блок 3 30 внесения избыточности (БВИ) и блок А индикации.

Генераторы прямоугольных сигналов включают в себя транзистор 5, коллекторный резистор 6, исследуемый двух- s полюсник 7, времязадающий конденсатор 8, второй коллекторный резистор 9, второй транзистор 10, времязадающий резистор 11.

Генераторы пилообразных импульсов 40 содержат исследуемый двухполюсник 7, времязадающий резистор 11, блок 12 питания, усилитель 13.

Генераторы синусоидальных сигнаДля определения обоих параметров С,(, R необходимо внести в уравнение (2) информационную избыточность в виде изменений величины образцового двухполюсника, например, в сторону увеличения, хотя возможен вариант и в сторону уменьшения, величина прира щения выбирается из условия превышения порога чувствительности.

UR R, - R, uR + R (3) где .UR - величина приращения между

образцовыми двухполюсникам R , и R,

(2)

примет следую

( о

Тогда уравнение щий вид:

C(RO + uR

Подставив (3) в уравнение лучим окончательное выражение для длительности Т, вновь сформированных

т г

+ R,)lnn .

(4) (4), по

импульсов при внесении информационлов содержат исследуемьш двухполюсник tcч- - л

-,„ . . НОИ избыточности

7, времязадающий резистор 11, времяuR

в виде приращения

задающий конденсатор 8 (индуктивность) , блок 12 питания, усилитель 13

Способ осуществляют следующим образом.

В общем случае длительность генерируемых импульсов (фиг. 2), например, с емкостной времязадающей цепью определяется выражением

Т CoRo lnn , (1)

-длительность генерируемых импульсов-,

-параметры времязадающей цепи;

Т, C,(R, + Rjlnn.

(5)

50

где Т

55

Решая совместно систему уравнений (2) и (5) относительно С и R, можн определить измеряемые параметры.

Для этого разделим уравнение (5) на уравнение (2) с целью избавления от одного из неизвестных параметров, а именно С.

Тг R, + R,

Т,

R,

(6)

CoRo

Приведя уравнение (6) к общему зн менателю и раскрыв скобки, получим

Е п - коэффициент, определяемый

°Р отношением напряжения пи- тания Eg к его порогу чувствительности.

Уравнение (1) справедливо для случая, когда потери у конденсатора Сд с последовательной схемой замещения равны нулю, а с параллельной схемой замещения равны бесконечности.

Если вместо образцового конденсатора Сд включить исследуемый с последовательной схемой замещения и с реально существующими потерями, то уравнение (1) следует переписать в следующем виде:

Т, C,(RO + R,)lnn . (2)

Данное уравнение полностью справедливо, так как потери включаются последовательно с времязадающим образцовым двухполюсником, конденсатором 8 (RO) во времязадающую цепь, образованную цепочкой, состоящей из

( . % у RO)

Для определения обоих параметров С,(, R необходимо внести в уравнение (2) информационную избыточность в виде изменений величины образцового двухполюсника, например, в сторону увеличения, хотя возможен вариант и в сторону уменьшения, величина приращения выбирается из условия превышения порога чувствительности.

UR R, - R, uR + R (3) где .UR - величина приращения между

образцовыми двухполюсниками R , и R,

(2)

примет следую( о

Тогда уравнение щий вид:

C(RO + uR

Подставив (3) в уравнение лучим окончательное выражение для длительности Т, вновь сформированных

т г

+ R,)lnn .

(4) (4), поч- - л

в виде приращения

Т, C,(R, + Rjlnn.

(5)

Решая совместно систему уравнений (2) и (5) относительно С и R, можно определить измеряемые параметры.

Для этого разделим уравнение (5) на уравнение (2) с целью избавления от одного из неизвестных параметров, а именно С.

Тг R, + R,

Т,

R,

(6)

Приведя уравнение (6) к общему знаменателю и раскрыв скобки, получим

T.R, - T,R, T,R - T.R, ; (7)

Изобретение относится к области измерительной техники и позволяет обеспечить расширение функциональных возможностей за счет раздельного измерения параметров двухэлементных двухполюсников при сохранении точности измерения. Исследуемый двухполюсник подключают во времязадающую цепь автогенератора и измеряют период генерируемых колебаний, после чего подключают дополнительный двухполюсник и по изменению периода определяют параметры двухполюсника. Вид дополнительного двухполюсника и схема его подключения, последовательная или параллельная, определяются предполагаемой схемой замещения измеряемого двухполюсника. 7 ил. г л

Откуда

p - - KX

1 , 2

RI

(8)

Обозначив :-- k, уравнение (8)

о перепишем в следующем виде:

R I-t-lli.R .

Т - Т ( г

(9)

Подставив Ry из уравнения (9), например, в уравнение (5) получим уравнение отсчета для второго параметра, ig а именно С

С,

.т.

InnRg(k-l)

За время внесения избыточности приращение информативного параметра должно быть одним и тем же, т.е. скорость внесения избыточности должна превышать на порядок и более скорость изменения информативного параметра.

Для анализа уравнений (9) и (10) в уравнении (9) разделим числитель и знаменатель на Т, и заново перепишем вновь полученное уравнение

уравнение для его определения

С,

Т, - Т,

Разделив числитель и знаменатель на Т, , перепишем уравнение (14) в более удобной форме, а именно:

(8)

где

10

Уравнения для определения абсолютных (относительных) приращений измеряемых параметров следующие:

(10)

2о

Для получения уравнений отсчета параметров емкостных двухполюсников, 25 выполненных по параллельной схеме

замещения, необходимо изменить структуру генератора прямоугольных импульсов (фиг. 3)

Уравнения отсчета следующие:

При определении параметров индук- ее тивных двухполюсников необходимо

вместо R генераторов, в которых используется обратная связь по напряжению (фиг. 2 и 3), применять LR-re- нераторы прямоугольных импульсов с

ньк двухполюсников, по которым протекает синусоидальный ток.

На фиг. 6 и 7 представлены схемы двух классических вариантов генера- торов синусоидальных сигналов.

Записав выражение для частоты генерации этих генераторов, можно от них перейти к составлению уравнений отсчета параметров исследуемых двух- полюсников.

Рассмотрим порядок получения уравнений отсчета параметров исследуемых двухполюсников на примере RC-генера- тора, так как получение уравнений от- счета параметров индуктивного двухполюсника аналогично.

В общем случае частота генерации RC-генератора синусоидальных сигналов

записывается в следующем виде:

с -

1

27JR,C,

(49)

где R., С,, R.

Со параметры образцовых двухполюсников.

Если в качестве одного из образцовых двухполюсников в контур время- задающей цепи поместить исследуемый двухполюсник 7 (фиг. 6), то уравнение (49) будет представлено в следующем виде:

f

1

(50

21Гл|к,С,К,С.

Как видно из уравнения (50), в него входят два неизвестных параметра, относительно которых разрешить его невозможно.

Поэтому по аналогии с описанным добавим в исследуемый двухполюсник с параллельной схемой замещения информационную избыточность в виде, например, дополнительного двухполюсника R

RX. и нение

д , параллельно включенного с с учетом этого перепишем урав- (50):

R.RO.

R,-bRo

R, C , С

Совместно решая уравнения (50) и (51), получим уравнение отсчета параметров исследуемого двухполюсника:

R,

f f

fj

(52)

Если вместо частоты f подставить выражение периода генерируемых колебаний Т, то уравнение (52) примет другой вид:

R,

т Т.

(53)

с.

R c 4ir R (f| f)

(54)

или

т

т1

7 ,C, - if)

(55)

is

0

Для исключения погрешности от нестабильности R,C, введем вторую информационную избыточность в виде С, подключенную параллельно исследуемому двухполюснику, тогда:

1

f

.(56)

25

2tr-J(C, + CJR,R,C,

Совместное решение уравнений (50) и (56) позволяет получить следующее выражение:

С.

fl

f - fl

(57)

или

Сх

т:

т т 2

А } i 4

(58)

)

40

Разделив числитель и знаменатель уравнений (53) и (58) на т , получим 35 более упрощенные выражения для R и С

1 - m .

R.

R,

GX

m 1

.

(59) (60)

где

m

т;

i. p iJ

T т

Т т

Выражения для абсолютных (относи- 5 тельных) приращений параметров исследуемого двухполюсника записаны в следующей форме:

50

55

(61) (62) (63) (64)

Уравнения отсчета при последовательной схеме замещения двухполюсников следующие:

Cv

с X При измерении параметров двухполюсников индуктивного характера необходимо использовать LR-генератор, изображенный на фиг, 7.

В этом случае частота генерируемых колебаний определяется по следующей формуле:

f

ГКоКх LcL,

(72)

Вводя аналогично указанному в уравнение (72) информационную избыточность в виде дополнительной индуктивности LO и образцового двухполюсника RP, можно получить отсчет любого из параметров.

При последовательной схеме замещения эти уравнения следующие:

, (73)

(74) (75)

(76) 77) 78) (79)

При параллельной схеме замещения индуктивного двухполюсника уравнения примут вид:

RX --V--- -RO (m-1) R«-,(80) i

2 2P - .

m

о ;

L,

p

(81) (82) (83) (84)

(85)

5

0

5

0

5

0

5

тво (фиг. 1), реализующее способ определения параметров пассивных двухполюсников, работает следую- образом.

При подключении во времязадающую

генератора 1 сигналов исследуемого двухполюсника 7 генерируемый сигнал в виде длительности импульса (частоты колебаний) подается на входную шину блока 2 вычисления.

Блок 2 вычисления осуществляет запоминание сигнала и дает команду на управление блоком 3 внесения избыточности, который подключает последовательно (параллельно) исследуемому двухполюснику 7 дополнительный образцовый двухполюсник RO (LO, Сд), одновременно с управляющей шины БВИ 3 осуществляется вариация величины дополнительных образцовых двухполюсников. Вновь генерируемый временной сигнал заносится в следующую ячейку памяти блока 2 вычисления. При необходимости получения третьего временного сигнала с целью более точного измерения второго параметра исследуемого двухполюсника 7 вновь с выходной шины блока 2 вычисления поступает команда на управление блоком 3 внесения избыточности и дополнительное подключение в исследуемый двухполюсник 7 второго образцового двухполюсника и отключение первого.

Третий генерируемый временной сигнал запоминается в одной из ячеек памяти блока 2 вычисления. После этого осуществляется совместная цифровая обработка сформированных временных сигналов согласно полученным выше алгоритмам измерения. Выходные сигналы с выходов блока 2 вычисления в виде кодов чисел, пропорциональных измеренным параметрам исследуемого двухполюсника, поступают на третий и второй входы блока индикации.

Внесение избыточности, можно осуществлять непосредственно самим преобразуемым параметром (при допусково контроле, при измерении приращений), а именно в первом такте формируется сигнал с учетом номинального или граничного значения, т.е. параметра, относительно которого осуществляется контроль либо процесс измерения.

Следовательно, в первом такте рабты генерируемый сигнал является функ цией лишь одного неизвестного параметра.

Во втором такте работы по команде с БВИ 3 начинается генерация сигнала с внесенной избыточностью в виде из- менения второго исследуемого параметра относительно наперед заданного, что исключает необходимость в коммутации дополнительного образцового двухполюсника,

Использование предлагаемого способа определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников позволяет расширить функциональные возможности за счет раздельного измере- ния параметров двухэлементных двухполюсников и создать на его основе универсальный измерительный прибор для измерения параметров датчиков физических величин.

Формула изобретения

Способ определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников, заключающийся в подключении измеряемого и дополнительного двухполюсников во времязадающую цепь автогенератора, измерении временных ха- рактеристик автоколебаний и расчете искомых параметров измеряемого двухполюсника, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет раздельного измерения параметров двухэлементных двухполюсников при сохранении точности измерения, во времязадающую цепь автогенератора вначале подключают измеряемый двухполюсник и осуществляют изменение периода автогенератора в случае использования автогенератора гармонических и линейно изменяющихся сигналов или длительности выходного импульса в случае использования генератора прямоугольных сигналов с помощью дополнительного

двухполюсника, подключаемого последовательно или параллельно с измеряемым в зависимости от схемы замещения.

и измеряют периоды, причем параметры двухполюсника рассчитывают по следующим формулам:

для случая использования генератора с прямоугольными и линейно изменяющимися сигналами, при последовательной емкостной схеме замещения

R«

т г

Т, т;

Т, - Т,

при п араллельной емкостной схеме замещения

Т, Т -

k-Tz

тТ

л

С. С,

.JL

т; - т;

последовательной индуктивной схезамещения

Г,

тГ- тТ т,

R.

Кл

L,

Т, Т,

25

30

при параллельной индуктивной схеме замещения

R.

R Т, П.О -

,-k Т, - Т,

I -- Т,

5

для случая использования автогенератора гармонических сигналов, при параллельной емкостной схеме замещения

R Т- -

RO т7

г

т

Г

-е r -I j t J 1

45 при последовательной емкостной схеме замещения

Т

R RO

z - И 50 с - С -ll-I-b

-у Ч т

при последовательной индуктивной схеме замещения

R П Ii ,

« о т - т«

I г

т

- т

- о J - 1

fuz. J

иг. 2

. 3

;.

Л

kMi

//

/2

-L

Раг.

/

в //

ijHH i fue. 6

г. 5

иг.7