Преобразователь параметров многоэлементных двухполюсников Советский патент 1990 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для . измерения параметров п-элементных нерезонансных двухполюсников, через значения параметров эквивалентного двухполюсника, содержащего п/2 последовательно соединенных резисторов, причем второй вывод последнего резистора объединен с вторыми выводами п/2 катушек индуктивностей, первые Выводы которых подключены к первым выводам соответствующих резисторов. Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения измерения параметров п- элементного двухполюсника, а также

обеспечения пересчета параметров других исследуемых нерезонансных двухполюсников через значения параметров эквивалентного двухполюсника.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема преобразователя параметров многоэлементных двухполюсников, где на фиг. 2 - эквивалентный исследуемый двухполюс- ник.

I Преобразователь содержит задающий генератор 1, выход которого соединен с входами генераторов 2-6 импульсов .с изменением напряжений по законам степенных Функций с показателями степени п-1 и входом элемента 7 задержки выход которого через ключи 8-12 подключен к управляющим входам элементов 13-17 выборки и хранения. Выходы генераторов 2-6 соединены через клю- ,чи 18-22 с входными цепями операци- ,онных усилителей 23 и 24. Первый образцовый элемент 25 (L0) включен во входную цепь усилителя 24, а второй образцовый элемент 26 (С0) - в цепь обратной связи усилителя 23. Исследуемый двухполюсник 27 содержит последовательно соединенные резисторы 28-30 (R, , R4,... ,Rn.p , причем второй выход последнего резистора 30 объединен с вторыми выводами катушек 31-33 индуктивностей (L.,,L 2,.. . ,Ln/i) , первые выводы которых подключены к первым выводам соответствующих резисто- ров 28-30 и подключен в цепь обратной связи усилителя 24 к клеммам 34 и 35. Настраиваемая модель 36 исследуемого двухполюсника включена во входную цепь усилителя 23. Модель 36 содержит последовательно соединенные ключи 37- 39 и переменные конденсаторы 40-43 (С, ,С7 ,... ,Сп/1) , причем второй вывод последнего конденсатора 43 объединен с вторыми выводами переменных резне- торов 44-46 (г,, г г,..., r(t|№,,), первые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих конденсаторов. Выходы усилителей 23 и 24 подключены к входам вычитающего блока 47, выход которого соединен с информационными входами элементов 13-17 выборки и хранения и нуль-органа 48. Вход синхронизации нуль-органа 48 соединен с выходом элемента 7 задерж

5 0 5 0 5 0 5

0

5

ки. Выход первого элемента 13 непосредственно соединен с первым выходом преобразователя и первым входом блока 49 пересчета, а выход любого из элементов 14-17 выборки и хранения соединен с соответствующими выходом преобразователя и входом блока 49 пересчета через пару последовательно соединенных делительных звеньев 50-57 (например, третий выход - через звенья 52 и 53), вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента выборки и хранения и предыдущим выходом преобразователя соответственно, исследуемый двухполюсник 58, параметры которого могут быть определены через эквивалентные значения параметров двухполюсника 27.

Преобразователь работает следующим образом.

Для случая исследуемый двухполюсник 27 состоит из резисторов 28, 29 и катушек индуктивностей 31, 32, причем второй вывод резисторов 29 объединен с вторыми выводами катушек индуктивностей 31, 32. Модель 36 содержит переменные конденсаторы 40, 41, ключ 37, причем второй вывод конденсатора 41 объединен с вторым выводом переменного резистора 44. Следует заметить, что число переменных элементов и модели 36 всегда должно быть равно п-1, т.е. на единицу мень- ше, чем число элементов измеряемого

двухполюсника 27.

j

В исходном состоянии ключи 8, 18 замкнуты, а ключи 19-21, 8-11, 37 разомкнуты, значения параметров переменных элементов модели 36 равны нулю. Тактовые импульсы задающего генератора 1 поступают на вход генератора 2 прямоугольных импульсов, работающего в ждущем режиме. Выходные импульсы прямоугольной формы U i(t)U|tit° Um(t - время) длительностью tH генератора 2 через контакты ключа 18 поступают во входные цепи усилителей 23, 24. С учетом того, что коэффициент усиления и входной импеданс усилителя 24 достаточно велики, его передаточную Функцию Т14(Р) можно определить из известного соотношения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема которых является N-элементным двухполюсником (Д). Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя путем обеспечения измерения параметров N-элементного двухполюсника, а также обеспечения пересчета параметров других исследуемых нерезонансных двухполюсников через значения параметров эквивалентного двухполюсника - достигается введением N генераторов импульсов с изменением напряжения по законам степенных функций, выходные напряжения которых поочередно подаются на входы двух операционных усилителей (ОУ). В обратную связь первого ОУ включен Д, а во входную цепь второго ОУ - модель Д, состоящая из переменных элементов. Выходные напряжения вычитающего блока, подключенного к выходам ОУ фиксируются N элементами выборки и хранения (ЭВХ), затем поочередно приводятся к нулю регулировкой соответствующих элементов модели Д при подаче на входы ОУ выходных напряжений первого - N-го генератора импульсов соответственно. Выходное напряжение первого ЭВХ пропорционально первому параметру Д, а значения остальных определяются выходными напряжениями делительных звеньев, подключенных к выходам N ЭВХ. При измерении параметров объектов, имеющих другую схему замещения, блок пересчета осуществляет вычисление искомых параметров любого друго

тт zil(p) - p4Lj(pj R liE-jS A m

PL L0 P4L1L1+P(R,L1+PJJ1+R,IL1)+P1P1 v

где Р - оператор Лапласа; (P) - сопротивление исследуемого

двухполюсника 27 в операторной форме.

Изображение выходного напряжения (Р) в соответствии с (1) равно:

Ц

W

UZ4((P)W24(P),

(2)

- И

где U2(P) - выходное напряжение гене- ю окончания переходных процессов выходратора 2. форме.

в операторной

Аналогично можно показать, что

иг(р)

)-Uj(P)W (Р)

PC0Z3/P)

(3)

.где Z36(P) 36

сопротивление модели в операторной форме. На основании (2) можно показать, что оригинал выходного напряжения усилителя 24 после окончания переходных процессов (Ц) определяется параметром L1:

(А)

Это напряжение через вычитающий блок 47 (т.к. переменные элементы модели 36 установлены в нулевые положения, то на выходе усилителя 23 нулевой потенциал) поступает на информационные входы элементов 13-16 выборки и хранения и фиксируется элементом 13, т.к. на его управляющий вход поступают через замкнутый ключ 8 задержанные элементом 7 задержки тактовые импульсы. Время задержки элемента 7 выбирается заведомо больше длительноти переходных процессов. Затем ключ 8 размыкают и на выходе элемента 13 выборки и хранения, подключенного к первому выходу преобразователя, присутствует напряжение (4), однозначно определяющее параметр 1. Затем изменением значения емкости переменного конденсатора 40 выходное напряжение

т

. дится к нулю:

вычитающего блока 47 привоU47(t)-U14(t)-U.,(t)U

при этом С,L

7-э

Јо 0 L.

),U(t) - выходное напряжение

Jtj

операционных усилителей 23 и 24 соответственно.

15396796

Состояние равновесия здесь и далее

фиксируется нуль-органом 48. Далее ключ 18 размыкается, а ключи 19 и 9 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 поступают линейно-изменяющиеся импульсы с выхода генератоj a 3: U3 (,, -- , при этом после

- И

ное напряжение вычитающего блока 47, определяемое разностью напряжений на его в ходах, с учетом (5), будет равно:

5

VO

и„

и.

4V

RI

Ctf

(6)

Напряжение (6) Фиксируется элементом 14 выборки и хранения, управляемым выходными импульсами элемента 7 задержки, поступающими через контакты ключа 9, и затем дважды делит- (4) делительными

ся на напряжение звеньями 50 и 51

V

Um4 ,

(7)

Затем ключ 9 размыкают, и изменением величины сопротивления переменного резистора 44 выходное напряжение вычитающего блока 47 приводится к нулю:

35

0, при (8)

R,c0

Далее ключ 19 размыкается, а ключи 20 и 10 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 с выхода генератора 4 поступают импульсы с изменением напряжения по закону квадратичной параболы:

45

U4(t)Um(-)2.

0

5

После окончания переходных процессов выходное напряжение вычитающего блока 47 с учетом выполнения условий (5) и (8) будет равно:

UjSi/Cj +

2 riLic ri(ji- zun

Ы;1) RJ ; L L,

(9)

Это напряжение фиксируется элементом 15 выборки и хранения, управляемым выходными импульсами элемента 7 задержки, поступающими через контакты ключа 10, и затем делится на напряжения (6) и (7) делительными звеньями 52 и 53 соответственно:

ч.2. Е:

(10)

Затем размыкается ключ 10, замыкается ключ 37 и изменением величины емкости переменного конденсатора 41 выходное напряжение вычитающего блока 47 приводится к нулю:

212

LiL г OTY ViC-tC i,

TI отт ,-.ium - -- -/um --j--u,

LW Ь0Р ,

Q

при этом -- . L л

(И)

Далее ключ 20 размыкается, а ключи 21 и И замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 с выхода генератора 5 поступают импульсы с изменением напряжения по закону кубичной параболы: U5(t)Uw(t/tM )э. После окончания переходных процессов выходное напряжение вычитающего блока 47 с учетом выполнения .условий (5), (8) и (11) будет равно:

тт ft $USL LJ. э LJ t + fL + I 6 t 2R, t S

2 7Ч 1

L.Li, LJ(L,+L«) 4Lil R f;RlP P J ,

Сх 3 rjc tWt-r3C4

6 t 2 t r;Ci r Ci -2г;с;сХс:сг2 бит -

zp ,кг

(12)

Это напряжение фиксируется элементом 16 выборки и хранения, управляемым выходными импульсами элемента 7 задержки, поступающими через контакты ключа 11, и затем делится на напряжения (9) и (10) делительными звеньями 54 и 55 соответственно:

IT - Lo 2UmtMR,

(13)

Таким образом, выражения (4), (7), (10), (13) однозначно определяют искомые параметры L,, P1, L15 R t исследуемого двухполюсника 27. При увеличении числа элементов п исследуемого двухполюсника порядок работы преобразователя аналогичен вышеприведенному.

Данный преобразователь позволяет определить параметры любого нерезонансного многоэлементного двухполюс

5

0

5

0

5

ника, состоящего из п элементов. Необходимым условием при этом является соответствие передаточной функции усилителя 24 виду (1), что достигается включением образцового элемента 25 и исследуемого двухполгсника 27 либо во входную цепь, либо в цепь отрицательной обратной связи усилителя 24, а также варьированием характера применяемого образцового элемента 25 (образцовой катушки индуктивности LO, образцового конденсатора С0 или образцового резистора R0). Например, исследуемый двухполюсник 58 (Лиг.2) включается в цепь обратной связи, а эбразцовый элемент 25 (резистор R0) - во входную цепь усилителя 24, передаточная функция которого V (Г) в этом случае имеет вид, аналогичный

(О;

v (Р) Ы11 х

R, Е„

Р(Р Р4Сэ+РзР4С)+Рз ,,,, FR R4C3c7+P (,)+T V

Следовательно, порядок уравновешивания и функционирования делительных звеньев 50-55 одинаков при исследовании двухполюсников 27 и 58. Выра- жения (4), (7), (10), (13) принимают

ВИД . RS

m p Ко

Ro(C3+C) .

UmtH

и

24

и

5-1

(15)

(16)

U53

2umR4c;

к ТСэ+С4)г

.(17)

ЗКоСз(С3+С4)

UJ5

(18)

2UmtHC4

Совместньш анализ выражений (4), (7), (10), (13) и выражений (15)-(18) позволяет получить формулы пересчета от эквивалентных значений параметров

R13M R«3Ktf

U13K1

I двухполюсника 27

7 ЭКв

R l 1HK . 7Р.ПI ЯНПЛ Э-fXUTI/ lf

.. „ ..}, V 4, t3, u4

измеряемого двухполюсника 58:

Из системы уравнений 19 следует:

конам степенных функций с показате лями степени О, 1, 2, 3, 4, а выхо через соответствующие ключи подклю чены к первому выводу настраиваемо модели исследуемого двухполюсника, второй вывод которой соединен с пе 10 вым выводом первого образцового эл мента и первым входом первого операционного усилителя, второй вход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя и

Напряжения, определяемые выражениями (15)-(18),с первого-четвертого выходов преобразователя поступают на соответствующие входы блока 49 пересчета. Блок 49 пересчета по алгоритму 15 общей шиной, при этом второй вход определяемому выражениями (20), осуществляет расчет искомых параметров R3, R4) С3, C4 двухполюсника 58.

Аналогично можно получить формулы пересчета от значений эквивалентных 20 параметров , Ь 2 квдвухполюсника 27 к искомым параметрам х. любого другого нерезонансного многоэлементного двухполюсника, при этом число параметров этого двухполюсника долж- 25 но быть равно числу параметров двухполюсника 27.

Таким образом, данный преобразователь позволяет определить параметры n-элементных нерезонансных двухполюс- 30 ников и может найти применение при определении параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема которых представляет собой п- элементный двухполюсник. Например, двухполюсник 27 представляет собой схему замещения, встречающуюся в устройствах автоматики, связи в качестве амплитудных корректоров, плечей фильтров, двухполюсник 58 - схему замещения белкового раствора. По сравнению с прототипом данное изобретение позволяет расширить функци- ональные возможности устройства, так как обеспечивает измерение параметров n-элементного двухполюсника. В данном решении уравновешивание по каждому параметру осуществляется раздельно , т.е. выполняется однократной регулировкой переменных элемен- 50 тов.

35

40

45

второго операционного усилителя со динен с первым выводом второго обр цового элемента и с первой клеммой для подключения исследуемого п-эле ментного двухполюсника, выход перв го операционного усилителя подключен к второму выводу первого образ цового элемента и первому входу вы читающего блока, выход которого по ключен к информационным входам пят элементов выборки и хранения, вход управления элементов через соответ ствующие ключи соединены с выходом элемента задержки, выход первого э мента выборки и хранения подключен к первому выходу преобразователя, выход любого из оставшихся элемент соединен с соответствующим выходом преобразователя через пару последо тельно включенных делительных звеньев, вторые входы которых соедине с выходом предыдущего элемента выборки и хранения и предыдущим выхо дом преобразователя соответственно вторую клемму для подключения иссл дуемого n-элементного двухполюсник отличающийся тем, что, целью расширения области применени в него введены 2п-5 ключей, 2п-8 делительных звеньев, нуль-орган, блок пересчета, п-5 элементов выборки и хранения и п-5 генераторов импульсов, выходные напряжения кот рых изменяются по законам степенны функций с показателями степени 5,6,...,п-1, входы которых соедине с выходом задающего генератора, а выходы через п-5 соответствующих ключей подключены к первым выводам модели исследуемого двухполюсника второго образцового элемента, при этом вторая клемма для подключения исследуемого n-элементного двухполюсника соединена с выходом второг

Формула изобретения

20)

153967910

импульсов, выходные напряжения кото-,, рых соответственно изменяются по за конам степенных функций с показателями степени О, 1, 2, 3, 4, а выходы через соответствующие ключи подключены к первому выводу настраиваемой модели исследуемого двухполюсника, второй вывод которой соединен с пер- 10 вым выводом первого образцового элемента и первым входом первого операционного усилителя, второй вход которого соединен с первым входом второго операционного усилителя и с

ниями выхоа сореритму 15 общей шиной, при этом второй вход осутров.

общей шиной, при этом второй вход

0 5

0 0

5

0

5

5

второго операционного усилителя соединен с первым выводом второго образцового элемента и с первой клеммой для подключения исследуемого п-эле- ментного двухполюсника, выход первого операционного усилителя подключен к второму выводу первого образ- . цового элемента и первому входу вычитающего блока, выход которого подключен к информационным входам пяти элементов выборки и хранения, входы управления элементов через соответствующие ключи соединены с выходом элемента задержки, выход первого элемента выборки и хранения подключен к первому выходу преобразователя, выход любого из оставшихся элементов соединен с соответствующим выходом преобразователя через пару последовательно включенных делительных звеньев, вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента выборки и хранения и предыдущим выходом преобразователя соответственно, вторую клемму для подключения исследуемого n-элементного двухполюсника, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, в него введены 2п-5 ключей, 2п-8 делительных звеньев, нуль-орган, блок пересчета, п-5 элементов выборки и хранения и п-5 генераторов импульсов, выходные напряжения которых изменяются по законам степенных функций с показателями степени 5,6,...,п-1, входы которых соединены с выходом задающего генератора, а выходы через п-5 соответствующих ключей подключены к первым выводам модели исследуемого двухполюсника и второго образцового элемента, при этом вторая клемма для подключения исследуемого n-элементного двухполюсника соединена с выходом второго

усилителя и с вторым входом вычитающего блока, выход которого подключен к входу нуль-органа и к информационным входам остальных п-5 элементов выборки и хранения, управляющие входы которых подключены к выходу элемента задержки через п-5 соответствующих ключей, выход любого из элементов соединен с соответствующим выходом преобразователя через пару последовательно соединенных делительных звеньев, вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента и предыдущим входом преобразова-15с вторыми выводами (п/2)-1 переменных

теля соответственно, при этом п вхо-резисторов, первые выводы которых

дов блока пересчета подключены к псоединены с вторыми выводами соотсоответствующим выходам преобразова-ветствующих конденсаторов.

ЗГЯрйг 1

дарЙ

«ч

ft

ZSHCe

теля, а вход синхронизации нуль-органа соединен с выходом элемента задержки.

Фиг.1

Составитель В.Семенчук Редактор М.Циткина Техред М.Ходанич

Заказ 215

Тираж 540

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Фае.2.

Корректор Э.Лончакова

Подписное