Устройство для измерения параметров двухполюсников Советский патент 1991 года по МПК G01R17/10 

генераторов 2 через соответствующие масштабные усилители 4, KOMMyfaTopbi 3, потенциометры 13, повторители 14 напряжения После выполнения последнего уравновешивания искомые параметры Д определяют из решения системы алгебраических уравнений, которыми выражаются условия равновесия. Для исключения влияния экспоненциальных составляющих выходного напряжения ИЦ во время переходных процессов в ней выполняют их ароматическую компенсацию, последовательно дифференцируя, интегрируя разность выходного напряжения ИЦ и МЫ и вновь сравнивая ее с напряжением на выходе интегратора 19, что в конечном счете расширяет диапазон значений параметров измеряемого Д. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения, параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема замещения которых является многоэлементным двухполюсником (Д). Цель изобретения - расширение пределов измерения параметров четырехэлементных Д за счет возможности проведения уравновешивания во время переходных процессов измерительной цепи (ИЦ) ИЦ , образованную последовательно соединенными образцовым элементом 5 и Д, при каждом уравновешивании подключают посредством коммутатора 3 к соответствующему генератору 2 импульсных сигналов с изменением напряжения в импульсе по закону степенной функции с показателем степени 0,1,2,3. Выходное напряжение ИЦмоделируютв виде суммы из i импульсных сигналов, поступающих на входы сумматора 15 с выходов (Л С

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении параметров пассивных многоэлементных двухполюсников.

Цель изобретения - расширение пределов измерения параметров четырехэле- ментных двухполюсников за счет возможности проведения уравновешивания во время переходных процессов в измерительной цепи.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения параметров двухполюсников.

Устройство содержит задающий генератор 1, выход которого соединен с входами управления генераторов 2-1 - 2-4 импульсов прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной формы соответственно, четырехплатный коммутатор 3 на четыре положения. Выход генератора 2-1 прямоугольных импульсов подключен к первому, второму, третьему и четвертому контактам плат 3-1 -3-4 коммутатора соответственно. Выход генератора 2-2 линейно изменяющихся импульсов подключен к второму контакту первой платы 3-1 непосредственно, а к третьему и четвертому контактам второй и третьей плат 3-2 и 3-3 коммутатора - через первый 4-1 и второй 4-2 масштабные усилители соответственно. Выход генератора 2-3 квадратичных импульсов соединен с третьим контактом первой платы 3-1 непосредственно, а с четвертым контактом второй платы 3-2 - через третий усилитель 4-3. Выход генератора 2- 4 кубичных импульсов подключен к четвертому контакту первой платы 3-1. Первый выход коммутатора 3 через образцовый резистор 5 (Ro) соединен с первой клеммой 6, а вторая клемма 7 для подключения исследуемого двухполюсника 8 подключена к общей шине.

Схема замещения двухполюсника 8 содержит первый резистор 9 (Ri), параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор 10 (d) и второй резистор 11 (R2), параллельно которому включен второй конденсатор 12 (С2). Первые выводы потенциометров 13-1 - 13-4 соединены с соответствующими выходами коммутатора 3, а вторые выводы через повторители 14-1 - 14-4 напряжения подключены к соответствующим входам параллельного сумматора 15, выход которого

соединен с первым входом дифференциального усилителя 16, второй вход которого через пятый повторитель напряжения 14-5 подключен к клемме 6. Первый вход нуль- органа 17 соединен с общей шиной, второй

вход подключен к выходу дифференциального усилителя 16 через последовательно соединенные дифференциатор 18 и интегратор 19, а третий вход - непосредственно, между четвертым входом нуль-органа 17 и

выходом задающего генератора 1 включен элемент 20 задержки

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии подвижные контакты коммутатора 3 находятся в в верхнем по схеме положении, а движки потенциометров 13-2 - 13-4 в нижнем. Положение движка потенциометра 13-1 безразлично Сопротивление исследуемого двухпо-(

люсника 8 в операторной форме равно:

z«(p-i

Р Й1 ( Ci + С; ) + 1

:C,C,(P4p :rC + RlW) 0)

где Р - оператор Лапласа.

Соответственно изображение выход- ного напряжения измерительной цепи, являющейся делителем, образованным резистором 5 и двухполюсником 8,равно

Ui(P) U.,(P)-j

P+1/(Ra(Ci+C;)|

RoRiC +RoR;Ci -t-RoR2Ci +RiRiCi +SiR;Ci Ro Rt Rj Ci C2

RO + RI RoRrRiCiCj

m

где UBX(P) - напряжение на выходе первой платы 3-1 коммутатора.

Известно, что при воздействии импульсов прямоугольной линейной, квадратичной, кубичной форм оригинал выходного напряжения (2) вид

21

Ui(t) U™ (А, + | Bie Ч )

Ui(t)(Ait+A2 i C,e l i i/

Ui( (Аи5+ А2Ч-Аз + i Ote MВ)

1ц 1)/v

Ul(t)-yf (A|11+3A2J2 +3A3I+A1+ $ f,e l u

где tn - время действия импульсного сигнала;

т - постоянные времени измерительной цепи, определяемые согласно (2) значениями параметров двухполюсника 8 и образцового резистора 5;

B,C,D,F - коэффициенты, определяемые также значениями параметров двухполюсника и образцового резистора, коэффициенты Ач-А равны:

Вначале импульсы прямоугольной формы с выхода гензратора 2-1 через первый контакт платы 3-1 коммутатора 3 поступают на измерительную цепь и первый вывод потенциометра 13-1. В соответствии с первым уравнением системы (3) выходное напряжение измерительной цепи Ui(t) имеет форму прямоугольного импульса, алгебраически просуммированного с двумя экспоненциальными составляющими. Через повторитель 14-5 напряжения (служащий для уменьшения влияния паразитных параметров схемы) это напряжение поступает на первый вход дифференциального усилителя 16.

Выходное напряжение потенциометра 13-1, равное UmKi через повторитель 14-1 напряжения поступает на второй вход усилителя 16 (Ki - коэффициент передачи потенциометра 13-1, принимающий значения О Ki 1). Так как движки потенциометров 13-2 - 13-4 находятся в крайнем нижнем по схеме положении, то на остальных входах сумматора 15 нулевое напряжение, поэтому выходное напряжение U2(t) сумматора 15, поступающее на второй вход усилителя 16, равно U2(t) UmKi. Соответственно выходное напряжение 1)зй дифференциального усилителя 16 имеет вид

U3(t)Um (Ai+ 2, Bie Tl)-Ki

Напряжение (5) последовательно подвергается операциям дифференцирования и интегрирования в блоках 18 и 19, соответствующие выходные напряжения которых имеют вид

0

5

U4

( | (™)В.

t

т

Us(t) U

i 1

. i

Bie

t

Г|

;(6)

(7)

U | r

где Tg , ru- постоянные времени дифференциатора 18 и интегратора 19.

При равенстве постоянных времени дифференциатора и интегратора rg ru выходное напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет вид

t

U5(t) Um 2, Bie

r

i 1

(8)

Результат сравнения напряжений (5) и (8) 9 нуль-органе 17 имеет вид

t

25

UG(t) Um f(Ai + Ј Bie r )-Kil

Bie

ri

Um ( Ai - Ki ) . (9)

30

35

40

45

50

55

Таким образом, напряжение (9) имеет форму прямоугольного импульса, т.е. в устройстве произошла автоматическая компенсация экспоненциальных составляющих выходного напряжения измерительной цепи. Это открывает возможность производить уравновешивание, не ожидая окончания переходных процессов в измерительной цепи, длительность которых определяется значениями параметров двухполюсника. (8). Это позволяет, в отличие от прототипа, расширить диапазон значений параметров двухполюсника. При этом, как и в прототипе, полярность и амплитуда прямоугольного импульса в нуль-органе 17 однозначно определяют направление и расстояние перемещения движка потенциометра.

Регулируя положение движка потенциометра 13-1, добиваются равенства нулю напряжения(Э), выполняя тем самым первое условие равновесия

Ri

Ki Ai

(Ю)

Ro+Ri

Состояние равновесия здесь и далее фиксируют по экрану осциллографа, выполняющего функции нуль-органа 17. При этом, импульсы синхронизации нуль-органа 17 поступают с выхода задающего генератора 1 через элемент 20 задержки. Задержка необходима для того, чтобы успели закончиться переходные процессы в электронных узлах схемы преобразователя.

Затем подвижные контакты коммутатора 3 перемещают в следующее положение на одну позицию вниз. При этом на измерительную цепь и первый потенциометр 13-1 поступают линейно изменяющиеся импульсы с выхода генератора 2-2 через второй контакт первой платы 3-1, а на потенциометр 13-2 поступают прямоугольные импульсы с выхода генератора 2-1 через второй контакт платы 3-2.

Выходное напряжение измерительной цепи соответствует второму уравнению системы (3), а выходное напряжение сумматора 15 состоит уже из двух слагаемых

Um

U2(t) -UmK2.

tu

(11)

С учетом выполнения первого условия равновесия (10) выходное напряжение диффе- 20 ренциального усилителя 16 имеет вид

U3(t) (A2+ i Cie

lu | -i

UmK2

(12)

По аналогии с (6) и (8) можно показть, что выходное напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет вид

5(t)

и

m

tu

2

2

1

Cie

t r

(13)

Результат сравнения напряжений (12) и (13) в нуль-органе 17 имеет также форму прямо- угольного импульса

U6(t)A2-UmK2. (14)

Регулируя положение движка потенциометра 13-2, добиваются равенства нулю напряжения (14), выполняя тем самым второе условие равновесия

А2 „ - Ка.

tu

(15)

Затем подвижные контакты коммутато- ра 3 перемещают в следующее положение на одну позицию вниз.

Выходное напряжение Ui(t) измерительной цепи соответствует теперь третьему уравнению системы (3), э выходное напряжение сумматора 15 U2(t) формируется уже из трех слагаемых

U2(t) Um 2Um

t2u

-

tu

t K2 + Um K3 .

(16)

Удвоение значения второго слагаемого (16) происходит вследствие того, что линейно изменяющиеся импульсы с выхода генератора 2-2 поступают на потенциометр 13-2

через масштабный усилитель 4-1, имеющий коэффициент усиления 2. По аналогии с 5), с учетом выполнения условий равновесия (10) и (15), можно показать, что выходное напряжение Daft) дифференциального уси- лителл 16 имеет вид

Us

U

(t)-if-(A3+ I D,e т } -U

tu

Кз

(17)

Соответственно выходное напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет вид

Ur

tu 1 1

S D,e

Т

(18)

Таким образом, результат сравнения напряжений (17) и (18) будет также иметь форму прямоугольного импульса

U6(t)-%-A3

tS

UmK3.

(19)

Регулируя положение движка потенциометра 13-3, добиваются равенства нулю напряжения (19), выполняя тем самым третье равновесие

Аз (20)

tS

К3

Затем подвижные контакты коммутатора 3 устанавливают в четвертое, крайнее нижнее положение и аналогично уравновешивают сравниваемые величины Us(t)n Ue(t) изменением положения движка потенциометра 13-4. Выходное напряжение Ui(t) измерительной цепи определяется последним уравнением системы (3), а выходное напряжение U2(t) сумматора 15 состоит из четырех слагаемых

U2(t) t3Ki- -t2K2 + tutu

+ - -tK3-UmK4.(21)

tu

Утроение значений второго и третьего слагаемого (21) происходит вследствие того, что квадратичные и линейно изменяющиеся импульсы с выходов генераторов 2-3 и 2-2 поступают на потенциометры 13-2 и 13-3 через масштабные усилители 4-3 и 4-2 соответственно, имеющие коэффициент усиления 3. Компенсация экспоненциальных составляющих в выходном напряжении 1)зМ усилителя 16 происходит так же, как и при предыдущих уравновешиваниях и четвертое условие равновесия имеет вид

А4

tu

К4.

(22)

Из решения системы уравнений (10), (15), (20), (22) с учетом значений (4) коэффициентов находят формулы для вычислений параметров двухполюсника 8

2

Ki

RI RO

Ci

1 -Ki

tuK2 . RoKi

; Ra Ro

Ki K3

-Ki

2K2

C2 tu 2 K2 K4 - 3 K2 X

X ( 1 - Ki У ( Кз + 2 K2 - Ki Кз )2 - 6 K2 X

X ( 1 - Ki ) ( Ki Кз - 2 K2 ) ( Кз + 2 K2 1- Ki Кз ) - 3 У2 ( Ki Кз - 2 K2 ) / 3 Ro X

X( 2 K2 - Ki Кз )2 .(23)

Таким образом, устройство для измерения параметров двухполюсников в отличие от прототипа позволяет определить параметры двухполюсника не ожидая окончания переходных процессов в измерительной цепи. Это открывает возможность для расширения диапазона значений параметров исследуемого двухполюсника. При этом полностью сохранены достоинства, присущие прототипу: применение только однотипных управляемых элементов, раздельное уравновешивание, возможность измерения параметров двухполюсни ков с другими схемами замещения. Формула изобретения Устройство для измерения параметров двухполюсников, содержащее задающий генератор, выход которого соединен с входами управления генераторов импульсов прямоугольной линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, четырех- платный коммутатор на четыре положения, первый, второй, третий и четвертый контакты соответствующих плат которого подключены к выходу генератора прямоугольных

.

10

15

20

25

30

35

40

импульсов, выход генератора линейно изменяющихся импульсов соединен с вторым контактом первой платы непосредственно, а с третьим и четвертым контактами пторой и третьей плат коммутатора через первый и второй масштабные усилители соответственно, выход генератора квадратичных импульсов подключен к третьему контакту первой платы непосредственно, к четвертому контакту второй платы - через третий масштабный усилитель, выход генератора кубичных импульсов соединен с четвертым контактом первой платы коммутатора, четыре потенциометра, первые выводы которых подключены к выходам соответствующих плат коммутатора, а вторые выводы через соответствующие повторители напряжения подключены к входам параллельного сумматора, образцовый резистор, первый вывод которого соединен с выходом первой платы коммутатора, а второй вывод подключен к первой клемме для подключения исследуемого двухполюсника к входу пятого повторителя напряжения, при этом вторая клемма, третьи выводы всех потенциометров и первый вход нуль-органа соединены с общей шиной, отличающееся тем, что, с целью расширения пределов измерения параметров четырехэлементных двухполюсников, в него введены дифференциальный усилитель, интегратор, дифференциатор и элемент задержки, включенный между выходом задающего генератора и вторым входом нуль-органа, третий вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя непосредственно, а четвертый вход через последовательно соединенные дифференциатор и интегратор, при этом первый вход дифференциального усилителя соединен с выходом пятого повторителя напряжения, а второй вход подключен к выходу сумматора.