Мостовое устройство для измерения параметров трехэлементных двухполюсников Советский патент 1992 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике а более конкретно к мостовым цепям и может быть использовано в автоматике,телемеханике связи

Известно устройство, предназначенное для измерения параметров трехэлементных двухполюсников, содержащее первый и второй операционные усилители к входу первого подключен резистор, к входу второго - регулируемый резистор, в цепь отрицательной обратной связи второю включен конденсатор, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор, источник напряжения и объекты измерения Имеются интегратор, дифференциатор два ключа третий операционный усилитель, регулируемый конденсатор, резистор, сумматор, детектор определения линейности переходного напряжения, детектор выделения информации о наличии линейной составляющей, входы двух операционных усилителей через резисторы соединены с интегратором, шунтированным ключом, соединенным с генератором прямоугольных импульсов, вход третьего операционного усилителя через объект измерения соединен с выходом интегратора, в цепь отрицательной обратной связи третьего операционного усилителя, выход которого через дифференциатор, шунтированный ключом соединен с первым входом дифференциального усилителя и детектором определения линейности переходного напряжения включают последовательно соединенные резистор и ре улируемый конденсатор, в цепь отрицательной обратной связи первого операци ч о ьо ю

V4

онного усилителя включен регулируемый резистор, а выходы первого и второго операционных усилителей через сумматор сое- диняютсвторымвходом

дифференциального усилителя, выход которого присоединен к первому входу детектора выделения информации о наличии линейной составляющей, второй вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов.

Рассматриваемое устройство обладает низкой точностью измерения при малых параметрах К /1/ (и сравнительно больших постоянных времени объекта измерения) вследствие неточности установления равенства регулируемого нуля полюсу изобра- ж е н и явыходногонапряжения

операционного усилителя 5.

Известно устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов, соединенный с интегратором, шунтированным ключом. Выход интегратора через резистор соединен с входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен объект измерения. Выход операционного усилителя соединен через регулируемый резистор с входом операционного усилителя, в цепь отрицательной об- ратной связи которого включен конденсатор. Выход операционного усилителя через резистор соединен со входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор. Выходы операционных усилителей соединены с входами сумматора, выход которого через дифференциатор, шунтированный ключом, соединен с детектором определения линейное;и переходного напряжения, Выход генератора прямоугольных импульсов через резистор соединен с операционным усилителем, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор. Выход операционного усилителя соединен с сумматором, соединенным с одним входом дифференциального усилителя. Выход генератора прямоугольных импульсов через регулируемый резистор соединен с входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор. Выход операционного усилителя соединен с сумматором. Выход дифференциатора соединен с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с нуль-индикатором и с детектором выделения информации о наличии линейной составляющей.

В этом устройстве имеется низкая точность измерения при малых параметрах К

импеданса объекта измерения, что обусловлено неточностью установления равенства регулируемого нуля полюсу изображения выходного напряжения сумматора. Причиной является высокая погрешность, в данном случае вызванная детектором определения линейности переходного напряжения. Малые коэффициенты К (при постоянной времени порядка 10 сек)

0 встречаютсяпри измерениях состава бинарных растворов влажности веществ с использованием емкостных датчиков,

Целью изобретения является повышение точности измерения.

5Для достижения поставленной цели устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов, операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор, вто0 рой операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной св-язи которого включен переменный резистор, выходы. обоих операционных усилителей присоединены к сумматору, соединенному с диффе5 ренциатором, шунтированным ключом, интегратор, шунтированный вторым ключом, резистор,соединенный с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, в цепь отрицательной обрэткои

0 связи которого включен измеряемый двухполюсник, четвертый операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор, соединен со вторым сумматором, который

5 соединен с выходом пятого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор, а инвертирующий вход через регулируемый резистор соединен с выходом генератора

0 прямоугольных импульсов. Выход второго сумматора и выход интегратора соединены со входами третьего сумматора, к выходу которого подключен нуль-индикатор. Имеются два резистора и два регулируемых ре5 зистора. Устройство снабжено одним регулируемым резистором, двумя детекторами, служащими для определения экспоненциальной формы напряжения.

Генератор прямоугольных импульсов

0 через два резистора подключен к инвертирующим входам операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого параллельно конденсатору включен переменный резистор, и второго операци5 оиного усилителя. Дифференциатор подключен к резистору, соединенному с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого подключен через интегратор к детектору, служащему для определения экспоненцизльной формы напряжения. В цепь отрицательной обратной связи пятого операционного усилителя параллельно конденсатору включен регулируемый резистор. Инвертирующий вход четвертого операционного усилителя через регулируемый резистор соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов. Выход третьего сумматора соединен со вторым детектором, служащим для определения экспоненциальной формы напряжения.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов 1, соединенный через резистор 2 с инвертирующим входом операционного усилителя 3, в цепь отрицательной обратной связи которого параллельно включены регулируемый резистор 4 и конденсатор 5. Выход операционного усилите- ля 3 соединен с сумматором б, соединенным с операционным усилителем 7, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор 8, к инвертирующему входу подключен рези- стор 9, соединенный с выходом генератора прямоугольных импульсов 1. Сумматор 6 через дифференциатор 10, параллельно которому включен ключ 11 подключен к резистору 12. соединенному с инвертирую- щим входом операционному усилителю 13, в цепь отрицательной обратной связи которого включен измеряемый двухполюсник 14. Выход операционного усилителя 13 через интегратор 15, параллельно которому включен ключ 16, соединен с детектором, служащим для определения экспоненциальной формы напряжения 17. Выход генератора прямоугольных импульсов 1 через резистор 18 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 19, в цепь отрицательной обратной связи которого параллельно включены регулируемый резистор 20 и конденсатор 21. Выход операционного усилителя 19, соединен с сумматором 22, соединенным с выходом операционного усилителя 23, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор 24. а к инвертирующему входу подключен регулируемый рези- стор25, соединенный с выходом генератора прямоугольных импульсов 1 Сумматор 22 соединен с сумматором 26, подключенным к выходу интегратора 15, к детектору, служащему для определения экспоненциаль- ной формы напряжения 27, нуль-индикатору 28.

Устройство работает следующим образом.

Операторное сопротивление объекта измерения 14 описывают выражением

Р

где К, a ,/ - масштабный коэффициент, полюс и нуль объекта измерения 14;

п 0, ± 1 - в зависимости от вида объекта 14 измерения (трехэлементного двухполюсника);

Р - комплексный параметр. При п 0 ключи 11 и 16 замкнуты, при п 1 ключ 11 разомкнут, а ключ 16 замкнут, при п -1 ключ 11 замкнут, а ключ 16 разомкнут.

Напряжение на выходе сумматора 6, при условии, что в промежутках между прямоугольными импульсами переходные процессы в цепи затухают, равно

J1

Р R2 Cs P + 1/R4 Сб

U6(t)4

, Е Re + Р R9

р

fy -1/R4C5 Щ6

где Е - амплитуда прямоугольных импульсов;

R2, R4, Ra, RQ активные сопротивления резисторов 2, 4, 8, 9;

СБ - емкость конденсатора 5. При условии

R4 . Rs /R4C5

R2 Р26 U6(t) - Е

R4 R

- е.

При замкнутых ключах 11 и 16 напряжение на выходе операционного усилителя 13 равно

Ui3(t)E

1

1

R2 Р + 1/R4Cs Ri2 P +a

R4

-Е

R2 R12 R4

1/R4C5

1/R4C5 -a

L

-1/R4C5

К

a-f

-a

- - е

R2Ri2 1% 1/CsR4 -a где Ri2 - сопротивление резистора 12. Регулировкой резистора R4 добиваютсго, что Ui3(t) является экспоненциал функцией (при этом RS также изменяютсR4 R8

бы поддерживалось условие л- п )К2 Kg

мент когда

Н

засекают по детектору, служащему для ределения экспоненциальной формы пряжения 17.

На выходе сумматора 22 получают логично напряжению на выходе сумма 6 напряжение

R20 20С21

U22 E

R18

при условии

R20 R21 25

где R2o, RIB. R24. R25 - сопротивления резисторов 18,20,24,25;

С21 - емкость конденсатора 21. На выходе сумматора 26 получают напряжение1)26R20 -I/R20C21R/,a-p -a

ЕЩ е TTCgRT

) получают

«

Регулируя R20 (при выполнении условия

R24 R18 R25

1 20С21

Выполнение данного условия определяют с помощью детектора, служащего для определения экспоненциальной формы напряжения 27.

Тогда

я-J -(Л

.1 R/I U26

К,

ЬХ

l/CsR-i -« РегулировкойRin (при выполнении условия Ris R25) добиваются

20 R к «-/ п

RIB RzRiS T7C5Ri-a u

Выполнение данного условия определяют с помощью нуль-индикатора 28.

Тогда

v - foRi2 1/C5R4 - a RIB R

Мостовое устройство, предназначенное для измерения параметров трехэлементных схем замещения, используемое в лабораторной практике, описано в /3/. При малых значениях параметра К наблюдается увеличение погрешностей измерения, описанного в /3/ мостового устройства. Кроме того, необходимо априорное знание одного параметра схемы замещения для проведения измерений данным мостом.

Введение регулируемого резистора и двух детекторов, служащих для определения экспоненциальной формы напряжения, приводит к повышению точности измерения при малых параметрах К объекта измерения Данный эффект вызван тем, что в устройстве, выбранном в качестве прототипа, квазиравновесное состояние (равенство нуля полюсу) проявляется в появлении линейной составляющей напряжения. При малом К напряжение медленно растет и его форму трудно зафиксировать детектором определения линейности переходного напряжения. В заявляемом устройстве используются детекторы, служащие для определения экспоненциальной формы на

пряжения, на работе которых малое значение К сказывается в меньшей степени.

Потребности в измерении параметров емкостных датчиков, представленных трехэлементными схемами замещения, с малым значением К существуют при изучении бинарных растворов, влажности и т.д. Формула изобретения Мостовое устройство для измерения па0 раметров трехэлементных двухполюсников, содержащее регулируемый резистор, генератор прямоугольных импульсов, резистор, первый операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого вклю5 чен конденсатор, второй операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор, а инвертирующий вход которого соединен с резистором, выходы обоих

0 операционных усилителей присоединены к входам сумматора, выход которого соединен с входом дифференциатора, параллельно которому включен ключ, интегратор, параллельно которому включен второй

5 ключ, резистор; соединенный с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включены клеммы для подключения измеряемого двухполюсника, чет0 вертый операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор, соединенный с одним входом второго сумматора, другой вход которого соединен с выходом

5 пятого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор, а инвертирующий вход через регулируемый резистор соединен с выходом генератора прямоугольных им0 пульсов, выход второго сумматора соединен с первым входом третьего сумматора, к выходу которого подключен нуль-индикатор, отличающееся тем, что. с целью повышения точности, оно снабжено двумя

5 регулируемыми резисторами, двумя детекторами для определения экспоненциальной формы напряжения, выход генератора прямоугольных импульсов соединен через регулируемый резистор с инвертирующим 0 входом четвертого операционного усилителя, через резистор - с инвертирующим входом первого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого параллельно конденсатору включен регу- 5 лируемый резистор, и с вторым выводом резистора, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход дифференциатора соединен с вторым выводом оезистора, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого через интегратор соединен с входом первого детектора для определения экспоненциальной формы напряжения, в цепь отрицательной обратной связи пятого операционного усилителя параллельно конденсатору включен регулируемый резистор, второй вход третьего сумматора соединен с выходом интегратора, а выход его - с входом второго детектора для определения экспоненциальной формы напряжения.

Использование в электроизмерительной технике и в автоматике, телемеханике и связи Сущность изобретения устройство дополнительно снабжено одним регулируемым резистором, двумя детекторами, служащими для определения экспоненциальной формы напряжения, а также взаимосвязями между элементами Введение регулируемого резистора и двух детекторов приводит к повышению точности измерения при малых параметрах К обьекта измерения 1 ил Ј