Способ определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (111

А1 (50 4 С 01 R 27/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3488718/24-21 (22) 18.08.82 (46) 07.02.88. Бюл. и 5 (71) Пензенский сельскохозяйственный институт (72) А.Ф.Прокунцев и P.М.Юмаев (53) 621.317.3(088.8) (56) Козак А.А. Использование колебательного контура LC-генератора в качестве измерительного преобразователя. — Измерительная техника, 1975, Ф 2, с. 79-80. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПАССИВНЫХ ДВУХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ (57) 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.

13722

Иэобретенив относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров датчиков электрических и неэлектрических

5 величин, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей эа счет раздельного измерения параметров двухэлементных двухполюсников при сохранении точности измерения.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ 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 2р двухполюсников; на фиг. 4 и 5 — функциональные схемы генераторов пилообразных импульсов, выполненных на основе емкостных и индуктивных интеграторов; на фиг. 6 и 7 — схемы двух 25 генераторов синусоидальных колебаний с емкостными и индуктивными времязадающими э л ем е н т ам и .

Устройство содержит генератор 1 сигналов, блок 2 вычисления, блок 3 ЗР внесения избыточности (БВИ) и блок 4 индикации.

Генераторы прямоугольных сигналов включают в себя транзистор 5, коллекторный резистор 6, исследуемый двjxполюсник 7, времязадающий конденсатор

8, второй коллекторный резистор 9, второй транзистор 10, времяэадающий резистор 11.

Генераторы пилообразных импульсов 4р содержат исследуемый двухполюсник 7, времязадающий резистор 11, блок 12 питания, усилитель 13.

Генераторы синусоидальных сигналов содержат исследуемый двухполюсник 45

7, времязадающий резистор 11, времязадающий конденсатор 8 (индуктивность), блок 12 питания, усилитель 13.

Способ осуществляют следующим образом.

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

Т = С.R inn, (1) где Т вЂ” длительность генерируемых импульсов;

С Ro — параметры времязадающей цепи;

48

E п = - - — коэффициент определяемыи

V х

" P отношением напряжения питания Е к его порогу чувствительности.

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

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

Т, = Сх (К„+ К„) inn . (2)

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

Для определения обоих параметров

С„, К„ 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.

nR = R< — R» R, = аК+ R» (3) где . 6 К вЂ” величина приращения между образцовыми двухполюсниками

R< HRo °

Тогда уравнение (2) примет следующий вид:

Т> C„(Rî + 6R + R„) inn. (4)

Подставив (3) в уравнение (4), получим окончательное выражение для длительности Т2 вновь сформированных импульсов при внесении информационной избыточности в виде приращения

6К

Т = C„(R < + R„) lпп. (5)

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

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

Т2 4 + Rg (6)

Ro + 1 х

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

1372248

Т R Т R Т R Т R . (7) Тх

Т»

------- ° С

Тз

Т, — — -1 С (15) о

С к

Т, ю

Т» где

Уравнения для определения абсолютных (относительных) приращений изме0 ряемых параметров следующие:

b R), 1-2.+1 к R 1 m ) о (17) Т вЂ” Т

1ппк (К-1) 2Р-1 — — Со j

P (18) dC„

За время внесения избыточности при-20 ращение 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

Для получения уравнений отсчета параметров емкостных двухполюсников, выполненных по параллельной схеме замещения, необходимо изменить структуру генератора прямоугольных импульсов (фиг. 3)

Уравнения отсчета следующие:

30

Т вЂ” 1То

R — R к Т вЂ” Т о»

Т»

k ч» (20) m — k R (11)

m о» Ro

R х

Тг

Т, Т где m = -

Т, Т»

С вЂ” — С х Т вЂ” Т о

С = ----- С

P — 1 (22) 35

Например, при m = 2 (23) Уравнения для абсолютных (относительных) приращений примут следующий вид:

2 — k

R = ----- R = (k-2) R — 1 о о » ао т. е. величина R„ïðîïîðöèîíàëüíà

С целью получения более простого отсчета по С„ необходимо внести избыточность Со последовательно с С„. 45

Тогда уравнение (2) примет следующий вид: P — 2

dC = — — — C,; P — 1 (26) (13)

50 P — 2 оС

m х» Р (27) При определении параметров индуктивных двухполюсников необходимо вместо R генераторов, в которых используется обратная связь по напряжению (фиг. 2 и 3), применять LR-генераторы прямоугольных импульсов с (14) Откуда

Т R — Т, R, R — «g о»» (8) х Т, — Т, Обозначив -- = k, уравнение (8)

R, К перепишем в следующем виде:

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

Т = -- — ---(R + R ) 1nn

С„С

С„+ Со

Решив совместно систему уравнений (2) и (3) относительно С„, получим уравнение для его определения

T» — Тк

С С х Т о з

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

1-2„,» 1с

ЬК = (R — R ) = — - - — К (16) х о х 1 m о) 2P — 1

6С р (19) m(k + 1) — 2

ЬК = R — — — -- — — — (24) х о >

m — 1

m(k + 1) — 2

fR (25)

Х m — 1

2248

1 — m

R = ------ R х m k 0 ) (41) 1- Р(L = --- — L

Р О > (42) (R о) (43) dR„

2m-k-1 (3к„=

m-k (44) Lx — 1пп (К„ + R,) (28) Т, 2Р-1

hL = -- — — L

x p «) (45) 15 (29) «

Т,=- — — — — -1nn (RÄ + RÄ) 2Р— 1

3L и р (46) L + L, Т = - - — — — 1nn

R„ + R, (30) Т< — k T

T2 — Т< (31) Rî

Т< (32) Т<

1 и О Т

1 — km

Rî

m — 1 (33) R к

1. о р (34) л вид:

m(k + 1) — 2.

FR х m — 1 (36) 45

P — 2 (37)

P — 1

d1.„= L (P — 2

FL

P (38) Т, — Tl

Rî

Т вЂ” Т, k ! Т, - Т, 1, Т

Ъ (39) R х (40) 1 и

5 137 обратной связью по току, принцип работы которых аналогичен принципу работы RC-генераторов с той разницей, что одним из элементов времязадающей цепи является исследуемый индуктивный двухполюсник.

Уравнения (2), (5) и (13) для индуктивного двухполюсника с последовательной схемой замещения запишутся следующим образом:

Совместное решение уравнений (28)— (30) позволяет получить отсчет искомых параметров

Разделив (31) и (32) на Т,, упростим эти уравнения:

Выражения для абсолютных (относительных) приращений имеют следующий

dR = R ; (35)

m — 1

Уравнения для определения параметров двухполюсников с параллельной схемой замещения индуктивного двухполюсника имеют вид:

Данные уравнения получены при условии, что информационная избыточность вводится параллельно исследуемому двухполюснику.

Все приведенные уравнения получены с использованием генератора прямоугольных импульсов. Однако известно, что спектр прямоугольного сигнала черезвычайно широк и содержит в своем составе большое число гармоник, которые при измерении параметров двухполюсников приводят к возникновению

30 дополнительной погрешности измерения.

Более узким спектром гармоник обладает пилообразный сигнал, использование которого позволяет обеспечить повышенную точность измерения.

З5 Для получения уравнений отсчета параметров двухполюсников обратимся к фиг. 4 и 5.

Длительность генерируемых пилообразных импульсов, также как и в мультивибраторе, определяется параметрами элементов времязадающей цепи.

C х(ко + R„) 1n -- —; (47)

«ор

Lx

Т, = ------- 1п п (48)

Ro Rx где U„ — пороговое значение напряжения срабатывания интегратора.

Как видно из уравнений (47) и (48), они идентичны уравнениям, полученным при генерировании прямоугольных импульсов, следовательно, ы уравнения отсчета параметров двухполюсников при

55 генерировании пилообразных импульсов аналогичны описанным.

С точки зрения повышения точности измерения наибольший интерес представляет измерение параметров пассив1372248 ных двухполюсников, по которым протекает синусоидальный ток.

На фиг. 6 и 7 представлены схемы двух классических вариантов генера5 торов синусоидальных сигналов.

Записав выражение для частоты генерации этих генераторов, можно от них перейти к составлению уравнений отсчета параметров исследуемых двух- 10 полюсников.

Рассмотрим порядок получения уравнений отсчета параметров исследуемых двухполюсников на примере RC-генератора, так как получение уравнений от- 15 счета параметров индуктивного двухполюсника аналогично.

В общем случае частота генерации

RC-генератора синусоидальных сигналов записывается в следующем виде: 20 (54) Т, Т .

47« R С Ко(Т вЂ” Т ) 1

Ъ

2«

f

27<К,C, R,C, (56) (49) Совместное решение уравнений (50)

25 и (56) позволяет получить следующее выражение:

f+ — — С к о

3 (57) С к

Разделив числитель и знаменатель уравнений (53) и (58) на Т<, получим

O.

35 более упрощенные выражения для R, иС„ (50) 27i „С„К,С, 1 — m

R = R о (59) 1

С = С к î Р 1 (60) 40

Выражения для абсолютных (относи45 тельных) приращений параметров исследуемого двухполюсника записаны в следующей форме:

2m — 1 аК =- — — — R (61) о

2ш — 1

SR (62)

m о

P-2 ьс =- — — — с

P-1

Р 2 о С (64)

P — 1

f

2 (51). 50 (63) Совместно решая уравнения (50) и (51), получим уравнение отсчета пара- 55 метров исследуемого двухполюсника:

f2 f

R = R (52) о

f 1

< где К,, С,, R, Со — параметры образцовых двухполюсников.

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

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 параллельно включенного с

R и с учетом этого перепишем уравнение (50):

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

2 х

Т< Тк

= R -- †-- --- (53) о Т2 <

С к R C 4«R (fz — f ) Для исключения погрешности от нестабильности R C< введем вторую информационную избыточность в виде С подключенную параллельно исследуемому двухполюснику, тогда: 2

Т<

С = -- --- †-- С (58) к т — Тя о э L 1 где Тк Р Тз т тч

< <

Уравнения отсчета при последовательной схеме замещения двухполюсников следующие:

1372248

----.R

m-1 о г (65) (81) Т, ), (66) (82) (83) (67) (84) m-2

ЬК = (- — — -) х m - 1 (68) 1Р

2р-1

SL х о (85) T

R -- - — -- R

x T — Тг О

С = — — — — -(т

4% R1C Ro г

Т, — Т 1-P

С = — --.— — С = - — — С

Т»оро7 з

Т, — Т, L

» Т о

5 аR» (2 m) Ro

SR„=2-m;

2Р— 1

d L = ------- Е

» р о ) 8

m — 2

) к ш (69) 2Р— 1

dC х р о ) (70) 2Р— 1 С х р (71) Вводя аналогично указанному в уравнение (72) информационную избыточность в виде дополнительной индуктивности L, и образцового двухполюсника К, можно получить отсчет любого из параметров.

При последовательной схеме замещения эти уравнения следующие:

Тг m

R = ----. R . (73)

Х T2 — T î 1-m о 2

1 2

2 2

Т т, R, R, э (74)

Т вЂ” Т 4» L

»

Т, 1 — L = ---- L (75)

Т вЂ” T P — 1

) 1 -2m

dR =- — — К

Л m О 1 (76) 1 — 2m

3К

Р

m (77) P — 2

L х р 1 о (78) P-2 1.

Р-1 (79) При параллельной схеме замещения индуктивного двухполюсника уравнения примут вид: г г

К о (111 1) R;(80) з

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

В этом случае частота генерируемых колебаний определяется по следующей формуле:

RoR»

1. о » (72)

2»»

Устройство (фиг. 1), реализующее способ определения параметров пассивных двухполюсников, работает следующим образом.

При подключении во времяэадающую цепь 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 R (L, С ), одновременно с управляющей шины БВИ 3 осуществляется вариация величины дополнительных образцовых двухполюсников. Вновь генерируемый временной сигнал заносится в следующую ячейку

35 памяти блока 2 вычисления. При необходимости получения третьего временного сигнала с целью более точного измерения второго параметра исследуемого двухполюсника 7 вновь с выходной

4р шины блока 2 вычисления поступает команда на управление блоком 3 внесения избыточности и дополнительное подключение в исследуемый двухполюсник 7 второго образцового двухполюс45 ника 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 в::оды блока индикации.

Внесение избыточности, можно осуществлять непосредственно самим пре1372248

Т< — T>

С С

X 0 э

T< — k 71

Rx =R ) х 0 т — т г 1 т, С

Т вЂ” Т, ме замещения

Rх R0

1 k71

Т, — Т, т<

1 тэ при параллельной индуктивной схеме

ЗО замещения образуемым параметром (при допусковом контроле, при измерении приращений), а именно в первом такте формируется сигнал с учетом номинального или гра5 ничного значения, т.е. параметра, относительно которого осуществляется контроль либо процесс измерения.

Следовательно, в первом такте работы генерируемый сигнал является функ- 1О цией лишь одного неизвестного параметра.

Во втором такте работы по команде с БВИ 3 начинается генерация сигнала с внесенной избыточностью в виде изменения 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 эа счет раздельного измерения параметров двухэлементных двухполюсников и создать на его основе универсальный измерительный прибор для измерения параметров датчиков физических величин. 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

Т,- Т, 1с

R = R

) х 0 т, — т при параллельной емкостной схеме saмещения при последовательной индуктивной схеФ о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников, заключающийся в подключении измеряемого и дополнительного двухполюсников во времяэадающую 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 двухполюсникон при сохранении точности измерения, во времязадающую цепь автогенератора вначале подключают измеряемый двухполюсник и осуществляют изменение периода автогенератора в случае использования автогенератора гармонических и линейно изменяющих ся сигналов или длительности выходного импульса в случае использования генератора прямоугольных сигналов с помощью дополнительного

Ф двухполюсника, подключаемого последовательно или параллельно с измеряемым в зависимости от схемы замещения, т — т

R R

) Т-Tk

45 при последовательной емкостной схеме замещения

Т, Я.

Ч )

Т - Т, 2 1 т, — т

С С

У

0 Tt э

50 при последовательной индуктивной схеме замещения

R

Rî

71 — 71

L L

Х 0 71 — 71

3 <

Т вЂ” T> — )

35 х о т для случая использования автогенератора гармонических сигналов, при параллельной емкостной схеме замещения

1 1 т< — т

40 R = R

Х о

1.

Т, С =С т

13

1372248

2 2

Тт — Т., R о Т

Rх

2 2

Т, — Т

0 Т1 э

Фиг. 2 при параллельной индуктивной схеме замещения где R,, С, Š— параметры основных эталонных двухполюсников

К»

k = о

R, — сопротивление дополнительного резистора, подключенного параллельно или последовательно с исследуемым двухполюсником;

Т, — длительность прямоугольных

5 импульсов или период линейно изменяющихся и гармонических сигналов при включении исследуемого двухполюсника во времязадающую цепь автоге10 нератора;

Т,T — длительность прямоугольных импульсов при подключении к исследуемому двухполюснику параллельно, последовательно

15 дополнительного резистивного,, емкостного, индуктивного, эталонного двухполюсника соответственно.

1372248

Составитель А.Васильев

Техред А.Кравчук Корректор М.Демчик

Редактор Н.Тупица

Тирах 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 477/37

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ухгород, ул.Проектная, 4