Мост для измерения параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников

 

Использование: изобретение относится к мостовым цепям, а более конкретно - для изменения параметров трехэлементной схемы замещения емкостных датчиков. Данная схема моделирует емкостный бесконтактный датчик и может быть использовано в измерительной технике, например, для измерения влажности нефти и нефтепродуктов, а автоматике, телемеханике, связи. Сущность изобретения: с целью упрощения условий равновесия дополнительно в мост введены линия задержки 12, два ключа 9 и 11, детектор для определения экспоненциальной формы напряжения 16, конденсатор 19. При использовании данного устройства необходимо знание значения одной емкости объекта измерения, отсутствует раздельный отсчет. Наряду с достаточно высокой точностью вышеперечисленные положительные качества позволяют использовать предлагаемый мост как в лабораторных, так и в промышленных условиях. 1 ил.

Изобретение относится к мостовым цепям, для измерения параметров трехэлементной схемы замещения емкостных датчиков. Данная схема моделирует емкостной бесконтактный датчик и может быть использовано в измерительной технике, например, для измерения влажности нефти и нефтепродуктов в автоматике, телемеханике, связи.

Известно устройство для измерения параметров пассивных трехэлементных нерезонансных двухполюсников [1] содержащее первый и второй операционные усилители, к входу первого подключен резистор, к входу второго регулируемый резистор, в цепь отрицательной обратной связи второго включен конденсатор, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор, источник напряжения и объекты измерения, введены 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 регулируемый конденсатор, в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя включен регулируемый резистор, а выходы первого и второго операционных усилителей через сумматор соединяют с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого присоединен к первому входу детектора выделения информации о наличии линейной составляющей, второй вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов.

Детектор определения линейности переходного напряжения выполнен из сравнивающего блока, источника трехопорных напряжений, инвертора, интегратора и переключателя, который соединен по входу с дифференциатором и сравнивающим блоком, а по выходу напрямую и через инвертор с интегратором, выход источника трехопорных напряжений соединен с входом сравнивающего блока.

Детектор выделения информации о наличии линейной составляющей выполнен из хронирующего блока, инвертора, интегратора и переключателя, который соединен по входу с дифференциальным усилителем, хронирующим блоком, по выходу напрямую и через инвертор с интегратором, вход хронирующего блока соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов.

Данное устройство имеет сложные пересчетные формулы от измеряемых параметров K, α,β к параметрам схемы замещения.

Известно мостовое устройство [2] для измерения параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников, 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 обратной связи которого включен конденсатор. Выход операционного усилителя через резистор соединен с 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 линейности 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 деления информации о наличии линейной составляющей.

Данное устройство имеет сложные пересчетные формулы от измеряемых параметров K, α,βк значениям величин элементов схемы замещения.

Вышеописанное устройство выбрано автором в качестве прототипа.

Целью изобретения является получение простых расчетных формул для определения значений элементов схемы замещения, состоящей из емкости, включенной параллельно с активным сопротивлением, последовательно которым включена емкость.

Поставленную цель достигают тем, что известное устройство, содержащее генератор прямоугольных импульсов, соединенный через регулируемый резистор с инвертирующим входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор, операционный усилитель соединен с сумматором, который соединен с выходом, второго операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор, третий операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен измеряемый двухполюсник, содержащий параллельно включенные емкость и активное сопротивление, включенные последовательно с емкостью, нуль-индикатор, сумматор, регулируемый резистор, четвертый операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подключен регулируемый резистор, а выход подключен к второму сумматору, конденсатор, резистор. Устройство дополнительно снабжено линией задержки, двумя ключами, детектором для определения экспоненциальной формы напряжения, регулируемым резистором. Генератор прямоугольных импульсов через конденсатор подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с вторым сумматором, который соединен через ключ с нуль-индикатором и непосредственно с детектором для определения экспоненциальной формы напряжения, генератор прямоугольных импульсов через регулируемый резистор соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, и к регулируемому резистору, подключенному к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор. К второму сумматору подключен сумматор. Параллельно конденсатору в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя включают регулируемый резистор. Выход генератора прямоугольных импульсов через линию задержки, параллельно которой включен второй ключ, соединен с ключом.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: конденсатора, линии задержки, двух ключей, детектора для определения экспоненциальной формы напряжения и их связей с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что конденсатор, линия задержки, ключи, детектор для определения экспоненциальной формы напряжения широко известны [3, 4] Но их введение в данной связи с остальными элементами позволяют получить новое свойство, а именно простые пересчетные формулы.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения "существенные отличия".

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, соединенный через конденсатор 2 с инвертирующим входом операционного усилителя 3, в цепь отрицательной обратной связи которого включен измеряемый двухполюсник 4, содержащий емкость, включенную последовательно с параллельно включенными активным сопротивлением 6 и емкостью 7. Операционный усилитель 3 через сумматор 8 соединен с ключом 9, соединенным с нуль-индикатором 10, и через ключ 11, соединенный параллельно линии задержки 12, с выходом генератора 1 прямоугольных импульсов, который соединен через регулируемый резистор 13 с операционным усилителем 14, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор 15. Выход операционного усилителя 14 соединен с сумматором 8, выход которого соединен с детектором 16 для определения экспоненциальной формы напряжения. Выход генератора 1 прямоугольных импульсов через регулируемый резистор 17 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 18, в цепь отрицательной обратной связи которого параллельно включены конденсатор 19 и регулируемый резистор 20. Выход операционного усилителя 18 соединен с сумматором 21. Выход генератора 1 прямоугольных импульсов через переменный резистор 22 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен регулируемый резистор 24. Выход операционного усилителя 23 соединен с сумматором 21.

Устройство работает следующим образом.

На выходе операционного усилителя 3 получают напряжение U₃(t) · PC₂ + E + E e где E амплитуда прямоугольных импульсов; C₂,C₅, C₇ емкости конденсаторов 2, 5, 7; R₆ активное сопротивление резистора 6; P комплексный параметр; t время.

На выходе операционного усилителя 14 получают напряжение U₁₁(t) E где R₁₃ и R₁₅ активные сопротивления регулируемого резистора 13 и резистора 15.

На выходе операционного усилителя 18 получают напряжение U₁₈(t) · E E e где R₁₇, R₂₀ активные сопротивления регулируемых резисторов 17 и 20; C₁₉ емкость конденсатора 19.

На выходе операционного усилителя 23 получают напряжение
U₂₃(t) E где R₂₂ и R₂₄ активные сопротивления регулируемых резисторов 22 и 24.

На выходе сумматора 21 получают напряжение
U₂₁(t) U₁₈(t)+U₂₃(t) E e при условии

На выходе сумматора 8 получают напряжение
t=U( +Ut
Ключ 11 разомкнут, ключ 9 открывается через фиксированный промежуток времени, обеспечиваемый линией 12 задержки. За это время переходные процессы затухают.

Тогда
U₈(t) E
По показанию нуль-индикатора 10 регулировкой регулируемого резистора 13 сводят U₈(t) к нулю. Тогда
C₅= C₂
Тогда напряжение
U₈(t) E e- E e
Регулировкой регулируемого резистора 20 добиваются равенства
R₆C₇ C₁₉R₂₀, которое засекают с помощью детектора для определения экспоненциальной формы напряжения 16.

После чего регулировкой регулируемого резистора 17 при замкнутом ключе 11 по показаниям нуль-индикатора 10 получают
E e- E e 0
Тогда
или C₇ C₂
Следовательно, R₆= R₂₀
Получен раздельный отсчет.

Известно мостовое устройство, применяемое в промышленности [7] предназначенное для измерения параметров схемы замещения, состоящей из емкости, включенной последовательно с параллельно включенными емкостью и активным сопротивлением. При использовании данного устройства необходимо знание значения одной емкости объекта измерения. Кроме того, в этом случае отсутствует раздельный отсчет.

Введение линии задержки, двух ключей, детектора для определения экспоненциальной формы напряжения, регулируемого резистора приводит к получению раздельного отсчета, при наличии раздельного уравновешивания и регулировки только активных сопротивлений. Данные положительные качества вместе в известных устройствах при измерении параметров схемы замещения, состоящей из емкости, включенной последовательно с параллельно включенными активным сопротивлением и емкостью, не встречаются [5, 6]
Данная схема замещения является моделью емкостного датчика при измерении влажности, параметров двухкомпонентных жидкостей и т.д. [7]

Формула изобретения

МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ НЕРЕЗОНАНСНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ, содержащий генератор прямоугольных импульсов, соединенный через первый регулируемый резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор, выход первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, в цепь отрицательной обратной связи которого включены клеммы для подключения измеряемого двухполюсника, содержащего параллельно включенные конденсатор и резистор, включенные последовательно с конденсатором, нуль-индикатор, второй сумматор, третий регулируемый резистор, четвертый операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, к инвертирующему входу которого подключен четвертый регулируемый резистор, а выход подключен к первому входу второго сумматора, конденсатор, резистор, отличающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости проведения измерений за счет упрощения условий равновесия, в него введены линия задержки, два ключа, детектор для определения экспоненциальной формы напряжения, пятый регулируемый резистор, генератор прямоугольных импульсов через конденсатор подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен через первый ключ с нуль-индикатором и непосредственно с детектором для определения экспоненциальной формы напряжения, генератор прямоугольных импульсов через третий регулируемый резистор соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, с четвертым регулируемым резистором, подключенным к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор, к третьему входу второго сумматора подключен выход первого сумматора, параллельно конденсатору в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя включен пятый регулируемый резистор, выход генератора прямоугольных импульсов через линию задержки, параллельно которой включен второй ключ, соединен с первым ключом.

РИСУНКИ

Рисунок 1