Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников

 

Изобретение относится к области измерения физических величин, в частности, к измерителям параметров двухполюсников. Измеритель содержит генератор импульсов 1, электрический мост и индикатор равновесия 18. Первую ветвь моста образует конденсатор 5 и объект измерения, включающий в себя последовательно соединенные конденсатор 6, резистор 7 и индуктивную катушку 8, параллельно которой подключен резистор 9, общий вывод конденсатора 5 и объекта измерения образуют первый выход моста, вторую ветвь моста образуют последовательно соединенные цепь из семи элементов и резистор 10 второго плеча отношения. Цепь из семи элементов содержит резистор 11, параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 12, индуктивная катушка 13 и резистор 14. Параллельно индуктивной катушке 13 включены последовательно соединенные резисторы 16 и 17, общий вывод которых является вторым выходом моста. К первому и второму выходам моста подключен индикатор равновесия 18. Новым в измерителе является введение дополнительно резисторов 14-17, использование в качестве генератора импульсов 1 генератора последовательности импульсных сигналов прямоугольной, линейно-изменяющейся, квадратичной и кубичной формы, соединение третьего входа индикатора равновесия 18 с третьим выходом генератора импульсов 1, а четвертого входа индикатора равновесия - с общей шиной устройства, с которой соединена также вторая вершина диагонали питания моста. 1 ил.

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, промышленной электроники и может быть использовано для измерения параметров объектов с двухполюсной схемой замещения, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включаемых в мостовую цепь.

Известен электрический мост [1], содержащий последовательно соединенные генератор питающих импульсов, мостовую цепь и индикатор равновесия.

Недостатком его является отсутствие возможности измерять параметры трехэлементных двухполюсников, содержащих разнородные реактивные элементы (индуктивности, емкости).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [2], содержащий генератор импульсов в виде прямоугольной трапеции, первый конденсатор в плече отношения ветви с объектом измерения, схема замещения которого состоит из последовательно соединенных второго конденсатора, первого резистора и первой индуктивной катушки, плечо сравнения, состоящее из второго резистора с регулируемым сопротивлением, параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор переменной емкости и индуктивная катушка с регулируемой индуктивностью, в несмоленом плече отношения ветви с плечом сравнения - третий резистор, индикатор равновесия, подключенный одним выводом к общей точке объекта измерения и конденсатора плеча отношения, а другим - к общей точке конденсатора и индуктивной катушки плеча сравнения, второй вывод которой соединен с общей точкой второго и третьего резисторов.

Недостатком данного мостового измерителя является отсутствие возможности для измерения параметров четырехэлементных двухполюсников с разнородными реактивными элементами.

Целью изобретения является уменьшение веса и габаритов при измерении параметров объектов с четырехэлементной схемой замещения за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов.

Цель достигается тем, что в мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, два выхода которого соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста, другая диагональ которого является измерительной причем первая ветвь электрического моста образована последовательно соединенными первым конденсатором, первый вывод которого образует первую вершину диагонали питания измерительного моста, и объектом измерения, схема замещения которого состоит из последовательно соединенных второго конденсатора, первого резистора и первой индуктивной катушки, параллельно которой подключен второй резистор, а вторая ветвь электрического моста содержит последовательно соединенные третий конденсатор, подключенный первым выводом к первым выводам первого конденсатора и третьего резистора, и вторую индуктивную катушку, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого объединен с вторым выводом первой индуктивной катушка @ образует вторую вершину диагонали питания электрического моста, индикатор равновесия, первый вход которого соединен с первой вершиной измерительной диагонали электрического моста, образованной общим выводом первого и второго конденсаторов, введены с пятого по восьмой резисторы, а в качестве генератора импульсов использован генератор последовательности импульсных сигналов прямоугольной, линейно-изменяющейся, квадратичной и кубичной формы, при этом пятый и шестой резисторы соединены последовательно и включены параллельно второй индуктивной катушке, между вторым выводом которой и общим выводом третьего и четвертого резисторов включен седьмой резистор, восьмой резистор включен параллельно второй катушке индуктивности, общий вывод пятого и шестого резисторов образует вторую вершину измерительной диагонали электрического моста и соединен с вторым входом индикатора равновесия, третий вход которого соединен с третьим выходом генератора последовательности импульсных сигналов прямоугольной, линейно-изменяющейся, квадратичной формы, а четвертый вход индикатора равновесия соединен с общей шиной устройства, с которой соединена также вторая вершина диагонали питания электрического моста.

В заявленной совокупности отличительные признаки проявили новое свойство, заключающееся в уменьшении веса и габаритов при измерении параметров объектов с четырехэлементной схемой замещения, содержащей разнородные реактивные элементы, за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов. Решений, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное устройство от прототипа, не обнаружено. Достижение такого эффекта не вытекает из известных в технической литературе решений. Предложенный мостовой измеритель соответствует необходимому изобретательному уровню.

На чертеже представлена функциональная схема мостового измерителя параметров пассивных двухполюсников.

Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов, состоящий из последовательно соединенных формирователя 2 прямоугольных, линейно-изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, переключателя 3 и усилителя 4 мощности, электрический мост и индикатор равновесия 18. Первую ветвь электрического моста образует конденсатор 5 (C1) плеча отношения и последовательно соединенные конденсатор 6 (C2), резистор 7 (RI) и индуктивная катушка 8 (L1), параллельно которой подключен резистор 9 (R2), которые образуют объект измерения. Вторую ветвь моста образуют последовательно соединенные цепь из семи элементов и резистор 10 (R7) второго плеча отношения. Цепь из семи элементов содержит резистор 11 (R4), параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 12 (C3), индуктивная катушка 12 (L2) и резистор 14 (R3). Параллельно индуктивной катушке 13 включены резистор 15 (R8) и последовательно соединенные резисторы 16 (R5) и 17 (R6). Общий вывод объекта измерения и резистора 10 образует одну из вершин диагонали питания моста, которая заземляется. Другую вершину диагонали питания образует общий вывод конденсатора 5 и цепи из семи элементов. Выходы моста образуют общий вывод конденсатора 5 и объекта измерения, а также общий вывод резисторов 16 и 17. Эти два выхода электрического моста соединены с двумя входами индикатора 18 равновесия. Два выходных вывода усилителя мощности 4 образуют два выхода генератора последовательностей импульсных сигналов, которые соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста. Синхронизирующий вывод генератора импульсов 2 образует третий выход генератора 1, который соединен с третьим входом индикатора равновесия 16, являющимся входом синхронизации. Четвертый вход индикатора равновесия 18 и общий вывод формирователя импульсов 2 соединены с общей шиной устройства, с которой соединена также вторая вершина диагонали питания электрического моста.

В генератор 1 входит каскад синхронизации, который построен на основе автоколебательного мультивибратора по авт. свид. СССР N 517992, бюл. N 2, 1976. Один выход его соединен со входами формирователей прямоугольных, линейно-изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, а другой - образует выход синхронизации генератора (третий выход). Формирователь прямоугольных импульсов выполнен на основе заторможенного мультивибратора на операционном усилителе (ОУ) (Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах. Под ред. С.Я. Шаца, М.; Советское радио, 1976, с.154, 155). Формирователь импульсов линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН) построен на основе последовательно включенных заторможенного мультивибратора на ОУ (Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные устройства. М.; Советское радио, 1980, с. 216, 217) и генератора ЛИН на ОУ (см. там же, с. 254, 255). Формирователь квадратичных импульсов выполнен на последовательно соединенных упомянутых выше заторможенном мультивибраторе, генераторе ЛИН (см. там же, с.216, 217 и с.254, 255) и интеграторе на ОУ (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М. : Мир, 1983, т.1, с.408, 409, рис.6.55). Выход заторможенного мультивибратора здесь подключен также к выводу "Сброс" интегратора. Формирователь кубичных импульсов выполнен как формирователь квадратичных импульсов, рассмотренный выше, выход которого подключен к еще одному такому же интегратору на ОУ, вход "Сброс" которого также подключен к выходу заторможенного мультивибратора. Перечисленные каскады образуют формирователь 2 импульсов. В качестве переключателя 3 выбран переключатель типа ПР2-10П1НВР(К), а в качестве усилителя 4 мощности - эмиттерный повторитель. В качестве индикатора 18 равновесия использован осциллограф.

Мостовой измеритель работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе моста равны нулю. Вначале коммутатором 3 подключаем к мосту прямоугольные импульсы генератора 1. При воздействии очередного прямоугольного импульса в установившемся режиме в ветвях моста устанавливаются неизменяющиеся напряжения. Напряжение неравновесия зависит только от значений емкостей конденсаторов 5, 6 и сопротивлений резисторов 10 и 11. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 11 приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и тем самым выполняют первое условие равновесия. Равновесие моста здесь и далее отмечают по индикатору равновесия 18. Далее посредством переключателя 3 подают на мост импульсы линейно-изменяющегося напряжения с генератора 1. При воздействии очередного такого импульса в измерительной диагонали моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной, которая зависит с учетом выполнения первого условия равновесия от значений сопротивления только одного уравновешивающего резистора 14. Однократной регулировкой его приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют второе условие равновесия. После этого переключателем 3 подключают к мосту импульсы квадратичной формы с генератора 1. При поступлении очередного импульса этой формы в измерительной диагонали моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной, которая зависит с учетом выполнения первых двух условий равновесия от значений сопротивления третьего уравновешивающего резистора 17. Однократной его регулировкой приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют третье условие равновесия. Затем переключателем 3 подключают к мосту импульсы кубичной формы с генератора 1. При поступлении очередного импульса этой формы в измерительной диагонали моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной, которая зависит с учетом выполнения первых трех условий равновесия от значений сопротивления четвертого уравновешивающего резистора 15. Однократной его регулировкой приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют четвертое условие равновесия.

Отсчет искомых значений величин берется из выражений, полученных на основе условий равновесия: C₂ = R₄C₁/R₇, R₁ = C₃(R₇R₄ + R₇R₃ + R₄R₃)/C₁R₄, L₁ = L₂C₃R₆(R₇ + R₄)/C₁R₄(R₅ + R₆), R₂ = L₂C₃R₈ A (R₇ + R₄)²/C₁[C₃R₄R₈R₅ (R₅ + R₆)(R₇R₄ + R₇R₃ + R₄R₃) + L₂R₄R₆(R₇ + R₄)(R₈ + R₅ + R₆)], где C₂ - конденсатор 5 на фиг.1, R₄ - резистор 11, C₁ - конденсатор 5, R₇ - резистор 10, R₁ - резистор 7, C₃ - конденсатор 12, R₃ - резистор 14, L₁ - индуктивная катушка 8, L₂ - индуктивная катушка 13, R₆ - резистор 17, R₂ - резистор 9, R₈ - резистор 15, R₅ - резистор 16.

Из них видно, что при третьем уравновешивании при необходимости можно регулировать значение сопротивления резистора 16. После четырех уравновешиваний в измерительной диагонали остаются короткие экспоненциальные всплески, поэтому мостовую цепь можно считать квазиуравновешенной.

Таким образом, данный мостовой измеритель позволяет уменьшить вес и габариты при измерении параметров объектов с четырехэлементной схемой замещения с разнородными реактивными элементами за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов. Уравновешивание моста раздельное, что перспективно для автоматических измерений. Полярность выходного сигнала моста однозначно определяет направление регулирования соответствующего переменного сопротивления при каждом из четырех уравновешиваний.

Формула изобретения

Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, два выхода которого соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста, другая диагональ которого является измерительной, первая ветвь электрического моста образована последовательно соединенными первым конденсатором, первый вывод которого образует первую вершину диагонали питания измерительного моста, и объектом измерения, схема замещения которого состоит из последовательно соединенных второго конденсатора, первого резистора и первой индуктивной катушки, параллельно которой подключен второй резистор, вторая ветвь электрического моста содержит последовательно соединенные третий конденсатор, подключенный первым выводом к первым выводам первого конденсатора и третьего резистора, и вторую индуктивную катушку, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом первой индуктивной катушки и образует вторую вершину диагонали питания электрического моста, индикатор равновесия, первый вход которого соединен с первой вершиной измерительной диагонали электрического моста, образованной общим выводом первого и второго конденсаторов, отличающийся тем, что в него введены с пятого по восьмой резисторы, а в качестве генератора импульсов использован генератор последовательности импульсных сигналов прямоугольной, линейно-изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, при этом пятый и шестой резисторы соединены последовательно и включены параллельно второй индуктивной катушке, между вторым выводом которой и общим выводом третьего и четвертого резисторов включен седьмой резистор, восьмой резистор включен параллельно второй катушке индуктивности, общий вывод пятого и шестого резисторов образует вторую вершину измерительной диагонали электрического моста и соединен с вторым входом индикатора равновесия, третий вход которого соединен с третьим выходом генератора последовательности импульсных сигналов прямоугольной, линейно-изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, а четвертый вход индикатора равновесия соединен с общей шиной устройства, с которой соединена также вторая вершина диагонали питания электрического моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1