Способ определения параметров двухполюсников

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения параметров двухполюсников, и может быть использовано при измерении различных физических величин с помощью емкостных или индуктивных датчиков, схемы замещения которых рассматривают в виде двухполюсников. Сущность способа определения параметров двухполюсников заключается в подаче на исследуемые двухполюсники входного сигнала (постоянного напряжения), измерении первого мгновенного значения выходного сигнала (тока) через образцовый интервал времени Δt с момента подачи входного сигнала, в измерении второго мгновенного значения выходного сигнала через такой же образцовый интервал времени Δt с момента первого измерения, в измерении третьего мгновенного значения выходного сигнала через такой же образцовый интервал времени Δt с момента второго измерения и вычислении параметров двухполюсников по формулам, приведенным в описании изобретения. Технический результат: расширение области применения за счет определения параметров трехполюсников. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения параметров трехэлементных двухполюсников.

Известен способ измерения параметров RC- и RL-цепей, заключающийся в том, что подают на измерительную цепь сигнал прямоугольной или линейно изменяющейся формы, сравнивают сигнал на выходе измерительной цепи с опорным сигналом, измеряют в момент равенства выходного и опорного сигналов полярность входного воздействия и полярность опорного сигнала, измеряют начальный и текущий период колебаний, определяют отношение текущего и начального значений периода, сравнивают его с заданной величиной, повторяют изменения величины входного или опорного сигнала до момента равенства отношения периодов заданной величине и определяют искомые параметры RL- и RC-цепи по математическим формулам [Авт. свид. СССР 1372250, G 01 R 27/02, 27/26, 07.02.88, БИ 5].

Недостатком этого способа является возможность измерения только двухэлементных двухполюсников и низкое быстродействие, обусловленное тем, что измерение осуществляется за несколько циклов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения параметров одноэлементного двухполюсника (активного сопротивления, индуктивности, емкости) заключающийся в том, что исследуемый элемент включают в последовательную активно-емкостную или активно-индуктивную цепь, один из элементов которой известен, подают напряжение постоянного тока, через образцовый интервал времени с момента подачи напряжения измеряют первое мгновенное значение напряжения на средней точке измерительной цепи, через такой же интервал времени с момента первого измерения измеряют второе мгновенное значение напряжения на средней точке измерительной цепи и определяют неизвестный элемент по математическим выражениям [Авт. свид. СССР 1797079, G 01 R 27/26, 23.02.93, БИ 7 (прототип)].

Недостатком этого способа является то, что он позволяет находить только один параметр двухэлементной последовательной цепи при условии, что второй параметр должен быть известен заранее.

Изобретение решает техническую задачу расширения области применения за счет определения параметров трехэлементных двухполюсников.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. На исследуемый двухполюсник подают напряжение постоянного тока, через образцовый интервал времени Δt после подачи напряжения, согласно предлагаемому способу, измеряют первое мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, через такой же образцовый интервал времени Δt после первого измерения измеряют второе мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, через такой же образцовый интервал времени Δt после второго измерения измеряют третье мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, и определяют параметры двухполюсника по одной из формул: - для трехэлементного двухполюсника, состоящего из последовательно включенных неизвестных сопротивления R1 и параллельной R2C2 цепи - для трехэлементного двухполюсника, состоящего из параллельно включенных неизвестных активного сопротивления R1 и последовательной R2C2 цепи - для трехэлементного двухполюсника, состоящего из параллельно включенных неизвестных сопротивления R2 и последовательной R1L1 цепи



- для трехэлементного двухполюсника, состоящего из последовательно включенных неизвестных активного сопротивления R1 и параллельной R2L2 цепи



- для трехэлементного двухполюсника, состоящего из параллельно включенных неизвестных индуктивности L2 и последовательной R1L1 цепи



- для трехэлементного двухполюсника, состоящего из последовательно включенных индуктивности L1 и параллельной R2L2 цепи



где






U₀ - значение напряжения постоянного тока;
Δt- образцовый интервал времени;
I₁, I₂, I₃ - первое, второе и третье мгновенные значения тока в измерительной цепи соответственно.

Рассмотрим трехэлементный двухполюсник, состоящий из последовательно включенных сопротивления R1 и параллельной R2C2 цепи.

Если на данный двухполюсник подают постоянное напряжение U₀, протекающий в цепи ток изменяется по закону:

Обозначим



и, решая их относительно R1, R2 и С2, получим:



Полученные таким образом результаты представлены в таблице. В первом столбце таблицы изображены структурные схемы двухполюсников; во втором столбце представлены законы изменения тока в измерительной цепи при подаче на двухполюсники постоянного напряжения U₀; в третьем столбце - формулы для определения параметров двухполюсников.

Из анализа уравнений, представленных во втором столбце таблицы видим, что законы изменения тока в измерительной цепи при подаче на двухполюсники входного воздействия в виде постоянного напряжения имеют следующие виды: I(t)=A₃e^-B3t+C₃; I(t)=A₄(1-e^-B4t)+D₄t.

Таким образом, определив коэффициенты А₃, В₃, С₃, А₄, В₄, D₄ этих переходных процессов можем определить параметры исследуемых ДП.

1. Рассмотрим переходный процесс вида
I(t)=A₃e^-B3t+C₃, (1-1)
Через интервалы времени Δt, 2Δt и 3Δt после начала переходного процесса значения функции (1-1) равны соответственно



Сделаем в уравнениях (1-2), (1-3) и (1-4) следующую замену:

C учетом выражения (1-5) уравнения (1-2), (1-3) и (1-4) примут вид
I₁=A₃X+C₃, (1-6)
I₂=A₃X²+C₃, (1-7)
I₃=A₃X³+C₃. (1-8)
Вычтем из уравнения (1-6) уравнения (1-7) и (1-8), тогда получим
I₁-I₂=A₃X(1-X), (1-9)
I₁-I₃=A₃X(1-X²). (1-10)
Выразим из уравнений (1-9) и (1-10) переменную А₃


Приравняем между собой уравнения (1-11) и (1-12)

Сократим обе части уравнения (1-13) на Х(1-Х)≠0, так как в случае Х=1 переменная В₃, согласно сделанной замене (1-5), будет равно нулю, получим

Решая уравнение (1-14) относительно Х, получим

C учетом последнего уравнения получим

Подставив в уравнение (1-11) или (1-12) уравнение (1-15), получим

Подставив в одной из уравнений (1-6), )1-7) или (1-8) уравнения (1-15) и (1-17), получим

Таким образом, если протекающий ток в цепи после подачи на двухполюсник напряжения постоянного тока изменяется по закону (1-1), коэффициенты А₃, В₃ и С₃ в соответствии с уравнениями (1-16), (1-17) и (1-18) определяются



где I₁, I₂, I₃ - первое, второе и третье мгновенные значения тока в измерительной цепи соответственно.

2. Рассмотрим переходный процесс вида
I(t)=A₄(1-e^-B4t)+D_4t, (2-1)
Через интервалы времени Δt, 2Δt и 3Δt после начала переходного процесса значения функции (2-1) равны соответственно



Сделаем в уравнениях (2-2), (2-3) и (2-4) следующую замену:

С учетом выражения (2-6) уравнения (2-2), (2-3), (2-4) и (2-5) примут вид
I₁ = A₄(1-X)+D₄Δt (2-6)
I₂ = A₄(1-X²)+2D₄Δt (2-7)

Выразим из уравнений (2-6), (2-7) и (2-8) переменную А и получим соответственно



Приравняем между собой уравнения (2-9) и (2-10), (2-9) и (2-11), тогда получим


Сократим обе части уравнений (2-12) и (2-13) на (1-Х)≠0, так как в противном случае переменная В₄, согласно сделанной замене (2-5), будет равно нулю, получим


Выражая из уравнений (2-14) и (2-15) переменную D₄, после несложных преобразований получим


Приравняв между собой уравнения (2-16) и (2-17), получим

Решая совместно уравнения (2-5) и (2-18) выражение для переменной В₄ примет вид

Подставив уравнение (2-18) в уравнение (2-16) или (2-17), для переменной D₄ получим

Подставив уравнения (2-20) и (2-18) в одно из уравнений (2-9), (2-10) или (2-11) получим выражение для переменной А₄

Таким образом, если протекающий ток в цепи после подачи на двухполюсник напряжения постоянного тока изменяется по закону (2-1), коэффициенты А₄, В₄ и D4 в соответствии с уравнениями (2-19), (2-20) и (2-21) определяются



где I₁, I₂, I₃ - первое, второе и третье мгновенные значения тока в измерительной цепи соответственно.

На фиг. 1 представлен вариант устройства, реализующий данный способ; на фиг.2 изображена одна из временных диаграмм, поясняющая предлагаемый способ.

Устройство содержит управляемый генератор 1, исследуемый двухполюсник (ДП) 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, микропроцессорный контроллер (МПК) 4, таймер 5 (на фиг.1 не показан).

Реализация способа измерения параметров двухполюсника возможна с помощью устройства, представленного на фиг.1. Управляемый генератор 1 вырабатывает постоянное напряжение (фиг.1). К выходу генератора 1 подключается исследуемый ДП 2 и АЦП 3. Управление генератором 1 и АЦП 3 осуществляется с помощью МПК 4.

Устройство работает следующим образом. Микропроцессорным контроллером 4 устанавливается значение образцового интервала времени Δt. В момент времени t₀ (фиг.2) на управляемый генератор 1 поступает команда от МПК 4 и с выхода генератора 1 на ДП 2 поступает сигнал в виде постоянного напряжения. При этом в цепи начинается переходный процесс, закон изменения которого зависит от структуры исследуемого ДП 2 (см. таблицу). Одновременно с этим встроенный таймер 5 МПК 4 начинает отсчет времени, равный Δt. По прошествии времени Δt срабатывает таймер 5 и МПК 4 дает команду АЦП 3 на измерение. Результат измерения поступает в МПК 4. В момент времени 2Δt после начала переходного процесса снова срабатывает таймер 5 и на вход АЦП 3 от МПК 4 поступает сигнал, разрешающий измерение. Результат измерения поступает в МПК 4. В момент времени 3Δt после начала переходного процесса снова срабатывает таймер 5 и на вход АЦП 3 от МПК 4 поступает сигнал, разрешающий измерение. Код с выхода АЦП 3, пропорциональный измеренному току поступает в МПК 4, где по полученным выше выражениям происходит вычисление параметров двухполюсника.

Предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, позволяет расширить область применения за счет определения параметров трехэлементных двухполюсников.

Предлагаемый способ может быть использован в различных областях промышленности при измерении различных физических величин с помощью емкостных или индуктивных датчиков. В частности, изобретение может найти применение в нефтяной и газовой промышленности, в медицине и других отраслях народного хозяйства.

Формула изобретения

Способ определения параметров двухполюсников, заключающийся в том, что на измеряемый двухполюсник подают напряжение постоянного тока, отличающийся тем, что через образцовый интервал времени Δt с момента подачи напряжения измеряют первое мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, через такой же образцовый интервал времени Δt с момента первого измерения измеряют второе мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, через такой же образцовый интервал времени Δt с момента второго измерения измеряют третье мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, и определяют параметры двухполюсника по одной из формул: для трехэлементного двухполюсника, состоящего из последовательно включенных неизвестных сопротивления R1 и параллельной R2С2 цепи



для трехэлементного двухполюсника, состоящего из параллельно включенных неизвестных активного сопротивления R1 и последовательной R2C2 цепи



для трехэлементного двухполюсника, состоящего из параллельно включенных неизвестных сопротивления R2 и последовательной R1L1 цепи



для трехэлементного двухполюсника, состоящего из последовательно включенных неизвестных активного сопротивления R1 и параллельной R2L2 цепи



для трехэлементного двухполюсника, состоящего из параллельно включенных неизвестных индуктивности L2 и последовательной R1L1 цепи



для трехэлементного двухполюсника, состоящего из последовательно включенных индуктивности L1 и параллельной R2L2



где






U₀ - значение напряжения постоянного тока;
Δt - образцовый интервал времени;
I₁, I₂, I₃ - первое, второе и третье мгновенные значения тока соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4