Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Предложенное изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения трех параметров в объекте измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включенных в электрический мост. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении составляющей погрешности измерения, а также нестабильности этих паразитных емкостей. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, мостовая цепь образована одиночными резисторами, включенными в первое, второе и третье плечи моста, а четвертое плечо мостовой цепи представляет собой две параллельно включенные ветви, образующие частотно-независимый двухполюсник, при этом во вторую ветвь четвертого плеча мостовой цепи введен дополнительный резистор, который включен параллельно трехэлементной электрической цепи, составленной из двух резисторов и индуктивной катушки, и совместно с ней образует заземленный уравновешивающий двухполюсник. 1 ил.

 

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения трех параметров в объекте измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включенных в электрический мост.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [1], содержащий последовательно включенные генератор питающих импульсов, формирующий последовательности импульсных сигналов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, электрическую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности одновременно заземлять объект измерения и уравновешивающий двухполюсник с переменными регулируемыми элементами.

Известен измеритель параметров двухполюсников [2], содержащий последовательно включенные генератор прямоугольных импульсов, электрическую измерительную цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности измерять более двух параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров двухполюсников [3], содержащий последовательно включенные генератор питающих импульсов, формирующий последовательности импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, измерительную электрическую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитной емкости, которую образует незаземленный регулируемый резистор уравновешивающего двухполюсника относительно «земли». В указанном измерителе, в принципе, невозможно заземлить все регулируемые элементы, поэтому названная паразитная емкость и соответствующая составляющая погрешности обязательно присутствуют. От нестабильности этой паразитной емкости возникает также дополнительная составляющая погрешности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении составляющей погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей относительно «земли» регулируемых уравновешивающих элементов, а также нестабильности этих паразитных емкостей за счет использования только заземленных регулируемых элементов.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом формирователей последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору, выход которого соединен со входом усилителя мощности, выход этого усилителя образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, первый выход генератора питающих импульсов соединен с первым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованным общим выводом одиночных резисторов, включенных в первое и второе плечи моста, третье плечо мостовой цепи образовано одиночным резистором, ее четвертое плечо представляет собой две параллельно включенные ветви, образующие частотно-независимый двухполюсник, первая из которых состоит из одиночного первого резистора и последовательно соединенной с ним трехэлементной электрической цепи, образованной в частном случае параллельно включенными вторым резистором и последовательно соединенными конденсатором и третьим резистором и составляющей заземленный объект измерения, вторая ветвь четвертого плеча мостовой цепи состоит из одиночного первого резистора и последовательно соединенной с ним электрической цепи, образованной тремя элементами - включенными последовательно вторым резистором и соединенными параллельно индуктивной катушкой и третьим резистором, два вывода измерительной диагонали мостовой цепи, первый из которых образован общим выводом одиночного резистора первого плеча, первым резистором первой ветви четвертого плеча и первым резистором второй ветви четвертого плеча, второй вывод измерительной диагонали моста образован общим выводом одиночного резистора второго плеча и одиночного резистора третьего плеча мостовой цепи, соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, второй вход которого - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, один вывод генератора питающих импульсов - общий вывод, второй вывод генераторной диагонали мостовой цепи, образованный общим выводом одиночного резистора третьего плеча моста, первой ветви четвертого плеча и второй ветви четвертого плеча мостовой цепи, и общий вывод для входов нуль-индикатора соединены с «землей», введен дополнительный четвертый резистор во вторую ветвь четвертого плеча мостовой цепи, который включен параллельно трехэлементной электрической цепи, составленной из двух резисторов и индуктивной катушки, и совместно с ней образует заземленный уравновешивающий двухполюсник.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из каскада 2 синхронизации, формирователя 3 последовательности прямоугольных импульсов (K₀t⁰), формирователя 4 последовательности линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 5 последовательности квадратичных импульсов (K₂t²), коммутатора 6 и усилителя 7 мощности. Выход каскада 2 синхронизации соединен с каждым входом формирователей последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 6. Выход коммутатора 6 соединен со входом усилителя 7 мощности. Выход усилителя 7 мощности образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Второй выход генератора 1 питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада 2 синхронизации. Первый выход генератора 1 питающих импульсов соединен с первым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованным общим выводом одиночных резисторов 8 (R8) и 18 (R18), включенных соответственно в первое и второе плечи моста, третье плечо мостовой цепи образовано одиночным резистором 19 (R19). В четвертое плечо мостовой цепи включен частотно-независимый двухполюсник, образованный двумя параллельно соединенными ветвями. Первая из них состоит из последовательно соединенных одиночного первого резистора 9 (R9) и электрической цепи, образованной тремя элементами - в частном случае вторым резистором 10 (R10), параллельно которому включены соединенные последовательно конденсатор 11 (С11) и третий резистор 12 (R12). Вторая ветвь состоит из соединенных последовательно одиночного первого резистора 13 (R13), значение сопротивления которого равно значению сопротивления резистора R9, и электрической цепи, образованной тремя элементами - последовательно включенными вторым резистором 15 (R15) и соединенными параллельно индуктивной катушкой 16 (L16) и третьим резистором 17 (R17), параллельно которой включен дополнительный четвертый резистор 14 (R14). Эквивалентное сопротивление частотно-независимого двухполюсника при выполнении условий частотной независимости является постоянным резистивным и равным значению сопротивления резистора R9 или значению сопротивления резистора R13. В мостовой цепи значения сопротивлений резисторов R8, R9, R13, R15, R18 и R19 постоянны и известны, искомыми являются сопротивления двух резисторов R10, R12 и емкость конденсатора С11, образующих объект 21 измерения, уравновешивающими - регулируемые элементы R14, L16 и R17, которые совместно с резистором R15 составляют уравновешивающий 22 двухполюсник. Два вывода измерительной диагонали мостовой цепи, первый из которых образован общим выводом одиночного резистора R8 первого плеча, первым резистором R9 первой ветви четвертого плеча и первым резистором R13 второй ветви четвертого плеча, второй вывод измерительной диагонали моста образован общим выводом одиночного резистора R18 второго плеча и одиночного резистора R19 третьего плеча мостовой цепи, соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 20. Второй вход нуль-индикатора 20 - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общий вывод генератора 1 питающих импульсов, второй вывод генераторной диагонали мостовой цепи, образованный общим выводом одиночного резистора R19 третьего плеча моста, первой ветви четвертого плеча и второй ветви четвертого плеча мостовой цепи, и общий вывод для входов нуль-индикатора 20 соединены с «землей». В мостовой цепи одновременно заземлены объект 21 измерения и уравновешивающий 22 двухполюсник (в частности, переменные регулируемые элементы R14, L16, R17).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. Напряжение на входе и выходе электрического моста в исходном состоянии равно нулю. Поскольку при выполнении условий частотной независимости сопротивление частотно-независимого двухполюсника приводится к резистивному сопротивлению R9 (R13), то должно быть для мостовой цепи выполнено предварительное условие:

В частном случае условие (1) будет выполнено, если равны значения сопротивлений R8, R9, R18 и R19, т.е. если R₈=R₉=R₁₈=R₁₉.

Посредством коммутатора 6 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 3 последовательности прямоугольных импульсов подается последовательность импульсных сигналов прямоугольной формы на мостовую цепь. В установившемся режиме при воздействии очередного импульса в измерительной диагонали мостовой цепи устанавливается неизменяющееся в течение некоторого интервала времени напряжение неравновесия. Плоская вершина напряжения неравновесия моста после окончания переходного процесса приводится к нулю при выполненном условии (1) однократной регулировкой заземленного уравновешивающего элемента R14, что обеспечивает выполнение первого условия равновесия моста:

После чего на мостовую цепь посредством коммутатора 6 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 4 последовательности линейно изменяющихся импульсов подается последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения. На выходе моста при воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. С учетом выполненных предварительного условия (1) и первого условия равновесия (2) плоская вершина напряжения неравновесия приводится к нулю однократной регулировкой заземленного уравновешивающего элемента L16, вследствие чего выполняется второе условие равновесия мостовой цепи:

Затем на вход моста посредством коммутатора 6 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 5 последовательности квадратичных импульсов подается последовательность питающих импульсов квадратичной формы. Выходной импульсный сигнал неравновесия мостовой цепи после окончания переходного процесса имеет плоскою вершину, которая при выполненных условиях (1)-(3) приводится к нулю однократной регулировкой заземленного уравновешивающего элемента R17, что обеспечивает выполнение третьего условия равновесия моста:

Следовательно, при предварительно выполненном условии (1) имеет место зависимое раздельное уравновешивание мостовой цепи, которое выполняется в приведенной последовательности: R14-L16-R17.

Условия частотной независимости частотно-независимого двухполюсника совпадают с условиями равновесия мостовой цепи (2)-(4) при выполнении предварительного равенства (1). Таким образом, при воздействии на мост последовательности питающих импульсов, изменяющихся в течение их длительности по закону степенных функций, эквивалентное сопротивление частотно-независимого двухполюсника после окончания переходного процесса приводится к резистивному сопротивлению R9 (R13) при выполнении очередного условия частотной независимости и выполненных предыдущих условиях. Это с учетом выражения (1) означает приведение к нулю плоской вершины напряжения неравновесия в измерительной диагонали мостовой цепи. Следовательно, каждый раз при выполнении очередного условия частотной независимости, выполненных условии (1) и предыдущих условий частотной независимости имеет место уравновешивание мостовой цепи.

Значения искомых параметров R₁₀, С₁₁ и R₁₂, выраженные из условий равновесия мостовой цепи (2)-(4), запишутся в виде:

R₁₀=R² ₉(R₁₄+R₁₅)/R₁₄R₁₅, С₁₁=R² ₁₄L₁₆/R² ₉(R₁₄+R₁₅), R₁₂=R² ₉(R₁₄+R₁₅)(R₁₄+R₁₅+R₁₇)/R² ₁₄R₁₇.

Схема объекта 21 измерения может быть другой, схема уравновешивающего 22 двухполюсника с регулируемыми элементами для сохранения зависимого раздельного уравновешивания не должна изменяться.

Таким образом, предлагаемый мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет уменьшить погрешность измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитных емкостей относительно «земли» уравновешивающих регулируемых элементов, а также составляющей погрешности от нестабильности этих паразитных емкостей. В рассматриваемом варианте схемы измерителя это достигается заземлением всех уравновешивающих регулируемых элементов. При этом сохраняются все достоинства мостовых цепей с импульсным питанием, в том числе зависимое раздельное уравновешивание.

Источники информации

1. А.С. №1157467, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский. - Опубл. в БИ, 1985, №19.

2. Патент РФ №2229141, G01R 27/02, 17/10. Измеритель параметров двухполюсников / Г.И.Передельский. - Опубл. в БИ, 2004, №14 (II ч.).

3. Патент РФ №2284530, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров двухполюсников / Г.И.Передельский, Ю.В.Диденко, А.С.Романченко. - Опубл. в БИ, 2006, №27.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом формирователей последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся и квадратичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору, выход которого соединен со входом усилителя мощности, выход этого усилителя образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, первый выход генератора питающих импульсов соединен с первым выводом генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, образованным общим выводом одиночных резисторов, включенных в первое и второе плечи моста, третье плечо мостовой цепи образовано одиночным резистором, ее четвертое плечо представляет собой две параллельно включенные ветви, образующие частотно-независимый двухполюсник, первая из которых состоит из одиночного первого резистора и последовательно соединенной с ним трехэлементной электрической цепи, образованной в частном случае параллельно включенными вторым резистором и последовательно соединенными конденсатором и третьим резистором и составляющей заземленный объект измерения, вторая ветвь четвертого плеча мостовой цепи состоит из одиночного первого резистора и последовательно соединенной с ним электрической цепи, образованной тремя элементами - включенными последовательно вторым резистором и соединенными параллельно индуктивной катушкой и третьим резистором, два вывода измерительной диагонали мостовой цепи, первый из которых образован общим выводом одиночного резистора первого плеча, первым резистором первой ветви четвертого плеча и первым резистором второй ветви четвертого плеча, второй вывод измерительной диагонали моста образован общим выводом одиночного резистора второго плеча и одиночного резистора третьего плеча мостовой цепи, соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, второй вход которого - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, один вывод генератора питающих импульсов - общий вывод, второй вывод генераторной диагонали мостовой цепи, образованный общим выводом одиночного резистора третьего плеча моста, первой ветви четвертого плеча и второй ветви четвертого плеча мостовой цепи, и общий вывод для входов нуль-индикатора соединены с «землей», отличающийся тем, что в него введен дополнительный четвертый резистор во вторую ветвь четвертого плеча мостовой цепи, который включен параллельно трехэлементной электрической цепи, составленной из двух резисторов и индуктивной катушки, и совместно с ней образует заземленный уравновешивающий двухполюсник.