Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников, содержащих емкостные, индуктивные и резистивные элементы. Согласно изобретению в ветви моста, содержащей плечо с уравновешивающими элементами, которое состоит из последовательно соединенных конденсатора, первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которой подключен второй резистор, в плечо отношения дополнительно к конденсатору введены два резистора и катушка индуктивности, причем один из упомянутых резисторов и катушка индуктивности соединены с конденсатором и между собой последовательно, а другой резистор включен параллельно цепи, состоящей из первого резистора и катушки индуктивности. Благодаря этому обеспечивается раздельное уравновешивание при использовании питающих импульсов прямоугольной, линейной, квадратичной и кубичной форм, что позволяет проводить измерения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников без изменения конфигурации электрического моста. 1 ил.

 

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

Известен измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников по авт. св. 1147986, МКИ G01R 17/10, 1985 г., БИ 12, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности их следования по закону степенных функций, мостовую цепь для определения параметров резистивно-емкостных (R-C) двухполюсников и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определения параметров резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C).

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников по авт. св. 1150557, G01R 17/10, 1985 г., БИ 14, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности их следования по закону степенных функций, мостовую цепь для определения параметров двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C) и нуль-индикатор.

Недостатком такого измерителя является то, что он не позволяет измерять параметры многоэлементных резисторно-емкостных (R-C) и резисторно-индуктивных (R-L) двухполюсников.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников по авт. св. 945805 G01R 17/10, 1982 г., БИ 27, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, мостовую цепь для определения параметров R-L-C двухполюсников и индикатор равновесия.

Недостатком его является отсутствие возможности определения параметров многоэлементных резисторно-емкостных (R-C) и резисторно-индуктивных (R-L) двухполюсников.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей четырехплечего мостового измерителя, позволяющих определять параметры всех имеющихся трех видов многоэлементных пассивных двухполюсников: R-C, R-L и R-L-C.

Поставленная задача решается тем, что в мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной формы, а также последовательности импульсов линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, имеющий два выхода, первый выход генератора импульсов соединен со входом четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой состоит из двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения и первого резистора, являющегося первым плечом отношения; объекты измерения подключаются к двум клеммам первой ветви и представляют собой R-C, R-L или R-L-C многоэлементные двухполюсники, в частности, R-C двухполюсник состоит из первого резистора, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор и второй резистор, второй конденсатор также соединен параллельно с первым резистором, в частности, R-L двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора, первой катушки индуктивности и второй катушки индуктивности, параллельно которой включен второй резистор, в частности, R-L-C двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которой включены параллельно соединенные второй резистор и конденсатор; вторая ветвь мостовой цепи состоит из первого конденсатора, являющегося вторым плечом отношения, и многоэлементного двухполюсника с уравновешивающими элементами, который состоит из последовательно соединенных второго конденсатора, второго резистора и первой катушки индуктивности, параллельно которой подключен третий резистор, общий вывод первого конденсатора и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образует вход мостовой цепи, который подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод первого резистора первой ветви и первой катушки индуктивности, третьего резистора двухполюсника с уравновешивающими элементами заземлен; нуль-индикатор, первый вход которого (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, а один вывод второго входа подключен к общему выводу первого резистора и второй клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, этот общий вывод образует первый вывод выхода мостовой цепи, общая шина нуль-индикатора и общая шина генератора импульсов соединены с землей, введены во вторую ветвь четвертый и пятый резисторы, а также вторая катушка индуктивности, четвертый резистор и вторая катушка индуктивности соединены между собой последовательно и последовательно включены с первым конденсатором, пятый резистор включен параллельно относительно цепи, состоящей из четвертого резистора и второй катушки индуктивности, общий вывод второй катушки индуктивности и пятого резистора подключен ко второму конденсатору, общий вывод второй катушки индуктивности, пятого резистора и второго конденсатора образует второй вывод выхода мостовой цепи, и он подключен ко второму выводу второго входа нуль-индикатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной формы, а также последовательности импульсов линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм. Генератор импульсов имеет два выхода: сигнальный выход и выход синхронизации, его общая шина заземлена. На чертеже в качестве примера приведены три варианта двухполюсников объекта измерения: R-C, R-L и R-L-R-C двухполюсники.

Первый двухполюсник (R-C) объекта измерения состоит из первого резистора 2, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор 3 и второй резистор 4, также параллельно с первым резистором 2 соединен второй конденсатор 5. Пример второго двухполюсника (R-L) объекта измерения состоит из последовательно соединенных первого резистора 6, первой катушки 7 индуктивности и второй катушки 8 индуктивности, параллельно второй катушке 8 индуктивности включен второй резистор 9. И, наконец, пример третьего двухполюсника (R-L-R-C) объекта измерения состоит из последовательно соединенных первого резистора 10 и катушки 11 индуктивности, параллельно соединенные второй резистор 12 и конденсатор 13 включены параллельно катушке 11 индуктивности.

Четырехплечая мостовая электрическая цепь состоит из двух ветвей. Первая ветвь содержит две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и резистора 14, являющегося плечом отношения. Вторая ветвь мостовой цепи содержит два последовательно включенных многоэлементных двухполюсника. Первый двухполюсник состоит из последовательно соединенных конденсатора 15, первого резистора 16 и катушки 17 индуктивности. Второй резистор 18 включен параллельно цепи из первого резистора 16 и катушки 17 индуктивности. Второй двухполюсник состоит из последовательно соединенных конденсатора 19, первого резистора 20 и катушки 21 индуктивности. Второй резистор 22 включен параллельно катушке 18 индуктивности.

Общий вывод первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и конденсатора 15 первого двухполюсника второй ветви образует вход мостовой цепи, который подключен к первому (сигнальному) выходу генератора 1 импульсов. Общий вывод резистора 14 первой ветви, а также катушки 21 индуктивности и резистора 22 второго многоэлементного двухполюсника заземлен. Один вывод выхода мостовой цепи образует общий вывод второй клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и резистора 14. Другой вывод выхода мостовой цепи образует общий вывод двух многоэлементных двухполюсников второй ветви.

Оба вывода выхода мостовой цепи соединены с первым входом нуль-индикатора 23. Второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора 23 соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора 1 импульсов. Общая шина нуль-индикатора 23 заземлена.

Как и в известных мостовых цепях, элементы 14, 15, 16, 17, 18 являются образцовыми элементами с известными и постоянными значениями параметров повышенной стабильности и точности. Элементы 19, 20, 21, 22 - это образцовые регулируемые элементы для уравновешивания мостовой цепи. Элементы 2, 3, 4, 5 - неизвестные параметры R-C двухполюсника объекта измерения, 6, 7, 8, 9 - искомые параметры R-L двухполюсника объекта измерения и, наконец, 10, 11, 12, 13 - определяемые параметры R-L-C двухполюсника.

Уравновешивание мостовой цепи при каждом из трех вариантов объектов измерения осуществляется в четыре этапа при воздействии на нее импульсов прямоугольной, линейной, квадратичной и кубической форм. Рассмотрим этот процесс для каждого объекта измерения.

Двухполюсник R-C-R-C. При воздействии на электрический мост импульса напряжения прямоугольной формы после окончания переходного процесса напряжение неравновесия в измерительной диагонали имеет плоскую вершину. Условие равновесия

достигается изменением значения емкости С₁₉ конденсатора 19. При этом названная плоская вершина приводится к нулю, и можно определить значение сопротивления R₂.

При воздействии на электрический мост импульса линейно изменяющегося напряжения после уравновешивания (1) в напряжении неравновесия по окончании переходного процесса отсутствует линейно изменяющаяся составляющая и наблюдается только плоская вершина, которую можно привести к нулю посредством выполнения условия

Второе уравновешивание производится регулированием сопротивления R₂₀ резистора 20.

При питании электрического моста импульсом напряжения, изменяющегося по квадратичному закону, сигнал в измерительной диагонали в результате двух уравновешиваний (1) и (2) после окончания переходного процесса имеет плоскую вершину, которую можно привести к нулю при выполнении третьего условия равновесия

Третье уравновешивание осуществляется изменением значения индуктивности L₂₁ катушки 21.

При воздействии на электрический мост импульса напряжения кубической формы сигнал неравновесия в измерительной диагонали после окончания переходного процесса в результате трех уравновешиваний (1), (2) и (3) имеет плоскую вершину, которую приводим к нулю, выполняя четвертое условие равновесия

Четвертое уравновешивание достигается изменением значения сопротивления R₂₂ резистора 22.

Отсчет искомых параметров С₃, R₄ и С₅, кроме найденного ранее R₂, берется из условий равновесия (2)-(4).

Двухполюсник R-L-R-L. При питании электрического моста импульсом напряжения прямоугольной формы условие равновесия

обеспечивается изменением значения емкости С₁₉ конденсатора 19. При этом можно определить сопротивление R₆. При воздействии импульса линейно изменяющегося напряжения второе условие равновесия имеет вид

Напряжение плоской вершины в измерительной диагонали приводится к нулю изменением значения сопротивления R₂₀ резистора 20. Третье условие уравновешивания электрического моста при питании импульсом напряжения квадратичной формы

достигается регулированием значения индуктивности L₂₁ катушки 21. Четвертое уравновешивание при воздействии на электрический мост импульса напряжения кубической формы достигается при выполнении условия

Уравновешивание осуществляется изменением значения сопротивления R₂₂ резистора 22.

После уравновешивания электрического моста из уравнений (6), (7), (8) можно определить параметры L₇, L₈ и R₉ объекта измерения.

Двухполюсник R-L-R-C. При питании электрического моста импульсом напряжения с плоской вершиной условие равновесия имеет вид

Уравновешивание достигается изменением значения емкости С₁₉ конденсатора 19 и позволяет определить сопротивление R₁₀. Второе уравновешивание при воздействии на электрический мост импульса линейно изменяющегося напряжения осуществляется при выполнении условия

Условие (10) достигается изменением значения сопротивления R₂₀ резистора 20 и позволяет вычислить индуктивность L₁₁ измеряемого двухполюсника. На третьем этапе уравновешивания электрического моста при питании импульсом напряжения квадратичной формы обеспечивается равенство нулю

путем регулирования значения индуктивности L₂₁ катушки 21. Из условия равновесия (11) можно вычислить сопротивление R₁₂. Четвертое уравновешивание, выполняемое при питании электрического моста импульсом напряжения кубической формы, обеспечивается при выполнении условия

Уравновешивание осуществляется изменением значения сопротивления R₂₂ резистора 22 и позволяет из уравнения (12) определить емкость С₁₃.

На каждом этапе уравновешивания к нулю приводится вершина импульсного напряжения неравновесия на выходе мостовой цепи - от момента окончания переходного процесса и до момента времени окончания питающего мост импульса от генератора 1. Тем самым выполняются условия равновесия (1)-(12). После четырех этапов уравновешивания и выполнения четырех условий равновесия напряжение плоской вершины импульса на выходе мостовой цепи равно нулю. Однако к полному равновесию мостовая цепь не приводится: в начале импульса в течение длительности переходного процесса и после окончания импульса имеются всплески напряжения. Они определяются экспоненциальными слагаемыми и затухают до нуля. Но так как выполнены четыре условия равновесия, из них можно определить четыре неизвестных параметра двухполюсника объекта измерения. Такие мостовые цепи относят к квазиуравновешенным мостам.

Таким образом, мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников без изменения конфигурации электрического моста, то есть расширяются функциональные возможности измерителя. Как известно, мостовой измеритель позволяет определять параметры не только приведенного примера R-C двухполюсника, но и эквивалентных ему двухполюсников, а также приведенного примера R-L двухполюсника и эквивалентных ему двухполюсников и, наконец, приведенного примера R-L-C двухполюсника и эквивалентных ему двухполюсников. Мостовая цепь сохранила такое важное свойство, как раздельное уравновешивание.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1147986, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, опубл. 1985, БИ №12 (аналог).

2. Авторское свидетельство СССР №1150557, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, А.У.Касьянов, опубл. 1985, БИ №14 (аналог).

3. Авторское свидетельство СССР №945805, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, Э.Ф.Сербин, Е.С.Захаров, опубл. 1982, БИ №27 (прототип).

Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной формы, а также последовательности импульсов линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, он имеет два выхода, первый выход генератора импульсов соединен со входом четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой состоит из двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения и первого резистора, являющегося первым плечом отношения; объекты измерения подключаются к двум клеммам первой ветви и представляют собой R-C, R-L или R-L-C многоэлементные двухполюсники; в частности R-C двухполюсник состоит из первого резистора, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор и второй резистор, второй конденсатор также соединен параллельно с первым резистором, в частности R-L двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора, первой катушки индуктивности и второй катушки индуктивности, параллельно которой включен второй резистор, в частности R-L-C двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которой включены параллельно соединенные второй резистор и конденсатор; вторая ветвь мостовой цепи состоит из первого конденсатора, являющегося вторым плечом отношения, и многоэлементного двухполюсника с уравновешивающими элементами, который состоит из последовательно соединенных второго конденсатора, второго резистора и первой катушки индуктивности, параллельно которой подключен третий резистор, общий вывод первого конденсатора и первой клеммы для подключения двухполюсника объектов измерения образует вход мостовой цепи, который подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод первого резистора первой ветви и первой катушки индуктивности, третьего резистора двухполюсника с уравновешивающими элементами заземлен; нуль-индикатор, первый вход которого (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, а один вывод второго входа подключен к общему выводу первого резистора и второй клеммы для подключения двухполюсника объектов измерения, этот общий вывод образует первый вывод выхода мостовой цепи, общая шина нуль-индикатора и общая шина генератора импульсов соединены с землей, отличающийся тем, что во вторую ветвь мостовой цепи введены четвертый и пятый резисторы, а также вторая катушка индуктивности, четвертый резистор и вторая катушка индуктивности соединены между собой последовательно и последовательно включены с первым конденсатором, пятый резистор включен параллельно относительно цепи, состоящей из четвертого резистора и второй катушки индуктивности, общий вывод второй катушки индуктивности и пятого резистора подключен ко второму конденсатору, общий вывод второй катушки индуктивности, пятого резистора и второго конденсатора образует второй вывод выхода мостовой цепи и он подключен ко второму выводу второго входа нуль-индикатора.