Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Три плеча четырехплечей мостовой цепи содержат одиночные резисторы, значения сопротивлений которых постоянны и известны. Четвертое плечо этой мостовой цепи образовано потенциально частотно-независимым двухполюсником, содержащим два многоэлементных двухполюсника - с искомыми параметрами и с переменными регулируемыми уравновешивающими элементами. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников. 1 ил.

 

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №1157467, G01R. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский - Опубл. в Бюл. №19, 1985], содержащий последовательно включенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять оба имеющихся многоэлементных двухполюсника. При прочих равных условиях на практике отдается предпочтение мостовым цепям, где заземлены все имеющиеся многоэлементные двухполюсники. Незаземленный многоэлементный двухполюсник образует паразитную емкость относительно земли, которая вызывает соответствующую дополнительную составляющую погрешности измерения, обусловленную этой паразитной емкостью. Кроме того, эта паразитная емкость не стабильна и, как известно, существенно изменяется с течением времени и особенно с изменением температуры. В частном случае, при незаземленном двухполюснике с регулируемыми уравновешивающими элементами и использовании в качестве них матрицы однотипных элементов, управляемых ключей и схемы управления необходимо использовать дополнительные развязывающие элементы - трансформаторы или оптронные пары. Изменение значения уравновешивающего параметра осуществляется здесь замыканием и размыканием ключей под действием сигналов с заземленной электронной схемы управления. Если же уравновешивающий элемент заземлен, то не требуется использовать дополнительные развязывающие элементы. Также в частном случае, при незаземленном двухполюснике объекта измерения и использовании датчика с линией связи на последней наводятся сигналы помех и вызывают соответствующую дополнительную составляющую погрешности измерения, так как здесь линия связи тоже не заземлена. Датчик или датчик совместно с линией связи представляют собой многоэлементную схему замещения. Если же объект измерения заземлен, то сигналы помех и соответствующая составляющая погрешности измерения существенно меньше, так как линия связи заземлена. Незаземленная линия связи также имеет паразитную емкость относительно земли. Можно обратить внимание, что заземлить оба многоэлементных двухполюсника в принципе невозможно в мостах Максвелла [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - М.-Л.: Энергия, 1966, 88 с., стр.40, рис.15], Хея [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - М.-Л.: Энергия, 1966, 88 с., стр.40, рис.16], Андерсона [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - М.-Л.: Энергия, 1966, 88 с, стр.42, рис.18].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №918862, G01R. Мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский. Опубл. в Бюл. №13, 1982]. Мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлить оба имеющихся многоэлементных двухполюсника.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости, за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, общая шина генератора питающих импульсов заземлена, первый выход генератора питающих импульсов соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых имеет одиночный резистор двух плеч отношения, общий вывод этих одиночных резисторов образует первую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, вторая вершина ее заземлена, свободный вывод первого резистора плеча отношения образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, а свободный вывод второго резистора плеча отношения - второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, в первую ветвь четырехплечей мостовой цепи входят последовательно включенные первый одиночный резистор плеча отношения и многоэлементный двухполюсник, представляющий собой потенциально частотно-независимый двухполюсник, который состоит из двух параллельно включенных ветвей, в первую из них входят две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, который, в частности, состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а параллельно последнему подключены последовательно соединенные конденсатор и индуктивная катушка, общий вывод второго резистора и индуктивной катушки заземлен, во вторую ветвь многоэлементного двухполюсника входят последовательно соединенные первый резистор и индуктивная катушка, свободный вывод которой заземлен, к общему выводу первого резистора и индуктивной катушки подключен конденсатор, а к заземленному выводу индуктивной катушки - второй резистор, два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, другой его вход - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены три дополнительных резистора, первый из них включен между первым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и незаземленной клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, второй введенный дополнительный резистор включен между первым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и свободным выводом первого резистора второй ветви многоэлементного двухполюсника, третий дополнительный резистор подключен между вторым выводом выхода мостовой цепи и «землей», свободный вывод второго резистора второй ветви многоэлементного двухполюсника соединен с общим выводом первого резистора, индуктивной катушки и конденсатора, а свободный вывод конденсатора второй ветви многоэлементного двухполюсника - с «землей», общий вывод третьего дополнительного резистора и многоэлементного двухполюсника образует вторую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из формирователя 2 прямоугольных импульсов (K₀t⁰), формирователя 3 линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 4 квадратичных импульсов (K₂t²), формирователя 5 кубичных импульсов (K₃t³), где K₀, K₁, K₂ и K₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 6 мощности, коммутатора 7 и каскада 8 синхронизации. Выход каскада 8 синхронизации соединен с каждым входом формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 7. Выход коммутатора 7 соединен с входом усилителя 6 мощности. Выход усилителя 6 мощности образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Второй выход генератора 1 питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада 8 синхронизации. Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена. Первый выход генератора 1 питающих импульсов соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей. В первую ветвь четырехплечей мостовой цепи входят соединенные последовательно первый одиночный резистор 9 (R₉) плеча отношения и многоэлементный двухполюсник, представляющий собой потенциально частотно-независимый двухполюсник. Общий вывод одиночного резистора R₉ и потенциально частотно-независимого двухполюсника образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Потенциально частотно-независимый двухполюсник состоит из двух параллельно включенных ветвей. В его первую ветвь входят первый дополнительный резистор 10 (R₁₀) и две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения с искомыми параметрами, который, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора 11 (R₁₁) и второго резистора 12 (R₁₂), параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 13 (С₁₃) и индуктивная катушка 14 (L₁₄). Общий вывод резистора R₁₂ и индуктивной катушки L₁₄ заземлен. Во вторую ветвь потенциально частотно-независимого двухполюсника входят второй дополнительный резистор 15 (R₁₅), значение сопротивления которого равно значению сопротивления резистора R₁₀, и последовательно с ним соединенная четырехэлементная электрическая цепь с переменными регулируемыми уравновешивающими элементами, состоящая из включенных последовательно первого резистора 16 и соединенных параллельно индуктивной катушки 17 (L₁₇), второго резистора 18 (R₁₈) и конденсатора 19 (С₁₉), общий вывод которых заземлен. Вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи образована одиночным резистором 20 (R₂₀) второго плеча отношения и заземленным третьим дополнительным резистором 21 (R₂₁), общий вывод которых образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Общий вывод одиночных резисторов R₉ и R₂₀ двух плеч отношения образует первую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, ее вторая вершина заземлена. Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 22, другой его вход - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 22 заземлена. Общий вывод третьего дополнительного резистора R₂₁ и потенциально частотно-независимого двухполюсника образует вторую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи. В этой мостовой цепи значения сопротивлений резисторов R₉, R₁₀, R₁₅, R₂₀ и R₂₁ известны и постоянны.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Для обеспечения сравнительно негромоздких математических выражений значения сопротивлений резисторов R₉, R₁₀, R₁₅, R₂₀ и R₂₁ следует сделать равными, т.е., в частном случае, должно быть справедливо выражение

Вначале на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействует последовательность импульсных сигналов прямоугольной формы, подаваемых посредством коммутатора 7 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 2 прямоугольных импульсов. В установившемся режиме при воздействии очередного импульса прямоугольной формы в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи устанавливается неизменяющееся в течение некоторого интервала времени напряжение неравновесия. После окончания переходного процесса плоская вершина этого напряжения неравновесия приводится к нулю при выполненном условии (1) однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента R₁₆, что обеспечивает выполнение первого условия равновесия четырехплечей мостовой цепи:

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи подается последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения посредством коммутатора 7 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 3 линейно изменяющихся импульсов. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной, которая с учетом выполненных предварительного условия (1) и первого условия равновесия (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента L₁₇. При этом выполняется второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи:

Выполнение первого условия равновесия (2) в этом случае не нарушается, поскольку это условие не содержит переменный регулируемый уравновешивающий элемент L₁₇.

Далее в результате воздействия подаваемых на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи последовательности питающих импульсов квадратичной формы посредством коммутатора 7 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 4 квадратичных импульсов в ее измерительной диагонали при воздействии очередного такого импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия, имеющий после окончания переходного процесса плоскую вершину, которая при выполненных условиях (1)-(3) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента R₁₈, чем обеспечивается выполнение третьего условия равновесия четырехплечей мостовой цепи:

При этом выполнение первого (2) и второго (3) условий равновесия не нарушается, поскольку эти условия не содержат переменный регулируемый уравновешивающий элемент R₁₈.

Наконец, воздействие подаваемых на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи последовательности питающих импульсов кубичной формы посредством коммутатора 7 с генератора 1 питающих импульсов формирователем 5 кубичных импульсов приводит к тому, что в ее измерительной диагонали при воздействии очередного такого импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия, имеющий после окончания переходного процесса плоскую вершину, которая при выполненных условиях (1)-(4) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента С₁₉, что делает возможным выполнение последнего четвертого условия равновесия четырехплечей мостовой цепи:

В этом случае предыдущие три условия равновесия четырехплечей мостовой цепи (2)-(4) остаются также выполненными, поскольку в них отсутствует переменный уравновешивающий элемент С₁₉.

Отсчет четырех искомых параметров: R₁₁, R₁₂, С₁₃ и L₁₄ берется из четырех условий равновесия (2)-(5), по сути из четырех уравнений.

Таким образом, предлагаемый мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет уменьшить погрешность измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости, за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников. Кроме того, в предлагаемом мостовом измерителе параметров двухполюсников реализуется такое важное свойство мостовых цепей, как зависимое раздельное уравновешивание.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада синхронизации, общая шина генератора питающих импульсов заземлена, первый выход генератора питающих импульсов соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых имеет одиночный резистор двух плеч отношения, общий вывод этих одиночных резисторов образует первую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, вторая вершина ее заземлена, свободный вывод первого резистора плеча отношения образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, а свободный вывод второго резистора плеча отношения - второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, в первую ветвь четырехплечей мостовой цепи входят последовательно включенные первый одиночный резистор плеча отношения и многоэлементный двухполюсник, представляющий собой потенциально частотно-независимый двухполюсник, который состоит из двух параллельно включенных ветвей, в первую из них входят две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, который, в частности, состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а параллельно последнему подключены последовательно соединенные конденсатор и индуктивная катушка, общий вывод второго резистора и индуктивной катушки заземлен, во вторую ветвь многоэлементного двухполюсника входят последовательно соединенные первый резистор и индуктивная катушка, свободный вывод которой заземлен, к общему выводу первого резистора и индуктивной катушки подключен конденсатор, а к заземленному выводу индуктивной катушки - второй резистор, два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, другой его вход - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены три дополнительных резистора, первый из них включен между первым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и незаземленной клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, второй введенный дополнительный резистор включен между первым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и свободным выводом первого резистора второй ветви многоэлементного двухполюсника, третий дополнительный резистор подключен между вторым выводом выхода мостовой цепи и «землей», свободный вывод второго резистора второй ветви многоэлементного двухполюсника соединен с общим выводом первого резистора, индуктивной катушки и конденсатора, а свободный вывод конденсатора второй ветви многоэлементного двухполюсника - с «землей», общий вывод третьего дополнительного резистора и многоэлементного двухполюсника образует вторую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи.