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 генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, четырехплечую мостовую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, а вторая ветвь состоит из последовательно соединенных первого резистора, второго резистора и катушки индуктивности. При этом во вторую ветвь четырехплечей мостовой цепи входят две клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, одна из клемм заземлена, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и резистора, параллельно которому включен второй конденсатор, два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи подключены к дифференциальному входу нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена. Также в устройство введены дополнительная катушка индуктивности и дополнительный резистор. 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 [АС СССР №1157467 G01R. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский - Опубл. в Бюл., 1985, №19], 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 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 незаземлена. 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 трехэлементных пассивных двухполюсников [АС СССР, №798607, G01R. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский - Опубл. в Бюл., 1981, №3]. 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 мостовом измерителе параметров двухполюсников, содержащем генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся трех 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 входом четырехплечей мостовой цепи, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а свободный вывод другого резистора заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенных первого резистора, второго резистора и катушки индуктивности, к общему выводу второго резистора и катушки индуктивности подключен третий резистор, общий вывод первого и второго резисторов образует второй вывод выхода мостовой цепи, также во вторую ветвь четырехплечей мостовой цепи входят две клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, одна из клемм заземлена, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и резистора, параллельно которому включен второй конденсатор, два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи подключены к дифференциальному входу нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительная катушка индуктивности, дополнительный резистор и изменено включение элементов, дополнительная катушка индуктивности включена между свободным выводом третьего резистора второй ветви четырехплечей мостовой цепи и «землей», а дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода мостовой цепи и незадействованной клеммой для подключения двухполюсников объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из формирователя 2 линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 3 квадратичных импульсов (K₂t²), формирователя 4 кубичных импульсов (K₃t³), где K₁ K₂ и K₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 5 мощности, коммутатора 6 и каскада 7 синхронизации. Выход каскада 7 синхронизации соединен с каждым входом формирователей линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 6. Выход коммутатора 6 соединен с входом усилителя 5 мощности. Выход усилителя 5 мощности образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Второй выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли» - выход синхронизации образует выход каскада 7 синхронизации. Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена. Первый выход генератора 1 питающих импульсов соединен с входом (с первой вершиной генераторной диагонали) четырехплечей мостовой цепи, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей. Первая ветвь четырехплечей мостовой цепи образована двумя соединенными последовательно резисторами 8 (R8) и 9 (R9). Свободный вывод резистора R8 соединен с первым выходом генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод резистора R9 заземлен. Общий вывод резисторов R8 и R9 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенного первого резистора 10 (R10), второго резистора 11 (R11) и катушки индуктивности 12 (L12). Общий вывод резисторов R8 и R10 образует первую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Общий вывод резисторов R10 и R11 образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Свободный вывод катушки индуктивности L12 заземлен. К общему выводу резистора R11 и катушки индуктивности L12 присоединен третий резистор 13 (R13), последовательно с которым включена дополнительная катушка индуктивности 14 (L14), свободный вывод которой заземлен. К общему выводу резисторов R10 и R11 подключен дополнительный резистор 15 (R15), значение сопротивления которого равно значению сопротивления резистора R11. К свободному выводу резистора R15 присоединена одна из двух клемм для подключения двухполюсников объекта измерения. Другая клемма заземлена. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого конденсатора 16 (С16) и резистора 17 (R17), параллельно которому включен второй конденсатор 18 (С18). Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 19. Другой вход нуль-индикатора 19 - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 19 соединена с общим выводом резистора R9 и катушек индуктивности L12 и L14, образующим вторую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи, и заземлена. В четырехплечей мостовой цепи значения сопротивлений резисторов R8, R9, R10, R11 и R15 известны и постоянны. Искомыми являются параметры конденсаторов С16 и С18 и резистора R17, образующих двухполюсник объекта измерения. Регулируемыми уравновешивающими переменными являются известные параметры резистора R13 и катушек индуктивности L12 и L14.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Математические выражения условий равновесия четырехплечей мостовой цепи будут иметь более простой вид при выполнении равенств

$$R_8=R_{10},\left(1\right)$$

$$R_9=R_{11}=R_{15}.\left(2\right)$$

Поэтому ниже условия равновесия четырехплечей мостовой цепи приводятся с учетом предварительного выполнения этих равенств.

В генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 3 квадратичных импульсов, формирователь 4 кубичных импульсов формируют последовательности импульсных сигналов соответствующей формы. Через коммутатор 6 и усилитель 5 мощности эти сигналы поочередно поступают на выход генератора 1 питающих импульсов и затем воздействуют на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи.

В первую очередь на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность импульсных сигналов линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного такого импульса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса устанавливается неизменяющееся в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса напряжение неравновесия. Плоская вершина этого напряжения приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента L12. В результате выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, которое имеет вид

$$L_{12}-R^2{}_{11}{C}_{16}=0.\left(3\right)$$

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов квадратичной формы. При воздействии очередного импульса квадратичной формы на выходе четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта вершина с учетом выполненного первого условия равновесия (3) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента R13. Второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

$$R_{13}=R_{17}-R^2{}_{11}\left(4\right)$$

Выполнение первого условия равновесия (3) в этом случае сохраняется, поскольку это условие не содержит переменный регулируемый уравновешивающий элемент R13.

В последнюю очередь на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействуют импульсы кубичной формы. В измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи при воздействии очередного импульса кубичной формы устанавливается импульсный сигнал неравновесия. Этот сигнал после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса имеет плоскую вершину, которая при выполненных условиях (3) и (4) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента L₁₄. При этом третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

$$L_{14}-R^2{}_{11}{C}_{18}=0.\left(5\right)$$

Предыдущие условия равновесия (3) и (4) сохраняются, поскольку в этих условиях не содержится переменный регулируемый уравновешивающий элемент L₁₄.

Искомые значения параметров трех элементов двухполюсника объекта измерения C16, R17 и C18 определяются из трех условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (3) - (5). Таким образом, три неизвестных параметра находятся из решения по сути трех уравнений.

Следовательно, 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. Также в предлагаемом мостовом измерителе параметров двухполюсников реализованы раздельное уравновешивание и раздельный отсчет.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся трех 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 входом четырехплечей мостовой цепи, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а свободный вывод другого резистора заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенных первого резистора, второго резистора и катушки индуктивности, к общему выводу второго резистора и катушки индуктивности подключен третий резистор, общий вывод первого и второго резисторов образует второй вывод выхода мостовой цепи, также во вторую ветвь четырехплечей мостовой цепи входят две клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, одна из клемм заземлена, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и резистора, параллельно которому включен второй конденсатор, два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи подключены к дифференциальному входу нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены дополнительная катушка индуктивности, дополнительный резистор и изменено включение элементов, дополнительная катушка индуктивности включена между свободным выводом третьего резистора второй ветви четырехплечей мостовой цепи и «землей», а дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода мостовой цепи и незадействованной клеммой для подключения двухполюсников объекта измерения.