МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

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

Известен мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников [авт. св. СССР №945805, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников /Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл., 1982, №27], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять один из выводов обоих имеющихся многоэлементных двухполюсника мостовой цепи. 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 нестабильна 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 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].

Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [патент РФ №2103695 G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников /Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл., 1998, №3.], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять один из выводов обоих имеющихся многоэлементных двухполюсника мостовой цепи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [авт. св. СССР №1157467, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников /Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл, 1985, №19], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлить оба имеющихся многоэлементных двухполюсника мостовой цепи.

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 в мостовой цепи.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², K₃t³, K₄t⁴, где К₀, К₁, К₂, К₃, К₄ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и каскада синхронизации, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся пяти формирователей импульсов, выходы которых подключены ко входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый (сигнальный) выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход (выход синхронизации) генератора питающих импульсов образует выход каскада синхронизации, общая шина генератора питающих импульсов заземлена; первый выход генератора питающих импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи (моста), который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей четырехплечей мостовой цепи, первая из этих двух ветвей состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, свободный вывод другого заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь моста включает в себя первый резистор, первый вывод которого соединен с общим выводом первого выхода генератора питающих импульсов и резистора первой ветви четырехплечей мостовой цепи, также вторая ветвь включает последовательно соединенные второй резистор и катушку индуктивности, параллельно последней включен третий резистор, а также цепь из последовательно соединенных конденсатора и четвертого резистора, общий вывод катушки индуктивности, третьего и четвертого резисторов заземлен, также в мостовую цепь входят две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, который, в частности, состоит из параллельно включенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора, второго резистора и катушки индуктивности, параллельно которой включен третий резистор, общий вывод первого резистора и конденсатора соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, общий вывод первого резистора, катушки индуктивности и третьего резистора соединен со второй клеммой; нуль-индикатор, первый из двух выводов первого (дифференциального) входа которого соединен с первым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена; введены три дополнительных резистора и изменено включение элементов - две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения совместно с двухполюсником объекта измерения перенесены из первой ветви четырехплечей мостовой цепи в ее вторую ветвь, вторая клемма заземлена, первый дополнительный резистор включен между свободными выводами первого и второго резисторов, второй дополнительный резистор включен между общим выводом первого и первого дополнительного резисторов и первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, третий дополнительный резистор включен между общим выводом первого дополнительного и второго резисторов и общим выводом второго дополнительного резистора и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения, общий вывод первого, первого дополнительного и второго дополнительного резисторов образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, этот второй вывод соединен со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора.

Сущность изобретения поясняется фигурой 1.

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), формирователя 6 импульсов, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени (K₄t⁴), где К₀, К₁, К₂, К₃, К₄ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 7 мощности, коммутатора 8 и каскада 9 синхронизации. Выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора 8, выход которого подключен к входу усилителя 7 мощности, выход которого образует первый (сигнальный) выход относительно «земли» генератора 1 питающих импульсов. Выход каскада 9 синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов. Также выход каскада 9 синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) относительно «земли» генератора 1 питающих импульсов. Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена.

Первый выход генератора 1 питающих импульсов подключен к входу (к первой вершине генераторной диагонали) четырехплечей мостовой цепи (моста), образованной двумя параллельно включенными ветвями. Первая из этих ветвей состоит из двух последовательно соединенных резисторов 10 (R10) и 11 (R11), образующих соответственно первое и второе плечи четырехплечей мостовой цепи. Свободный вывод резистора R10 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод резистора R11 заземлен. Общий вывод резисторов R10 и R11 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи.

Вторая ветвь моста включает в себя первый резистор R12, первый дополнительный резистор R13, последовательно соединенные второй резистор R14 и катушку индуктивности L15, параллельно которой включены третий резистор R16, а также цепь из последовательно соединенных конденсатора С17 и четвертого резистора R18. Один вывод резистора R12 соединен с общим выводом первого выхода генератора питающих импульсов и резистора R10. Общий вывод индуктивной катушки L15, третьего R16 и четвертого R18 резисторов заземлен. Также вторая ветвь мостовой цепь содержит две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения. К первой клемме подключен один вывод третьего дополнительного резистора R19. Его другой вывод подключен к общему выводу первого дополнительного резистора R13 и второго резистора R14. Один вывод второго дополнительного резистора R20 соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Другой его вывод соединен с общим выводом первого резистора R12 и первого дополнительного резистора R13. Общий вывод резисторов R12, R13 и R20 образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно включенных первого резистора R21 и цепи из последовательно соединенных конденсатора С22, второго резистора R23 и катушки индуктивности L24, параллельно которой включен третий резистор R25. Общий вывод первого резистора R21 и конденсатора С22 соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Общий вывод первого резистора R21, катушки индуктивности L24 и третьего резистора R25 соединен со второй клеммой. Общий вывод резисторов R10 и R12 образует первую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Вторая вершина генераторной диагонали моста образована общим выводом резисторов R11, R16 и R18, катушки индуктивности L15 и второй клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения. Эта вершина соединена с заземленной общей шиной генератора 1 питающих импульсов.

Первый из двух выводов первого (дифференциального) входа нуль-индикатора 26 соединен с первым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи. Со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора 26 соединена вторая вершина измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора 26 соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 26 соединена с общей шина генератора 1 питающих импульсов и заземлена. Также заземлена вторая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения.

В мостовом измерителе параметров двухполюсников значения сопротивлений резисторов R10 и R12, R13 и R20 постоянные, известные и попарно равные (R10=R12, R13=R20). Также известно постоянное значение сопротивления резистора R19. Значение сопротивления резистора R11 определяется из предварительно выполненного начального условия

(1)

Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - резисторов R14, R16 и R18, катушки индуктивности L15 и конденсатора С17. Искомыми являются параметры элементов двухполюсника объекта измерения - резисторов R21, R23 и R25, конденсатора С22 и катушки индуктивности L24.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени при отсутствии импульсов с генератора 1 питающих импульсов напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. В генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 прямоугольных импульсов, формирователь 3 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 4 квадратичных импульсов, формирователь 5 кубичных импульсов, формирователь 6 импульсов, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени, формируют последовательности импульсных сигналов соответствующих форм. Через коммутатор 8 и усилитель 7 мощности эти сигналы поочередно поступают на выход генератора 1 питающих импульсов и воздействуют на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи.

В первую очередь на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность прямоугольных импульсных сигналов. При воздействии очередного такого импульса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса устанавливается не изменяющееся в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса напряжение неравновесия. Напряжение его плоской вершины приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R14. При этом выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи

А₁=(2R₁₃+R₁₉)² R₁₄ R₂₁ - R² ₁₃R² ₁₉=0. (2)

Здесь и в дальнейшем равновесие моста отмечается по нуль-индикатору 26. Устойчивые показания его обеспечивают сигналы синхронизации со второго выхода генератора 1 питающих импульсов.

Во вторую очередь на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов линейно изменяющейся формы. При воздействии очередного импульса линейно изменяющейся формы на выходе четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса образуется импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Ее напряжение с учетом выполненного первого (2) условия равновесия приводится к нулю однократной регулировкой переменной индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L15. Второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

А₂=(2R₁₃+R₁₉)²L₁₅ - R² ₁₃R² ₁₉C₂₂=0. (3)

Выполнение первого условия равновесия (2) в этом случае сохраняется, поскольку в нем нет переменной индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L15.

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов квадратичной формы. При воздействии очередного такого импульса 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. Напряжение этой вершины с учетом выполненного первого (2) и второго (3) условий равновесия приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R16. Третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

А₃=(2R₁₃+R₁₉)² R₁₆ R₂₃ - R² ₁₃R² ₁₉=0. (4)

Выполнение первого (2) и второго (3) условий равновесия в этом случае сохраняется, так как они не содержат переменного сопротивления уравновешивающего резистора R16.

Далее на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействуют кубичные импульсы. В измерительной диагонали моста при поступлении очередного кубичного импульса появляется сигнал неравновесия. Этот импульсный сигнал после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса содержит плоскую вершину, напряжение которой при выполненных условиях (2) - (4) приводится к нулю однократной регулировкой переменной емкости уравновешивающего конденсатора С17. Четвертое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

А₄=(2R₁₃+R₁₉)²L₂₄ - R² ₁₃R² ₁₉C₁₇=0. (5)

Предыдущие условия равновесия (2) - (4) сохраняются, поскольку в этих условиях отсутствует переменная емкость уравновешивающего конденсатора С17.

В последнюю очередь на вход моста подается последовательность импульсов, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени. Воздействие на мостовую цепь очередного импульса такой формы вызывает появление в измерительной диагонали моста импульсного сигнала неравновесия, имеющего после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса плоскую вершину. Ее напряжение приводится к нулю при выполнении условий (2) - (5) однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R18. В результате выполняется пятое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, имеющее вид

А₃=(2R₁₃+R₁₉)² R₁₈ R₂₅ - R² ₁₃R² ₁₉=0. (6)

При этом условия равновесия (2) - (5) не нарушаются, поскольку в них не имеется переменное сопротивление уравновешивающего резистора R18.

Искомые значения параметров пяти элементов двухполюсника объекта измерения R21, C22, R23, L24 и R25 определяются из пяти условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (2) - (6). По сути из решения пяти уравнений определяются пять неизвестных параметров.

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.