Результат интеллектуальной деятельности: Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников

Изобретение относятся к контрольно-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 мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР № 1213421 G 01 R 17/10, Б.И. 1986, № 7), содержащий последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь только образцовым регулируемыми резисторами. Образцовые регулируемые резисторы в изготовлении являются более технологичными, простыми и недорогими, чем изготовление образцовых регулируемых конденсаторов и образцовых регулируемых катушек индуктивности. У них выше класс точности, меньше габаритные размеры и меньше вес. На них меньшее вредное влияние оказывают электрические и магнитные поля, шумы, наводки, случайные флуктуации, а также изменяющиеся атмосферные условия.

Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников (А.С. СССР № 1150555 G 01 R 17/10, Б.И. 1985, № 14), содержащий последовательно соединенные питающий генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения по закону степных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие расширенных функциональных возможностей в том смысле, что в приведённом варианте мост позволяет определять параметры R-L двухполюсников и не пригоден для определения параметров R-C и R-L-C двухполюсников объектов измерения. Приведённый электрический мост уравновешивается регулируемыми резисторами и регулируемыми индуктивными катушками резисторами и не имеет расширенных функциональных возможностей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа электрический мост (Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. – М.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 48, мост 2), содержащий последовательно соединённые питающий генератор последовательностей импульсов, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь образцовыми регулируемыми резисторами.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении у мостового измерителя сочетания и возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми образцовыми резисторами, и расширения функциональных возможностей, которое заключается в возможности определять параметры не только эквивалентных, но и обратных двухполюсников объектов измерения, а также в возможности определять, в принципе, (теоретически) не ограниченное количество параметров этих двухполюсников.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор последовательностей питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций…, где …, − постоянные коэффициенты, t - время, n − число параметров в двухполюснике объекта измерения, из коммутатора, входа которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход подключен к усилителю мощности, выход которого образует первый (сигнальный) выход генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединён со входами синхронизации каждого формирователя импульсов, а также его выход образует второй выход (выход синхронизации) генератор импульсов, общая шина генератора импульсов заземлена; мостовую электрическую цепь, которая включает в себя первую электрическую цепь из последовательно соединённых первого резистора, первой индуктивной катушки, второго резистора и второй индуктивной катушки, свободный вывод первого резистора соединён с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, общий вывод первой индуктивной катушки и второго резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод второй индуктивной катушки заземлён к общему выводу первого резистора и первой индуктивной катушки подключен третий резистор, параллельно второй индуктивной катушке соединён четвёртый резистор, также мостовая цепь включает в себя одиночный резистор, один из выводов которого соединён с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, а другой вывод - образует второй вывод выхода мостовой цепи, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединённых первого резистора и первой индуктивной катушки, параллельно последней включена цепь из последовательно соединённых второго резистора и второй индуктивной катушки, один вывод двухполюсника объекта измерения образует свободный вывод первого резистора, второй вывод образует общий вывод первой и второй индуктивных катушек, инверсным вариантом приведённому двухполюснику объекта измерения является двухполюсник из параллельно соединённых первого резистора и цепи из последовательно соединённых первого конденсатора и второго резистора, параллельно последнему включен второй конденсатор, один вывод инверсного варианта двухполюсника объекта измерения образует общий вывод первого резистора и первого конденсатора, второй вывод его образует общий вывод первого, второго резисторов и второго конденсатора, два вывода двухполюсников объектов измерения соединяются с двумя клеммами для подключения двухполюсников объектов измерения; нуль-индикатор, два вывода первого (дифференциального) входа которого соединены с двумя выводами выхода мостовой цепи, второй вход нуль-индикатора (вход синхронизации) соединён со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительная индуктивная катушка, дополнительный резистор, цепи наращивания, определены цепи наращивания: тип элементов в них, количество элементов каждого типа, включение их между собой, подключение последующей цепи наращивания к предыдущей и, наконец, определено количество цепей наращивания, дополнительная индуктивная катушка включена в первой электрической цепи между свободным выводом третьего резистора и общим выводом первой индуктивной катушки второго резистора и первого вывода выхода мостовой цепи, двухэлементная цепь из последовательно соединённых первого резистора и первой индуктивной катушки образует первую цепь наращивания первого вида при имеющимся включении её элементов, вторую такую же цепь наращивания одинаковую с первой образуют последовательно соединённые третий резистор и дополнительная индуктивная катушка, в каждой последующей (одинаковой) цепи наращивания первого вида первый вывод входа образует свободный вывод резистора, второй вывод входа образует свободный вывод индуктивной катушки, этими выводами входа каждая последующая цепь наращивания подключается к предыдущей цепи параллельно к индуктивной катушке в ней, последняя цепь наращивания может быть не полной и содержать только один резистор, который включается параллельно индуктивной катушке в предпоследней цепи наращивания, общее количество элементов во всех цепях наращивания первого вида равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения, дополнительный резистор тоже включен в первой электрической цепи моста между общим выводом второй индуктивной катушки, второго, четвёртого резисторов и общим выводом первого (сигнального) выхода генератора импульсов первого и одиночного резисторов, четыре элемента (три резистора и индуктивная катушка): второй резистор, вторая индуктивная катушка, четвёртый резистор и дополнительный резистор при имеющимся их включении образуют первую цепь наращивания второго вида, далее включаются последующие такие же (одинаковые) цепи наращивания, вход относительно «земли» в каждой цепи наращивания образует свободный вывод резистора, соответствующего второму резистору в первой цепи наращивания, выход относительно «земли» каждой цепи наращивания образует общий вывод всех четырёх имеющихся элементов, в каждой цепи наращивания свободный вывод резистора, соответствующего дополнительному резистору в первой такой цепи, соединён с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, а общий вывод индуктивной катушки и резистора, соответствующих в первой цепи наращивания второй индуктивной катушке и четвёртому резистору, соответственно, заземлён, вход каждой последующей цепи наращивания подключается к выходу предыдущей такой цепи, приведённая вторая четырёхэлементная цепь наращивания второго вида включает в себя первый резистор, включённый между выходом первой такой цепи наращивания и общим выводом всех четырёх имеющихся элементов, второй резистор и индуктивная катушка между собой включены последовательно, свободный вывод второго резистора соединён с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, свободный вывод индуктивной катушки заземлён, параллельно этой катушке включен третий резистор, количество цепей наращивания второго вида равно n-1, первая из двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения перенесена из первой электрической цепи моста и соединена с общим выводом одиночного резистора и второго выхода мостовой цепи, вторая клемма для подключения двухполюсников объектов измерения тоже перенесена и заземлена, цепь из последовательно соединённых одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения образует вторую электрическую цепь моста.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1)

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор 1 последовательностей питающих импульсов, который включает в себя формирователи импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций: формирователь 2 прямоугольных импульсовформирователь 3 импульсов линейно измеряющегося напряжения формирователь 4 квадратичных импульсов и т.д. до где …, − постоянные коэффициенты, t – время, n – число параметров в двухполюснике объекта измерения. Выход каждого формирователя соединён с соответствующим входом коммутатора 5, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности. Выход последнего образует первый (сигнальный) выход генератора 1 импульсов. Также в этот генератор входит каскад 7 синхронизации, выход которого соединён со входами (входами синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов. Общая шина этого генератора заземлена.

Мостовая цепь включает в себя первую электрическую цепь из последовательно соединённых резистора 8 (R8), индуктивной катушки 9 (L9), резистора 10 (R10) и индуктивной катушки 11 (L11). Это одна из двух цепей, содержащих каждая один из двух выводов выхода мостовой цепи. Свободный вывод резистора 8 соединён с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов. Свободный вывод индуктивной катушки 11 заземлён. Общий вывод индуктивной катушки 9 и резистора 10 образует первый вывод выхода мостовой цепи. Параллельно индуктивной катушке 9 включены последовательно соединённые резистор 12 (R12) и индуктивная катушка 13 (L13). Двухэлементная цепь из резистора 8 и индуктивной катушки 9 образует первую цепь наращивания первого вида. Двухэлементная цепь из последовательно соединённых резистора 12 и индуктивной катушки 13 образует вторую такую цепь наращивания. Каждая из этих цепей выделена пунктирными линиями. Свободный вывод резистора в каждой цепи наращивания образует первый вывод, а свободный вывод индуктивной катушки - второй вывод. Этими двумя выводами каждая последующая цепь наращивания подключается к предыдущей цепи к индуктивной катушке в ней. Последняя цепь наращивания первого вида может быть не полной и содержать только один резистор, который подключается параллельно индуктивной катушке в предпоследней цепи наращивания. Общее количество элементов во всех цепях наращивания первого вида равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.

В первой электрической цепи моста параллельно индуктивной катушке 11 включен резистор 14 (R14), а между первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов и общим выводом резистора 10, 14 и индуктивной катушки 11 - резистор 15 (R15). Четырёхэлементная цепь из резисторов 10,14,15 и индуктивной катушки 11 образует первую цепь наращивания второго вида при приведённом соединении элементов между собой. Она выделена пунктирными линиями. Первая электрическая цепь моста содержит группу таких (одинаковых) цепей наращивания. Для примера приведена вторая цепь наращивания второго вида, она тоже выделена пунктирными линиями. Первый резистор 16 этой цепи подключен к общему выводу всех четырёх элементов предыдущей (первой) цепи наращивания. Последовательно соединённые резистор 17 и индуктивная катушка 18 свободным выводом резистора соединена с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов, а свободным выводом индуктивной катушки соединена с «землей». К общему выводу резистора 17 и индуктивной катушки 18 подключен второй вывод резистора 16. Параллельно индуктивной катушке 18 включен резистор 19.

В каждой цепи наращивания второго вида имеется общий вывод всех четырёх её элементов, который образует выход этой цепи относительно «земли». Свободный вывод резистора, соответствующего резисторам 10 и 16 в первых двух таких цепях, образует вход цепи наращивания относительно «земли». Свободный вывод резистора, соответствующего резисторами 15 и 17 в первых двух цепях наращивания, соединён с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов. Свободные выводы индуктивной катушки и резистора, соответствующего резисторам 14 и 19 в первых двух цепях наращивания, соединены с «землей», в результате чего последний резистор и индуктивная катушка соединены между собой параллельно. Вход каждой последующей цепи наращивания второго вида соединён с выходом предыдущей цепи. Общее количество цепей наращивания второго вида равно n-1.

Вторая электрическая цепь моста, тоже содержащая вывод (второй вывод) выхода мостовой цепи, включает в себя последовательно соединённые одиночный резистор 20 (R20) и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения. Свободный вывод одиночного резистора 20 соединён с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов. Общий вывод этого резистора и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи. Вторая клемма заземлена.

Для подтверждения расширения функциональных возможностей мостовых цепей достаточно использовать в объектах измерения обратных (инверсных) двухполюсников. На фиг. 1 приведены частные примеры двух обратных двухполюсников в объектах измерения. Первый их них состоит из последовательно соединённых резистора 21 (R21) и индуктивной катушки 22 (L22). Параллельно последней включена цепь из последовательно соединённых резистора 23 (R23) и индуктивной катушки 24 (L24). Свободный вывод резистора 21 подключен к первой клемме для подключения двухполюсников объектов измерения. Ко второй клемме подключен общий вывод индуктивных катушек 22 и 24. Второй частный пример двухполюсника объекта измерения, обратный относительно приведённого выше, состоит из резистора 25 (R25), параллельно которому включена цепь последовательно соединённых конденсатора 26 (С26) и резистора 27 (R27). Параллельно последнему включен конденсатор 28 (С28). Общий вывод резистора 25 и конденсатора 26 подключается к первой клемме для подключения двухполюсников объектов измерения. Ко второй клемме подключается общий вывод резисторов 25, 27 и конденсатора 28.

Цепь из цепей наращивания первого вида, в частности, из элементов: 8, 9, 12, 13 (фиг. 1) можно отнести к начальной части мостовой цепи. Цепь из элементов: 11, 14 и 15 при имеющимся их включении является первой ветвью мостовой цепи, а резистор 10 - элементом связи между начальной частью и первой ветвью. Элементы 17, 18 и 19 образуют вторю ветвь, а резистор 16 − элемент связи между первой и второй ветвями. Последующие (третья, четвёрная ...) ветви являются одинаковыми (такими же) с первой и второй ветвями. Между ними имеются элементы связи в виде одиночного резистора, аналогично резистору 16. Последней ветвью является ветвь из одиночного резистора 20 и двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения. Исходная (классическая) мостовая электрическая цепь содержит две ветви и четыре плеча. Известные мосты, имеющие более четырёх плеч, относятся к многоплечим мостовым цепям. Аналогично этому мосты, содержащие более двух ветвей являются многоветвийными мостовыми цепями. В рассматриваемом измерителе имеется многоветвийная мостовая электрическая цепь. Элемент связи (резистор) 10 и первая ветвь мостовой цепи образуют первую цепь наращивания. Резистор связи 16 и вторая ветвь являются второй цепью наращивания. последующие цепи наращивания являются одинаковыми (такими же) с первой и второй цепями наращивания.

Оба ранее приведённых вывода выхода мостовой цепи соответственно соединены с двумя выводами первого (дифференциального) входа нуль-индикатора 29. Второй вход его (вход синхронизации) соединён со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора 1 импульсов. Общая шина нуль-индикатора заземлена.

Перед началом работы реактивные элементы мостовой цепи мостового измерителя параметров n-элементных двухполюсников свободны от запасов электрической энергии. Входное и выходное напряжения моста равны нулю.

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников работает следующим образом.

Допустим, что к мостовой цепи подключён первый частный пример (фиг. 1) двухполюсника объекта измерения. Вначале посредством коммутатора 5 на мостовую цепь подаётся последовательность импульсов прямоугольной формы. При воздействии на мост очередного прямоугольного импульса после окончания переходного процесса выходное напряжение мостовой цепи зависит от значений сопротивлений резисторов 8, 10, 20 и 21. В интервале времени от окончания переходного процесса до окончания импульса импульсное напряжение на дифференциальном входе нуль-индикатора 29, в качестве которого может использоваться осциллограф, имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 10 значение напряжения этой плоской вершины приводится к нулю. В результате выполняется первое условие равновесия моста.

(1)

Полярность импульсного напряжения на первом входе нуль-индикатора 29 определяет направление регулирования резистора 10, а именно в сторону увеличения значения сопротивления или в сторону его уменьшения. Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 импульсов на второй вход нуль-индикатора 29 здесь и в дальнейшем обеспечивает устойчивые показания нуль-индикатора.

Посредством коммутатора 5 подключают к усилителю 6 мощности формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения, и эти импульсы имеются теперь на первом (сигнальном) выходе генератора 1 импульсов. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного и процесса импульсное напряжение на дифференциальном входе нуль-индикатора 29 имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 15 значение напряжения плоской вершины приводится к нулю и выполняется второе условие равновесия

(2)

Как и ранее, полярность импульсного напряжения на дифференциальном входе нуль-индикатора 29 определяет направление регулирования значения сопротивления уравновешивающего резистора 15. Регулирование его не нарушает выполнение первого условия, т.к. это сопротивление не входит в условие (1).

Для примера приведены и описаны два этапа уравновешивания мостовой цепи. Последующие этапы уравновешивания являются аналогичными. На каждом из них используется очередная (последующая) форма импульсов генератора, приводится к нулю после окончания переходного процесса напряжение плоской вершины импульса с выхода мостовой цепи регулировкой значения сопротивления резисторов, аналогичных вышеназванным уравновешивающим резисторам, а именно тем, которые на предыдущих этапах уравновешивания не входили в предыдущие условия равновесия. чтобы при регулировании их не нарушать выполнение этих предыдущих условий равновесия.

Отсчёт искомых параметров , , ... двухполюсника объекта измерения берётся из условий равновесия. По существу n-параметров находятся из n уравнений (условий равновесия).

Если к мостовой цепи подключен второй частный пример (фиг. 1) двухполюсника объекта измерения, обратный относительно первого частного примера, то используются приведённые выше этапы уравновешивания в прежней последовательности. Сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений: ,, ... . Приведены условия равновесия для первых двух этапов уравновешивания:

(3)

(4)

Из них берётся отсчёт значений искомых параметров

После выполнения всех n этапов уравновешивания мостовая цепь к полному равновесию не приводится, но получены n условий равновесия (n уравнений), из которых, как известно, можно взять отсчёт n искомых параметров двухполюсников объектов измерения. Здесь на выходе моста в начале импульса имеется всплеск напряжения, который содержит сумму экспоненциальных слагаемых и затухает до нуля за время переходного процесса. После окончания того процесса напряжение на выходе моста равно нулю. После окончания питающего мост импульса в течение переходного процесса это напряжение тоже имеет всплеск напряжения, который тоже затухает до нуля после окончания переходного процесса. Такие мостовые цепи относят к квазиуравновешенным мостам.

Таким образом, в приведённом мостовом измерителе параметров двухполюсников обеспечено и уравновешивание мостовой цепи только регулируемыми резисторами, и расширение функциональных возможностей, как в плане определять параметры не только эквивалентных, но и обратных двухполюсников, так и в плане определять, в принципе, (теоретически) не ограниченное количество параметров двухполюсников объектов измерения. При этом сохранено такое важное свойство мостовой цепи, как раздельное уравновешивание.