МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

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 мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №1150555, МКИ G01R 17/10. БИ 1985, №14 (аналог)], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по закону степенных функций, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

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

Известен измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №1157467, МКИ G01R 17/10. БИ 1985, №19 (аналог)], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по закону степенных функций, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определять значения параметров резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и резистивно-емкостных (R-C) двухполюсников.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №918862, МКИ G01R 17/10. БИ 1982, №13 (прототип)], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определять значения параметров резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и резистивно-емкостных (R-C) двухполюсников.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей, заключающемся в том, что измеритель позволит определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения при подключении их к одним и тем же двум клеммам мостовой цепи.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм (u_i=K_itⁱ, где u_i - изменение напряжения в импульсе, K_i - постоянные коэффициенты и i - принимает целочисленные значения 0, 1, 2, 3), а также импульсы синхронизации, первый выход генератора импульсов является сигнальным, второй - выходом синхронизации, общая шина генератора импульсов заземлена; четырехплечую мостовую электрическую цепь, состоящую из двух параллельно включенных ветвей, первая из них включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор первого плеча отношения, первая клемма подключена к первому выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные одиночный резистор второго плеча отношения и многоэлементный двухполюсник, свободный вывод одиночного резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника образует второй вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод многоэлементного двухполюсника заземлен, многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора и катушки индуктивности, второго резистора и конденсатора, свободный вывод первого резистора подключен ко второму выводу выхода мостовой цепи, свободный вывод катушки индуктивности заземлен, один из выводов второго резистора заземлен, один из выводов конденсатора подключен к общему выводу первого резистора и катушки индуктивности; нуль-индикатор, к первому входу которого (дифференциальному входу) подключены оба вывода выхода мостовой цепи, ко второму входу (входу синхронизации) нуль-индикатора подключен второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены три дополнительных резистора, дополнительный конденсатор, дополнительная катушка индуктивности и изменено включение элементов, последовательно соединены первый дополнительный резистор, дополнительный конденсатор, второй дополнительный резистор и дополнительная катушка индуктивности, свободный вывод первого дополнительного резистора подключен ко второму выводу выхода мостовой цепи, свободный вывод дополнительной катушки индуктивности заземлен, третий дополнительный резистор включен между общим выводом имеющегося первого резистора, имеющейся катушки индуктивности и имеющегося конденсатора и общим выводом первого дополнительного резистора и дополнительного конденсатора, свободный (незаземленный) вывод имеющегося второго резистора подключен к общему выводу имеющегося первого резистора, имеющейся катушки индуктивности, имеющегося конденсатора и дополнительного третьего резистора, а свободный вывод имеющегося конденсатора заземлен.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников включает в себя генератор импульсов 1, формирующий импульсы напряжения с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², K₃t³, где K₀, К₁ К₂, К₃ - постоянные коэффициенты, t - время. Эти импульсы напряжения поступают с сигнального выхода генератора импульсов 1 на вход мостовой измерительной цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей мостовой цепи. Также генератор импульсов 1 формирует импульсы синхронизации, поступающие с выхода синхронизации генератора импульсов 1 на вход синхронизации нуль-индикатора 2. Общая шина генератора импульсов 1 заземлена.

Первая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные две клеммы 3 и 4 для подключения двухполюсников - объектов измерения и одиночный резистор первого плеча отношения 5. Клемма 3 соединена с сигнальным выходом генератора импульсов 1. Общий вывод резистора 5 и клеммы 4 для подключения объектов измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи. Свободный вывод резистора 5 заземлен.

Вторую ветвь мостовой цепи образуют последовательно соединенные одиночный резистор второго плеча отношения 6 и многоэлементный двухполюсник. Свободный вывод резистора 6 соединен с сигнальным выходом генератора импульсов 1 и клеммой 3 и образует первый вывод входа мостовой цепи.

Многоэлементный двухполюсник включает в себя цепь из последовательно соединенных первого резистора 7 и первой катушки индуктивности 8. Параллельно этой цепи соединена цепь из последовательно соединенных первого дополнительного резистора 9, дополнительного конденсатора 10, второго дополнительного резистора 11 и дополнительной катушки индуктивности 12. Общий вывод резисторов 6, 7 и 9 образует второй вывод выхода мостовой цепи. Параллельно катушке индуктивности 8 соединен резистор 13. Также параллельно катушке индуктивности 8 соединен конденсатор 14. Первый вывод резистора 15 соединен с общим выводом резистора 7, катушки индуктивности 8, резистора 13 и конденсатора 14. Второй вывод резистора 15 соединен с общим выводом дополнительного резистора 9 и дополнительного конденсатора 10. Общий вывод катушки индуктивности 8, дополнительной катушки индуктивности 12, резистора 13 и конденсатора 14 заземлен и вместе с заземленным выводом резистора 5 образует второй вывод входа мостовой цепи.

К первому входу нуль-индикатора 2 (дифференциальному входу) соединены оба вывода выхода мостовой цепи. Второй вход нуль-индикатора 2 (вход синхронизации) соединен с выходом синхронизации генератора импульсов 1. Общая шина нуль-индикатора 2 заземлена.

В качестве примеров двухполюсников - объектов измерения - приведены двухполюсники R-C, R-L и R-L-C. Пример резистивно-емкостного R-C двухполюсника содержит резистор 16, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 17 и резистора 18, параллельно резистору 18 включен конденсатор 19. Пример резистивно-индуктивного двухполюсника R-L содержит последовательно соединенные резистор 20 и катушку индуктивности 21, параллельно катушке индуктивности 21 включены последовательно соединенные резистор 22 и катушка индуктивности 23. И, наконец, пример R-L-C двухполюсника содержит резистор 24, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 25, резистора 26 и катушки индуктивности 27.

Образцовые элементы мостовой цепи 5 (R₅), 6 (R₆), 7 (R₇), 9 (R₉), 10 (С₁₀), 11 (R₁₁), 12 (L₁₂) имеют известные и постоянные значения параметров, причем значения сопротивлений 7 (R₇) и 9 (R₉) равны. Образцовые элементы мостовой цепи 8 (L₈), 13 (R₁₃), 14 (С₁₄), 15 (R₁₅) имеют известные регулируемые значения параметров и используются для уравновешивания мостовой цепи. Наконец, элементы 16 (R₁₆), 17 (С17), 18 (R₁₈), 19 (С₁₉); 20 (R₂₀), 21 (L₂₁), 22 (R₂₂), 23 (L₂₃); 24 (R₂₄), 25 (C₂₅), 26 (R₂₆), 27 (L₂₇) имеют неизвестные значения параметров и относятся к двухполюсникам объекта измерения.

Перед началом воздействия очередного импульса с сигнального выхода генератора импульсов 1 реактивные элементы мостовой цепи свободны от запасов энергии, и напряжение на входе и выходе мостовой цепи равно нулю. На каждом этапе уравновешивания при воздействии очередного импульса в мостовой цепи в начале импульса и после его окончания возникают переходные процессы в виде всплесков напряжения на выходе мостовой цепи, которые за время переходного процесса затухают до нуля. Полезной является часть импульса с выхода мостовой цепи от окончания переходного процесса и до окончания импульса, она имеет плоскую вершину.

Рассмотрим работу мостового измерителя при подключении к мостовой цепи двухполюсника R-C объекта измерения, содержащего элементы 18 (R₁₈), 19 (C₁₉), 20 (R₂₀) и 21 (C₂₁). Вначале на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы прямоугольной формы K₀t⁰. Регулировкой значения сопротивления резистора 15 (R₁₅) приводим плоскую вершину импульсного напряжения с выхода моста (напряжение неравновесия) к нулю, отмечая это здесь и в дальнейшем по нуль-индикатору 2, в качестве которого можно использовать, например, осциллограф. В результате (при R₇=R₉) выполняется первое условие равновесия

Отсчет неизвестного значения сопротивления 16 (R₁₆) исследуемого двухполюсника берется из условия равновесия (1), где значения параметров всех других элементов (R₅, R₆, R₇=R9, R₁₅) являются известными. Здесь и в дальнейшем импульсы синхронизации с генератора импульсов 1 обеспечивают устойчивость показаний нуль-индикатора 2.

После этого на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы линейно изменяющегося напряжения (K₁t¹). Регулировкой значения индуктивности катушки 8 (L₈) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и тем самым выполняется второе условие равновесия

При этом не следует регулировать значение сопротивления резистора 15 (R₁₅), так как это приведет к нарушению первого условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет неизвестного параметра С₁₇ берется из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе значение сопротивления 16 (R₁₆) из выражения (1).

Затем на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы квадратичной формы (K₂t²). Регулировкой значения сопротивления резистора 13 (R₁₃) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и выполняется третье условие равновесия:

Параметры элементов 15 (R₁₅) и 8 (L₈) при этом регулировать нельзя, так как это приведет к нарушению выполнения первых двух условий равновесия (1) и (2). Отсчет неизвестного параметра R₁₈ берется из (3), так как остальные величины в нем известны, в том числе R₁₆ из (1) и С₁₇ из (2).

Затем на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы кубичной формы (K₃t³). Регулировкой значения сопротивления конденсатора 14 (С₁₄) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и выполняется четвертое условие равновесия:

Параметры элементов 15 (R₁₅), 8 (L₈) и 13 (R₁₃) при этом регулировать нельзя, так как это приведет к нарушению выполнения первых трех условий равновесия (1), (2) и (3). Отсчет неизвестного параметра R₁₈ берется из (4), так как остальные величины в нем известны, в том числе R₁₆ из (1), С₁₇ из (2) и R₁₈ из (3).

При подключении к мостовой цепи резистивно-индуктивного (R-L) двухполюсника объекта измерения, содержащего элементы 20 (R₂₀), 21 (L₂₁), 22 (R₂₂), 23 (L₂₃), используются приведенные выше этапы уравновешивания в прежней последовательности. Сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений: R₁₅, L₈, R₁₃, С₁₄. Приведены условия равновесия для четырех этапов:

Из них берется отсчет значений искомых параметров: R₂₀, L₂₁, R₂₂, L₂₃.

Если к мостовой цепи подключается R-L-C двухполюсник, содержащий элементы 24 (R₂₄), 25 (С₂₅), 26 (R₂₆), 27 (L₂₇), то используются те же формы питающих импульсов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений. Условия равновесия для четырех этапов:

Из них берется отсчет значений искомых параметров R₂₄, С₂₅, R₂₆, L₂₇.

После выполнения всех четырех этапов уравновешивания мост к полному равновесию не приводится, но получены четыре условия равновесия (четыре уравнения), из которых, как известно, можно взять отсчет четырех искомых параметров двухполюсников объектов измерения. Такие мостовые цепи относятся к квазиуравновешенным мостам.

Таким образом, в приведенном мостовом измерителе параметров двухполюсников существенно расширены функциональные возможности и он позволяет определить параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения при подключении их к одним и тем же двум клеммам мостовой цепи. При этом сохранено такое важное качество мостовой цепи, как раздельное уравновешивание.