Результат интеллектуальной деятельности: МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ N-ЭЛЕМЕНТНЫХ 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 n-элементных пассивных двухполюсников [Авторское свидетельство СССР №1150556, МКИ G01R 17/10. БИ 1986, №14 (аналог)], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности определять параметры резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C) объектов измерения.

Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [Патент РФ №2103695, МКИ G01R 17/10. БИ 1998, №3 (аналог)], содержащий последовательно соединенные генератор электрических сигналов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостаток его заключается в том, что отсутствует возможность определить значение пяти, шести и так далее параметров двухполюсников объектов измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [Патент РФ №2365921, МКИ G01R 17/10. БИ 2009, №24 (прототип)], содержащий последовательно соединенные генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является то, что отсутствует возможность определять пять, шесть и так далее параметров двухполюсных объектов измерения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей, заключающемся в том, что измеритель позволит определять пять, шесть и так далее параметров многоэлементных двухполюсников объектов измерения, а также он позволит определять параметры R-C, R-L, R-L-C двухполюсников объектов измерения.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и т.д. 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 цепь, состоящую из двух параллельно включенных ветвей, первая из которых включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор, первая клемма подключена к сигнальному выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора является первым выводом выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, вторая ветвь мостовой цепи состоит из двух последовательно соединенных многоэлементных двухполюсников, свободный вывод первого многоэлементного двухполюсника подключен к сигнальному выходу генератора импульсов, общий вывод двух многоэлементных двухполюсников образует второй вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника заземлен, второй многоэлементный двухполюсник включает в себя последовательно соединенные первый резистор и первую катушку индуктивности, к их общему выводу подключен второй резистор, свободный вывод первой катушки индуктивности заземлен; нуль-индикатор, к первому (дифференциальному) входу которого подключены оба вывода выхода мостовой цепи, ко второму входу (входу синхронизации) - второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введена во второй многоэлементный двухполюсник второй ветви моста дополнительная (вторая) катушка индуктивности, изменено включение этого второго многоэлементного двухполюсника, выделена цепь наращивания, определено количество дополнительных цепей наращивания и их подключение, дополнительная (вторая) катушка индуктивности включена между свободным выводом второго резистора и «землей», свободный вывод первого резистора подключен ко второму выводу выхода мостовой цепи, цепь из последовательно соединенных первого резистора и первой катушки индуктивности, а также вторая такая же цепь из второго резистора и второй (дополнительной) катушки индуктивности каждая представляет собой R-L цепь наращивания, количество дополнительных этих цепей равно при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя R-L цепь наращивания является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно , также начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один резистор, который включается параллельно катушке индуктивности предпоследней цепи наращивания, каждая последующая R-L цепь наращивания подключается параллельно катушке индуктивности предыдущей цепи наращивания, оба многоэлементных двухполюсника во второй ветви мостовой цепи являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой, количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников во второй ветви мостовой цепи равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения, количество различных форм импульсов с первого (сигнального) выхода генератора импульсов тоже равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется Фиг.1.

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников включает в себя генератор импульсов 1, формирующий импульсы напряжения с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₀t⁰, K₁t¹, K₂t², …, K_n-1t^n-1, где K₀, K₁ K₂, …, K_n-1 - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения. 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 5. Общий вывод одиночного резистора 5 и клеммы 4 для подключения объектов измерения образуют первый вывод выхода мостовой цепи.

Вторую ветвь мостовой цепи образуют два последовательно соединенных многоэлементных двухполюсника. Общий вывод их образует второй вывод выхода мостовой цепи. Клемма 3 для подключения объектов измерения и свободный вывод первого многоэлементного двухполюсника образуют первый вывод входа мостовой цепи, соединенный с сигнальным выходом генератора импульсов 1. Свободные выводы второго многоэлементного двухполюсника и одиночного резистора 5 заземлены и образуют второй вывод входа мостовой цепи.

Первый многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого резистора 6 и первой катушки индуктивности 7. К их общему выводу подключен второй резистор 8, последовательно с которым соединена вторая катушка индуктивности 9. К общему выводу второго резистора 8 и второй катушки индуктивности 9 подключен третий резистор 10, последовательно с которым соединена третья катушка индуктивности 11. Свободный вывод резистора 6 соединен с сигнальным выходом генератора импульсов 1. Свободные выводы катушек индуктивности 7, 9 и 11 соединены со вторым выводом выхода мостовой цепи.

Второй многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно включенных первого резистора 12 и первой катушки индуктивности 13. К их общему выводу подключен второй резистор 14, последовательно с которым соединена вторая катушка индуктивности 15. К общему выводу второго резистора 14 и второй катушки индуктивности 15 подключен третий резистор 16, последовательно с которым соединена третья катушка индуктивности 17. Свободный вывод резистора 12 соединен со вторым выводом выхода мостовой цепи. Свободные выводы катушек индуктивности 13, 15 и 17 заземлены.

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.

Каждая из двухэлементных цепей двух многоэлементных двухполюсников второй ветви мостовой цепи, состоящая из первого резистора 6 (12) и первой катушки индуктивности 7 (13), из второго резистора 8 (14) и второй катушки индуктивности 9 (15), а также третьего резистора 10 (16) и третьей катушки индуктивности 11 (17), представляет собой R-L цепь наращивания. Количество дополнительных этих цепей, учитывая две цепи наращивания из прототипа, равно при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания. В этом случае последняя R-L цепь является полной. При нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно , также начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной, содержит только один резистор, который включается параллельно катушке индуктивности предпоследней цепи наращивания. Каждая последующая R-L цепь наращивания подключается параллельно резистору предыдущей R-L цепи наращивания. Оба многоэлементных двухполюсника во второй ветви мостовой цепи являются одинаковыми по количеству элементов в них, по характеру этих элементов и по их соединению между собой. Количество элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников во второй ветви мостовой цепи равно числу элементов n в двухполюснике объекта измерения.

В качестве примеров двухполюсников - объектов измерения приведены двухполюсники R-C, R-L и R-L-C. Пример резистивно-емкостного R-C двухполюсника содержит резистор 18, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 19 и резистора 20, параллельно резистору 20 включен конденсатор 21. Пример резистивно-индуктивного двухполюсника R-L содержит последовательно соединенные резистор 22 и катушку индуктивности 23, параллельно катушке индуктивности 23 включены последовательно соединенные резистор 24 и катушка индуктивности 25. И, наконец, пример R-L-C двухполюсника содержит резистор 26, последовательно с которым включена цепь из параллельно соединенных катушки индуктивности 27, резистора 28 и конденсатора 29.

Образцовые элементы мостовой цепи 5 (R₅), 6 (R₆), 7 (L₇), 8 (R₈), 9 (L₉), 10 (R₁₀), 11 (L₁₁), … имеют известные и постоянные значения параметров. Образцовые элементы мостовой цепи 12 (R₁₂), 13 (L₁₃), 14 (R₁₄), 15 (L₁₅), 16 (R₁₆), 17 (L₁₇), … имеют известные регулируемые значения параметров и используются для уравновешивания мостовой цепи. Наконец, элементы 18 (R₁₈), 19 (С₁₉), 20 (R₂₀), 21 (C₂₁), …; 22 (R₂₂), 23 (L₂₃), 24 (R₂₄), 25 (L₂₅), …; 26 (R₂₆), 27 (L₂₇), 28 (R₂₈), 29 (C₂₉), … 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 12 (R₁₂) приводят 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 выполняется первое условие равновесия

Отсчет неизвестного значения сопротивления 18 (R₁₈) исследуемого двухполюсника берется из условия равновесия (1), где значения параметров всех других элементов (R₅, R₆, R₁₂) 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 катушки индуктивности 13 (L₁₃) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и тем самым выполняется второе условие равновесия

При этом не следует регулировать значение сопротивления резистора 12 (R₁₂), так как это приведет к нарушению первого условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет неизвестного параметра С₁₉ берется из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе значение сопротивления 8 (R₈) из выражения (1).

Затем на мостовую цепь с генератора импульсов 1 подаются импульсы квадратичной формы (K₂t²). Регулировкой значения сопротивления резистора 8 (R₈) плоская вершина импульса напряжения неравновесия приводится к нулю и выполняется третье условие равновесия

Параметры элементов 12 (R₁₂) и 13 (L₁₃) при этом регулировать нельзя, так как это приведет к нарушению выполнения первых двух условий равновесия (1) и (2). Отсчет неизвестного параметра R₂₀ берется из (3), так как остальные величины в нем известны, в том числе R₁₈ из (1) и С₁₉ из (2).

Для примера подробно приведены три этапа уравновешивания мостовой цепи. Далее на последующих этапах уравновешивания используются импульсы с генератора импульсов 1 с изменением напряжения по закону третьей (K₃t³), четвертой (K₄t⁴), пятой (K₅t⁵) и так далее степени. Число этапов уравновешивания и количество используемых форм импульсов равно числу параметров в двухполюсных объектах измерения. На каждом этапе приводится к нулю плоская вершина импульса напряжения неравновесия в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания питающего импульса. Это реализуется регулированием значения уравновешивающего элемента, который не использовался ранее на предыдущих этапах уравновешивания и не входил в предыдущие условия равновесия. Отсчет искомых параметров берется из условий равновесия.

При подключении к мостовой цепи резистивно-индуктивного (R-L) двухполюсника объекта измерения, содержащего элементы 22 (R₂₂), 23 (L₂₃), 24 (R₂₄), 25 (L₂₅), 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: R₁₂, L₁₃, R₁₄, …. Приведены условия равновесия для первых трех этапов:

Из них берется отсчет значений искомых параметров: R₂₂, L₂₃, R₂₄, ….

Если к мостовой цепи подключается R-L-C двухполюсник, содержащий элементы 26 (R₂₆), 27 (L₂₇), 28 (R₂₈), 29 (C₂₉), то используются те же формы питающих импульсов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений. Условия равновесия для первых трех этапов:

Из них берется отсчет значений искомых параметров R₂₆, L₂₇, R₂₈, ….

После выполнения всех n этапов уравновешивания мост к полному равновесию не приводится, но получены n условий равновесия (n уравнений), из которых, как известно, можно взять отсчет n искомых параметров двухполюсников объектов измерения. Здесь на выходе моста в начале импульса имеется всплеск напряжения, который затухает до нуля за время переходного процесса, и напряжение плоской вершины импульса, равное нулю. После окончания импульса в течение переходного процесса тоже имеется всплеск напряжения, которое затухает до нуля. 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 n-элементных двухполюсников объектов измерения, где число n может быть равно пяти, шести и так далее. При этом сохранено такое важное качество мостовой цепи, как раздельное уравновешивание.