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 многоэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №1157467 G01R. 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 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 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. 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 оба имеющихся многоэлементных двухполюсника.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №798607, G01R. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И. Передельский. - Опубл. в Бюл, 1981, №3], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, 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 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 K₀, K₁, K₂, K₃, K₄ - 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 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 подключен к входу четырехплечей мостовой цепи (моста), который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей четырехплечей мостовой цепи, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод первого из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод второго резистора заземлен, вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника, свободный вывод одиночного резистора соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод многоэлементного двухполюсника заземлен, многоэлементный двухполюсник включает в себя последовательно соединенные первый резистор и катушку индуктивности, к общему выводу которых подключен второй резистор, свободный вывод катушки индуктивности заземлен, две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, который, в частности, состоит из первого резистора, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и второго резистора, параллельно последнему включена цепь из последовательно соединенных второго конденсатора и третьего резистора, общий вывод первого, второго и третьего резисторов соединен с одной из двух клемм и заземлен, общий вывод первого резистора и первого конденсатора соединен с другой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения; нуль-индикатор, два вывода дифференциального (первого) входа которого соединены с двумя выводами выхода четырехплечей мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена; введены дополнительная катушка индуктивности и четыре дополнительных резистора, дополнительная катушка индуктивности включена в многоэлементный двухполюсник второй ветви моста между свободным выводом второго резистора и «землей», первый дополнительный резистор соединен параллельно дополнительной катушке индуктивности, второй дополнительный резистор включен между свободным выводом первого резистора и вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи, третий дополнительный резистор включен между общим выводом второго дополнительного и первого резисторов и незаземленной клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, четвертый дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и незаземленной клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

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 K₀, K₁, K₂, K₃ и K₄ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 7 мощности, коммутатора 8 и блока 9 синхронизации. Выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора 8, выход которого подключен ко входу усилителя 7 мощности, выход которого образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Выход блока 9 синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов. Также выход блока 9 синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена.

Первый выход генератора 1 питающих импульсов подключен ко 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 первого резистора R10 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов.

Свободный вывод второго резистора R11 заземлен. Общий вывод резисторов R10 и R11 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи.

Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 12 (R12), образующего третье плечо моста, и многоэлементного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи. Свободным выводом резистор R12 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Общий вывод резистора R12 и многоэлементного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи, образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) моста. Свободный вывод многоэлементного двухполюсника заземлен.

Этот многоэлементный двухполюсник содержит две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения (первая клемма не заземлена, вторая клемма соединена с «землей»), второй дополнительный резистор 13 (R13), включенный между свободным выводом первого резистора 14 (R14), соединенного последовательно с катушкой индуктивности 15 (L15), и вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи. К общему выводу резистора R14 и катушки индуктивности L15 подключен второй резистор 16 (R16). Свободный вывод катушки индуктивности L15 заземлен. Между свободным выводом второго резистора R16 и «землей» включена дополнительная катушка индуктивности 17 (L17), параллельно с которой соединен первый дополнительный резистор 18 (R18). Третий дополнительный резистор 19 (R19) включен между общим выводом второго дополнительного резистора R13 и первого резистора R14 и незаземленной первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Четвертый дополнительный резистор 20 (R20) включен между вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и незаземленной клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из первого резистора 21 (R21), параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных первого конденсатора 22 (С22) и второго резистора 23 (R23); параллельно последнему включена цепь из последовательно соединенных второго конденсатора 24 (С24) и третьего резистора 25 (R25). Общий вывод первого R21, второго R23 и третьего R25 резисторов соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения и заземлен. Общий вывод первого резистора R21 и первого конденсатора С22 соединен с первой (незаземленной) клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения.

Два вывода дифференциального первого входа нуль-индикатора 26 соединены с двумя выводами выхода четырехплечей мостовой цепи. Второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора 26 соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 26 соединена с заземленной общей шиной генератора 1 питающих импульсов и со второй вершиной генераторной диагонали моста, образованной общим выводом резисторов R11 и R18, катушек индуктивности L15 и L17 и второй клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения.

В мостовом измерителе параметров двухполюсников сопротивления резисторов R10, R12, R13, R20 известны, постоянны и имеют равные значения (R10=R12=R13=R20). Также известно и постоянно значение сопротивления резистора R19. Значение сопротивления резистора R11 определяется из предварительно выполненного начального условия

Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - резисторов R14, R16, R18 и катушек индуктивности L15 и L17. Искомыми являются параметры элементов двухполюсника объекта измерения - резисторов R21, R23 и R25 и конденсаторов С22 и С24.

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 соответствующей формы. 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 импульсов. При воздействии очередного прямоугольного 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 сопротивления уравновешивающего резистора R14. В результате выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи

Во вторую очередь на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность линейно изменяющихся импульсных сигналов. 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 с учетом выполненного первого условия равновесия (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменной индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L15. При этом выполняется второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи

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

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 (2) и второго (3) условий равновесия приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего элемента - резистора R16. Третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

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 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 (2) - (4) приводится к нулю однократной регулировкой переменного параметра уравновешивающей катушки индуктивности L17. Четвертое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

Предыдущие условия равновесия (2) - (4) сохраняются, поскольку в этих условиях отсутствует переменная индуктивность уравновешивающей катушки индуктивности L17.

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

При этом выполнение условий равновесия (2) - (5) не нарушается, поскольку в них не содержится переменное сопротивление уравновешивающего резистора R18.

Искомые значения параметров пяти элементов двухполюсника объекта измерения R21, С22, R23, С24 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.