Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников, параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения или параметры нескольких параметрических датчиков, включенных в одну мостовую цепь, например двух емкостных и двух резистивных датчиков.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [Передельский Г.И. АС 1147986, G01R 17/10, 1985, №12], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь только образцовыми регулируемыми резисторами. Образцовые регулируемые резисторы в изготовлении являются более технологичными, простыми и недорогими по сравнению с изготовлением образцовых регулируемых конденсаторов и образцовых регулируемых индуктивных катушек. У них выше класс точности, меньше габаритные размеры и вес. На них меньшее влияние оказывают электрические и магнитные поля, а также атмосферные условия. При прочих равных условиях предпочтение отдается мостовым цепям с наибольшим числом резисторов в качестве регулируемых уравновешивающих элементов и лучшим вариантом здесь является уравновешивание мостовых цепей только резистивными уравновешивающими элементами.

Известен электрический мост [Передельский Г.И. АС 998967, G01R 17/10, 1983, №7], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие раздельного уравновешивания по двум из четырех измеряемых параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа электрический мост [Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 52, мост 52], содержащий питающий генератор, мостовую электрическую цепь и индикатор нуля.

Недостатком его является отсутствие возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми резисторами.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь по нескольким параметрам только регулируемыми резисторами.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону k₀t⁰, k₁t¹, k₂t² и k₃t³, где k₀, k₁, k₂ и k₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с одним из входов коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора импульсов относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со входом каждого формирователя импульсов (входом синхронизации), а также выход его образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов относительно «земли», общая шина генератора импульсов заземлена; мостовую электрическую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая ветвь включает в себя последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, к общему выводу второго и третьего резисторов подключена индуктивная катушка, свободный вывод первого резистора соединен с первым выходом генератора импульсов, свободный вывод третьего резистора заземлен, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные одиночный конденсатор и две клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, свободный вывод одиночного конденсатора соединен с первым выходом генератора импульсов, общий вывод одиночного конденсатора и первой клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения образует один из двух выводов выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, двухполюсник объекта измерения в частности состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и первого резистора, параллельно которому включены последовательно соединенные второй конденсатор и второй резистор; нуль-индикатор, один из двух выводов первого (дифференциального) входа которого соединен с имеющимся одним из двух выводов выхода мостовой цепи, второй вход нуль-индикатора (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительная индуктивная катушка, семь дополнительных резисторов и изменено включение первой ветви мостовой цепи, первый дополнительный резистор включен между общим выводом имеющихся первого и второго резисторов и свободным выводом имеющейся индуктивной катушки, параллельно этой имеющейся индуктивной катушке включены последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы, параллельно второму дополнительному резистору включены последовательно соединенные четвертый дополнительный резистор и дополнительная индуктивная катушка, параллельно этой дополнительной индуктивной катушке включен пятый дополнительный резистор, также параллельно ей включены последовательно соединенные шестой и седьмой дополнительные резисторы, общий вывод их образует еще один (другой) из двух выводов выхода мостовой цепи, который соединен с еще одним (другим) из двух выводов первого (дифференциального) входа нуль-индикатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор питающих импульсов 1, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор. Генератор состоит из формирователей 2, 3, 4 и 5 последовательностей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов. Генератор содержит также коммутатор 6 и блок синхронизации 8. Входы коммутатора соединены с выходами формирователей, а выход его соединен с усилителем мощности 7, выход последнего является первым выходом генератора импульсов относительно «земли». Выход блока синхронизации соединен со входами синхронизации формирователей, а также этот выход является вторым выходом генератора импульсов относительно «земли» (выходом синхронизации).

Первый выход генератора импульсов подключен ко входу мостовой цепи, образованному общим выводом параллельно включенных двух ее ветвей.

Первая ветвь мостовой цепи имеет последовательно соединенные резисторы 9(R₉), 10(R₁₀) и 11(R₁₁). Свободный вывод резистора 9 соединен с незаземленным выводом первого выхода генератора импульсов, а свободный вывод резистора 11 заземлен. Параллельно резистору 10 включены резистор 12(R₁₂) и соединенная с ним последовательно индуктивная катушка 13(R₁₃). Параллельно индуктивной катушке 13 включены последовательно соединенные резисторы 14(R₁₄) и 15(R₁₅). Параллельно резистору 14 включены последовательно соединенные резистор 16(R₁₆) и индуктивная катушка 17(R₁₇). Параллельно катушке 17 включен резистор 18(R₁₈). Также параллельно катушке 17 включены последовательно соединенные резисторы 19(R₁₉) и 20(R₂₀). Общий вывод резисторов 19 и 20 образует один из двух выводов выхода мостовой цепи.

Вторую ветвь мостовой цепи образуют последовательно соединенные одиночный конденсатор 21(C₂₁) и две клеммы для подключения объекта измерения, который состоит из последовательно соединенных конденсатора 22(С₂₂) и резистора 23(R₂₃). Параллельно резистору 23 включены последовательно соединенные конденсатор 24(С₂₄) и резистор 25(R₂₅). Свободный вывод одиночного конденсатора 21 подключен к первому выходу генератора импульсов, а общий вывод этого конденсатора и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения является вторым выводом выхода мостовой цепи. Вторая клемма заземлена. Оба вывода выхода мостовой цепи подключены к дифференциальному входу нуль-индикатора 26, его вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом.

В исходном состоянии напряжения на входе и выходе мостовой цепи равны нулю. Подадим на вход мостовой цепи с генератора 1 последовательность импульсов прямоугольной формы. При действии очередного импульса в установившемся режиме в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения. Напряжение плоской вершины импульса здесь зависит только от сопротивлений резисторов 9, 10, 11 и 12 и емкостей конденсаторов 21 и 22. Первое условие равновесия мостовой цепи -

Однократной регулировкой значения сопротивления образцового резистора 11 плоская вершина импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия мостовой цепи (1). Равновесие мостовой цепи здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 26, при этом сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 на второй вход нуль-индикатора обеспечивает устойчивость его показаний.

В последующие условия равновесия входят повторяющиеся и отдельные фрагменты формул, обозначенные как V₁=R₁₄+R₁₆, V₂=R₁₄R₁₆ V₃=R₉(R₁₀+R₁₂)+R₁₀R₁₂, V₄=R₁₄+R₁₅, V₅=R₁₉+R₂₀, V₆=R₁₈+R₁₉+R₂₀, V₇=R₉[R₁₄(R₁₅+R₁₆)+R₁₅R₁₆]+R₁₀V₂, V₈=R₂₃R₂₅C₂₁C₂₂C₂₄{R₁₈[V₃(L₁V₁+L₂V₄)+L₁V₇]V₅+(R₁₄R₁₅+R₁₆V₄)]L₂V₃V₆}.

Далее на вход мостовой цепи подается с генератора 1 последовательность импульсов, изменяющихся по линейному закону. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия мостовой цепи -

Однократной регулировкой сопротивления образцового резистора 15 приводим плоскую вершину импульсного сигнала неравновесия к нулю, тем самым выполняем второе условие равновесия (2). При этом первое условие равновесия (1) не нарушается, так как регулируемый параметр R₁₅ в него не входит.

Затем на вход мостовой цепи подается с генератора 1 последовательность квадратичных импульсов. При воздействии очередного такого импульса по окончании переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия мостовой цепи -

Однократной регулировкой сопротивления образцового резистора R₂₀ приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (3), при этом первые два условия равновесия (1) и (2) не нарушаются, так как регулируемый здесь параметр R₂₀ в них не входит.

Далее на вход мостовой цепи подается с генератора 1 последовательность кубичных импульсов. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия мостовой цепи -

Однократной регулировкой сопротивления образцового резистора 18 приводим плоскую вершину импульса напряжения неравновесия к нулю и выполняем четвертое условие равновесия (4), при этом первые три условия равновесия (1), (2) и (3) не нарушаются, так как регулируемый здесь параметр R₁₈ в них не входит.

Изложенное показывает, что раздельное уравновешивание мостовой цепи следует проводить в приведенной последовательности 11, 15, 20, 18. По уравнениям условий равновесия (1), (2), (3) и (4) выполняется отсчет искомых четырех параметров: C₂₂, R₂₃, С₂₄, R₂₅. Значения параметров элементов 9, 10, 12, 13, 14, 16, 17, 19, 21 мостовой цепи являются постоянными и известными. Параметры элементов 11, 15, 18 и 20 являются регулируемыми и тоже известными.

Таким образом, данный мостовой измеритель параметров двухполюсников обладает свойством раздельного уравновешивания при однократных регулировках сопротивлений только образцовых резисторов.