мостовой измеритель параметров двухполюсников

Формула изобретения

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K ₀t⁰, K₁t, K₂t² , K₃t³, где K₀, K₁ , K₂, K₃ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также выход блока синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора питающих импульсов относительно «земли», общая шина генератора питающих импульсов заземлена; первый выход генератора питающих импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи (моста), который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, свободный вывод другого заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и сложного двухполюсника, одиночный резистор подключен к первому выходу генератора питающих импульсов, общий вывод одиночного резистора и сложного двухполюсника образует второй вывод выхода мостовой цепи, сложный двухполюсник состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из ветвей включает в себя последовательно соединенные первый резистор и индуктивную катушку, к их общему выводу подключен второй резистор, свободный вывод индуктивной катушки заземлен, вторая ветвь сложного двухполюсника включает в себя две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, одна из клемм заземлена, двухполюсник объекта измерения состоит из параллельно включенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, общий вывод первого резистора и конденсатора подключен к незаземленной клемме для подключения двухполюсника объекта измерения, а общий вывод двух резисторов - к заземленной клемме; два вывода выхода мостовой цепи четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, второй вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены дополнительные два резистора, индуктивная катушка и конденсатор, а также изменено включение элементов, первый дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и свободным выводом первого резистора первой ветви сложного двухполюсника во второй ветви моста, второй дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода моста и незаземленной клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, дополнительная индуктивная катушка включена между свободным выводом второго резистора первой ветви сложного двухполюсника второй ветви моста и «землей», дополнительный конденсатор включен параллельно второму резистору второй ветви сложного двухполюсника второй ветви моста, электрическая цепь из первого резистора, конденсатора и второго резистора перенесена из первой ветви моста во вторую ветвь, электрическая цепь из первого резистора, конденсатора, второго резистора и дополнительного конденсатора во второй ветви сложного двухполюсника во второй ветви четырехплечей мостовой цепи образует двухполюсник объекта измерения.

Описание изобретения к патенту

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 включенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую 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 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].

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]. Мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, четырехплечую 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, K₁t, K₂ t², K₃t³, где K₀, K₁, K₂, K₃ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также выход блока синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора питающих импульсов относительно «земли», общая шина генератора питающих импульсов заземлена; первый выход генератора питающих импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи (моста), который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первая из них состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, свободный вывод другого - заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и сложного двухполюсника, одиночный резистор подключен к первому выходу генератора питающих импульсов, общий вывод одиночного резистора и сложного двухполюсника образует второй вывод выхода мостовой цепи, сложный двухполюсник состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из ветвей включает в себя последовательно соединенные первый резистор и индуктивную катушку, к их общему выводу подключен второй резистор, свободный вывод индуктивной катушки заземлен, вторая ветвь сложного двухполюсника включает в себя две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, одна из клемм заземлена, двухполюсник объекта измерения состоит из параллельно включенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, общий вывод первого резистора и конденсатора подключен к незаземленной клемме для подключения двухполюсника объекта измерения, а общий вывод двух резисторов - к заземленной клемме; два вывода выхода мостовой цепи четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль - индикатора, второй вход его - вход синхронизации соединен с со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль - индикатора заземлена, введены дополнительные два резистора, индуктивная катушка и конденсатор, а также изменено включение элементов, первый дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода четырехплечей мостовой цепи и свободным выводом первого резистора первой ветви сложного двухполюсника во второй ветви моста, второй дополнительный резистор включен между вторым выводом выхода моста и незаземленной клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, дополнительная индуктивная катушка включена между свободным выводом второго резистора первой ветви сложного двухполюсника второй ветви моста и «землей», дополнительный конденсатор включен параллельно второму резистору второй ветви сложного двухполюсника второй ветви моста, электрическая цепь из первого резистора, конденсатора и второго резистора перенесена из первой ветви моста во вторую ветвь, электрическая цепь из первого резистора, конденсатора, второго резистора и дополнительного конденсатора во второй ветви сложного двухполюсника во второй ветви четырехплечей мостовой цепи образует двухполюсник 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 ), где K₀, K₁, K₂ и K₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 6 мощности, коммутатора 7 и блока 8 синхронизации. Выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора 7, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности, выход которого образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Выход блока 8 синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов. Также выход блока 8 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 9 (R9) и 10 (R10), образующих соответственно первое и второе плечи четырехплечей мостовой цепи. Свободный вывод резистора R9 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод резистора R10 заземлен. Общий вывод резисторов R9 и R10 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 11 (R11), образующего третье плечо моста, и сложного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи. Одним выводом резистор R11 подключен к свободному выводу резистора R9 и соответственно к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Общий вывод резисторов R9 и R11 образует первую вершину генераторной диагонали моста. Общий вывод резистора R11 и сложного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи, образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) моста. Этот сложный двухполюсник состоит из двух параллельно включенных ветвей. Его первая ветвь включает в себя последовательно соединенные первый дополнительный резистор 12 (R12), первый резистор 13 (R13) и трехэлементную электрическую цепь, образованную параллельно соединенными индуктивной катушкой 14 (L14) и включенными последовательно вторым резистором 15 (R15) и дополнительной индуктивной катушкой 16 (L16). Вторая ветвь сложного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи, включает в себя второй дополнительный резистор 17 (R17), один из выводов которого присоединен к общему выводу резисторов R11 и R12, и две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения. Первая из этих клемм подключена к свободному выводу резистора R17, а вторая заземлена. Двухполюсник объекта измерения состоит из параллельно включенных первого резистора 18 (R18) и электрической цепи, образованной последовательно соединенными конденсатором 19 (С19) и включенными параллельно вторым резистором 20 (R20) и дополнительным конденсатором 21 (С21). К первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения присоединен общий вывод резистора R18 и конденсатора С19, ко второй клемме - общий вывод резисторов R18, R20 и конденсатора С21. Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 22. Ко второму входу (входу синхронизации) нуль-индикатора 22 подключен второй выход генератора 1 питающих импульсов. Заземленная общая шина генератора 1 питающих импульсов соединена со второй вершиной генераторной диагонали моста, образованной общим выводом резистора R10, индуктивных катушек L14, L16 и второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Общая шина нуль-индикатора 22 соединена со второй вершиной генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и с общей шиной генератора 1 питающих импульсов и заземлена. В мостовом измерителе параметров двухполюсников сопротивления резисторов R9, R10, R11, R12 и R17 известны, постоянны и имеют равные значения (R9=R10=R11=R12=R17). Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - резисторов R13 и R15, а также индуктивных катушек L14 и L16. Искомыми являются параметры элементов двухполюсника объекта измерения - резисторов R18, R20 и конденсаторов С19, С21.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Затем в генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 прямоугольных импульсов, формирователь 3 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 4 квадратичных импульсов, формирователь 5 кубичных импульсов формируют последовательности импульсных сигналов соответствующей формы. Через коммутатор 7 и усилитель 6 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 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 приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R13. В результате выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, которое имеет вид

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов линейно изменяющейся формы. При воздействии очередного импульса линейно изменяющейся 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 условия равновесия (1) приводится к нулю однократной регулировкой переменного параметра уравновешивающего элемента - индуктивной катушки L14. Второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

Выполнение первого условия равновесия (1) в этом случае сохраняется, поскольку это условие не содержит индуктивность индуктивной катушки L14.

Далее на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействуют импульсы квадратичной формы. В измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи при воздействии очередного импульса квадратичной 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 (1) и (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R₁₅. При этом третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

Предыдущие условия равновесия (1) и (2) сохраняются, поскольку в этих условиях отсутствует сопротивление резистора R₁₅.

В последнюю очередь на вход моста подается последовательность кубичных импульсов. 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 (1) - (3) однократной регулировкой переменной индуктивности уравновешивающей индуктивной катушки L16. В результате выполняется четвертое и последнее условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, имеющее вид

При этом выполнение условий равновесия (1) - (3) не нарушается, поскольку в них не содержится индуктивность индуктивной катушки L16.

Искомые значения параметров четырех элементов двухполюсника объекта измерения R18, С19, R20 и С21 определяются из четырех условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (1) - (4). Таким образом, четыре неизвестных параметра находятся из решения по сути четырех уравнений.

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.