Автоматический квазиуравновешенный мост для раздельного измерения двух параметров трехэлементных двухполюсников

Автоматический квазиуравновешенный мост для раздельного измерения двух параметров трехэлементных двухполюсников

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

АВТОМАТИЧЕСКИЙ КВАЗИУРАВНОВЕШЕННЫП МОСТ ДЛЯРАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДВУХ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ, содержащий два генератора синусоидами.ных колебаний, блок вычитания, интегратор, блок уравновешивания и мостовую измерительную цепь, состоящую из трех однотипных элементов, один кз которых является регулируемым, и исследуемого трехэлементного двухполюсника , одна из измерительных диагоналей мостовой измерительной цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него введены два плеча мостовой измерительной цепи,- состоящей КЗ четвертого и пятого однотипных элементов, один яз которых является регулируемым, три блока вычитания, сумматор напряжения, четыре делителя,, дифференцирующий усилитель, восемь фазочувствительных детекторов, второй блок уравновешивания , причем вторая измерительная диагональ мостовой измерительной цепи подключена к второму блоку вычитания, выход первого блока вычитания, соединен с первыми входа ми второго и третьего фазочувствительных детекторов непосредственно, а первого и четвертого фазочувствительных детекторов - через дифференцирующий усилитель, выход второго блока вычитания соединен с первыми входами шестого и седьмого фазочувствительных детекторов непосредственно , а пятого и восьмого фазочувствительных детекторов - через интегратор, выход первого г нератора синусоидальных колебани..я подключен как е первому входу сумматора напряжений, так и ко вторым входам третьего, четвертого, седьмого и сл восьмого фа.зочувствительных детекторов , а выход второго генератора с синусоидальных колебаний подключен как ко второму входу сумматора напряжений , так и ко вторым входам первого, второго, пятого.и шестого фазочувствительных детекторов, при. этом соответственно выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого фазочувствительных детекторов оо подключены к первым и вторым .входам делителей, выходы первого и втоО рого делителей соединены с входами ю третьего блока вычитания, а выходы третьего и четвертого, делителей под4 ключены к входам четвертого блока вычитания, причем выходы третьего и четвертого блоков вычитания соединены соответственно с первым и вторым блоками уравновешивани.1, а выход cy(Iмaтopa напряжения подключен к мостовой измерительной цепи.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Ы1) G Ol R 17 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ABTOPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3312135/18- 21 (22) 06.07.81 (46) 15.05.83. Вюл. Р, 18 (72) 13.Ã. Плотников и Г.А. Штамбергер (71) Ивано-Франковский институт нефти и газа (53) 621.317.733(088.8) .(56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 158627, кл. G 01 R 17/10, 1962.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке М 3295412/21, кл. 6 01 R 17/10, 1981. (54)(57) АВТОМАТИЧЕСКИЙ КВАЗИУРАВНОВЕШЕНН6111 МОСТ ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДВУХ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛ10СНИКОВ, содержащий два генератора синусоидаЛьных колебаний, блок вычитания, интегратор, блок уравновешивания и мостовую измерительную цепь, состоящую из трех однотипных элементов, один из которых является регулируемым, и исследуемого трехэлементного двухполюсника, одна из измерительных диагоналей мостовой измерительной цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него введены два плеча мостовой измерительной цепи; состоящей из четвертого и пятого однотипных элементов, один из которых является регулируемым, три блока вычитания, сумматор напряжения, четыре делителя,. дифференцирующий усилитель, восемь фазочувствительных детекторов, второй блок уравновешивания, причем вторая измерительная диагональ мостовой измеритель„,Я0„„1018024 A ной цепи подключена к второму блоку вычитания, выход первого блока вычитания. соединен с первыми входами второго и третьего фазочувствительных детекторов непосредственно, а первого и четвертого фазочувствительных детекторов — через дифференцирующий усилитель, выход второго блока вычитания соединен с первыми входами шестого и седьмого фазочувствительных детекторов непосредственно, а пятого и восьмого фазочувствительных детекторов — через интегратор, выход первого генератора синусоидальных колебаний подключен как е первому входу сумматора напряжений, так и ко вторым входам третьего, четвертого, седьмого и восьмого фазочувствительных детекторов, а выход второго генератора синусоидальных колебаний подключен С как ко второму входу сумматора напряжений, так и ко вторым входам первого, второго, пятого и шестого фазочувствительных детекторов, при, этом соответственно выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого фазочувствительных детекторов подключены к первым и вторым вхо- (.ф дам делителей, выходы первого и второго делителей соединены с входами третьего блока вычитания, а выходы (Я третьего и четвертого. делителей подключены к входам четвертого блока вычитания, причем выходы третьего и четвертого блоков вычитания соединены соответственно с первым и.вто- «р.» рым блоками уравновешивани ., e выход сумматора напряжения подключен к мостовой измерительной цепи.! 1018024

Изобретение относится к электрО- измерительной технике, в частности к измерению параметров пассивных комплексных. величин, и может быть: использовано для измерения параметров, например, в электрохимии и биологии при изучении природы электрохимических и биологических систем в микроэлектронной, электро- и радио-, нефтяной и химической промышленно-, стях для контроля как различных из, — делий, так и различных технологических процессов.

Известен четырехплечий уравно-; . вешенный мост переменного тока, со,держащий измеряемый объект, плЕчо сравнения, составленное из магазинов сопротивлений и магазина ем-, костей, и вспомогательные плечи, генератора качающейся частоты и осциллографа 5 1 j.

Недостатками данного моста явля ; ются сложность и значительная про- должительность процесса приведения ! измерительного моста к состоянию равновесия из-эа наличия трех взаимосвязанных регулировок. Кроме то, го, в измерительной практике часто: возникает. необходимость измерения, только двух информативных параметров объекта (двухполюсника), в то время как третий параметр является неинформативный и усложняет и удлиняет процесс измерения„

Известен квазиуравновешенный мост для раздельного измерения одного из параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников. Существенными признаками квазиуравновешенного моста являются наличие четырех плечей мостовой цепи двух генераторов синусоидальных колебаний, двух ключей.; переключателя, блока срав-, нения, блока вычитания, преобразователя.переменного сигнала в постоянный, интегратора, фазовращателя, формирователя прямоугольных импульсов, двух блоков управления, генератора опорных импульсов, реверсивного счетчика и блока уравновешивания 2 1.

К недостаткам этого квазиуравно.— вешенного моста можно отнести наличие погрешности измерения, возникакщей из-за разновременной подачи сигналов разных частот на четырех-: плечую измерительную цепь, а также;, потенциально меньшее быстродействие из-за поочередного подключения к мосту то одного, то, другого генера,тора синусоидальных колебаний. Мост не позволяет при необходимости про- извести одновременно измерение вто рого информативного параметра конт.ролируемого трехэлементного двухполюсника, т.е. уравновесить его по второму измеряемому параметру.

65 второго делителей соединены с входами третьего блока вычитания, а выходы третьего и четвертого делителей подключены к входам четвертого. блока вычитания, причем выходы третьего и четвертого блоков вычитания соединены соответственно с первым и вторым блоками уравновешиЦелью изобретения является расширение функциональных возможностей квазиуравновешенного моста.

Поставленная цель достигается тем, что в автоматический квазиуравнове5 шенный мост для раздельного измерения двух параметров трехэлементных двухполюсников, содержащий два генератора синусоидальных колебаний, блок вычитания, интегратор, блок

10 уравновешивания и мостовую измерительную цепь, состоящую из трех однотипных элементов, один из которых является регулируемым, и исследуемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника, одна из .измерительных диагоналей мостовой измерительной цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, введены два плеча мостовой измерительной цепи, состоящей из четвертого и пятого однотипных элементов, один из которых является регулируемым, три блока вычитания, сумматор напряжения, четыре делителя, дифференцирующий усилитель, восемь фазочувствительных детекторов, второй блок уравновешивания, причем вторая измерительная диагональ мостовой измерительной цепи подключена к второму блоку вычитания, выход первого блока вычитания соединен с первыми входами второго и третьего фазочувcòâèòåëüíûõ детекторов непосредствеино, а первого и четвертого фазочувствительных детекторов — через диф35 ференцирующий усилитель, выход второго блока вычитания соединен с первыми входами шестого и седьмого фа- . зочувствительных детекторов непосредственно, а пятого и восьмого

40 фазочувствительных детекторов — через интегратор, выход первого генератора синусоидальных колебаний подключен как к первому входу сумматора напряжений, так и к вторым входам третьего, четвертого, седьмого и восьмого фазочувствительных дотекторов, а выход второго генератора синусоидальных колебаний подключен как ко второму входу сумматора напряжений, так и ко вторым входам первого, второго, пятого и шестого фазочувствительных детекторов, при этом соответственно выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого фазочувствительных детекторов подключены к первым и вторым входам делителей, выходы первого и

1018024 вания, а выход сумматора напряжения

»подключен к мостовой измерительной цепи.

Характерным для предлагаемого asтоматического квазиуравновешенного моста является то, что вся совокупность указанных существенных признаков позволяет получать измерение двух параметров двухполюсника с достаточно высокой точностью, поскольку s основу положен мостовой метод измерения, простой и быстрый процесс уравновешивания мостовой измерительной цепи,, измерение осуществляется независимо от третьего в данном случае неинформативного параметра контролируемого трехэлементного двухполюсника.

На фиг. 3 показана функциональная схема автоматического квазиуравновешенного моста; на фиг. 2— .примеры построения шестиплечих мостовых цепей для измерения параметpos исследуемых двухполюсников с различными схемами замещения. Автоматический квазиуравновешенный мост содержит (см. фиг. 1} шестиплечую мостовую цепь, в которую входят исследуемый трехэлементный двухполюсник 1, состоящий из резисторов .2,3 и конденсатора 4, и пять однотипных образцовых элементов (ре4 тивление образцового резистора 6 до наступления состояния кваэиравновесия мостовой цепи. Однбвременно с регулировкой переменного резисто ра б в результате работы. фазочувст5 вительных детекторов 23-26, делителей 19,20 и дифференцирующего усилителя 13 на входе блоха 17 вычитания имеет место второй сигнал рассогласования мостовой цепи. Пос«() ледний сигнал поступает .на блок 31 уравновешивания, который изменяет сопротивление образцового резистора 5 до наступления второго состояния квазиравновесия мостовой измерительной цени. Существенной особенностью автоматического квчэиурав-. новешенного моста является отсут- . ствие взаимосвязи и взаимовлияния двух регулировок образцовых элементов моста, что упрощает и ускоряет процесс приведения цепи в.состояние квазиравновесия, повышает точность измерения.

Пусть напряжение генератора,10 равно 04 при частоте синусоидальных колебаний u)<, а напряжение генерато- ра 11 равно U при частоте синусоидальных колебаний си<. Напряжение на выходе сумматора 12 равно U +U .

В этом случае напряжение U 6 на выходе блока. вычитания 16 равно. зисторов), два из которых регулируемые 5 и 6, а три остальных — 7;8 и 9 постоянные. Кроме того, автома.тический кваэиуравновешенный мост содержит два генератора. 10 и 11 синусоидальных колебаний, выходы которых через сумматор 12 напряжения соединены с шестиплечей мостовой цепью, дифференцирующий усилитель 13 . интегратор 34, четыре блока 15-18 вычитания, четыре делителя 19-22, восемь фазочувствительных детекто, ров 23-30 и два блока 31 и 32 уравновешивания. Все узлы автоматического моста выполняются на серийных элементах аналоговой или цифровой техники, выпускаемых нашей промыш.ленностью.

Устройство работает следующим образом.

Сумматор 12 суммирует синусоидальные напряжения генераторов 10. и 11, при этом частоты генераторов выбираются различными. Суммарное напряжение питает шестиплечую мостовую цепь. Сигналы с измеритель-ных диагоналей моста через блоки

15 и 16 вычитаНия поступают на фазочувствительные детекторы. В результате работы фазочувствительных детекторов 27-30, делителей 21,22 и интегратора 14 на выходе блока 18 вычитания имеет место сигнал раскгогласования мостовой цепи. Этот сигнал поступает на блок 32 уравно:вешивания, который изменяет сопро Р )

4Ь 1 3 (<+<<)(R,+< ) О)

35 где R gRä R8 соответственно соп» ротивлення резисторов 6,9 у 8;

Š— комплексное сопротивление измеряемого

40 трехэлементного цвухполюсника 1.

Комплексное сопротивление 2 запишем следующим образом," и

R +Rg+) c6R@R Cp

4+ 4эй, С где R  — соответственно сопротивления резисторов 2 и 3;

С, - емкость конденсатора .4.

Подставим (2) в выражение (1) и после ряда преобразований получиМ

u„„+u т

16 Р6

55 х » ъ 6 Я 3Ш ЪС4(0-(6 э)

О)

R +R++R<+ jmR>C4 (" . . )

Введем в выражение (-3} следук»щие обозначения:

К9(кх+КЪ) К6R

Ь 8 зС4 (12 1 9 -К 6 К 8) "- «.»;

Кд » R +R g"-б; RgCg(R< q 4) =Д .

1018024

Выделим вещественные и мнимые части напряжения (1(,> и получим

4 IU Qc+соч Ь8 ° (>с-(>о (,- (> " с +ю Й " "с +си (ac+(l(>2Ы t>c > ala

02 С-, 2а ОЯ 2С+ а.1

Для фазочувствительных детекторов ?9 и 30 опорным является напряжение Ц(с частотой (1(„, поэтому напряжения других частот, в том числе и напряжение U< эти детекторы подавляют. Детектор ?9 выделяет вещественную составляющую напряжения U ÷àñòîòû (g детектор 30 мн мую составляющую напряжения 016 ,частоты (U, предварительно проин гегрирован((ого интегратором 14. В результате напряжени» на выходе делителя 22 равно с(с+.(>. И, Ц2 Ъ --3а 7.Ф!

Cle +hl22 bd

Ьс-(ja (.

Разность напряжений Б 2и Уч(получают на выходе блока 18 вычитания, т.е. Ц4В равно с(с+((, Ы „

bc,- da 44 ((8= 4 ()г .QC<(Ю> Ь(А

Состояние кваэиравновесия мостовой измерительной цепи достигается при равенстве нулю напряжеьия (1, но подобное состояние при различных частотах щч и (4(2 может быть достигнуто, как видно из выражения (4), только в одном единственном случае (> или Й должны равняться нулю. Но, .поскольку с(не может равняться нулю, то приравниваем к нулю Ь .

Ь= 9 С4-(121 <>-R(,

R((Отсюда = — p. т ((Следовательно, по образцовому сопротивлению R6 в состоянии квазиравновесия можно раздельно и однозйаяне определить значение сопротивгде — постоянная вре>(ени инт гра(4тора 14.

Для фазочувствительных детекторов 27 и 28 опорным является напряжение U2 с частотой Ю2, поэтому напряжения других частот, в том числе и напряжение U4,псдавляются. Детектор 28 выделяет вещественную составляющую напряжения ()4вчaстoты (в(2, детектор 27 — мнимую составляющую напряжения Vq(,частоты + предварительно проинтегрированного интегратором 14. Б результа" å напряжения на выходе делителя 21 равно, ления R . При равенстве образцовых сопротивлений Rg+R регулируемое образцовое сопротивление R6 равно измеряемому сопротивлению Rg, т.е..

R2= 6 (>) Проводя рассуждения, укаэанным путем покажем, каким образом измеряется второй параметр трехэлементного двухполюсника. Напряжение U на выходе блока вычитания 15 равно

Ф Ъ.

L R1 -R5R8

15 ((1) (z+R )(p ) Введем дополнительно следующие обозначения: >(2-+ 3) - Ч (RC4(R2Р.-(P PÂ)=" .

Выделим вещественные и мнимые части напряжения Ц,, при этом получим ц 4 с(с+(й (Ь,2 Ь„с-с)0 с2. ((>2 Д 2 - 4 1 4 с2 ((>2(32

35,() С(С+С02Ь6,„Ь С-апач 1

c2 + c(,2 с)2 2) 2 с2 <(>282

Детекторы 25 и 26 подают напряжения всех частот неравных Qå . Детектор

25 выделяет вещественную составляющую нап(эяжения V< ÷àñòîòû Ф(фаэо чувствительный детектор 26 выделяет мнимую составляющую напряжения 0 6 частоты Ж,предварительно продифференцированного усилителем 13. В ре45 зультате напряжение на выходе делителя 20 равно

С(ч С+ Ю ч д ч (1 т„,,<ю 2 (Ь с-d(>,)

50 где е — постоянная времени диффе.ренцирующего усилителя.

Напряжение на выходе делителя 19 равно а,С+(4) 2 Ь.d

19 = C„ (4) (t>,С-да„) Разность напряжений U си U4 получают на выходе блока 17 вычитания

u U ц с(1с-в1 Ьчд

2 и 2О 9 (; (р2(з С da„) C(,Ñ+0>2 b„d (а 2 R„a-da„) (7) 15 где Rq Ry H R (> — соответственно сопротивления резисторов 5,7 и 8, Подставим (2) в выражение (6) и после ряда преобразований получим

= — x

u1+U2

20 5

R> (R > Rw) -Ксэ в(шp аС4 (R2 R7 — R g Rg )

-+ в ) ® с4 (+ч ) 1018024

Второе состояние квазиравновесня мостовой измерительной цепи.достига. ,ется при равенстве нулю напряжения ц„, Но, как видно из выражения.(7), . Ц, равно нулю только в единственном случае, когда а =О. а„=Я,,И (ь)-К, Е =О.

<е

Отсюда- - г-+%3=- -,Г-. R

1-У .:,Следовательно, по образцовому сопро= .тивлению 8 в состоянии:квазиравйо". весия .можно однозначно определить второе сопротивленив двухполюсника., 1 Й .:Зри равенстве образцовых сопро-.

;тивМений R> =- R8:регулируемое образцовое: Сопротивление:, R< равно ,сумме измеряемых сопротивлений, т.,е, ((-,Р + R, Поскольку Б в каждый момент времени определяется через образцовое сопротивление R, то

5 6

Ъ . Таким образом,: предложенная мостовая измерительная цепь:позволяет: производить измерения-двух параметров двухполюсников без измерения третьего неинформативного царамет» ра с большим. быстродействием и с .высокой точйостью, присущей .мосто вым методам измерений.

На фнг. 2 показанй примерц различных трехзлементных.двухполюсникавс разнылщ схемами замецения. В ос

15 тальные пять плечей моста включены однотипнце элементы. В состояниях квазиравноаесия могут бить раздель- но измереныг емкости 33: и 34 (фнг; 2ц);

Сопротивления 35 и 36 (фиг.:2d )g ем 20 -кости .37 и 38 (фиг. 2 ); .:сопротив-. ления 39 и 40.:(фиг. 2 7.) ),сопротив- . ления 41 и 42 (фиг. 2:д ) .

1018024

Составитель И. Бахтина

Редактор М. Бандура Техред Т.Фанта Корректор М. Коста

Заказ 3530/43 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Л

Ю Ю Ю Ю ФВ.Ю филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4