Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №1157467 G01R. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский Опубл. в Бюл. №19, 1985], 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 нестабильна 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, №798606, G01R. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский - Опубл. в Бюл, 1981, №3]. Мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор импульсов сложной 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 мостовом измерителе параметров двухполюсников, содержащем генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены к 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 соединен с входом четырехплечей мостовой цепи, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а свободный вывод другого резистора заземлен, общий вывод двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсников объекта измерения, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно соединенных первого резистора и электрической цепи, составленной из последовательно соединенных второго резистора и катушки индуктивности, параллельно последней включен конденсатор, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая клемма заземлена, также в четырехплечей мостовой цепи имеются конденсатор и катушка индуктивности; два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введен дополнительный резистор и изменено соединение элементов, имеющиеся конденсатор и индуктивная катушка перенесены во вторую ветвь четырехплечей мостовой цепи (из первой ветви прототипа) и входят в электрическую цепь из последовательно соединенных конденсатора, введенного дополнительного резистора и индуктивной катушки, свободный вывод конденсатора этой электрической цепи соединен с общим выводом первой клеммы и одиночного резистора, а свободный вывод индуктивной катушки электрической цепи заземлен.

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 каскада 8 синхронизации. Выход каскада 8 синхронизации соединен с каждым входом формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, выходы которых подключены к коммутатору 7. Выход коммутатора 7 соединен с входом усилителя 6 мощности. Выход усилителя 6 мощности образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Второй выход генератора 1 питающих импульсов - выход синхронизации образует выход каскада 8 синхронизации. Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена. Первый выход генератора 1 питающих импульсов соединен с генераторной диагональю четырехплечей мостовой цепи (с входом моста), которая состоит из двух параллельно включенных ветвей. Первая ветвь четырехплечей мостовой цепи образована двумя соединенными последовательно резисторами 9 (R9) и 10 (R10). Свободный вывод резистора R9 соединен с первым выходом 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 четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенного одиночного резистора 11 (R11) и двух клемм для подключения двухполюсников объекта измерения. Также к этим клеммам подключена трехэлементная электрическая цепь, составленная из соединенных последовательно конденсатора 12 (С12), дополнительного резистора 13 (R13) и катушки индуктивности 14 (L14). Свободный вывод конденсатора С 12 соединен с выводом первой клеммы. Свободный вывод катушки индуктивности L14 соединен с выводом второй клеммы и заземлен. Общий вывод одиночного резистора 11 (R11) и первой клеммы образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно соединенных первого резистора 15 (R15) и цепи из последовательно соединенных второго резистора 16 (R16) и катушки индуктивности 17 (L17), параллельно которой включен конденсатор 18 (С18). Общий вывод резисторов R15 и R16 двухполюсника объекта измерения подключен к первой клемме. Ко второй клемме подсоединен общий вывод резистора R15, катушки индуктивности L17 и конденсатора С18. Также ко второй клемме подсоединен общий вывод резистора R10 и катушки индуктивности L14, образующий заземленную вторую вершину генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи (первая вершина генераторной диагонали образована общим выводом резисторов R9 и R11). Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 19. Другой вход нуль-индикатора 19 - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 19 соединена со второй вершиной генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и заземлена. В четырехплечей мостовой цепи значения сопротивлений резисторов R9 и R11 известны и постоянны. Искомыми являются параметры резисторов R15 и R16, катушки индуктивности L17 и конденсатора С 18, образующих двухполюсник объекта измерения. Регулируемыми переменными уравновешивающими являются известные параметры резисторов R10 и R13, конденсатора С12 и катушки индуктивности L14.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Сравнительно негромоздкие математические выражения условий равновесия четырехплечей мостовой цепи будут получены, если значения сопротивлений резисторов R9 и R11 принять равными, т.е. если в частном случае будет справедливо выражение

Поэтому ниже условия равновесия четырехплечей мостовой цепи будут приведены с учетом выполнения равенства (1).

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 затем воздействуют на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи.

В первую очередь на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность импульсных сигналов прямоугольной формы. В установившемся режиме при воздействии очередного импульса прямоугольной формы в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи устанавливается неизменяющееся напряжение неравновесия в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса. Плоская вершина этого напряжения приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента R10, что обеспечивает выполнение первого условия равновесия четырехплечей мостовой цепи, которое имеет вид

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса на выходе четырехплечей мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта вершина с учетом выполненного первого условия равновесия (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента С12. Тогда второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

Выполнение первого условия равновесия (2) в этом случае сохраняется, поскольку это условие не содержит переменный регулируемый уравновешивающий элемент С12.

Далее на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность импульсов квадратичной формы. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта вершина с учетом выполненного первого и второго условий равновесия (2) и (3) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента R₁₃. В результате третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи примет вид

Здесь выполнение первых двух условий равновесия (2) и (3) не нарушается, так как в них не содержится переменный регулируемый уравновешивающий элемент R₁₃.

В последнюю очередь на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействуют импульсы кубичной формы. В измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи при воздействии очередного такого импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия. Этот сигнал после окончания переходного процесса имеет плоскую вершину, которая при выполненных условиях (2)-(4) приводится к нулю однократной регулировкой переменного уравновешивающего элемента L₁₄. Тогда четвертое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

В этом случае выполнение предыдущих условий равновесия (2)-(4) сохраняется, поскольку в этих условиях не содержится переменный регулируемый уравновешивающий элемент L₁₄.

Искомые значения параметров четырех элементов двухполюсника объекта измерения R₁₅, R₁₆, L₁₇ и С₁₈ определяются из четырех условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (2)-(5). Таким образом, четыре неизвестных параметра находятся из решения по сути четырех уравнений.

Следовательно, 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. Также в предлагаемом мостовом измерителе параметров двухполюсников сохранено зависимое раздельное уравновешивание.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены к 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 соединен с входом четырехплечей мостовой цепи, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них состоит двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод одного из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а свободный вывод другого резистора заземлен, общий вывод двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая ветвь четырехплечей мостовой цепи состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсников объекта измерения, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно соединенных первого резистора и электрической цепи, составленной из последовательно соединенных второго резистора и катушки индуктивности, параллельно последней включен конденсатор, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, вторая клемма заземлена, также в четырехплечей мостовой цепи имеются конденсатор и катушка индуктивности; два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора, другой вход его - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введен дополнительный резистор и изменено соединение элементов, имеющиеся конденсатор и индуктивная катушка перенесены во вторую ветвь четырехплечей мостовой цепи (из первой ветви прототипа) и входят в электрическую цепь из последовательно соединенных конденсатора, введенного дополнительного резистора и индуктивной катушки, свободный вывод конденсатора этой электрической цепи соединен с общим выводом первой клеммы и одиночного резистора, а свободный вывод индуктивной катушки электрической цепи «заземлен».