МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE MEASURING DEVICE OF PARAMETERS OF BIPOLES

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехлементной схемой замещения.
Известен мостовой измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №1150556, G01R 17/10, БИ №14, 1985 г.), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его являются повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно "земли". В указанном измерителе, в принципе, невозможно заземлить все регулируемые уравновешивающие элементы, поэтому названные паразитные емкости и соответствующая составляющая погрешности измерения здесь обязательно присутствуют. От нестабильности паразитных емкостей возникает также дополнительная составляющая погрешности. Кроме того, для уменьшения вредного влияния внешних электромагнитных полей и наводок уравновешивающие элементы нередко экранируют, тогда в случае незаземленности этих элементов возникает вопрос с какой вершиной электрического моста лучше соединять экраны. Если же названные элементы заземлены, то, очевидно, что экраны следует соединять с «землей». В случае регулирования незаземленных уравновешивающих элементов посредством использования электронных ключей и управляющих электрических сигналов с блока управления, возникают дополнительные трудности и необходимость использования развязывающих элементов, например трансформаторов или оптронных пар. При заземленных уравновешивающих элементах такие трудности отсутствуют.
Известен мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №1147986, G01R 17/10, БИ №12, 1985 г.), 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 повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно "земли".
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №998967, G01R 17/10, БИ №3, 1981 г.), содержащий последовательно включенные генератор импульсов сложной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно "земли".
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей относительно "земли" регулируемых уравновешивающих элементов и нестабильности этих паразитных емкостей. Названные паразитные емкости отсутствуют потому, что в измерителе используются только заземленные регулируемые уравновешивающие элементы.
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
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 Kt, Kt, Kt и Kt, где K, K, K и K - постоянные коэффициенты, а 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 импульсов относительно "земли", выход блока синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также выход его образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов относительно "земли", общая шина генератора импульсов заземлена; мостовую электрическую цепь, которую образуют две параллельно включенные ветви, первую ветвь моста образуют последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор первого плеча отношения, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из первого резистора, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и второго резистора, параллельно которому включен второй конденсатор, вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных двухполюсника с элементами уравновешивания и одиночного резистора второго плеча отношения, двухполюсник с уравновешивающими элементами образуют первый резистор, последовательно включенные первый и второй конденсаторы и второй резистор, первый вывод первого резистора соединен со свободным выводом первого конденсатора, первый вывод второго резистора соединен с общим выводом двух конденсаторов, второй вывод первого резистора подключен к одиночному резистору второго плеча отношения, общий вывод первого резистора и первого конденсатора двухполюсника с элементами уравновешивания и свободной клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образуют общий вывод, который является первой вершиной генераторной диагонали моста, вторую вершину генераторной диагонали образует общий вывод двух одиночных резисторов плеч отношения мостовой цепи, первый вывод измерительной диагонали моста образует общий вывод клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночного резистора первого плеча отношения; нуль-индикатор, первый вывод первого (дифференциального) входа которого соединен с первым выводом измерительной диагонали моста, второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, изменено включение второго конденсатора и второго резистора двухполюсника с уравновешивающими элементами, введен в него дополнительный конденсатор и изменено включение мостовой цепи, свободный вывод второго конденсатора подключен к общему выводу первого резистора и одиночного резистора второй ветви моста, свободный вывод второго резистора соединен с первой вершиной генераторной диагонали моста, введенный дополнительный конденсатор включен параллельно имеющемуся первому резистору, вывод первой вершины генераторной диагонали моста соединен с заземленным выводом первого выхода генератора импульсов, вывод второй вершины генераторной диагонали моста подключен к сигнальному выводу первого выхода генератора импульсов, во второй ветви моста общий вывод первого резистора, второго и дополнительного конденсаторов и одиночного резистора второго плеча отношения моста образует второй вывод измерительной диагонали моста, который соединяется со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора.
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1).
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор питающих импульсов 1, представленный блоками 2-8, который может формировать последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных, а также кубичных импульсов. Формирователь импульсов 2 обеспечивает формирование прямоугольных импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 3 обеспечивает формирование линейно изменяющихся импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 4 обеспечивает формирование квадратичных импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 5 обеспечивает формирование кубичных импульсов, изменяющихся по закону Kt, где K, K, K и K - постоянные коэффициенты, а t - текущее время.
Выходы формирователей импульсов 2-5 соединены со входами коммутатора 6. Коммутатор 6 обеспечивает выбор одного из четырех видов импульсов, формируемых с помощью формирователей импульсов 2-5, и далее сигнал с его выхода подается на вход усилителя мощности 7, с выхода которого усиленный по мощности сигнал поступает на первый выход генератора 1 питающих импульсов. С выхода блока 8 синхронизации сигнал синхронизации поступает на входы формирователей импульсов 2-5, а также на второй выход генератора 1 питающих импульсов. Генератор 1 имеет два выхода, первый выход относительно «земли» является выходом питающих сигналов. Второй выход генератора импульсов является выходом синхронизации. Общая шина генератора импульсов заземлена.
В первой ветви мостовой цепи последовательно включены две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор 9(R9) первого плеча отношения. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из первого резистора 10(R10), параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных первого конденсатора 11 (C11) и второго резистора 12(R12), параллельно которому включен второй конденсатор 13 (C13).
Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных двухполюсника с элементами уравновешивания и одиночного резистора 14(R14) второго плеча отношения. Двухполюсник с уравновешивающими элементами образуют первый резистор 15(R15), параллельно которому включен первый конденсатор 16(C16), последовательно включенные второй 17(C17) и третий 18(C18) конденсаторы и второй резистор 19(R19). Первый вывод первого резистора 15(R15) соединен со свободным выводом второго конденсатора 17(C17), параллельно которому подключен второй резистор 19(R19), свободный вывод третьего конденсатора 18(C18) соединен со вторым выводом первого резистора 15(R15) и с одиночным резистором 14(R14) второго плеча отношения.
Свободная клемма для подключения двухполюсника объекта измерения и общий вывод первого резистора 15(R15), первого конденсатора 16(C16), второго конденсатора 17(C17) и второго резистора 19(R19) совместно образуют общий вывод, который является первой вершиной генераторной диагонали моста. Вторую вершину генераторной диагонали образует общий вывод двух одиночных резисторов 9(R9) и 14(R14) плеч отношения мостовой цепи.
Вывод первой вершины генераторной диагонали моста соединен с заземленным выводом генератора 1 питающих импульсов, вывод второй вершины генераторной диагонали моста подключен к сигнальному выводу первого выхода генератора 1 питающих импульсов.
В первой ветви моста общий вывод клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночного резистора 9(R9) первого плеча отношения образует первый вывод измерительной диагонали моста и соединен с первым выводом дифференциального входа нуль-индикатора 20. Во второй ветви моста общий вывод первого резистора 15(R15), первого 16(C16) и третьего 18(C18) конденсаторов и одиночного резистора 14(R14) второго плеча отношения моста образует второй вывод измерительной диагонали моста, который соединен со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора 20. Общая шина нуль-индикатора 20 заземлена, вход синхронизации нуль-индикатора 20 соединен со вторым выходом генератора импульсов (выходом синхронизации).
Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Подадим на мост с генератора сигналов последовательность прямоугольных импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения, разность которых определяет напряжение в измерительной диагонали мостовой цепи (выходное напряжение моста). Оно зависит от значений сопротивлений 9(R9), 10(R10), 14(R14) и 15(R15). Первое условие равновесия моста -
<mrow><msub><mi>A</mi><mtext>1</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                                 (1)</mtext></mrow>
Однократной регулировкой значения заземленного резистора 15 плоская вершина импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия моста (1). Равновесие моста здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 20 (осциллографу), при этом подача сигнала синхронизации со второго выхода генератора на второй вход нуль-индикатора 20 обеспечивает устойчивость его показаний.
Далее подаем на мост последовательность линейно изменяющихся импульсов. При воздействии очередного такого импульса, на выходе моста, после окончания переходного процесса, устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия моста -
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                                 (2)</mtext></mrow>
Выполнить его можно регулировкой емкости заземленного конденсатора 16. Однократной регулировкой значения емкости этого конденсатора приводим напряжение плоской вершины импульсного сигнала неравновесия к нулю, т.е. выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие (1) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр 16 в него не входит.
После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность квадратичных импульсов. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия моста -
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                     (3)</mtext></mrow>
Однократной регулировкой заземленного резистора 19 приводим напряжение плоской вершины импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (3), при этом первые два условия равновесия (1), (2) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр 19 в них не входит.
После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность кубичных импульсов. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия моста -
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                (4)</mtext></mrow>
Однократной регулировкой емкости заземленного конденсатора 17 приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем четвертое условие равновесия (4), при этом первые три условия равновесия (1)-(3) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр 17 в них не входит.
Из приведенного вытекает, что мостовая цепь (фиг.1) обладает свойством раздельного зависимого уравновешивания, и уравновешивание следует проводить в приведенной выше последовательности 15(R15), 16(C16), 19(R19), 17(C17). Из четырех уравнений [четырех условий равновесия (1)-(4)] берется отсчет искомых четырех параметров: 10(R10), 11(C11), 12(R12), 13(C13). Значения параметров элементов 9(R9), 14(R14), 18(C18) являются постоянными и известными. Все регулируемые уравновешивающие элементы - 15(R15), 16(C16), 19(R19), 17(C17), заземлены. Значения их параметров являются известными и регулируемыми.
Таким образом, данный мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет реализовать раздельное уравновешивание мостовой цепи при выполнении однократных регулировок значений уравновешивающих параметров, что упрощает и ускоряет проведение измерений. Все регулируемые элементы уравновешивания заземлены, поэтому отсутствуют их паразитные емкости относительно земли, как у незаземленных элементов.