МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ n-ЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE GAUGE OF n-ELEMENT BIPOLES PARAMETERS

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков.
Известен измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников [1], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь для определения параметров резистивно-емкостных (R-C двухполюсников и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности определения параметров резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C).
Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [2], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком этого измерителя является отсутствие расширенных функциональных возможностей, то есть он не пригоден для определения пяти, шести и более параметров многоэлементных двухполюсников объектов измерения.
Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников [3], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей, заключающееся в том, что измеритель позволит определять четыре, пять и более параметров многоэлементных двухполюсников, а также он позволит определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения.
0
1
2
n-1
i
0
1
2
n-1
Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов напряжения, который состоит из формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону целочисленной степени времени Kt, Kt, Kt, …, Kt, где K - постоянные коэффициенты, t - время, n - число элементов в двухполюснике объекта измерения, коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей, а выход подключен к входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно земли генератора импульсов (выход импульсов питания), блока синхронизации, выход которого соединен с входами синхронизации каждого из формирователей импульсов, а также его выход образует второй выход генератора относительно земли (выход синхронизации); первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечего электрического моста, в состав первой ветви которого входит первый многоэлементный двухполюсник, где первый резистор соединен с конденсатором, а другой вывод первого резистора соединен с индуктивной катушкой, общий вывод первого резистора и конденсатора подключен к первому выходу генератора импульсов, а общий вывод первого резистора и индуктивной катушки образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи; параллельно первой ветви моста включена его вторая ветвь, состоящая из последовательно соединенных одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы образуют второй вывод выхода мостовой цепи; свободный вывод одиночного резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, а вторая клемма к «земле»; нуль-индикатор, к дифференциальному входу которого подсоединены два вывода выхода мостовой цепи, а ко входу синхронизации - второй выход генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительный (второй) резистор, вторая, третья и т.д. одинаковые цепи наращивания, а первая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединенных двух многоэлементных двухполюсников, одинаковых по количеству элементов, их составу и включению, дополнительный (второй) резистор подключен к свободному выводу конденсатора первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста и свободному выводу индуктивной катушки, имеющийся двухполюсник из первого резистора, конденсатора, второго (дополнительного) резистора и индуктивной катушки образует первую цепь наращивания, общее количество одинаковых цепей наращивания равно частному от деления числа n на четыре (n/4), если n делится на четыре без остатка, и в этом случае последняя цепь наращивания является полной, если же n делится на четыре с остатком, то число цепей наращивания равно целой части частного (n/4) плюс единица и последняя цепь наращивания является неполной и состоит из первого резистора, конденсатора и второго резистора, при этом свободный вывод второго резистора подключен к общему выводу многоэлементных двухполюсников первой ветви моста, либо последняя цепь наращивания состоит из первого резистора и конденсатора, при этом свободный вывод конденсатора подключен к общему выводу многоэлементных двухполюсников первой ветви моста, и, наконец, последняя цепь наращивания может состоять только из одного первого резистора, общее число элементов в первом многоэлементном двухполюснике первой ветви моста равно числу элементов в двухполюснике объекта измерения, каждая последующая (вторая, третья и т.д.) цепь наращивания подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания, свободный вывод второго многоэлементного двухполюсника первой ветви моста заземлен, число формирователей в генераторе импульсов, питающих мостовую цепь, равно числу n элементов в двухполюснике объекта измерения.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
0
1
2
i
0
1
2
Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов напряжения, в состав которого входят n формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону целочисленной степени времени: формирователь 2 напряжения Kt, формирователь 3 напряжения Kt, формирователь 4 напряжения Kt и т.д., где K - постоянные коэффициенты, t - время, выходы формирователей соединены с входами коммутатора 5, выход которого подключен к входу усилителя мощности 6. Выход блока 7 синхронизации соединен с входами синхронизации каждого из формирователей импульсов. Первая ветвь четырехплечей мостовой электрической цепи состоит из двух последовательно включенных многоэлементных двухполюсников. Первый из них содержит первый резистор 8 (R8), параллельно которому подключены последовательно соединенные конденсатор 9 (С9), второй резистор 10 (R10) и катушка 11 индуктивности (L11). Элементы 8, 9, 10 и 11 имеют постоянные параметры. Второй многоэлементный двухполюсник выполнен по схеме, аналогичной (одинаковой) схеме первого двухполюсника, и состоит из первого резистора 12 (R12), параллельно которому подключены последовательно соединенные конденсатор 13 (С13), второй резистор 14 (R14) и катушка 15 индуктивности (L15). Элементы 12, 13, 14 и 15 имеют регулируемые параметры и используются для уравновешивания моста. Вторая ветвь мостовой цепи содержит последовательно соединенные одиночный резистор 16 (R16) и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения. Общий вывод первого резистора 8 и конденсатора 9 первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста соединен со свободным выводом одиночного резистора 16 второй ветви, и они образуют вход мостовой цепи, который подключен к выходу усилителя 6 мощности генератора импульсов. Общий вывод первого резистора 8 и катушки 11 индуктивности первого многоэлементного двухполюсника и первого резистора 12 и конденсатора 13 второго многоэлементного двухполюсника первой ветви мостовой цепи образуют первый вывод выхода мостовой цепи, а общий вывод одиночного резистора 16 второй ветви и первой клеммы для подключения объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи (дифференциальный выход моста), оба вывода выхода мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 17, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора 17 заземлена. Двухполюсник, образованный параллельно включенными первым резистором 18 и цепью, состоящей из последовательно соединенных конденсатора 19, второго резистора 20 и катушки 21, является второй цепью наращивания для первого многоэлементного двухполюсника; она подключена параллельно катушке 11. Аналогично цепь, образованная параллельно включенными первым резистором 22 и последовательно соединенными конденсатором 23, вторым резистором 24 и катушкой 25 индуктивности, является второй цепью наращивания для второго многоэлементного двухполюсника; она подключена параллельно катушке 15. Элементы 22, 23, 24 и 25 имеют регулиремые параметры и служат для уравновешивания моста.
Первый и второй многоэлементные двухполюсники первой ветви мостовой цепи в общем случае содержат по несколько цепей наращивания. Каждая последующая цепь наращивания подключается параллельно индуктивной катушке предыдущей цепи наращивания. Общее количество одинаковых цепей наращивания равно частному от деления числа n на четыре (n/4), если n делится на четыре без остатка, и в этом случае последняя цепь наращивания является полной. Если же n делится на четыре с остатком, то число цепей наращивания равно целой части частного (n/4) плюс единица и последняя цепь наращивания является неполной. Она может состоять из первого резистора, конденсатора и второго резистора, свободный вывод которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи. Последняя цепь наращивания может состоять из первого резистора и конденсатора, свободный вывод которого подключен к первому выводу выхода моста. И, наконец, последняя цепь наращивания может содержать только один первый резистор. Общее число элементов в каждом из двух многоэлементных двухполюсников в первой ветви моста равно количеству элементов в двухполюснике объекта измерения. Также этому числу равно количество формирователей в генераторе импульсов.
Для примера приведены три варианта двухполюсников объектов измерений:
1) резистивно-емкостный {R-C) двухполюсник, который состоит из первого резистора 26 (R26), параллельно которому соединены последовательно включенные первый конденсатор 27 (С27) и второй резистор 28 (R28), параллельно резистору 28 подключен второй конденсатор 29 (С29);
2) резистивно-индуктивный (R-L) двухполюсник, который состоит из последовательно включенных резистора 30 (R30) и первой катушки индуктивности 31 (ZJ7), параллельно которой соединены последовательно включенные второй резистор 32 (R32) и вторая катушка индуктивности 33 (L33);
3) двухполюсник с разнородными реактивными элементами (R-L-C), который состоит из первого резистора 34 (R34), параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 35 (С35), второй резистор 36 (R36) и катушка индуктивности 37 (L37).
Поясним работу измерителя. Как и в известных мостовых цепях, элементы 8, 9, 10, 11, 18, 19, 20 и 21, а также элемент 16 являются образцовыми элементами с известными постоянными значениями параметров повышенной точности и стабильности. Элементы 12, 13, 14, 15, 22, 23, 24 и 25 - это образцовые регулируемые элементы с известными значениями параметров для уравновешивания электрической мостовой цепи. Элементы 26, 27, 28 и 29 R-C двухполюсника, 30, 31, 32 и 33 R-L двухполюсника и, наконец, 34, 35, 36 и 37 R-L-C двухполюсника - это элементы объектов измерения с неизвестными значениями параметров.
26
27
28
29
8
12
12
На каждом этапе измерений в начале питающего импульса и после его окончания в мостовой цепи возникают переходные процессы в виде всплесков напряжения, которые со временем затухают до нуля по экспоненциальному закону. Полезной для измерений является часть выходного импульса моста в интервале времени от окончания переходного процесса до момента окончания питающего импульса. На этом участке импульса приводят к нулю плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия на выходе моста. Рассмотрим работу мостового измерителя при подключении к нему резистивно-емкостного (R-C) двухполюсника объекта измерения R-С-R-C. Вначале на мостовую цепь подают с выхода усилителя 6 последовательность прямоугольных импульсов. При воздействии на мост очередного импульса напряжения прямоугольной формы после окончания переходного процесса в мостовой цепи и до момента окончания питающего мост импульса напряжение неравновесия, которое поступает на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение этой плоской вершины зависит, в том числе, от соотношения значений сопротивления резисторов 8 (R) и 12 (R). Регулировкой значения сопротивления R в двухполюснике с уравновешивающими элементами напряжение неравновесия приводят к нулю и, тем самым, выполняют первое условие равновесия мостовой цепи
26
Нулевое значение напряжения плоской вершины отмечают по нуль-индикатору 17, в качестве которого, например, можно использовать осциллограф. Отсчет неизвестного сопротивления R резистора 26 берут из выражения (1), в котором все остальные величины известны.
12
13
13
После этого на мостовую цепь с выхода генератора 1 подают импульсы линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от параметров R резистора 12 и С конденсатора 13 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Регулировкой значения емкости С напряжение плоской вершины приводят к нулю и выполняют второе условие равновесия
12
27
26
Нулевое значение отмечают по нуль-индикатору 17. Не следует регулировать значение сопротивления R, так как это приведет к нарушению условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет значения неизвестного параметра С (емкости конденсатора 27) берут из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе, значение сопротивления R из выражения (1).
13
14
13
14
Далее на мостовую цепь с выхода генератора 1 подают импульсы квадратичной формы. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от емкости С конденсатора 13 и сопротивления R резистора 14 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Параметр С уже был задействован ранее для уравновешивания моста, и его значение изменять нельзя, так как нарушится выполнение предыдущих условий равновесия. Остается параметр R, который ранее не входил в условия равновесия (1) и (2), и регулировкой его значения приводят напряжение плоской вершины к нулю, отмечая это по нуль-индикатору 17. В результате выполняется третье условие равновесия
28
26
27
Из выражения (3) берут отсчет значения неизвестного параметра R (сопротивления резистора 28), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе, значения сопротивления R из выражения (1) и емкости C из выражения (2).
12
13
14
15
12
13
14
15
22
23
24
На следующем, четвертом, этапе на мостовую цепь с генератора подают импульсы кубичной формы. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от сопротивления R резистора 12, емкости C конденсатора 13, сопротивления R резистора 14 и индуктивности L катушки 15 двухполюсника с уравновешивающими элементами мостовой цепи. Ранее для уравновешивания были задействованы R, C и R, поэтому их значения изменять не следует, так как перестанут выполняться предыдущие условия равновесия. Остается параметр L, который не входил в предыдущие условия равновесия (1)-(3), и регулировкой его значения приводят напряжение плоской вершины к нулю, это отмечают по нуль-индикатору 17. Для примера подробно рассмотрены три этапа уравновешивания и кратко изложен четвертый этап. Далее на последующих этапах уравновешивания используются питающие импульсы с изменением напряжения по закону четвертой, пятой и т.д. степеней. Число этапов уравновешивания и количество используемых форм питающих импульсов равно числу параметров в двухполюсниках объектов измерения. На каждом этапе приводится к нулю плоская вершина напряжения неравновесия в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания питающего импульса. Это осуществляется регулированием параметра уравновешивающего элемента, который не использовался на предыдущих этапах уравновешивания и не входил в предыдущие условия равновесия. В частности, на пятом, шестом, седьмом и т.д. этапах уравновешивания последовательно используются элементы 22 (сопротивление R), 23 (емкость C), 24 (сопротивление R) и т.д.
i
Из приведенных положений следует, что на каждом этапе уравновешивания изменяют значение только одного из уравновешивающих параметров, и при этом выполняется только одно из условий равновесия (A=0). Таким образом, уравновешивание мостовой цепи является раздельным зависимым.
30
31
32
33
12
13
14
При подключении к мостовой цепи других двухполюсников объектов измерения все приведенные выше операции повторяются. Так, для R-L двухполюсника объекта измерения R-L-R-L сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежний порядок регулирования их значений: R, C, R, …. Приведем условия равновесия для первых трех этапов:
30
31
32
Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R резистора 30, индуктивности L катушки 31 и сопротивления R резистора 32.
34
35
36
37
12
13
14
При подключении к мостовой цепи R-L-C двухполюсника с разнородными реактивными элементами R-C-R-L используют те же регулируемые параметры и порядок регулирования их значений: R, C, R, …. Приведем условия равновесия для первых трех этапов:
34
35
36
Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R резистора 34, емкости С конденсатора 35 и сопротивления R резистора 36.
Таким образом, применение цепей наращивания в многоэлементных двухполюсниках моста с образцовыми и регулируемыми элементами существенно расширяет функциональные возможности мостового измерителя и позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения с n-элементной схемой замещения, где число n измеряемых параметров может быть равно пяти, шести и более. При этом мостовая цепь сохраняет такое важное свойство, как раздельное уравновешивание.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1150556, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров n-элементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, опубл. 1985, Бюл. №14 (аналог).
2. Патент РФ №2365921, G01R 17/00. Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, В.И.Иванов, опубл. 2009, Бюл. №24 (аналог).
3. Авторское свидетельство СССР №798606, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, опубл. 1981, Бюл. №3 (прототип).