МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
PASSIVE IMPEDOR PROFILE BRIDGE

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 пятиэлементных пассивных двухполюсников по авт. св. 1147986, МКИ G01R 17/10, 1985 г., БИ 12, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности их следования по закону степенных функций, 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 по авт. св. 1150557, G01R 17/10, 1985 г., БИ 14, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности их следования по закону степенных функций, мостовую цепь для определения параметров двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C) и нуль-индикатор.
Недостатком такого измерителя является то, что он не позволяет измерять параметры многоэлементных резисторно-емкостных (R-C) и резисторно-индуктивных (R-L) двухполюсников.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников по авт. св. 945805 G01R 17/10, 1982 г., БИ 27, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, мостовую цепь для определения параметров R-L-C двухполюсников и индикатор равновесия.
Недостатком его является отсутствие возможности определения параметров многоэлементных резисторно-емкостных (R-C) и резисторно-индуктивных (R-L) двухполюсников.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей четырехплечего мостового измерителя, позволяющих определять параметры всех имеющихся трех видов многоэлементных пассивных двухполюсников: R-C, R-L и R-L-C.
Поставленная задача решается тем, что в мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной формы, а также последовательности импульсов линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, имеющий два выхода, первый выход генератора импульсов соединен со входом четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой состоит из двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения и первого резистора, являющегося первым плечом отношения; объекты измерения подключаются к двум клеммам первой ветви и представляют собой R-C, R-L или R-L-C многоэлементные двухполюсники, в частности, R-C двухполюсник состоит из первого резистора, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор и второй резистор, второй конденсатор также соединен параллельно с первым резистором, в частности, R-L двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора, первой катушки индуктивности и второй катушки индуктивности, параллельно которой включен второй резистор, в частности, R-L-C двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которой включены параллельно соединенные второй резистор и конденсатор; вторая ветвь мостовой цепи состоит из первого конденсатора, являющегося вторым плечом отношения, и многоэлементного двухполюсника с уравновешивающими элементами, который состоит из последовательно соединенных второго конденсатора, второго резистора и первой катушки индуктивности, параллельно которой подключен третий резистор, общий вывод первого конденсатора и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образует вход мостовой цепи, который подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод первого резистора первой ветви и первой катушки индуктивности, третьего резистора двухполюсника с уравновешивающими элементами заземлен; нуль-индикатор, первый вход которого (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, а один вывод второго входа подключен к общему выводу первого резистора и второй клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, этот общий вывод образует первый вывод выхода мостовой цепи, общая шина нуль-индикатора и общая шина генератора импульсов соединены с землей, введены во вторую ветвь четвертый и пятый резисторы, а также вторая катушка индуктивности, четвертый резистор и вторая катушка индуктивности соединены между собой последовательно и последовательно включены с первым конденсатором, пятый резистор включен параллельно относительно цепи, состоящей из четвертого резистора и второй катушки индуктивности, общий вывод второй катушки индуктивности и пятого резистора подключен ко второму конденсатору, общий вывод второй катушки индуктивности, пятого резистора и второго конденсатора образует второй вывод выхода мостовой цепи, и он подключен ко второму выводу второго входа нуль-индикатора.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов, формирующий последовательности импульсов прямоугольной формы, а также последовательности импульсов линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм. Генератор импульсов имеет два выхода: сигнальный выход и выход синхронизации, его общая шина заземлена. На чертеже в качестве примера приведены три варианта двухполюсников объекта измерения: R-C, R-L и R-L-R-C двухполюсники.
Первый двухполюсник (R-C) объекта измерения состоит из первого резистора 2, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор 3 и второй резистор 4, также параллельно с первым резистором 2 соединен второй конденсатор 5. Пример второго двухполюсника (R-L) объекта измерения состоит из последовательно соединенных первого резистора 6, первой катушки 7 индуктивности и второй катушки 8 индуктивности, параллельно второй катушке 8 индуктивности включен второй резистор 9. И, наконец, пример третьего двухполюсника (R-L-R-C) объекта измерения состоит из последовательно соединенных первого резистора 10 и катушки 11 индуктивности, параллельно соединенные второй резистор 12 и конденсатор 13 включены параллельно катушке 11 индуктивности.
Четырехплечая мостовая электрическая цепь состоит из двух ветвей. Первая ветвь содержит две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и резистора 14, являющегося плечом отношения. Вторая ветвь мостовой цепи содержит два последовательно включенных многоэлементных двухполюсника. Первый двухполюсник состоит из последовательно соединенных конденсатора 15, первого резистора 16 и катушки 17 индуктивности. Второй резистор 18 включен параллельно цепи из первого резистора 16 и катушки 17 индуктивности. Второй двухполюсник состоит из последовательно соединенных конденсатора 19, первого резистора 20 и катушки 21 индуктивности. Второй резистор 22 включен параллельно катушке 18 индуктивности.
Общий вывод первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и конденсатора 15 первого двухполюсника второй ветви образует вход мостовой цепи, который подключен к первому (сигнальному) выходу генератора 1 импульсов. Общий вывод резистора 14 первой ветви, а также катушки 21 индуктивности и резистора 22 второго многоэлементного двухполюсника заземлен. Один вывод выхода мостовой цепи образует общий вывод второй клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и резистора 14. Другой вывод выхода мостовой цепи образует общий вывод двух многоэлементных двухполюсников второй ветви.
Оба вывода выхода мостовой цепи соединены с первым входом нуль-индикатора 23. Второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора 23 соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора 1 импульсов. Общая шина нуль-индикатора 23 заземлена.
Как и в известных мостовых цепях, элементы 14, 15, 16, 17, 18 являются образцовыми элементами с известными и постоянными значениями параметров повышенной стабильности и точности. Элементы 19, 20, 21, 22 - это образцовые регулируемые элементы для уравновешивания мостовой цепи. Элементы 2, 3, 4, 5 - неизвестные параметры R-C двухполюсника объекта измерения, 6, 7, 8, 9 - искомые параметры R-L двухполюсника объекта измерения и, наконец, 10, 11, 12, 13 - определяемые параметры R-L-C двухполюсника.
Уравновешивание мостовой цепи при каждом из трех вариантов объектов измерения осуществляется в четыре этапа при воздействии на нее импульсов прямоугольной, линейной, квадратичной и кубической форм. Рассмотрим этот процесс для каждого объекта измерения.
Двухполюсник R-C-R-C. При воздействии на электрический мост импульса напряжения прямоугольной формы после окончания переходного процесса напряжение неравновесия в измерительной диагонали имеет плоскую вершину. Условие равновесия
19
2
достигается изменением значения емкости С конденсатора 19. При этом названная плоская вершина приводится к нулю, и можно определить значение сопротивления R.
При воздействии на электрический мост импульса линейно изменяющегося напряжения после уравновешивания (1) в напряжении неравновесия по окончании переходного процесса отсутствует линейно изменяющаяся составляющая и наблюдается только плоская вершина, которую можно привести к нулю посредством выполнения условия
20
Второе уравновешивание производится регулированием сопротивления R резистора 20.
При питании электрического моста импульсом напряжения, изменяющегося по квадратичному закону, сигнал в измерительной диагонали в результате двух уравновешиваний (1) и (2) после окончания переходного процесса имеет плоскую вершину, которую можно привести к нулю при выполнении третьего условия равновесия
21
Третье уравновешивание осуществляется изменением значения индуктивности L катушки 21.
При воздействии на электрический мост импульса напряжения кубической формы сигнал неравновесия в измерительной диагонали после окончания переходного процесса в результате трех уравновешиваний (1), (2) и (3) имеет плоскую вершину, которую приводим к нулю, выполняя четвертое условие равновесия
22
Четвертое уравновешивание достигается изменением значения сопротивления R резистора 22.
3
4
5
2
Отсчет искомых параметров С, R и С, кроме найденного ранее R, берется из условий равновесия (2)-(4).
Двухполюсник R-L-R-L. При питании электрического моста импульсом напряжения прямоугольной формы условие равновесия
19
6
обеспечивается изменением значения емкости С конденсатора 19. При этом можно определить сопротивление R. При воздействии импульса линейно изменяющегося напряжения второе условие равновесия имеет вид
20
Напряжение плоской вершины в измерительной диагонали приводится к нулю изменением значения сопротивления R резистора 20. Третье условие уравновешивания электрического моста при питании импульсом напряжения квадратичной формы
21
достигается регулированием значения индуктивности L катушки 21. Четвертое уравновешивание при воздействии на электрический мост импульса напряжения кубической формы достигается при выполнении условия
22
Уравновешивание осуществляется изменением значения сопротивления R резистора 22.
7
8
9
После уравновешивания электрического моста из уравнений (6), (7), (8) можно определить параметры L, L и R объекта измерения.
Двухполюсник R-L-R-C. При питании электрического моста импульсом напряжения с плоской вершиной условие равновесия имеет вид
19
10
Уравновешивание достигается изменением значения емкости С конденсатора 19 и позволяет определить сопротивление R. Второе уравновешивание при воздействии на электрический мост импульса линейно изменяющегося напряжения осуществляется при выполнении условия
20
11
Условие (10) достигается изменением значения сопротивления R резистора 20 и позволяет вычислить индуктивность L измеряемого двухполюсника. На третьем этапе уравновешивания электрического моста при питании импульсом напряжения квадратичной формы обеспечивается равенство нулю
21
12
путем регулирования значения индуктивности L катушки 21. Из условия равновесия (11) можно вычислить сопротивление R. Четвертое уравновешивание, выполняемое при питании электрического моста импульсом напряжения кубической формы, обеспечивается при выполнении условия
22
13
Уравновешивание осуществляется изменением значения сопротивления R резистора 22 и позволяет из уравнения (12) определить емкость С.
На каждом этапе уравновешивания к нулю приводится вершина импульсного напряжения неравновесия на выходе мостовой цепи - от момента окончания переходного процесса и до момента времени окончания питающего мост импульса от генератора 1. Тем самым выполняются условия равновесия (1)-(12). После четырех этапов уравновешивания и выполнения четырех условий равновесия напряжение плоской вершины импульса на выходе мостовой цепи равно нулю. Однако к полному равновесию мостовая цепь не приводится: в начале импульса в течение длительности переходного процесса и после окончания импульса имеются всплески напряжения. Они определяются экспоненциальными слагаемыми и затухают до нуля. Но так как выполнены четыре условия равновесия, из них можно определить четыре неизвестных параметра двухполюсника объекта измерения. Такие мостовые цепи относят к квазиуравновешенным мостам.
Таким образом, мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников без изменения конфигурации электрического моста, то есть расширяются функциональные возможности измерителя. Как известно, мостовой измеритель позволяет определять параметры не только приведенного примера R-C двухполюсника, но и эквивалентных ему двухполюсников, а также приведенного примера R-L двухполюсника и эквивалентных ему двухполюсников и, наконец, приведенного примера R-L-C двухполюсника и эквивалентных ему двухполюсников. Мостовая цепь сохранила такое важное свойство, как раздельное уравновешивание.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1147986, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, опубл. 1985, БИ №12 (аналог).
2. Авторское свидетельство СССР №1150557, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, А.У.Касьянов, опубл. 1985, БИ №14 (аналог).
3. Авторское свидетельство СССР №945805, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, Э.Ф.Сербин, Е.С.Захаров, опубл. 1982, БИ №27 (прототип).