Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников
BRIDGE METER OF N-ELEMENT TWO-POLE PARAMETERS

Изобретение относится к контрольно-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 мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников (а.с. СССР №918862, G01R 17/10, БИ №13, 1982), содержащий последовательно соединенные питающий генератор последовательностей импульсов трапецеидальной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь только образцовыми регулируемыми резисторами. Образцовые регулируемые резисторы в изготовлении являются более технологичными, простыми и недорогими, чем изготовление образцовых регулируемых конденсаторов и образцовых регулируемых катушек индуктивности. У них выше класс точности, меньше габаритные размеры и меньше вес. На них меньшее вредное влияние оказывают электрические и магнитные поля, шумы, наводки, случайные флуктуации, а также изменяющиеся атмосферные условия.
Известен электрический мост (а.с. СССР №998967, G01R 17/10, БИ №7, 1983), содержащий последовательно соединенные питающий генератор последовательностей импульсов трапецеидальной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие расширенных функциональных возможностей в том смысле, что в приведенном варианте мост не позволяет определять параметры 5, 6, … и так далее элементных двухполюсников. Приведенный электрический мост уравновешивается только регулируемыми резисторами, но не имеет расширенных функциональных возможностей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (а.с. СССР №1827640, G01R 17/10, БИ №26, 1983), содержащий последовательно соединенные питающий генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие расширенных функциональных возможностей.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей, т.е. в обеспечении возможности определять 4, 5, 6, … параметров многоэлементных двухполюсников при сохранении раздельного уравновешивания только регулируемыми резисторами.
Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор последовательностей питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций где  - постоянные коэффициенты, t - время, n – число параметров в двухполюснике объекта измерения, из коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход подключен к усилителю мощности, выход которого образует первый (сигнальный) выход генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединен со входами синхронизации каждого формирователя импульсов, а также его выход образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора импульсов заземлена; мостовую электрическую цепь, первая из двух параллельно включенных ветвей которой состоит из последовательно соединенных одиночного конденсатора и двух клемм для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод одиночного конденсатора соединен с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, общий вывод одиночного конденсатора и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, двухполюсник объекта измерения включает в себя последовательно соединенные конденсатор, первый резистор и первую индуктивную катушку, параллельно последней подключена цепь из последовательно соединенных второго резистора и второй индуктивной катушки, параллельно ей включена цепь из последовательно соединенных третьего резистора и третьей индуктивной катушки, свободный вывод конденсатора соединен с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, со второй клеммой соединен общий вывод первой, второй и третьей индуктивных катушек, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные первый и второй резисторы, свободный вывод первого из них соединен с общим выводом первого (сигнального) выхода генератора импульсов и одиночного конденсатора первой ветви мостовой цепи, а свободный вывод второго заземлен, параллельно первому резистору включена цепь из последовательно соединенных конденсатора, индуктивной катушки и третьего резистора, параллельно индуктивной катушке включена цепь из последовательно соединенных четвертого и пятого резисторов; нуль-индикатор, первый из двух выводов первого (дифференциального) входа которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, второй вход нуль-индикатора (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены три дополнительных резистора, дополнительная индуктивная катушка, определены цепь наращивания, подключение последующей цепи наращивания к предыдущей и количество этих цепей наращивания, первый дополнительный резистор и дополнительная индуктивная катушка включены между собой последовательно и эта цепь включена параллельно имеющемуся четвертому резистору во второй ветви мостовой цепи, второй и третий дополнительные резисторы тоже соединены между собой последовательно и эта цепь подключена параллельно дополнительной индуктивной катушке, первый, второй, третий дополнительные резисторы и дополнительная индуктивная катушка в приведенном их включении образуют первую цепь наращивания, последующие (вторая, третья, …) цепи наращивания содержат те же самые приведенные элементы в том же самом включении их между собой, в каждой цепи наращивания свободный вывод резистора, соответствующего первому дополнительному резистору в первой цепи наращивания, является первым из двух выводов входа, второй вывод входа образует общий вывод индуктивной катушки и резистора, соответствующих дополнительной индуктивной катушке и третьему дополнительному резистору в первой цепи наращивания, этими двумя выводами входа последующая цепь наращивания подключается к предыдущей параллельно резистору, который соответствует второму дополнительному резистору в первой цепи наращивания, второй вывод выхода мостовой цепи образует в последней цепи наращивания общий вывод двух резисторов, которые  соответствуют второму и третьему дополнительным резисторам в первой цепи наращивания, второй вывод выхода мостовой цепи соединен со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора, при количестве параметров три и менее в двухполюснике объектов измерения потребность в цепях наращивания отсутствует, при числе параметров 4, 5, 6, … число цепей наращивания равно n-3.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1.
Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит  генератор 1 последовательностей питающих импульсов, который включает в себя формирователи импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций: формирователь 2 прямоугольных импульсов  формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения формирователь 4 квадратичных импульсов и т.д. до  где − постоянные коэффициенты, t – время, n – число параметров в двухполюснике объекта измерения. Выход каждого формирователя соединен с соответствующим входом коммутатора 5, выход которого подключен к входу усилителя 6 мощности. Выход последнего образует первый (сигнальный) выход генератора 1 импульсов. Также в этот генератор входит каскад 7 синхронизации, выход которого соединен со входами (входами синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов. Общая шина генератора заземлена.
Мостовая цепь содержит две параллельно включенные ветви. Первая из них включает в себя последовательно соединенные одиночный конденсатор 8 и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения. Свободный вывод одиночного конденсатора соединен с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов 1. Общий вывод одиночного конденсатора 8 и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи. Вторая клемма заземлена. Двухполюсник объекта измерения включает в себя последовательно соединенные конденсатор 9, резистор 10 и индуктивную катушку 11  Параллельно последней подключена цепь из последовательно соединенных резистора 12 и индуктивной катушки 13. Параллельно индуктивной катушке 13 включена цепь из последовательно соединенных резистора 14 и индуктивной катушки 15. Свободный вывод конденсатора 9 соединен с первой клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения. Со второй клеммой соединен общий вывод индуктивных катушек 11, 13 и 15.
Вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные резисторы 16  и 17 . Свободный вывод первого из них соединен с общим выводом первого (сигнального) выхода генератора импульсов 1 и одиночного конденсатора 8, а свободный вывод другого резистора 17 заземлен. Параллельно резистору 16 включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 18 , индуктивной катушки 19  и резистора 20 Параллельно индуктивной катушке 19 подключена цепь из последовательно соединенных резистора 21  и резистора 22 . Цепь последовательно соединенных резистора 23 и индуктивной катушки 24 включена параллельно резистору 21. Цепь последовательно соединенных резистора 25 и резистора 26 включена параллельно индуктивной катушке 24. Резисторы 23, 25, 26 и индуктивная катушка 24 в приведенном включении их между собой образуют первую цепь наращивания. Она выделена пунктирными линиями (фиг. 1). Последующие (вторая, третья, …) цепи наращивания содержат те же самые приведенные элементы в том же самом включении их между собой. В каждой цепи наращивания свободный вывод резистора, соответствующего резистору 23 в первой цепи наращивания, является первым из двух выводов входа. Второй вывод образует общий вывод индуктивной катушки и резистора, соответствующих  индуктивной катушке 24 и резистору 26 в первой цепи наращивания. Этими двумя выводами входа последующая цепь наращивания подключается к предыдущей параллельно резистору, который соответствует резистору 25 первой цепи наращивания. При количестве параметров три и менее в двухполюснике объектов измерения потребность в цепях наращивания отсутствует. При числе параметров 4, 5, 6, … число цепей наращивания равно n-3.
Для примера на фиг. 1 приведена вторая цепь наращивания, и она тоже выделена пунктирными линиями. Она  содержит последовательно соединенные резистор 27 и пунктирную катушку 28, параллельно последней включены цепь из последовательно соединенных резисторов 29 и 30. Свободным выводом резистора 27 и общим выводом индуктивной катушки 28 и резистора 30 вторая цепь наращивания подключается к первой параллельно резистору 25. Общий вывод резисторов 29 и 30 образует второй вывод выхода мостовой цепи.
Оба ранее приведенных вывода выхода мостовой цепи соответственно соединены с двумя выводами первого (дифференциального) входа нуль-индикатора 31. Второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора 1 импульсов. Общая шина нуль-индикатора заземлена.
Перед началом работы реактивные элементы мостовой цепи мостового измерителя параметров n-элементных двухполюсников свободны от запасов электрической энергии. Входное и выходное напряжения моста равны нулю.
Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников работает следующим образом.
В начале посредством коммутатора 5 на мостовую цепь подается последовательность импульсов прямоугольной формы. При воздействии на мост очередного прямоугольного импульса после окончания переходного процесса выходное напряжение мостовой цепи зависит от значений параметров элементов 8, 9, 16 и 17. В интервале времени от окончания переходного процесса до окончания импульса импульсное напряжение на дифференциальном входе нуль-индикатора 31, в качестве которого может использоваться осциллограф, имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 17 значение напряжения этой плоской вершины приводится к нулю. В результате выполняется первое условие равновесия моста:
(1)
Полярность импульсного дифференциального напряжения на первом входе нуль-индикатора 31 определяет направление регулирования резистора 17, а именно в сторону увеличения значения сопротивления или в сторону его уменьшения. Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 импульсов на второй вход нуль-индикатора 31 здесь и в дальнейшем обеспечивает устойчивые показания нуль-индикатора.
Посредством коммутатора 5 подключают к усилителю 6 мощности формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения, и эти импульсы имеются теперь на первом (сигнальном) выходе генератора 1 импульсов. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса импульсное напряжение на дифференциальном входе нуль-индикатора 31 имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 20 значение напряжения плоской вершины приводится к нулю и выполняет второе условие равновесия:
(2)
Как и ранее, полярность импульсного напряжения на дифференциальном входе нуль-индикатора 31 определяет направление регулирования значения сопротивления уравновешивающего резистора 20. Регулирование его не нарушает выполнение первого условия, т.к. это сопротивление не входит в условие (1).
Аналогично предыдущему посредством коммутатора 5 подключают к мостовой цепи импульсы квадратичной формы. Напряжение плоской вершины импульсов на дифференциальном входе нуль-индикатора 31 приводят к нулю однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 22. Тогда выполняется третье условие равновесия:
(3)
22
Полярность импульсного напряжения на дифференциальном входе нуль-индикатора 31 определяет направление регулирования значения сопротивления уравновешивающего резистора 22. Регулирование его не нарушает выполнение первых двух условий равновесия (1) и (2), т.к. сопротивление R не входит в эти условия.
Для примера приведены и описаны три этапа уравновешивания мостовой цепи. Последующие этапы уравновешивания являются аналогичными. На каждом из них используется очередная (последующая) форма импульсов генератора, приводится к нулю после окончания переходного процесса напряжение плоской вершины импульса с выхода мостовой цепи регулировкой значения сопротивления резисторов, аналогичных вышеназванным уравновешивающим резисторам, а именно тем, которые на предыдущих этапах уравновешивания не входили в предыдущие условия равновесия, чтобы при регулировании их не нарушать выполнение этих предыдущих условий равновесия.
Отсчет искомых параметров двухполюсника объекта измерения берется из условий равновесия. По существу n-параметров находятся из n уравнений (условий равновесия).
После выполнения всех n этапов уравновешивания мостовая цепь к полному равновесию не приводится, но получены n условий равновесия (n уравнений), из которых, как известно, можно взять отсчет n искомых параметров двухполюсников объектов измерения. Здесь на выходе моста в начале импульса имеется всплеск напряжения, который содержит сумму экспоненциальных слагаемых и затухает до нуля за время переходного процесса. После окончания этого процесса напряжение на выходе моста равно нулю. После окончания питающего мост импульса в течение переходного процесса это напряжение тоже имеет всплеск напряжения, который тоже затухает до нуля после окончания переходного процесса. Такие мостовые цепи относят к квазиуравновешенным мостам.
Таким образом, в приведенном мостовом измерителе параметров двухполюсников обеспечено уравновешивание мостовой цепи только регулируемыми резисторами и расширение функциональных возможностей в плане определять, в принципе, (теоретически) не ограниченное количество параметров двухполюсников объектов измерения. При этом сохранено такое важное свойство мостовой цепи, как раздельное уравновешивание.