МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE CIRCUIT FOR MEASURING PARAMETRES OF PASSIVE TWO-TERMINAL DEVICES

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 этого измерителя является отсутствие расширенных функциональных возможностей, то есть он не пригоден для определения параметров многоэлементных резисторно-емкостных (R-C) и резисторно-индуктивных (R-L) двухполюсников.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников по заявке № 2008105184, дата подачи 11.02.2008 г. (решение от 30.03.2009 г. о выдаче патента РФ), содержащий последовательно соединенные генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций времени (прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных), мостовую цепь с расширенными функциональными возможностями и нуль-индикатор.
Недостатком его является влияние на точность измерения параметров двухполюсников погрешностей, обусловленных наличием в мостовой цепи уравновешивающей катушки переменной индуктивности. Дополнительные составляющие погрешности возникают от паразитной межвитковой емкости катушки и ее нестабильности, от паразитной межслойной емкости и ее нестабильности, от омического сопротивления провода витков обмотки и его нестабильности, а также из-за повышенного влияния на индуктивную катушку внешних электромагнитных полей. К тому же и сама катушка индуктивности является источником электромагнитных помех. Кроме того, катушки переменной индуктивности проигрывают резисторам переменного сопротивления и конденсаторам переменной емкости по стоимости, габаритам, технологичности изготовления.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности измерения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников мостовой цепью с расширенными функциональными возможностями за счет исключения составляющих погрешности измерений от паразитной межвитковой емкости катушки индуктивности и ее нестабильности, от паразитной межслойной емкости и ее нестабильности, от омического сопротивления провода витков обмотки и его нестабильности, а также снижения составляющей погрешности от воздействия на измеритель внешних электромагнитных полей.
Поставленная задача решается тем, что в мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников, содержащий генератор последовательностей импульсных сигналов, который состоит из формирователей импульсов прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, выходы их соединены со входами коммутатора, его выход подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора, в последний входит также блок синхронизации, выходы которого соединены со входами синхронизации коммутатора и каждого из формирователей импульсов, а также выход блока синхронизации образует второй выход генератора - выход синхронизации, общая шина генератора заземлена, первый выход генератора подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, общая шина которой заземлена, первая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно включенных двух многоэлементных двухполюсников, первый из них состоит из последовательно включенных первого конденсатора и первого резистора, а также второго резистора, подключенного к общему выводу двух многоэлементных двухполюсников, к этому же выводу подключен первый конденсатор второго многоэлементного двухполюсника, последовательно с которым соединен его первый резистор, а второй резистор заземлен, также заземлен свободный вывод первого резистора; вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора и первой и второй клемм для подключения объектов измерения, вторая из клемм заземлена; объекты измерения представляют собой R-С, R-L или R-L-C многоэлементные двухполюсники, в частности, R-C двухполюсник объекта измерения состоит из первого резистора, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор и второй резистор, а второй конденсатор включен параллельно второму резистору, в частности, R-L двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого резистора и первой катушки индуктивности, а параллельно последней включены последовательно соединенные второй резистор и вторая катушка индуктивности, в частности, R-L-C двухполюсник состоит из первого резистора, параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор, второй резистор и первая катушка индуктивности; общий вывод первого конденсатора первого многоэлементного двухполюсника первой ветви мостовой цепи и одиночного резистора второй ветви образуют вход мостовой цепи, который подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод двух многоэлементных двухполюсников первой ветви образуют первый вывод выхода мостовой цепи, а общий вывод одиночного резистора 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, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу (выходу синхронизации) генератора импульсов, а общая шина заземлена, в первый многоэлементный двухполюсник первой ветви введен второй конденсатор, во второй многоэлементный двухполюсник первой ветви также введен второй конденсатор, второй конденсатор первого многоэлементного двухполюсника включен параллельно первому резистору этого двухполюсника, а второй конденсатор второго многоэлементного двухполюсника одним из выводов подключен к общему выводу первого конденсатора и первого резистора этого двухполюсника, а другой вывод его соединен со свободным выводом второго резистора.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников содержит в качестве основного блока четырехплечую мостовую электрическую цепь, первая ветвь которой состоит из последовательно включенных двух многоэлементных двухполюсников. Первый из них состоит из последовательно соединенных первого конденсатора 1 (С7), первого 2 (R2) и второго 3 (R3) резисторов. Второй конденсатор 4 (С4) подключен параллельно резистору 2. Второй многоэлементный двухполюсник состоит из последовательно соединенных первого конденсатора 5 (С5) и первого резистора 6 (R6), параллельно которому соединены последовательно включенные второй конденсатор 7 (С7) и второй резистор 8 (R8). Вторая ветвь мостовой цепи содержит последовательно соединенные одиночный резистор 9 (R9) и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения.
В частности, резистивно-емкостный (R-C) двухполюсник состоит из первого резистора 10 (R10), параллельно которому соединены последовательно включенные первый конденсатор 11 (С11) и второй резистор 12 (R12). Второй конденсатор 13 (С13) подключен параллельно резистору 12. В частности, резистивно-индуктивный (R-L) двухполюсник состоит из последовательно включенных резистора 14 (R14) и первой катушки индуктивности 15 (L15), параллельно которой соединены последовательно включенные второй резистор 16 (R16) и вторая катушка индуктивности 17 (L17). И наконец, в частности, двухполюсник (R-L-C) с разнородными реактивными элементами состоит из первого резистора 18 (R18), параллельно которому включены последовательно соединенные первый конденсатор 19 (С19), второй резистор 20 (R20) и первая катушка индуктивности 21 (L21).
К мостовой цепи подключен первый выход (сигнальный выход) генератора 22 последовательностей импульсных сигналов. Он состоит из формирователя 23 импульсов прямоугольной формы, формирователя 24 линейно изменяющихся импульсов, формирователя 25 квадратичных импульсов и формирователя 26 кубичных импульсов. Выходы формирователей соединены со входами коммутатора 27, а его выход - со входом усилителя мощности 28. Выход последнего образует первый выход генератора 22 (сигнальный выход). Входы коммутатора 27 и формирователей импульсов 23, 24, 25, 26 (входы синхронизации) соединены с выходом блока синхронизации 29. Также выход этого блока образует второй выход генератора 22 (выход синхронизации).
Общий вывод двух многоэлементных двухполюсников первой ветви мостовой цепи образует первый вывод выхода моста, а общий вывод одиночного резистора 9 и клеммы для подключения объектов измерения - второй вывод выхода моста (дифференциальный выход). Оба вывода выхода мостовой цепи подключены ко входу нуль-индикатора 30. Вход синхронизации его подключен ко второму выходу генератора 22 (выходу синхронизации). Общие выводы генератора последовательностей импульсов, мостовой цепи и нуль-индикатора заземлены.
Как и в распространенных мостовых цепях, элементы 1, 2, 3, 4 и 9 являются образцовыми элементами с известными, постоянными значениями параметров повышенной точности и стабильности. Элементы 5, 6, 7 и 8 - это образцовые регулируемые элементы с известными значениями параметров для уравновешивания электрической мостовой цепи. Элементы 10, 11, 12 и 13 R-С двухполюсника, 14, 15, 16 и 17 R-L двухполюсника и, наконец, 18, 19, 20 и 21 R-L-C двухполюсника с неизвестными значениями параметров объекта измерения.
10
11
12
13
1
5
5
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 генератора 22 последовательность прямоугольных импульсов. При воздействии на мост очередного импульса постоянного напряжения после окончания переходного процесса в мостовой цепи и до момента окончания питающего мост импульса напряжение неравновесия, которое поступает на нуль-индикатор 30, имеет плоскую вершину. Напряжение этой плоской вершины зависит, в том числе, от соотношения значений емкости конденсаторов 1 (C) и 5 (C). Регулировкой значения емкости C в двухполюснике с уравновешивающими элементами напряжение неравновесия приводят к нулю и, тем самым, выполняют первое условие равновесия мостовой цепи:
10
Нулевое значение напряжения плоской вершины отмечают по нуль-индикатору 30, в качестве которого, например, можно использовать осциллограф. Отсчет неизвестного сопротивления R резистора 10 берут из выражения (1), в котором все остальные величины известны.
5
6
6
После этого на мостовую цепь с генератора 22 подают импульсы линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 30, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от параметров C конденсатора 5 и R резистора 6 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Регулировкой значения сопротивления R, напряжение плоской вершины приводят к нулю и выполняют второе условие равновесия:
5
11
10
Нулевое значение отмечают по нуль-индикатору 30. Не следует регулировать значение емкости C, так как это приведет к нарушению условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет значения неизвестного параметра С (емкости конденсатора 11) берут из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе, значение сопротивления R из выражения (1).
5
6
7
5
6
7
Далее на мостовую цепь с генератора 22 подают импульсы квадратичной формы. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 30, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от емкости C конденсатора 5, сопротивления R резистора 6 и параметра C конденсатора 7 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Ранее для уравновешивания моста уже были задействованы параметры C и R, и их значения изменять нельзя, так как нарушится выполнение предыдущих условий равновесия. Имеется параметр C, 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 30. В результате выполняется третье условие равновесия:
5
6
7
8
5
6
7
8
На следующем этапе на мостовую цепь с генератора 22 подают импульсы кубичной формы. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 30, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от емкости C конденсатора 5, сопротивления R, резистора 6, емкости C конденсатора 7 и сопротивления R резистора 8 двухполюсника с уравновешивающими элементами мостовой цепи. Ранее для уравновешивания были задействованы C, R и C и их значения изменять не следует, так как перестанут выполняться предыдущие условия равновесия. Имеется параметр R, который не входил в предыдущие условия равновесия (1)-(3), и регулировкой его значения приводят напряжение плоской вершины к нулю, это отмечают по нуль-индикатору 30. В результате выполняется четвертое условие равновесия:
13
10
11
12
Из него берут отсчет неизвестного параметра С конденсатора 13. Остальные значения параметров в (4) являются известными, в том числе, R из (1), С из (2) и R из (3).
i
5
6
7
8
Из приведенных положений следует, что выполняются четыре близких по сущности этапа уравновешивания. На каждом этапе используется последовательность импульсов только одной из форм, изменяется значение только одного из уравновешивающих параметров и выполняется только одно из условий равновесия (A=0). Уравновешивание мостовой цепи является раздельным зависимым, однократное регулирование значений уравновешивающих параметров осуществляют в следующем порядке: C, R, C, R.
14
15
16
17
5
6
7
8
При подключении к мостовой цепи R-L двухполюсника объекта измерения R-L-R-L следует применять приведенные выше четыре этапа уравновешивания. Сохраняются последовательности импульсных сигналов тех же форм, те же регулируемые параметры и прежний порядок регулирования их значений: C, R, C, R. Очевидно, что условия равновесия изменятся:
14
15
16
17
Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R резистора 14, индуктивности L катушки 15, сопротивления R, резистора 16 и индуктивности L катушки 17.
18
19
20
21
Те же самые четыре этапа уравновешивания применяют при подключении к мостовой цепи R-L-C двухполюсника с разнородными реактивными элементами R-C-R-L. При этом условия равновесия имеют вид:
18
19
20
21
Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R резистора 18, емкости C конденсатора 19, сопротивления R резистора 20 и индуктивности L катушки 21.
На каждом этапе уравновешивания мостовой цепи приводят к нулю плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия на выходе моста на интервале времени от окончания переходного процесса до момента окончания питающего импульса с генератора 22. Тем самым выполняются условия равновесия (1)-(4), (1,а)-(4,а), (1,б)-(4,б). После выполнения четырех этапов уравновешивания напряжение плоской вершины импульса на выходе мостовой цепи становится равным нулю. Однако в начале импульса в течение длительности переходного процесса и после окончания импульса имеются всплески напряжения. Они определяются экспоненциальными слагаемыми и затухают до нуля. То есть к полному равновесию мостовая цепь не приводится. 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, в мостовом измерителе параметров пассивных двухполюсников для уравновешивания используют только резисторы переменного сопротивления и конденсаторы переменной емкости и не применяют катушки переменной индуктивности. Последнее обстоятельство исключает или существенно ослабляет группу составляющих погрешности, что приводит к повышению точности измерений. Мостовой измеритель позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения, т.е. устройство обладает расширенными функциональными возможностями. Оно может определять параметры не только приведенного примера R-C двухполюсника, но и эквивалентных ему двухполюсников, не только приведенного примера R-L двухполюсника, но 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. Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский, В.И.Иванов. Решение от 30.03.2009 г.о выдаче патента РФ по заявке № 2008105184, G01R 17/10, дата подачи заявки 11.02.2008 г. (прототип).