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 многоэлементных пассивных двухполюсников (А.с. СССР №1247762 G01R 17/10, БИ 1986, №28), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую 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». В указанном измерителе, в принципе, невозможно заземлить все регулируемые уравновешивающие элементы, поэтому названные паразитные емкости и соответствующая составляющая погрешности измерения здесь обязательно присутствуют. Значения этих паразитных емкостей сравнительно немалые, т.к. габаритные размеры образцовых регулируемых элементов существенно больше, чем габаритные размеры нерегулируемых образцовых элементов. От нестабильности паразитных емкостей возникает также дополнительная составляющая погрешности, т.к. они существенно изменяются с течением времени (от старения) и особенно сильно с изменением температуры. На незаземленные регулируемые элементы уравновешивания в более сильной степени оказывают вредное влияние электрические помехи и наводки. 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. При этом каждый из имеющихся вариантов соединения экранов не является безупречным. 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. В мостовых устройствах при прочих равных условиях отдают предпочтение мостовым цепям со всеми заземленными регулируемыми элементами уравновешивания.
Известен мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников (А.с. СССР №1147986 G01R 17/10, БИ 1985, №12), 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 пассивных двухполюсников (А.с. СССР №1150555 G01R 17/10, БИ 1985, №14), 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».
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.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
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, a 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; первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, в первую из них входят последовательно соединенные одиночный резистор первого плеча отношения моста и двухполюсник с элементами уравновешивания мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, свободный вывод двухполюсника с элементами уравновешивания «заземлен», общий вывод его и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, двухполюсник с элементами уравновешивания состоит из параллельно включенных первой индуктивной катушки и цепи из последовательно соединенных первого резистора и второй индуктивной катушки, параллельно которой включен второй резистор, вторая ветвь моста включает в себя последовательно соединенные одиночный резистор второго плеча отношения моста и две клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, свободный вывод одиночного резистора соединен с первым выходом генератора импульсов, одна из клемм для подключения двухполюсников объектов измерения «заземлена», общий вывод другой клеммы и одиночного резистора образует второй вывод выхода мостовой цепи, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно включенных первой индуктивной катушки и цепи из первого резистора и второй индуктивной катушки, к общему выводу двух индуктивных катушек подключен второй резистор и этот общий вывод соединен с заземленной клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения; нуль-индикатор, первый вход которого (дифференциальный вход) соединен с двумя выводами выхода мостовой цепи, второй его вход (вход синхронизации) подключен ко второму выходу генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора «заземлена», введены дополнительный резистор и изменено включение элементов мостовой цепи, дополнительный резистор включен параллельно первой индуктивной катушке первой ветви мостовой цепи, общий вывод первой индуктивной катушки, дополнительного резистора и первого резистора в первой ветви моста соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, общий вывод первой индуктивной катушки и первого резистора во второй ветви мостовой цепи соединен с незаземленной клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод второго резистора второй ветви моста соединен с общим выводом имеющихся в этой ветви первого резистора и второй индуктивной катушки.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1). Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор питающих импульсов 1, представленный блоками 2-8, который может формировать последовательности линейно изменяющихся, квадратичных, кубичных импульсов, а также импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону четвертой степени. Формирователь импульсов 2 обеспечивает формирование линейно изменяющихся импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 3 обеспечивает формирование квадратичных импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 4 обеспечивает формирование кубичных импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 5 обеспечивает формирование импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону четвертой степени, изменяющихся по закону Kt, где K, K, K и K - постоянные коэффициенты, a t - текущее время. 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 питающих импульсов 1. С выхода блока синхронизации 8 сигнал синхронизации поступает на входы формирователей импульсов 2-5, а также на второй выход генератора питающих импульсов 1. Генератор 1 имеет два выхода, первый выход относительно земли является выходом питающих сигналов и подключен к первому выводу генераторной диагонали моста, заземленный вывод первого выхода генератора соединен со вторым выводом генераторной диагонали. Второй выход генератора импульсов является выходом синхронизации. В первой ветви мостовой цепи последовательно включены одиночный резистор первого плеча отношения 9 (R9) и двухполюсник с элементами уравновешивания, состоящий из параллельно включенных первой индуктивной катушки 10 (L10) и цепи из последовательно соединенных первого резистора 11 (R11), и второй индуктивной катушки 12 (L12), параллельно которой включен второй резистор 13 (R13), а также параллельно первой индуктивной катушке 10 (L10) включен третий резистор 14 (R14), Во второй ветви мостовой цепи последовательно включены одиночный резистор второго плеча отношения 15 (R15) и двухполюсник объекта измерения, состоящий, в частности, из параллельно включенных первой индуктивной катушки 16 (L16) и цепи из первого резистора 17 (R17) и второй индуктивной катушки 18 (L18), к общему выводу двух индуктивных катушек подключен второй резистор 19 (R19) и этот общий вывод соединен с заземленной клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения. Второй вывод резистора 19 (R19) подключен к общему выводу первого резистора 17 (R17) и второй индуктивной катушки 18 (L18). Общий вывод одиночного резистора 9 (R9) первого плеча отношения и одиночного резистора 15 (R15) второго плеча отношения образует первый вывод генераторной диагонали мостовой цепи. Общий вывод двухполюсника с уравновешивающими элементами первой ветви моста и двухполюсника объекта измерения второй ветви моста заземлен и образует второй вывод генераторной диагонали мостовой цепи. В первой ветви мостовой цепи общий вывод одиночного резистора 9 (R9) первого плеча отношения и двухполюсника с уравновешивающими элементами образует первый вывод выхода измерительной диагонали мостовой цепи. Во второй ветви мостовой цепи общий вывод одиночного резистора 15 (R15) второго плеча отношения и двухполюсника объекта измерения образует второй вывод выхода измерительной диагонали мостовой цепи. Первый и второй выводы измерительной диагонали образуют относительно «земли» дифференциальный выход четырехплечей мостовой цепи, который соединен с дифференциальным входом нуль-индикатора 20, общая шина которого заземлена, а второй вход нуль-индикатора 20 - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора 1.
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 сложного электрического сигнала последовательность линейно изменяющихся 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 индуктивностей 10 (L10), 16 (L16) и от значений сопротивлений 9 (R9), 15 (R15). Первое условие равновесия моста -
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>                                                                                          </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Однократной регулировкой значения индуктивности 10 (L10) плоская вершина мпульсного 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 квадратичных 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>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext>                                                                         </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Выполнить его можно регулировкой сопротивления резистора 14 (R14). Однократной регулировкой значения сопротивления этого резистора приводим плоскую вершину импульсного сигнала неравновесия к нулю, т.е. выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие (1) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр 14 (R14) в него не входит.
После этого подаем на мост с генератора последовательность кубичных 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>L</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext>                                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Однократной регулировкой индуктивности 12 (L12) приводим плоскую вершину 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 12 (L12) в них не входит.
После этого подаем на мост с генератора последовательность импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону четвертой степени. 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>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext>                                            </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Однократной регулировкой сопротивления резистора 13 (R13) 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 13 (R13) 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 10 (L10), 14 (R14), 12 (L12), 13 (R13). Из четырех уравнений [четырех условий равновесия (1) - (4)] берется отсчет искомых четырех параметров: 16 (L16), 17 (R17), 18 (L18), 19 (R19). Значения параметров элементов 9 (R9), 11 (R11), 15 (R15) являются постоянными и известными. Все регулируемые уравновешивающие элементы - 10 (L10), 14 (R14), 12 (L12), 13 (R13) заземлены. Значения их параметров являются известными.
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.