Измеритель параметров двухполюсников
BIPOLE PARAMETERS METER

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 мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР № 1157467 G01R 17/10, Б.И. 1985, № 19), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является понижение точности при дистанционных измерениях за счёт сравнительно большой составляющей погрешности от паразитной емкости соединительной линии для информативного сигнала. В случае дистанционных измерений имеется соединительная линия (например, коаксиальный кабель) между мостом и объектом контроля, измерения или исследования. Объектами измерения также могут быть параметры параметрических датчиков. Эквивалентные параметры соединительной линии (в данном случае паразитные параметры) вносят соответствующие составляющие в погрешности измерения. Основная (наибольшая) из них − это составляющая погрешности от электрической емкости соединительной линии (от паразитной емкости). При измерениях на переменном токе в текущее время приведенное положение настолько обострилось, что стало представлять собой проблему дистанционных измерений, что обосновано в статье - Соловьев А.Л.. Развитие компенсационно-мостовых методов построения измерительных преобразователей для емкостных и индуктивных датчиков, Приборы и системы управления, 1995, № 6, стр. 20, второй столбец, вторая половина предпоследнего абзаца. Это, в частности, объясняется тем, что распространение получили малогабаритные и миниатюрные датчики, которые соответственно имеют малые значения информативных параметров. Такие значения становятся косвенно сопоставимыми со значениями емкостей соединительных линий для информативных сигналов. В частности, емкостный датчик может иметь значения в районе единиц и десятка пФ, что приведено в вышеназванной статье на стр. 23, последний абзац. Значение паразитной емкости соединительной линии является известной, но со сравнительно большой ошибкой и это значение емкости существенно изменяется с изменением температуры. Эти два положения создают дополнительную составляющую погрешности измерения от ошибки значения паразитной емкости линии связи и от нестабильности ее значения.
Известен мостовой измеритель параметров трёхэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР № 798607 G01R 17/10, Б.И. 1981, № 3) содержащий последовательно соединённые генератор импульсов сложной формы, мостовую электрическую цепь и индикатор равновесия.
Недостатком его является понижение точности при дистанционных измерениях за счёт сравнительно большой составляющей погрешности от ошибки значения емкости соединительной линии для информативного сигнала и ее нестабильности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа электрический мост [Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 48, мост 1], содержащий питающий генератор импульсов, мостовую электрическую цепь и индикатор нуля.
Недостатков его является понижение точности при дистанционных измерения за счёт сравнительно большой составляющей погрешности от ошибки значения емкости соединительной линии для информативного сигнала и её нестабильности.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности при дистанционных измерениях за счет уменьшения составляющей погрешности от ошибки значения емкости, соединительной линии для информативного сигнала и от нестабильности этой емкости.
Это достигается тем, что в измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону где  - постоянные коэффициенты и  - время, из коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход подключен к входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно «земли» генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединён со входами синхронизации формирователей импульсов, а также образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора импульсов заземлена; измерительную цепь, которая включает в себя ветвь, которая в том числе состоит из первого двухполюсника из первого резистора параллельно которому включена цепь из последовательно соединённых первого конденсатора и второго резистора, и второго такого же двухполюсника из третьего резистора и параллельно ему включённой цепи из последовательно соединённых второго конденсатора и четвёртого резистора; нуль-индикатор, вход синхронизации которого соединён со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введена совокупность элементов из первой линии связи для информативного сигнала, второй линии связи для питающего сигнала с генератора импульсов, операционного усилителя, дополнительного резистора и аналогового сумматора, а также изменено включение элементов, первый вывод сигнального провода первой линии связи соединён с общим выводом первого и второго резисторов первого двухполюсника, а второй вывод этого сигнального провода соединён с общим выводом третьего резистора и второго конденсатора второго двухполюсника, общий вывод первого резистора и первого конденсатора первого двухполюсника подключен к первому выводу сигнального провода второй линии связи, второй вывод этого сигнального провода соединён с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, несигнальные проводники первой и второй линий связи заземлены, общий вывод второго вывода сигнального провода первой линии связи и общего вывода третьего резистора и второго конденсатора второго двухполюсника соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, общий вывод третьего и четвёртого резисторов второго двухполюсника подключен к выходу этого операционного усилителя, дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землёй», первый вход аналогового сумматора соединён с общим выводом второго вывода сигнального провода второй линии связи и первого (сигнального) выхода генератора импульсов, а второй вход этого сумматора подключен к общему выводу третьего, четвертого резисторов и выхода операционного усилителя, общая шина аналогового сумматора заземлена, выход этого сумматора соединён со входом нуль-индикатора.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).
Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 импульсов, включающий в себя формирователь 2 импульсов напряжения прямоугольной формы где здесь и в дальнейшем  - постоянные коэффициенты,  - время, формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения  и формирователь 4 импульсов квадратичной формы  Выводы каждого формирователя соединены со входами коммутатора 5, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности. Выход его образует первый выход генератора импульсов относительно «земли» (сигнальный выход). Выход блока 7 синхронизации соединён со входами (входами синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также образует второй выход генератора импульсов (выход синхронизации). Общая шина генератора 1 заземлена.
Измерительная цепь включает в себя не непосредственно, а в итоге последовательно включённые два двухполюсника. Первый из них состоит из резистора 8  параллельно которому включены последовательно соединённые конденсатор 9  и резистор 10 . Второй - из такого же двухполюсника из резистора 11  параллельно которому включены последовательно соединённые конденсатор 12  и резистор 13 . Первый вывод сигнального провода линий связи 14 соединён с общим выводом резисторов 8 и 10 первого двухполюсника, а второй вывод этого сигнального провода - с общим выводом резистора 11 и конденсатора 12 второго двухполюсника. Первый вывод сигнального провода линии связи 15 соединён с общим выводом резистора 8 и конденсатора 9 первого двухполюсника, а второй вывод этого сигнального провода - с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов. В качестве линий связи 14 и 15 можно использовать отрезки коаксиального кабеля. Общий вывод второго вывода сигнального провода линии связи 14 и общего вывода резистора 11 и конденсатора 12 второго двухполюсника соединён с инвертирующим входом операционного усилителя 16. К выходу этого операционного усилителя подключены резисторы 11 и 13 второго двухполюсника. Несигнальные проводники обеих линий связи 14 и 15 заземлены. Резистор 17 включен между неинвертирующим входом операционного усилителя 16 и «землёй».
Первый вход аналогового сумматора 18 соединён с общим выводом первого (сигнального) выхода генератора 1 импульсов и второго вывода сигнального провода линии связи 15. Второй вход этого сумматора подключен к общему выводу выхода операционного усилителя 16, резисторов 11 и 13. Общая шина аналогового сумматора 18 заземлена, а выход соединён со входом нуль-индикатора 19. Вход синхронизации последнего подключен ко второму выходу (выходу синхронизации) генератора 1 импульсов, а общая шина заземлена.
Элементы 8-10 первого двухполюсника являются элементами двухполюсника объекта измерения, значения которых следует определить. Это эквивалентная схема датчика или три параметрических датчика. Элементы 11-13 второго двухполюсника являются образцовыми регулируемыми элементами уравновешивания с известными значениями параметров. Электрическая ёмкость  линии связи 14 включена между «землёй» и общим выводом инвертирующего входа операционного усилителя 16, второго вывода сигнального провода линии связи 14, резистора 11 и конденсатора 12. Одно из двух сопоставляемых напряжений формируется в измерительной цепи совместно с операционным усилителем 16 и снимается с выхода этого операционного усилителя. В данном случае дополнительных элементов для формирования другого сопоставляемого напряжения нет. Роль второго сопоставляемого напряжения здесь выполняет напряжение с первого (сигнального) выхода генератора 1 импульсов. Эти два выделенные сопоставляемые напряжения подаются на два входа аналогового сумматора 18 и имеют противоположные знаки, т.к. сигнальным входом операционного усилителя 16 является его инвертирующий вход. Сумма таких напряжений может приводиться к нулю регулировкой элементов уравновешивания 11-13.
В исходном состоянии до прихода питающего импульса с генератора 1 реактивные элементы измерительной цепи 9 и 12 свободны от запасов энергии, входные напряжения аналогового сумматора 18, его выходное напряжение и выходное напряжение нуль-индикатора 19 равны нулю.
Измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. Вначале посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора импульсов 1 подается на измерительную цепь последовательность импульсов прямоугольной формы При воздействии очередного импульса в установившемся режиме в импульсе выходного напряжения сумматора 18 имеется плоская вершина в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 11 приводится значение напряжения этой плоской вершины к нулю и тем самым выполняется первое условие равновесия
(1)
где  - коэффициент усиления операционного усилителя 16. Здесь и в дальнейшем отмечаем равновесие по нуль-индикатору 19 (например, осциллограф). Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 на второй вход нуль-индикатора 19 обеспечивает устойчивость показаний последнего.
Далее посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора 1 подаётся на измерительную цепь последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения  При воздействии очередного такого импульса на выходе сумматора после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной. Однократной регулировкой значения емкости уравновешивающего конденсатора 12 приводится значение напряжения этой плоской вершины к нулю, т.е., выполняется второе условие равновесия
(2)
При этом первое условие (1) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр  в него не входит.
После этого посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора 1 подаётся на измерительную цепь последовательность импульсов квадратичной формы  При поступлении очередного импульса на выходе сумматора 18 после окончания переходного процесса имеется напряжение с плоской вершиной. Это напряжение однократной регулировкой сопротивления уравновешивающего резистора 13 приводится к нулю, тем самым выполняется третье условие равновесия.
(3)
Первые два условия равновесия (1) и (2) от этого не нарушается, так как регулируемый параметр  в них не входит.
Отсчет искомых параметров ,  и  берётся из трёх условий равновесия (1)-(3). По сути, из трёх уравнений берётся отсчёт трёх неизвестных параметров.
В приведённом (фиг.1) частном случае линия связи 15 для питающих импульсов и линия связи 14 для информативного сигнала выбраны в виде коаксиальных кабелей. Реализация их может быть и другой. В частности, в виде двух изолированных проводов. Один − сигнальный провод для питающих импульсов с первого выхода генератора 1. Другой - сигнальный провод для информативного сигнала.
Емкость линии связи  для информативного сигнала включается между инвертирующим входом операционного усилителя 16 и «землёй». В рассмотренном варианте она не вносит погрешность в определение первого параметра , т.к. первая производная от неизменяющейся величины равна нулю. При определении двух других параметров емкость линии связи  вносит весьма малую составляющую погрешности. Это объясняется тем, что при большом и очень большом коэффициенте усиления операционного усилителя 16 амплитуда напряжения на его инвертирующем входе и на ёмкости  весьма мала и соответственно весьма малой является скорость изменения напряжения . Электрический ток и напряжение на емкости связаны между собой известной дифференциальной зависимостью
(4)
В рассмотренной схеме (фиг. 1) скорость изменения напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя 16 является очень малой, емкость линии связи тоже стремятся выбирать малой, поэтому в правой части выражения (4) имеется произведение двух малых величин. Отсюда на емкость  ответвляется исчезающе малый электрический ток, что предопределяет очень малую составляющую погрешности от емкости линии связи для информативного сигнала и соответственно малую составляющую погрешности от ошибки в значении емкости  и от ее нестабильности.
Условие равновесия (2) учитывает значение емкости  тогда составляющая относительной погрешности от ошибки в значении емкости  и от ее нестабильности при определении значения емкости  находятся из выражения:
(5)
где  - изменение емкости  от ошибки ее известного значения и от ее нестабильности. Составляющая относительно погрешности от ошибки в значении емкости  и от нестабильности при определении значения сопротивления  определяется выражением
(6)
6
Видно, что обе относительные погрешности получаются весьма малыми при больших и очень больших коэффициентах усиления K операционного усилителя 16. Поэтому следует выбирать соответствующий операционный усилитель, например, 140УД25А с коэффициентом усилителя K=10.
Таким образом, измеритель параметров двухполюсников реализует повышение точности при дистанционных измерениях за счёт уменьшения составляющей погрешности от ошибки значения емкости линии связи для информативного сигнала и от ее нестабильности. Он имеет раздельное уравновешивание и сохранил другие достоинства устройств с импульсным питанием измерительной цепи.