ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
MEASURING DEVICE OF PARAMETERS OF BIPOLES

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, БИ 1985, №19), 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 понижение точности при дистанционных измерениях за счет сравнительно большой составляющей погрешности от паразитной емкости соединительной линии для информационного 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 погрешность 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 информационных сигналов. В частности, емкостный датчик может иметь значения в районе единиц и десятка пФ, что приведено в вышеназванной статье на стр.23, последний абзац.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №798606, G01R 17/10, БИ 1981, №3) содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, мостовую электрическую цепь и индикатор равновесия (прототип).
Недостатком его является понижение точности при дистанционных измерениях за счет сравнительно большой составляющей погрешности от паразитной емкости соединительной линии для информационного сигнала.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности при дистанционных измерениях за счет уменьшения составляющей погрешности от емкости (паразитной) соединительной линии для информационного сигнала.
0
1
3
0
1
3
0
1
3
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 Kt, Kt, Kt, где K, K, K - постоянные коэффициенты и t - время, из коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно «земли» генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединен со входами синхронизации формирователей импульсов, а также образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генераторов импульсов «заземлена»; измерительную цепь, которая включает в себя первую ветвь из последовательно соединенных двух резисторов, параллельно первому из них подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора и индуктивной катушки, и вторую ветвь из последовательно соединенных двух резисторов и катушки индуктивности, параллельно которой подключен конденсатор, свободный вывод резистора второй ветви соединен с первым выходом генератора импульсов; нуль-индикатор, вход синхронизации которого соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора «заземлена», введена совокупность элементов из линии связи для информационного сигнала, линии связи для питающих импульсов с генератора импульсов, двух дополнительных резисторов, операционного усилителя и аналогового сумматора, один из выводов сигнального провода линии связи для информационного сигнала соединен со свободным выводом резистора первой ветви измерительной цепи, другой вывод этого сигнального провода подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, один из выводов сигнального провода линии связи для питающих импульсов соединен с общим выводом резистора и конденсатора первой ветви измерительной цепи, другой вывод этого сигнального провода подключен к общему выводу первого выхода генератора импульсов и резистора второй ветви измерительной цепи, общий вывод индуктивной катушки и конденсатора этой второй ветви подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, несигнальный проводник соединительных линий подключен к «земле», первый дополнительный резистор включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, второй дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землей», к одному из двух входов аналогового сумматора соединен выход операционного усилителя, к другому его входу подключен первый выход генератора импульсов, выход аналогового сумматора соединен с сигнальным входом нуль-индикатора, а его общая шина «заземлена».
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
0
i
1
3
0
1
3
Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 импульсов, включающий в себя формирователь 2 импульсов напряжения прямоугольной формы Kt, где здесь и в дальнейшем K - постоянные коэффициенты, t - время, формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения Kt и формирователь 4 импульсов кубичной формы K1. Выходы каждого формирователя соединены со входами коммутатора 5, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности. Выход его образует первый выход генератора импульсов. Выход блока 7 синхронизации соединен 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 две ветви. Первая из них содержит последовательно соединенные резисторы 8 (R8) и 9 (R9). Параллельно резистору 8 включены последовательно соединенные конденсатор 10 (С10) и индуктивная катушка 11 (L11). Вторая ветвь содержит последовательно соединенные резистор 12 (R12), 13 (R13) и индуктивную катушку 14 (L14). Параллельно последней включен конденсатор 15 (С15). Общий вывод резистора 8 и конденсатора 10 соединен со свободным выводом резистора 12 посредством сигнального провода линии связи 16 для питающих импульсов с генератора 1. Общий вывод сигнального провода и резистора 12 соединен с первым выходом генератора импульсов 1. Свободный вывод резистора 9 соединен со свободным общим выводом индуктивной катушки 14 и конденсатора 15 посредством сигнального провода линии связи 17 для информационного сигнала. Несигнальный проводник в линиях связи 16 и 17 «заземлен».
Общий вывод сигнального провода линии связи 17 индуктивной катушки 14 и конденсатора 15 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 18. Резистор обратной связи 19 (R19) включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 18. Резистор 20 (R20) включен между неинвертирующим входом операционного усилителя 18 и «землей».
Выход операционного усилителя 18 соединен с одним из двух входов аналогового сумматора 21. Другой вход сумматора подключен к первому выходу генератора импульсов 1. Общая шина аналогового сумматора «заземлена».
Выход аналогового сумматора 21 соединен с первым входом (сигнальный вход) нуль-индикатора 22. Второй вход его (вход синхронизации) подключен ко второму выходу (выходу синхронизации) генератора импульсов 1. Общая шина нуль-индикатора «заземлена».
Резистор 8, конденсатор 10 и индуктивная катушка 11 образуют объект контроля, измерения или исследования. Они также могут образовывать схему замещения датчика. Кроме того, они могут представлять собой три параметрических датчика (резистивный датчик, емкостный и индуктивный). Резисторы 9 и 12 имеют равные, известные и постоянные значения сопротивлений
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>.</mo><mtext>                                           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Резистор 13, индуктивная катушка 14 и конденсатор 15 имеют известные, регулируемые значения параметров. Они являются уравновешивающими элементами. Резисторы 19 и 20 тоже имеют постоянные значения сопротивлений. Эти сопротивления равны
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>R</mi><mtext> </mtext><msub><mi>R</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>R</mi><mfrac><mrow><mi>K</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>K</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где K - коэффициент усиления операционного усилителя 18. Вход измерительной цепи относительно «земли» образует общий вывод резистора 12 и сигнального провода линии связи 16 для питающих импульсов. Выходное напряжение измерительной цепи образуется двумя напряжениями противоположной полярности. Это выходное напряжение операционного усилителя 18 и напряжение первого выхода генератора импульсов 1. Сумма значений этих напряжений может приводиться к нулю. В исходном состоянии до прихода питающего импульса с генератора импульсов 1 реактивные элементы измерительной цепи свободны от запасов энергии, входное напряжение измерительной цепи и ее выходные напряжения равны нулю.
0
0
Измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. Вначале посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора импульсов 1 подадим на измерительную цепь последовательность импульсов прямоугольной формы (Kt). При воздействии очередного импульса в установившемся режиме в импульсе выходного напряжения сумматора 21 имеется плоская вершина в интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 13 приводим значение напряжения этой плоской вершины к нулю и тем самым выполняется первое условие равновесия.
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Здесь и в дальнейшем отмечаем равновесие измерительной цепи по нуль-индикатору 22 (например, осциллограф). Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 на второй вход нуль-индикатора 22 обеспечивает устойчивость показаний последнего.
1
1
Далее посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора 1 подадим на измерительную цепь последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения (Kt) При воздействии очередного такого импульса на выходе сумматора после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной. Однократной регулировкой значения индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности 14 приводим значение напряжения этой плоской вершины к нулю, т.е., выполняем второе условие равновесия
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
14
При этом первое условие (4) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр L в него не входит.
3
3
После этого посредством коммутатора 5 с первого выхода генератора 1 подаем на измерительную цепь последовательность импульсов кубичной формы Kt. При поступлении очередного импульса на выходе сумматора 21 после окончания переходного процесса имеется напряжение с плоской вершиной. Это напряжение однократной регулировкой емкости уравновешивающего конденсатора 15 приводим к нулю, тем самым выполняется третье условие равновесия.
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
15
Первые два условия равновесия (4) и (5) от этого не нарушаются, так как регулируемый параметр С в них не входит.
8
10
11
Отсчет искомых параметров R, С и L берется из трех условий равновесия. (4)-(6). По сути, из трех уравнений берется отсчет трех неизвестных параметров.
В приведенном (фиг.1) частном случае линия связи 16 для питающих импульсов и линия связи 17 для информационного 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 информационного сигнала.
п
п
п
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Емкость линии связи С для информационного сигнала включается между инвертирующим входом операционного усилителя 18 и землей. В рассмотренном варианте она не вносит погрешность в определение первого параметра R8, т.к. первая производная от неизменяющейся величины равна нулю. При определении двух других параметров емкость линии связи С вносит весьма малую составляющую погрешности. Это объясняется тем, что при большом и очень большом коэффициенте усиления операционного усилителя 18 амплитуда напряжения на его инвертирующем входе и на емкости С весьма мала и, соответственно, весьма малой является скорость изменения напряжения
. Электрический ток и напряжение на емкости связаны между собой известной дифференциальной зависимостью
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext>                                                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
п
В рассмотренной схеме (фиг.1) скорость изменения напряжения является очень малой, емкость линии связи тоже стремятся выбирать малой, поэтому в правой части выражения (7) имеется произведение двух малых величин. Отсюда на емкость С ответвляется исчезающе малый электрический ток, что предопределяет очень малую составляющую погрешности от емкости линии связи для информационного сигнала.
Составляющая относительной погрешности от емкости линии связи для информационного сигнала при определении значения емкости С10 находится из выражения
<mrow><msub><mi>δ</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>п</mi></msub><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>K</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
составляющая относительной погрешности от емкости линии связи при определении значения индуктивности L11 -
<mrow><msub><mi>δ</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mi>п</mi></msub><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>1</mn><mn>4</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>5</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>1</mn><mn>3</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>1</mn><mn>4</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>1</mn><mn>0</mn></mrow></msub><mi>R</mi><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mi>R</mi><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>K</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
6
Если в формулах (8) и (9) в знаменателе не учитывать сомножитель (K-1), то в общем случае значение числителя может быть меньше значения знаменателя, в худшем случае эти значения сопоставимы между собой. Очевидным порядком видно, что обе относительные погрешности получаются весьма малыми при больших и очень больших коэффициентах усиления K операционного усилителя 18. Поэтому следует выбирать соответствующий операционный усилитель, например, 140УД25А с коэффициентом усиления K=10.
Таким образом, измеритель параметров двухполюсников реализует повышение точности при дистанционных измерениях за счет уменьшения составляющей погрешности от емкости линии связи для информационного сигнала. Он имеет раздельное уравновешивание и сохранил другие достоинства устройств с импульсным питанием измерительной цепи.