ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использована для контроля и определения параметров объектов измерения, схемы замещения которых имеют вид многоэлементной двухполюсной цепи, а также физических величин посредством параметрических датчиков.
Известен измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (патент РФ №2144195, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / В.И. Иванов, Г.И. Передельский, опубл. 10.01.2000. Бюл. №1), выполненный в виде четырехплечего электрического моста, в котором для питания используется формирователь импульсов напряжения кубичной формы. В измерительную диагональ моста включены входы дифференциального усилителя, а к выходу дифференциального усилителя подключены последовательно соединенные три дифференциатора. Выходы дифференциаторов, а также выход дифференциального усилителя подключены к входам нуль-индикатора. Уравновешивание моста осуществляют после окончания переходных процессов в его цепях, последовательно приводя к нулевому значению напряжения на выходах сначала третьего, затем второго и первого дифференциаторов и, наконец, дифференциального усилителя.
Недостатком этого мостового измерителя является погрешность измерений, обусловленная не одинаковой чувствительностью к напряжению импульсов с плоской вершиной, по которым фиксируется равновесие моста, на разных входах нуль-индикатора.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в повышении точности измерения параметров многоэлементных двухполюсников за счет выравнивания чувствительности нуль-индикатора к сигналам неравновесия мостовой цепи на всех этапах уравновешивания.
Это достигается тем, что в измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников, содержащий генератор импульсов напряжения, изменяющегося по закону n-й степени времени, четырехплечую мостовую цепь, дифференциальный усилитель и нуль-индикатор, причем мостовая цепь состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из которых содержит последовательно соединенные первый образцовый резистор и многоэлементный двухполюсник с регулируемыми элементами, вторая ветвь содержит последовательно соединенные второй образцовый резистор и два зажима для подключения многоэлементного двухполюсника объекта измерения, первый зажим соединен со свободным выводом второго образцового резистора, а второй зажим заземлен, общий вывод первого и второго образцовых резисторов подключен к первому выходу генератора импульсов, свободный вывод многоэлементного двухполюсника с регулируемыми элементами заземлен, общий вывод первого образцового резистора и многоэлементного двухполюсника с регулируемыми элементами соединен с первым входом дифференциального усилителя, общий вывод второго образцового резистора и первого зажима для подключения многоэлементного двухполюсника объекта измерения соединен со вторым входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к первому входу нуль-индикатора, дополнительно введен n-каскадный дифференциатор, содержащий n последовательно включенных дифференцирующих RC-звеньев, причем сопротивление резистора во втором звене больше, чем в первом, в третьем звене больше, чем во втором и т.д., в n-м звене больше, чем в (n-1)-м звене, постоянная времени каждого RC-звена устанавливается из условия равенства максимальных значений сигналов неравновесия на всех выходах дифференциатора, выходы первого, второго и т.д., n-го каскада дифференциатора соединены соответственно со вторым, третьим и т.д., (n+1)-м входами нуль-индикатора, вход синхронизации нуль-индикатора подключен ко второму выходу генератора импульсов. Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
Генератор 1 вырабатывает последовательность импульсов напряжения,
m
имп
где U, t - амплитуда и длительность импульса. С первого выхода генератора эти импульсы поступают на вход мостовой цепи, которая состоит из двух ветвей: первая ветвь содержит последовательно соединенные первый образцовый резистор 2 и многоэлементный пассивный двухполюсник 3 с регулируемыми параметрами элементов, свободный вывод двухполюсника 3 заземлен; вторая ветвь моста содержит последовательно соединенные второй резистор 4 и два зажима для подключения пассивного двухполюсника объекта измерения 5, причем первый зажим подключен к свободному выводу резистора 4, а второй зажим заземлен. Выходы мостовой цепи - общий вывод резистора 2 и двухполюсника 3, с одной стороны, и общий вывод резистора 4 и двухполюсника 5, с другой, - подключены к входам дифференциального усилителя 6.
После окончания переходного процесса в элементах мостовой цепи на выходах обеих ветвей моста устанавливается напряжение, в котором присутствуют импульсы вида степенной функции с показателями от n до нуля:
0
1
n
0
1
n
где Н, H,…,H - обобщенные параметры передаточной функции Н(р) первой ветви. К, K,…,K - обобщенные параметры передаточной функции К(р) второй ветви моста.
вых
вых.1
вых.2
вых
вых.1
вых.2
1
9
8
2
11
10
3
13
12
Далее рассмотрим случай n=3, когда генератор 1 вырабатывает импульсы кубичной формы. Для контроля уравновешивания мостовой цепи используется дифференцирование разностного сигнала u(t)=u(t)-u(t), которое поступает с выхода дифференциального усилителя 6 на вход трехкаскадного дифференциатора, содержащего первое дифференцирующее RC-звено на конденсаторе 8 и резисторе 9, второе дифференцирующее RC-звено на конденсаторе 10 и резисторе 11 и третье дифференцирующее RC-звено на конденсаторе 12 и резисторе 13, а также на первый вход нуль-индикатора 7. После прохождения сигнала u(t)=u(t)-u(t) через три дифференцирующих каскада с постоянными времени τ=КС, τ=КС, τ=RC соответственно, из всех составляющих импульсов останется только кубический, т.е. на выходе третьего каскада дифференциатора будет присутствовать импульс с плоской вершиной и амплитудой
0
вых
вых.1
вых.2
Приводя напряжение (4) к нулю с помощью регулировки параметра H в двухполюснике 3 добиваются компенсации кубичной составляющей в сигнале u(t)=u(t)-u(t). Теперь в разностном сигнале старшим по показателю степени остается квадратичный импульс, от которого на выходе второго каскада дифференциатора образуется импульс с плоской вершиной и амплитудой, равной
1
вых
вых.1
вых.2
Регулировкой параметра Н в двухполюснике 3 достигают компенсации квадратичной составляющей в сигнале u(t)=u(t)-u(t). В выходном сигнале усилителя 6 остается импульс линейной формы, от которого на выходе первого каскада дифференциатора образуется импульс с плоской вершиной и амплитудой, равной
2
вых
вых.1
вых.2
Регулировкой параметра Н в двухполюснике 3 добиваются нулевого напряжения (6), тем самым - компенсации линейного импульса в составе сигнала u(t)=u(t)-u(t). Оставшуюся постоянную составляющую в выходном напряжении усилителя 6
3
компенсируют регулировкой параметра Н, в двухполюснике 3.
Недостатком описанного устройства является снижение точности уравновешивания моста из-за неравных условий для контроля амплитуды импульсов прямоугольной формы на выходах разных каскадов дифференциатора, по которым контролируют состояние равновесия. Диапазон амплитуд импульса с плоской вершиной на выходах дифференциатора согласно (4)-(7) зависит от постоянных времени каждого каскада:
1
2
3
1-
1-
2-
1
Оптимальными условиями для реализации уравновешивания на всех этапах было бы равенство амплитудных диапазонов сигналов на всех входах нуль-индикатора. При произвольном выборе постоянных времени τ,τ,τэти условия не выполняются. В качестве примера рассмотрим схему мостовой цепи с четырехэлементным двухполюсником rCrl, приведенную на рисунке (фиг.2). H-параметры правой ветви моста равны
0
1
2
1
Пусть r=1 кОм; r=1 кОм; r=1 кОм; с=10 нФ; l=60 мГн.
m
имп
Амплитуда импульса U=10 В, длительность t=250 мкс.
0
1
2
3
2
3
Тогда H=0,5; H=2,5 мкс; Н=37,5 мкс; H=900 мкс. Эквивалентная постоянная времени трехкаскадного дифференциатора, в первом приближении равная сумме постоянных времени каскадов
экв
1
2
3
τ=τ+τ+τ,
1
2
3
не должна превышать одну пятую длительности питающего импульса. При равных значениях τ=τ=τ=τ необходимо выполнить условие
имп
3τ<0,2t.
имп
Если t=250 мкс, примем τ=15 мкс. После подстановки данных в (8)-(11) получаем
3max
2mах
1mах
0max
U=6,5 MB; U=2,15 мВ; U=2,15 MB; U=3,45 мВ.
Как видно, разброс амплитуд больше трех раз. На втором и третьем этапах погрешности уравновешивания будут значительными.
1
2,
3
Оптимальный выбор постоянных τ, τ τ  обеспечивает равенство максимальных значений амплитуд на выходах всех каскадов. Из (8)-(11) следует
1
2
3
0
1
2
1
1
2
3
6τττH=6ττH=6τH=6H,
откуда находим
0
1
2
3
1
2,
3
1
2
3
Так как точные значения H, H, H, H, до начала измерений не известны, используются приближенные ожидаемые величины. В частности, в рассматриевом примере оптимальный выбор постоянных τ, τ τ имеет вид τ=25 мкс; τ=15 мкс; τ=5 мкс.
В этом случае диапазоны напряжения сигнала неравновесия на всех входах нуль-индикатора будут одинаковыми и равными 3,6 мВ.
Отметим, что полученные соотношения справедливы при независимости характеристик каждого каскада дифференциатора от соседних каскадов. В предлагаемой полезной модели принято простое решение: в RC-звеньях сопротивление резистора возрастает от каскада к каскаду. Уже при десятикратном увеличении сопротивления можно не применять буферные каскады.
При осуществлении уравновешивания мостовой цепи нет необходимости в измерении H-параметров ветвей моста. В статье Иванова В.И. и Титова В.С. Эквивалентные преобразования обобщенных параметров двухполюсников при идентификации сложных измерительных цепей [Текст] // Датчики и системы. 2012. №5. С.11-16. показана связь H-параметров делителя напряжения и Z-параметров двухполюсника в составе делителя. Для равновесия моста с образцовыми резисторами R0 в первой ветви и r0 во второй необходимо последовательно установить равенства:
0
1
2
3
0
1
2
3
где Z, Z, Z, Z, - Z-параметры многоэлементного двухполюсника с регулируемыми элементами; z, z, z, z - Z-параметры многоэлементного двухполюсника объекта измерения.
Пример мостовой цепи приведен на рисунке (фиг.2). Первая ветвь содержит образцовый резистор R0 и двухполюсник R1-C1-R2-C2-L1-R3-L2 с регулируемыми параметрами элементов. Обобщенные Z-параметры этого двухполюсника равны
Вторая ветвь состоит из образцового резистора r0 и четырехэлементного двухполюсника r1-c1-r2-l1 с неизвестными параметрами. Обобщенные Z-параметры двухполюсника равны
На первом этапе уравновешивают Z-параметры с нулевым индексом:
1
регулируя сопротивление R.
На втором этапе уравновешивают Z-параметры с индексом 1:
1
1
регулируя либо емкость С, либо индуктивность L.
На третьем этапе уравновешивают Z-параметры с индексом 2:
2
3
регулировкой либо сопротивления R, либо сопротивления R.
На четвертом этапе уравновешивают Z-параметры с индексом 3:
2
2
регулировкой либо емкости С, либо индуктивности L.
1
1
2
1
Из условий равновесия (12)-(15) вычисляют параметры элементов двухполюсника объекта измерения r, c, r, l.
Положительный эффект применения полезной модели заключается в выравнивании чувствительности нуль-индикатора по всем обобщенным параметрам измеряемого двухполюсника.