Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников
BRIDGE MEASURING DEVICE FOR PARAMETERS OF N-ELEMENT TWO-TERMINAL NETWORKS

Изобретение относится к контрольно-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 четырехэлементных пассивных двухполюсников (АС СССР №918862, G01R 17/10, БИ 1982, №13), содержащий последовательно соединенные питающий генератор последовательностей импульсов трапецеидальной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь только образцовым регулируемыми резисторами. Образцовые регулируемые резисторы в изготовлении являются более технологичными, простыми и недорогими, чем изготовление образцовых регулируемых конденсаторов и образцовых регулируемых катушек индуктивности. У них выше класс точности, меньше габаритные размеры и меньше вес. На них меньшее вредное влияние оказывают электрические и магнитные поля, шумы, наводки, случайные флуктуации, а также изменяющееся атмосферные условия.
Известен электрический мост (АС СССР №998967, G01R 17/10, БИ 1983, №7), содержащий последовательно соединенные питающий генератор последовательностей импульсов трапецеидальной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие расширенных функциональных возможностей в том смысле, что в приведенном варианте мост позволяет определять параметры R-C двухполюсников и не пригоден для определения параметров R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения. Приведенный электрический мост уравновешивается только регулируемыми резисторами, но не имеет расширенных функциональных возможностей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (АС СССР №1157467, G01R 17/10, БИ 1985, №19), содержащий последовательно соединенные питающий генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь только образцовыми регулируемыми резисторами.
Задача, на решение которой направленно изобретение, состоит в обеспечении у мостового измерителя сочетания и возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми образцовыми резисторами, и в обеспечении расширения функциональных возможностей, которое заключается в возможности определять параметры не только эквивалентных, но и обратных двухполюсников объектов измерения, а также в возможности определять, в принципе, (теоретически) не ограниченное количество параметров этих двухполюсников.
0
1
n-1
Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор последовательностей питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций , , где K, K, …, K - постоянные коэффициенты, t - время, n - число параметров в двухполюснике объекта измерения, из коммутатора, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход подключен к усилителю мощности, выход которого образует первый (сигнальный) выход генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединен со входами синхронизации каждого формирователя импульсов, а также его выход образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора импульсов заземлена; мостовую электрическую цепь, первая из двух параллельно включенных ветвей которой состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов, свободный вывод первого из них подключен к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов, а свободный вывод второго заземлен, к общему выводу первого (сигнального) выхода генератора импульсов и первого резистора подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора, третьего резистора и индуктивной катушки, к общему выводу третьего резистора и индуктивной катушки подсоединен четвертый резистор, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные одиночный резистор и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод одиночного резистора соединен с общим выводом первого резистора, конденсатора первой ветви и первого (сигнального) выхода генератора импульсов, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора и индуктивной катушки, параллельно последней включены второй резистор, а также цепь из последовательно соединенных конденсатора и третьего резистора, инверсным вариантом приведенному двухполюснику объекта измерения является двухполюсник из параллельно соединенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных конденсатора, второго резистора и индуктивной катушки, третий резистор включен параллельно индуктивной катушке; нуль-индикатор, первый из двух выводов дифференциального (первого) входа которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, второй вход нуль-индикатора (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены четыре дополнительных резистора, дополнительный конденсатор и дополнительная индуктивная катушка, изменено включение элементов, определены цепи наращивания первого и второго вида, подключение последующей цепи наращивания к предыдущей, определен выход относительно «земли» ветви с цепями наращивания мостовой цепи, этот выход является также одним из двух выводов выхода мостовой цепи, определено количество цепей наращивания, первый дополнительный резистор включен в первой ветви между свободным выводом имеющейся индуктивной катушки и общим выводом имеющихся первого и второго резисторов, второй дополнительный резистор включен между свободным выводом имеющегося четвертого резистора и общим выводом имеющейся индуктивной катушки и первого дополнительного резистора, между собой последовательно соединены дополнительный конденсатор, третий дополнительный резистор и дополнительная индуктивная катушка, эта цепь включена параллельно имеющемуся второму резистору, четвертый дополнительный резистор включен параллельно дополнительной индуктивной катушке, цепь из шести элементов: четырех резисторов, а именно имеющихся третьего, четвертого и дополнительных первого и второго, имеющегося конденсатора и имеющейся индуктивной катушки при приведенном включении их между собой образуют цепь наращивания первого вида, последующие (вторая, третья, …) полные цепи наращивания первого вида содержат те же самые приведенные элементы в том же самом включении их между собой, свободный вывод конденсатора каждой цепи наращивания образует первый вывод ее входа, а свободный вывод первого дополнительного резистора - второй вывод входа, этими двумя выводами входа последующая цепь наращивания подключается к предыдущей параллельно четвертому резистору, при полной последней цепи наращивания первого вида второй вывод выхода мостовой цепи образует общий вывод резистора, соответствующего четвертому резистору в первой цепи наращивания, и резистора, соответствующего второму дополнительному резистору в первой цепи наращивания, последняя цепь наращивания может быть неполной и включать в себя два элемента: последовательно соединенные конденсатор и резистор, тогда свободный вывод конденсатора по-прежнему является первым выводом входа этой последней неполной цепи наращивания, а вторым выводом входа является свободный вывод резистора, при неполной последней цепи наращивания второй вывод выхода мостовой цепи образует общий вывод конденсатора и резистора, второй вывод выхода мостовой цепи соединен со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора, при четном числе параметров в двухполюснике объекта измерения количество цепей наращивания первого вида равно n/2 и последняя из них является неполной, при не четном числе параметров в двухполюснике объекта измерения число цепей наращивания первого вида равно (n-1)/2 и последняя из них является полной, цепь из четырех элементов: дополнительного конденсатора, дополнительного третьего резистора, дополнительной индуктивной катушки и дополнительного четвертого резистора при приведенном включении их между собой образуют цепь наращивания второго вида, последующие (вторая, третья, …) полные эти цепи наращивания содержат те же самые приведенные элементы в том же самом включении их между собой, свободный вывод конденсатора в каждой цепи наращивания является ее входом относительно «земли», в частности, в первой цепи наращивания второго вида это свободный вывод дополнительного конденсатора, выход каждой цепи наращивания относительно «земли» образует общий вывод индуктивной катушки и двух резисторов, имеющихся в этих цепях наращивания, выход предыдущей цепи наращивания второго вида соединяется со входом последующей цепи, последняя цепь наращивания может быть неполной в трех вариантах и включать в себя: только конденсатор, свободный вывод которого заземлен, только конденсатор и резистор, где свободный вывод резистора заземлен, и конденсатор, резистор и индуктивную катушку при имеющихся их включении между собой, сумма количества элементов во всех цепях наращивания второго вида и имеющегося в первой ветви второго резистора равна числу параметров в двухполюснике объекта измерения.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).
0
1
n-1
Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор 1 последовательностей питающих импульсов, который включает в себя формирователи импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных функций: формирователь 2 прямоугольных импульсов , формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения , формирователь 4 квадратичных импульсов , и т.д. до , где K, K, …, K - постоянные коэффициенты, t - время, n - число параметров в двухполюснике объекта измерения. Выход каждого формирователя соединен с соответствующим входом коммутатора 5, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности. Выход последнего образует первый (сигнальный) выход генератора 1 импульсов. Также в этот генератор входит каскад 7 синхронизации, выход которого соединен со входами (входами синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов. Общая шина генератора заземлена.
8
9
10
11
12
13
14
15
Мостовая цепь содержит две параллельно включенные ветви. Первая из них включает в себя последовательно соединенные резисторы 8 (R) и 9 (R). Свободный вывод первого из них подключен к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов. Свободный вывод резистора 9 заземлен. Параллельно резистору 8 включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 10 (C), резистора 11 (R), индуктивной катушки 12 (L) и резистора 13 (L). Параллельно индуктивной катушки 12 подключены последовательно соединенные резистор 14 (R)и резистор 15 (R).
Первая ветвь мостовой цепи состоит из начальной части цепи и группы включенных друг за другом цепей наращивания первого вида и цепей наращивания второго вида. Начальную часть составляет цепь из последовательно соединенных резисторов 8 и 9. Первая цепь наращивания первого вида включает в себя конденсатор 10, индуктивную катушку 12 и четыре резистора 11, 13, 14, и 15. Включение этих элементов между собой уже описано выше. На фиг. 1 первая цепь наращивания первого вида выделена пунктирными линиями. Свободный вывод конденсатора 10 образует первый вывод входа обсуждаемой цепи наращивания. Свободный вывод резистора 13 образует второй вывод ее входа. Общий вывод резисторов 11, 14 и индуктивной катушки 12 является первым выводом выхода цепи наращивания, а общий вывод резисторов 14 и 15 образует второй вывод ее выхода.
Цепи наращивания первого вида последовательно включаются друг за другом путем подключения выводов выхода предыдущей цепи наращивания к выводам входа последующей цепи. Все последующие полные цепи наращивания (вторая, третья, …) имеют, как и первая цепь, такие же элементы, в таком же количестве и в таком же включении между собой. Все они одинаковы. Они имеют также одинаковые выводы входа и выхода.
Для примера на фиг. 1 приведена вторая цепь наращивания первого вида и тоже выделена пунктирными линиями. Она содержит последовательно соединенные конденсатор 16, резистор 17, индуктивную катушку 18 и резистор 19, параллельно индуктивной катушки 18 включена цепь из последовательно соединенных резисторов 20 и 21. При полной последней цепи наращивания выход относительно «земли» первой ветви мостовой цепи образует общий вывод двух резисторов, образующих цепь включенную параллельно индуктивной катушке. В частности, на фиг. 1 общий вывод резисторов 20 и 21 образует выход относительно «земли» первой ветви мостовой цепи. Этот выход является также одним из двух выводов выхода мостовой цепи.
Последняя цепь наращивания первого вида может быть неполной и включать в себя два элемента: последовательно соединенные конденсатор и резистор. Тогда свободный вывод конденсатора по-прежнему является первым выводом входа этой цепи, а вторым выводом входа является свободный вывод резистора. При неполной последней цепи наращивания выход относительно «земли» первой ветви мостовой цепи образует общий вывод конденсатора и резистора. Этот выход по-прежнему является одним из двух выводов выхода мостовой цепи.
При четном числе параметров в двухполюснике объекта измерения количество цепей наращивания первого вида равно n/2 и последняя из них является неполной. При не четном числе этих параметров число цепей наращивания первого вида равно (n-1)/2 и последняя из них является полной.
22
23
24
25
Параллельно резистору 9 включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 22 (C), резистора 23 (R) и индуктивной катушки 24 (R). Параллельно последней подключен резистор 25 (R). Электрическая цепь из четырех элементов 22-25 в приведенном включении этих элементов между собой представляет собой цепь наращивания второго вида. На фиг. 1 она выделена пунктирными линиями. Свободный вывод конденсатора 22 образует первый вывод входа обсуждаемой цепи наращивания. Общий вывод индуктивной катушки 24 и резистора 25 образует второй вывод входа цепи наращивания второго вида и заземлен. Общий вывод резисторов 23, 25 и индуктивной катушки 24 образует выход цепи наращивания относительно «земли».
Цепи наращивания второго вида последовательно включаются друг за другом путем подключения выхода предыдущей цепи наращивания ко входу последующей цепи. Все последующие полные цепи наращивания (вторая, третья, …) имеют, как и первая цепь, такие же элементы, в таком же количестве и в таком же включении их между собой. Все они одинаковы, а также имеют одинаковые входы и выходы.
Для примера на фиг. 1 приведена вторая цепь наращивания второго вида и тоже выделена пунктирными линиями. Параллельно резистору 25 включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 26, резистора 27, катушки индуктивности 28. Параллельно последней подключен резистор 29. Последняя цепь наращивания может быть неполной в трех вариантах и включать в себя только конденсатор, свободный вывод которого заземлен, только конденсатор и резистор, где свободный вывод резистора заземлен, и, наконец, конденсатор, резистор и индуктивную катушку при имеющимся их включении между собой. Сумма количества элементов во всех цепях наращивания второго вида и имеющегося в первой ветви резистора 9 равна числу параметров в двухполюснике объекта измерения n. Т.е. число элементов во всех цепях наращивания второго вида равно n-1.
30
Вторая ветвь мостовой цепи включает себя последовательно соединенные одиночный резистор 30 (R)и две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения. Свободный вывод одиночного резистора 30 подключен к общему выводу сигнального выхода генератора 1 импульсов, резистора 8 и конденсатора 10. Общий вывод резистора 30 и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образует еще один из двух выводов выхода мостовой цепи. Вторая клемма заземлена.
Для подтверждения расширения функциональных возможностей мостовых цепей достаточно использовать в объектах измерения обратные (инверсные) двухполюсники. [Передельский Г.И. Шевелев С.С. Обоснование расширения функциональных возможностей мостовых цепей с импульсным питанием, Электрика, 2015, №10, с. 24-31]. Обратные двухполюсники существуют в двух вариантах. В одном из них каждый из двух обратных двух-двухполюсников содержит резисторы и только однородные реактивные элементы, но разного характера. Например, резистивно-емкостный (R-C) двухполюсник и обратный ему резистивно-индуктивный (R-L) двухполюсник. В другом варианте каждый из обратных двухполюсников содержит резисторы и разнородные реактивные элементы (R-L-C двухполюсники). В результате мостовые цепи с расширенными функциональными возможностями позволяют определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников. Но для обоснования этого достаточно использовать только один из вариантов обратных двухполюсников. В данном случае выбран второй вариант обратных двухполюсников, а именно R-L-C обратные двухполюсники.
На фиг. 1 приведены частные примеры двух обратных двухполюсников объектах измерения. Первый из них состоит из последовательно соединенных резистора 31 и индуктивной катушки 32. Параллельно последней включены и резистор 33, и цепь из последовательно соединенных конденсатора 34 и резистора 35. Свободный вывод резистора 31 подключен к первой клемме для подключения двухполюсников объектов измерения. Ко второй клемме подключен общий вывод индуктивной катушки 32 и резисторов 33, 35.
Второй частный пример двухполюсника объекта измерения обратный относительно предыдущего первого примера состоит из резистора 36, параллельно которому включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 37, резистора 38 и индуктивной катушки 39. Параллельно последней соединен резистор 40. Общий вывод резистора 36 и конденсатора 37 подключается к первой клемме для подключения двухполюсников объектов измерения. Ко второй клемме подключается общий вывод резистора 36, индуктивной катушки 39 и резистора 40.
Оба ранее приведенных вывода выхода мостовой цепи соответственно соединены с двумя выводами первого (дифференциального) входа нуль-индикатора 41. Второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора 1 импульсов. Общая шина нуль-индикатора заземлена.
Перед началом работы реактивные элементы мостовой цепи мостового измерителя параметров n-элементных двухполюсников свободны от запасов электрической энергии. Входное и выходное напряжения моста равны нулю.
Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников работает следующим образом.
Допустим, что к мостовой цепи подключен первый частный пример (фиг. 1) двухполюсника объекта измерения. Вначале посредством коммутатора 5 на мостовую цепь подается последовательность импульсов прямоугольной формы. При воздействии на мост очередного прямоугольного импульса после окончания переходного процесса выходное напряжение мостовой цепи зависит от значений сопротивлений резисторов 8, 9, 30 и 31. В интервале времени от окончания переходного процесса до окончания импульса импульсное напряжение на дифференциальном входе нуль-индикатора 41, в качестве которого может использоваться осциллограф, имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 8 значение напряжения этой плоской вершины приводится к нулю. В результате выполняется первое условие равновесия моста.
Полярность импульсного дифференциального напряжения на первом входе нуль-индикатора 41 определяет направление регулирования резистора 8, а именно в сторону увеличения значения сопротивления или в сторону его уменьшения. Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 импульсов на второй вход нуль-индикатора 41 здесь и в дальнейшем обеспечивает устойчивые показания нуль-индикатора.
Посредством коммутатора 5 подключают к усилителю 6 мощности формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения, и эти импульсы имеются теперь на первом (сигнальном) выходе генератора 1 импульсов. При воздействии очередного такого импульса после окончания переходного процесса импульсное напряжение на дифференциальном входе нуль-индикатора 41 имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 13 значение напряжения плоской вершины приводится к нулю и выполняет второе условие равновесия
Как и ранее, полярность импульсного напряжения на дифференциальном входе нуль-индикатора 41 определяет направление регулирования значения сопротивления уравновешивающего резистора 13. Регулирование его не нарушает выполнение первого условия, т.к. это сопротивление не входит в условие (1).
Аналогично предыдущему посредством коммутатора 5 подключают к мостовой цепи импульсы квадратичной формы. Напряжение плоской вершины импульсов на дифференциальном входе нуль-индикатора 41 приводят к нулю однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 15. Тогда выполняется третье условие равновесия
l5
Полярность импульсного напряжения на дифференциальном входе нуль-индикатора 41 определяет направление регулирования значения сопротивления уравновешивающего резистора 15. Регулирование его не нарушает выполнение первых двух условий равновесия (1) и (2), т.к. сопротивление R не входит в эти условия.
Для примера приведены и описаны три этапа уравновешивания мостовой цепи. Последующие этапы уравновешивания являются аналогичными. На каждом из них используется очередная (последующая) форма импульсов генератора, приводится к нулю после окончания переходного процесса напряжение плоской вершины импульса с выхода мостовой цепи регулировкой значения сопротивления резисторов, аналогичных вышеназванным уравновешивающим резисторам, а именно тем, которые на предыдущих этапах уравновешивания не входили в предыдущие условия равновесия, чтобы при регулировании их не нарушать выполнение этих предыдущих условий равновесия.
31
32
33
Отсчет искомых параметров R, L, R, … двухполюсника объекта измерения берется из условий равновесия. По существу n-параметров находятся из n уравнений (условий равновесия).
8
13
15
Если к мостовой цепи подключен второй частный пример (фиг. 1) двухполюсника объекта измерения, обратный относительно первого частного примера, то используются приведенные выше этапы уравновешивания в прежней последовательности. Сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежняя последовательность регулирования их значений: R, R, R …. приведены условия равновесия для первых трех этапов уравновешивания:
36
37
38
Из них берется отсчет значений искомых параметров R, C, R, …
После выполнения всех n этапов уравновешивания мостовая цепь к полному равновесию не приводится, но получены n условий равновесия (n уравнений), из которых, как известно, можно взять отсчет n искомых параметров двухполюсников объектов измерения. Здесь на выходе моста в начале импульса имеется всплеск напряжения, который содержит сумму экспоненциальных слагаемых и затухает до нуля за время переходного процесса. После окончания этого процесса напряжение на выходе моста равно нулю. После окончания питающего мост импульса в течение переходного процесса это напряжение тоже имеет всплеск напряжения, который тоже затухает до нуля после окончания переходного процесса. Такие мостовые цепи относят к квазиуравновешенным мостам.
Таким образом, в приведенном мостовом измерителе параметров двухполюсников обеспечено и уравновешивание мостовой цепи только регулируемыми резисторами, и расширение функциональных возможностей, как в плане определять параметры не только эквивалентных, но и обратных двухполюсников, так и в плане определять, в принципе, (теоретически) неограниченное количество параметров двухполюсников объектов измерения. При этом сохранено такое важное свойство мостовой цепи, как раздельное уравновешивание.