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 многоэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №1150557, G 01 R 17/10, Б.И. 1985, №14), содержащий последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивания мостовой цепи только однотипными уравновешивающими регулируемыми элементами в виде регулируемых конденсаторов переменной емкости. Здесь имеется возможность раздельно уравновешивать мостовую цепь регулируемыми конденсаторами переменной емкости по двум из пяти параметров двухполюсника объекта измерения. Регулируемые конденсаторы не имеют трущихся контактов. Они перспективны и предпочтительны в тех практических случаях, где требуется плавная (не дискретная) регулировка и нежелательно использовать регулируемые резисторы переменного сопротивления, так как они имеют трущийся контакт. Такой контакт сравнительно быстро изнашивается и понижает срок службы элемента и изделия с его использованием, во время регулирования сопротивление в трущемся контакте нестабильно, оно также изменяется и в течение срока службы, и с изменением температуры, при перемещении трущегося контакта возникают искрение и соответственно помехи. Перечисленные факторы понижают надежность, повышают интенсивность отказов и уменьшают срок службы регулируемых резисторов и соответственно мостовых цепей и устройств с их использованием. Отсутствие трущихся контактов избавляют регулируемые конденсаторы переменной емкости от приведенных недостатков.
Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №1147986, G 01 R 17/10, Б.И. 1985, №12), содержащий последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мостовую цепь только однотипными уравновешивающими регулируемыми элементами в виде регулируемых конденсаторов переменной емкости. Здесь имеется возможность раздельно уравновешивать мостовую цепь регулируемыми конденсаторами переменной емкости по трем из пяти параметров двухполюсника объекта измерения.
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.53, рис. 2.8, мост 63), содержащий последовательно соединенные питающий генератор импульсов, мостовую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивать мост только однотипными уравновешивающими элементами в виде регулируемых конденсаторов переменной емкости.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении надежности и уменьшении интенсивности отказов моста при определении параметров двухполюсников за счет использования только однотипных уравновешивающих регулируемых элементов в виде регулируемых конденсаторов переменной емкости.
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 степенных функций , , …,  (где , , …, − постоянные коэффициенты, t - время, n − число параметров в объекте 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 двух клемм для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночного резистора, первая клемма подключена к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов, общий вывод второй клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, свободный вывод одиночного резистора заземлен, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно соединенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных первого конденсатора и второго резистора, второй конденсатор включен параллельно второму резистору, общий вывод первого резистора и первого конденсатора соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, общий вывод первого, второго резисторов и второго конденсатора соединен со второй клеммой, вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательного соединенных первого и второго конденсаторов, свободный вывод первого конденсатора соединен с общим выводом первого (сигнального) выхода генератора импульсов и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, свободный вывод второго конденсатора заземлен, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя также цепь из последовательно соединенных третьего конденсатора и резистора; нуль-индикатор, первый из двух выводов дифференциального входа которого соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены два дополнительных конденсатора, изменено включение элементов, определены цепи наращивания: тип элементов в них, количество элементов каждого типа, включение их между собой и подключение последующей цепи наращивания к предыдущей, определено количество цепей наращивания, первый и второй дополнительные конденсаторы включены между собой последовательно, свободный вывод первого из них подключен к общему выводу имеющегося во второй ветви мостовой цепи третьего конденсатора и имеющегося резистора, свободный вывод второго дополнительного конденсатора подключен к свободному выводу имеющегося резистора, свободный вывод имеющегося третьего конденсатора подключен к общему выводу имеющегося первого конденсатора и первого (сигнального) выхода генератора импульсов, общий вывод имеющегося резистора и дополнительного второго конденсатора подключен к общему выводу первого и второго имеющихся конденсаторов, четыре элемента из имеющегося третьего конденсатора, дополнительных первого, второго конденсаторов и имеющегося резистора образуют цепь наращивания с приведенным соединением элементов между собой, первым выводом входа цепи наращивания является свободный вывод имеющегося третьего конденсатора (вывод, соединенный с первым выходом генератора импульсов), вторым выводом входа цепи наращивания является общий вывод имеющегося резистора и второго дополнительного конденсатора, такие же выводы входа имеют последующие (вторая, третья и т.д.) цепи наращивания, они полностью совпадают с приведенной первой цепью наращивания, каждая последующая цепь наращивания подключается к предыдущей параллельно тому конденсатору, который в первой цепи наращивания является первым дополнительным конденсатором, вторым выводом выхода мостовой цепи является в последней цепи наращивания общий вывод тех двух конденсаторов, которые в первой цепи наращивания являются первым и вторым дополнительными конденсаторами, этот второй вывод соединен со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора, количество цепей наращивания равно n-1.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.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 степенных функций: формирователь 2 прямоугольных импульсов , формирователь 3 импульсов линейно измеряющегося напряжения , формирователь 4 квадратичных импульсов  и т.д. до , где , , …, − 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 этого генератора заземлена.
Мостовая цепь содержит две параллельно включенные ветви. Первая из них включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор 8 (R8). Первая клемма подключена к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов. Общий вывод второй клеммы и одиночного резистора 8 образует первый вывод выхода мостовой цепи. Свободный вывод одиночного резистора 8 заземлен. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно включенных первого резистора 9 (R9) и цепи из последовательно соединенных первого конденсатора 10(R10) и второго резистора 11 (R11). Второй конденсатор 12 (R12) включен параллельно резистору 11. Общий вывод резистора 9 и конденсатора 10 соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Общий вывод резистора 9, 11 и конденсатора 12 соединен со второй клеммой.
Вторая ветвь мостовой цепи содержит последовательно соединенные конденсатор 13 (С13) и конденсатор 14 (С14). Свободный вывод конденсатора 13 соединен с общим выводом первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и первого (сигнального) выхода генератора 1 импульсов. Свободный вывод конденсатора 14 заземлен. Параллельно конденсатору 13 подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора 15 (С15) и резистора 16 (R16). Параллельно резистору 16 включена цепь из последовательно соединенных конденсатора 17 (С17) и конденсатора 18 (C18).
Вторая ветвь мостовой цепи состоит из начальной части цепи и группы цепей наращивания. Начальную часть цепи составляет цепь из последовательно соединенных конденсаторов 13 и 14. Первая цепь наращивания включает в себя три конденсатора: 15, 17, 18 и резистор 16. На фиг.1 она выделена пунктирными линиями. Свободный вывод конденсатора 15 образует первый вывод входа цепи наращивания. Общий вывод резистора 16 и конденсатора 18 образует второй вывод входа цепи наращивания. Общий вывод конденсаторов 15, 17 и резистора 16 образует первый вывод выхода цепи наращивания. Общий вывод конденсаторов 17 и 18 образует второй вывод выхода цепи наращивания. Все последующие цепи наращивания (вторая, третья, …) имеют, как и первая цепь, такие же элементы, в таком же количестве и в таком же включении. Все они одинаковы. Они имеют также одинаковые выводы входа и выхода.
Для примера на фиг. 1 приведена вторая цепь наращивания и тоже выделена пунктирными линиями. Она содержит последовательно соединенные конденсатор 19(С19) и резистор 20(R20). Цепь из последовательно соединенных конденсаторов 21(С21) и 22(С22) включена параллельно резистору 20. Общее число цепей наращивания равно n-1. В последней цепи наращивания второй вывод выхода этой цепи является вторым выводом выхода мостовой цепи. В частности, на фиг. 1 общий вывод конденсаторов 21 и 22 образует второй вывод выхода мостовой цепи.
Оба вывода выхода мостовой цепи соответственно соединены с двумя выводами первого (дифференциального) входа нуль-индикатора 23. 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.
Вначале посредством коммутатора 5 на мостовую цепь подается последовательность импульсов прямоугольной формы. При воздействии на мост очередного прямоугольного импульса после окончания переходного процесса выходное напряжения мостовой цепи зависит от значений сопротивлений резисторов 8, 9 и от значений емкостей конденсаторов 13, 14 и 15. В интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса импульсное напряжение на дифференциальном входе нуль-индикатора 23, в качестве которого может использоваться осциллограф, имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения емкости уравновешивающего конденсатора 14 значение напряжения этой плоской вершины приводится к нулю. В результате выполняется первое условие равновесия
(1)
Полярность импульсного дифференциального напряжения на первом входе нуль-индикатора 23 определяет направление регулирования уравновешивающего конденсатора 14: в сторону увеличения значения емкости или в сторону ее уменьшения. Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 импульсов на второй вход нуль-индикатора 23 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 23 имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения емкости уравновешивающего конденсатора 18 значение напряжения плоской вершины приводится к нулю и выполняется второе условие равновесия
(2)
Как и ранее, полярность импульсного напряжения на дифференциальном входе нуль-индикатора 23 определяет направление регулирования значения емкости уравновешивающего конденсатора 18. Регулирование его не нарушает выполнение первого условия, т.к. эта емкость не входит в условие (1).
Аналогично далее посредством коммутатора 5 подключают к мостовой цепи импульсы квадратичной формы. Напряжение плоской вершины импульсов на дифференциальном входе нуль-индикатора 23 приводят к нулю однократной регулировкой значения емкости уравновешивающего конденсатора 22. Тогда выполняется третье условие равновесия.
(3)
Полярность импульсного напряжения на дифференциальном входе нуль-индикатора 23 определяет направление регулирования значения емкости уравновешивающего конденсатора 22. Регулирование его не нарушает выполнение первых двух условий равновесия (1) и (2), т.к. емкость С22 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 плоская вершина импульса с выхода мостовой цепи регулировкой значения емкостей, аналогичных вышеназванным уравновешивающих конденсаторов, а именно тех, которые на предыдущих этапах уравновешивания не входили в предыдущие условия равновесия, чтобы при регулировании не нарушать выполнение этих предыдущих условий равновесия.
Отсчет искомых параметров двухполюсника объекта измерения берется из условий равновесия. По существу n параметров находятся из n-уравнений (условий равновесия).
Таким образом, у приведенного устройства повышена надежность и уменьшена интенсивность отказов моста при определении параметров двухполюсников объектов измерения за счет того, что для уравновешивания здесь не используются регулируемые резисторы переменного сопротивления. Здесь используются только однотипные уравновешивающие регулируемые элементы в виде регулируемых конденсаторов переменной емкости. Уравновешивание мостовой цепи раздельное, что перспективно для автоматических измерений. Представленное решение является полным в том смысле, что оно пригодно, в принципе (теоретически), не только для определения трех, четырех, но и для любого произвольного числа параметров в двухполюсниках объектов измерений, что расширяет функциональные возможности.