МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ N-ЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE METRE OF N-ELEMENT DIPOLE PARAMETERS

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 измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников (АС СССР 1147986, G01R 17/10, БИ №12, 1985), содержащий последовательно соединенный генератор импульсов с изменением напряжений в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую цепь для определения параметров резистивно-емкостных (R-C) двухполюсников и нуль индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности уравновешивания мостовой цепи только однотипными уравновешивающими элементами в виде регулируемых конденсаторов переменной емкости. Регулируемые конденсаторы перспективны в тех практических случаях, когда требуется плавная (не дискретная) регулировка и нежелательно использовать регулируемые резисторы переменного сопротивления, так как они имеют трущийся контакт, который сравнительно быстро изнашивается, во время регулирования и в течение срока службы сопротивление трущихся контактов нестабильно (изменяется), при перемещении трущегося контакта возникают искрения и, соответственно, помехи. Перечисленные факторы понижают надежность регулируемых резисторов и, соответственно, мостовой цепи.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа электрический мост (АС СССР 983552, G01R 17/10, БИ №47, 1982), содержащий последовательно соединенный генератор импульсов сложной формы, мостовую цепь для определения параметров трехэлементных двухполюсников и индикатор равновесия.
Недостатком его является малые функциональные возможности, т.е. у него отсутствует возможность раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми конденсаторами переменной емкости при определении более трех параметров объектов измерения, что сужает его функциональные возможности.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей, т.е. оно должно позволять определять параметры двухэлементных, трехэлементных, четырехэлементных и т.д. двухполюсников при раздельном уравновешивании мостовой цепи только однотипными уравновешивающими элементами в виде регулируемых конденсаторов переменной емкости.
0
1
n-1
0
1
2
0
1
n-1
Поставленная задача решается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону Kt, Kt,…, Kt (где К, K, К,… - 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 относительно земли выход генератора импульсов, из блока синхронизации, выход которого соединен со входами синхронизации формирователей импульсов, а также его выход образует второй выход относительно земли генератора импульсов (выход синхронизации), общая шина генератора импульсов подключена к земле, а первый выход его соединен со входом электрического моста, первая из двух ветвей которого образована конденсатором плеча отношения, одним выводом подключенного ко входу моста, и сложной электрической цепью, состоящей из последовательно соединенных первого конденсатора и первого резистора, свободный вывод первого конденсатора подключен к свободному выводу конденсатора плеча отношения, а свободный вывод первого резистора подключен к общей шине моста, которая заземлена, из второго конденсатора, включенного параллельно первому резистору, из третьего конденсатора, включенного между входом моста и общим выводом первого, второго конденсаторов и первого резистора, общий вывод конденсатора плеча отношения и первого конденсатора образует первый вывод выхода моста, вторая ветвь электрического моста включена параллельно его первой ветви и состоит из последовательно соединенных конденсатора второго плеча отношения и двух клемм для подключения двухполюсника объекта измерения, который, в частности, состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и первого резистора, а также из последовательно соединенных второго конденсатора и второго резистора, которые включены параллельно первому резистору, общий вывод конденсатора второго плеча отношения и клеммы для подключения объекта измерения образует второй вывод выхода моста; нуль-индикатор, к первому входу которого подключены два вывода выхода моста (дифференциальный вход), ко второму входу (входу синхронизации) - второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены четвертый конденсатор и цепи наращивания, четвертый конденсатор одним выводом подключен к общему выводу первого резистора и трех конденсаторов сложной электрической цепи, каждая четырехэлементная цепь наращивания совпадает по составу и включению элементов с имеющейся цепью из первого резистора, второго, третьего и четвертого конденсаторов, эта имеющаяся цепь является первой цепью наращивания, каждая последующая цепь наращивания (вторая, третья и т.д.) подключается к свободному выводу четвертого конденсатора предыдущей цепи наращивания, к этому выводу подключается общий вывод первого резистора и трех конденсаторов (второго, третьего и четвертого) последующей цепи наращивания, общее число цепей наращивания равно n-2, начиная с n, равного четырем, последняя цепь наращивания является неполной и содержит три элемента: первый резистор, второй и третий конденсаторы при имеющемся (прежнем) их включении, количество формирователей импульсов в генераторе равно числу элементов в двухполюснике объекта измерения. Объект измерения 12 состоит из последовательно включенных резистора 13(R13) и конденсатора 14(С14), которые параллельно включены к резистору 16(R16) и последовательно к конденсатору 15(С15).
0
1
2
0
1
2
Измеритель содержит генератор импульсов 17, который состоит из формирователя 19 последовательности прямоугольных импульсов (Kt), формирователя 20 последовательности линейно-изменяющихся импульсов (Kt), формирователя 21 последовательности квадратичных импульсов (Kt) и т.д. В генератор входит коммутатор 22, входы которого соединены с выходами формирователей импульсов, а выход соединен с усилителем мощности 23, выход которого образует первый выход генератора импульсов. Имеется блок синхронизации 18, выходы которого соединены со входами синхронизации формирователей импульсов, а также его выход образует второй выход генератора импульсов (выход синхронизации). Общая шина генератора импульсов подключена к земле, а первый выход его соединен со входом электрического моста, первая из двух ветвей которого образована конденсатором плеча отношения 1 (С1), одним выводом подключенного ко входу моста, другим - к выводу конденсатора 2(С2). Общий вывод конденсаторов 1(С1) и 2(С2) образует первый вывод выхода моста, второй вывод конденсатора 2(С2) подключен к первой цепи наращивания, состоящей из резистора 3(R3), конденсаторов 4(С4), 5(С5) и 6(С6). Вывод конденсатора 6(С6) подключен ко второй цепи наращивания, состоящей из резистора 7(R7), конденсаторов 8(С8), 9(С9), 10(С10), вывод конденсатора 10(С10) подключен к третьей цепи наращивания и т.д. Общее число цепей наращивания равно n-2, начиная с n, равного четырем, n - число элементов в названном двухполюснике. Последняя цепь наращивания является неполной и содержит три элемента резистор и два конденсатора. Общий вывод конденсатора 11(С11) второго плеча отношения и клеммы для подключения объекта измерения образует второй вывод выхода моста. Нуль-индикатор 24, к первому входу которого (дифференциальному входу) подключены два вывода выхода моста, ко второму входу (входу синхронизации) - второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатор заземлена. Объект измерения 12 состоит из последовательно включенных резистора 13(R13) и конденсатора 14(С14), которые параллельно включены к резистору 16(R16) и последовательно к конденсатору 15(С15).
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии напряжение на входе и выходе моста равно нулю. Конденсаторы 1(С1), 11(С11) имеют постоянные и известные значения емкости. Резисторы 3(R3), 7(R7),… имеют постоянные и известные значения. Регулируемые конденсаторы 2(С2), 4(С4), 5(С5), 6(С6), 8(С8), 9(С9),… имеют известные регулируемые значения и являются уравновешивающими элементами. Емкости 15(С15) и 14(С14),… сопротивления 13(R13), 16(R16),… - измеряемые параметры объекта измерения.
В начале коммутатором 22 подключаем к мосту импульсы прямоугольной формы 19. При воздействии прямоугольного импульса в установившемся режиме в ветвях устанавливаются нулевые токи и напряжение неравновесия зависит только от емкостей конденсаторов 1(С1), 2(С2), 11(С 11), 15(С15). Однократной регулировкой емкости конденсатора 2(С2) приводят плоскую вершину сигнала на выходе к нулю, т.е. выполняется первое условие равновесия
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Равновесие отмечает нуль-индикатор 24. Из условия равновесия (1) по значениям известных параметров 1, 2, 11 определяется значение неизвестного параметра 15 объекта измерения. После первого уравновешивания коммутатором 22 подключаем к электрическому мосту импульсы линейно изменяющейся формы. При воздействии очередного импульса в мосту устанавливаются неизменяющиеся токи после окончания переходного процесса. Условие равновесия на этом этапе
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Однократной регулировкой емкости конденсатора 5(С5) приводят к нулю плоскую вершину сигнала неравновесия. Равновесие здесь и в дальнейшем отмечают по нуль-индикатору 24. Первое условие равновесия при этом не нарушается, т.к. емкость конденсатора 5(С5) в него не входит. Из условия равновесия (2) по значениям известных параметров определяется значение неизвестного параметра 16 объекта измерения. После второго уравновешивания коммутатором 22 подключаем к электрическому мосту импульсы с изменением напряжения по квадратичному закону. После окончания переходного процесса импульсное напряжение неравновесия имеет плоскую вершину до момента окончания питающего импульса. Условие равновесия записывается в виде:
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>C</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>5</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>4</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext>        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Совместной, попарной или раздельной регулировкой емкостей конденсаторов 4(С4), 6(С6), 9(С9) приводят к нулю плоскую вершину сигнала неравновесия. Необходимо отметить, что при выборе регулируемых элементов предпочтение можно отдать заземленным элементам, т.к. при этом устраняется составляющая погрешности от паразитных емкостей относительно земли. Предыдущие два условия равновесия не нарушаются, т.к. С4, С6, С9 в них не входят. Из условия равновесия (3) по известным значениям параметров мостовой цепи определяется неизвестное значение параметра 14 объекта измерения и т.д.
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 названных выше регулируемых уравновешивающих конденсаторов, но только тех, которые на предыдущих этапах уравновешивания не входили в предыдущие условия равновесия, чтобы не нарушить выполнения этих предыдущих условий равновесия. Отсчет искомых параметров двухполюсника объекта измерения берется из условий равновесия.
Уравновешивание мостовой цепи раздельное, что перспективно для автоматических измерений и реализуется только регулировкой конденсаторов переменной емкости. Приведенное решение является полным в том смысле, что оно пригодно, в принципе (теоретически), для любого произвольного числа элементов в двухполюснике объекта измерений, что расширяет функциональные возможности.