Мостовой измеритель параметров двухполюсников
BRIDGE METER OF TWO-TERMINAL NETWORK PARAMETERS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехлементной схемой замещения.
Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников (А.с. СССР №1103695  G01R 17/10, БИ 1998, №3), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его являютя повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно "земли". Здесь заземлен один из четырех регулируемых уравновешивающих элементов. Образцовые регулируемые уравновешивающие элементы имеют существенно большие размеры, чем элементы с постоянными значениями параметров, поэтому и паразитные емкости этих элементов относительно «земли» тоже значительно больше. В указанном измерителе, в принципе, невозможно заземлить все  регулируемые уравновешивающие элементы, поэтому названные паразитные емкости и соответствующая составляющая погрешности измерения здесь обязательно присутствуют. От нестабильности паразитных емкостей возникает также дополнительная составляющая погрешности, т.к. они существенно изменяются с течением времени (от старения) и особенно сильно с изменением температуры. На незаземленные регулируемые элементы уравновешивания в более сильной степени оказывают вредное влияние электрические помехи и наводки. Кроме того, для уменьшения вредного влияния внешних электромагнитных полей и наводок уравновешивающие элементы нередко экранируют, тогда в случае незаземленности этих элементов возникает вопрос с какой вершиной электрического моста лучше соединять экраны. При этом каждый из имеющихся вариантов соединения экранов не является безупречным. Если же названные элементы заземлены, то очевидно, что экраны следует соединять с «землей». В случае регулирования незаземленных уравновешивающих элементов посредством использования матрицы резисторов, электронных ключей и управляющих электрических сигналов с электронного блока управления изменение значения сопротивления осуществляется за счет коммутации резисторов с соответствующими значениями сопротивлений. При этом возникают дополнительные трудности в связи с тем, что электрический управляющий сигнал передается от заземленного электронного блока управления к незаземленным электронным ключам. Тогда приходится вводить развязывающие элементы в виде трансформаторов или оптронных пар и соответствующие дополнительные согласующие электронные каскады. При заземленных уравновешивающих элементах приведенные трудности отсутствуют и нет необходимости в развязывающих элементах и дополнительных согласующих каскадах. В мостовых устройствах при прочих равных условиях предпочтение отдается мостовым цепям с наибольшим числом заземленных регулируемых уравновешивающих элементов и лучшим вариантом является тот, где заземлен один из двух выводов всех уравновешивающих элементов.
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 повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которые образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно "земли". Здесь заземлено три из пяти регулируемых уравновешивающих элементов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа электрический мост (Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988, с.66, рис.3.1, электрический мост 47.47), содержащий последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор. (Имеется большое , труднообозримое количество мостовых электрических цепей. Для отображения их приходится использовать в публикациях несколько страниц, например, рис. 2.8 на стр. 48-54 в публикации, приведенной в этом абзаце. В книге (Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока. Изд-во СО АН СССР, Новосибирск, 1961.) мостовые цепи отображены на вкладышах сравнительно большой площади, например вкладыш между стр.104 и 105. Для ослабления приведенного недостатка можно отображать четырехплечую мостовую цепь двумя параллельно включенными ветвями, каждая из которых имеет свой номер. Это сделано в первой публикации, приведенной в этом абзаце. Мост 47.47 содержит две одинаковые ветви, приведенные на стр.66, рис.3.1. Описание группы мостов, куда входит мостовая цепь 47.47, приведено на стр. 99-100,  а условия равновесия ее – в табл.3.10 на стр.169).
Недостатком его является  повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитных емкостей, которую образуют незаземленные регулируемые уравновешивающие элементы относительно "земли".
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитных емкостей относительно "земли" регулируемых уравновешивающих элементов и нестабильности этих паразитных емкостей. Названные паразитные емкости отсутствуют потому, что в измерителе используются только заземленные регулируемые уравновешивающие элементы.
0
1
3
5
0
1
3
5
0
1
3
5
Это достигается тем, что в мостовом измерителе параметров двухполюсников, содержащем генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов прямоугольной формы Кt, импульсов линейно изменяющегося напряженияКt, импульсов кубичной формы Кt и импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульса по закону пятой степени времени Кt, где К, К, К, К– постоянные  коэффициенты, а   t – текущее время, из коммутатора, усилителя мощности  и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора, выход его подключен ко входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора питающих импульсов, выход каскада синхронизации соединен со входом формирователя импульсов прямоугольной формы, а также выход этого каскада образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина последнего заземлена; четырехплечую мостовую электрическую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, первая из них включает в себя одиночный резистор первого плеча отношения и многоэлементный двухполюсник с уравновешивающими элементами из резистора, параллельно которому включена электрическая цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и индуктивной катушки, параллельно последней включен второй конденсатор, вторая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения и одиночный резистор второго плеча отношения, общий вывод первой клеммы и одиночного резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, двухполюсник объекта измерения состоит из резистора, параллельно которому включена электрическая цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и индуктивной катушки, параллельно последней включен второй конденсатор, общий вывод резистора и первого конденсатора двухполюсника объекта измерения соединен с первой клеммой, общий вывод резистора, индуктивной катушки и второго конденсатора соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения; нуль-индикатор, который имеет два вывода первого (дифференциального) входа, первый из них соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора подключен ко второму выходу (выходу синхронизации) генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, произведена совокупность двух изменений, первое из них заключается во введении дополнительного конденсатора и двух интеграторов, второе изменение заключается в изменении включения элементов, дополнительный конденсатор введен в многоэлементный двухполюсник с уравновешивающими элементами, первый вывод его соединен с общим выводом имеющихся резистора и первого конденсатора, второй вывод подключен к общему выводу имеющихся резистора, индуктивной катушки и второго конденсатора, два дополнительных интегратора введены в генератор питающих импульсов, вход первого из них соединен также с выходом формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения, а выход - со входом формирователя кубичных импульсов, вход второго интегратора соединен также с выходом формирователя кубичных импульсов, а выход – со входом формирователя импульсов с изменением напряжения по закону пятой степени времени, в первой ветви мостовой цепи общий вывод резистора, дополнительного конденсатора и первого конденсатора соединен с первым выводом одиночного резистора, полученный их общий вывод образует второй вывод выхода мостовой цепи и соединен со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора, свободный вывод одиночного резистора первой ветви мостовой цепи соединен со свободным выводом одиночного резистора во второй ветви, их общий вывод образует первый вывод (вывод входа) генераторной диагонали мостовой цепи, который соединен с первым (сигнальным) выходом генератора питающих импульсов, в первой ветви общий вывод резистора, дополнительного конденсатора, индуктивной катушки и второго конденсатора соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения второй ветви, полученный последний общий вывод образует второй вывод (вывод входа) генераторной диагонали мостовой цепи, который заземлен, в генераторе питающих импульсов выход формирователя прямоугольных импульсов соединен также со входом формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1).
0
1
3
5
0
1
3
5
1
3
5
0
1
3
5
1
3
5
Мостовой  измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, представленный блоками 2 - 10, который может формировать последовательности прямоугольных импульсов, линейно изменяющихся импульсов, кубичных импульсов, а также импульсов, изменяющихся по закону пятой степени. Формирователь 3 импульсов  обеспечивает формирование прямоугольных импульсов, изменяющихся по закону Кt и его выход соединен со входом формирователя 4 импульсов, который обеспечивает формирование линейно изменяющихся импульсов, изменяющихся по закону Кt и его выход соединен со входом интегатора 5, последовательно включенный с ним формирователь 6 импульсов обеспечивают формирование кубичных импульсов, изменяющихся по закону Кt и его выход соединен со входом   интегратора 7 импульсов, последовательно включенный с ним формирователь 8 импульсов обеспечивают формирование импульсов, изменяющихся по закону пятой степени Кt  , где К, К. К  и  К - постоянные  коэффициенты,  а   t - текущее время, причем формирователи импульсов 4(Кt), 6(Кt) и 8(Кt) выполнены на основе интеграторов.
Выходы  формирователей 3, 4, 6, 8 импульсов соединены также со входами коммутатора 9. Коммутатор 9 обеспечивает выбор одного из четырех видов импульсов, формируемых с помощью формирователей 3, 4, 6, 8  импульсов, и далее сигнал с его выхода подается на вход усилителя 10 мощности, с выхода которого усиленный по мощности сигнал поступает на первый выход генератора 1 питающих импульсов.  С выхода блока 2 синхронизации сигнал синхронизации поступает на вход  формирователя 3  импульсов, а также на второй выход генератора 1 питающих импульсов. Генератор 1 имеет два выхода,  первый выход относительно «земли» является выходом питающих сигналов. Второй выход генератора импульсов является выходом синхронизации. Общая шина генератора импульсов заземлена.
В первой ветви мостовой цепи последовательно включены одиночный резистор первого плеча отношения и двухполюсник с элементами уравновешивания. Двухполюсник с уравновешивающими элементами образуют резистор 12(R12), параллельно которому включены дополнительный конденсатор 13(С13), а также последовательно соединенные первый конденсатор 14(С14) и индуктивность 15(L15), параллельно которой включен второй конденсатор 16(С16). Свободный вывод одиночного резистора 11 соединен с первым выходом генератора импульсов. Общий вывод резистора 12, дополнительного конденсатора 13, первого конденсатора 14 и одиночного резистора 11 образует первый вывод выхода мостовой цепи. Общий вывод резистора 12, дополнительного конденсатора 13, индуктивности 15 и второго конденсатора 16 заземлен.
Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 17(R17) второго плеча отношения и двух клемм для подключения двухполюсника объекта измерения. Общий вывод одиночного резистора второго плеча отношения и первой клеммы образуют второй вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из резистора 18(R18) и включенных параллельно ему последовательно соединенных первого конденсатора 19(C19) и индуктивной катушки 20(L20), параллельно которой включен второй конденсатор 21(C21).
Оба вывода выхода моста соединены с  дифференциальным входом  нуль-индикатора 22. Общая шина нуль-индикатора 22 заземлена, вход синхронизации нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора 1 импульсов (выходом синхронизации).
Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе четырехплечей мостовой цепи равны нулю. Подадим на мост с генератора сигналов (посредством коммутатора 9) последовательность прямоугольных  импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения, разность которых определяет напряжение в измерительной диагонали мостовой цепи (выходное напряжение моста). Оно зависит от значений   сопротивлений 11(R11), 12(R12), 17(R17) и  18(R18). Первое условие равновесия моста –
1
12
17
11
18
А = RR– RR = 0.                                    (1)
Однократной  регулировкой  значения заземленного резистора 12 напряжение  плоской  вершины импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия моста (1). Равновесие моста здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 22 (осциллографу), при этом подача сигнала синхронизации со второго выхода генератора на второй вход нуль-индикатора 22, обеспечивает устойчивость его показаний.
Далее подадим на мост с генератора 1 последовательность линейно изменяющихся  импульсов. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается напряжение импульсного сигнала неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия моста –
2
19
17
13
14
11
А = СR  –  (С+С)  R  = 0.                          (2)
Однократной  регулировкой  значения заземленной емкости 13   напряжение плоской вершины импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, т.е. выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие (1) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр 13 в него не входит.
После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность кубичных импульсов. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия моста -
3
19
17
15
14
11
15
13
14
20
19
13
14
А = СRLС  – R[LСС+ LС(С+ С)]  = 0.            (3)
Однократной регулировкой значения заземленной индуктивности 15 приводим напряжение плоской вершины импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (3), при этом первые два условия равновесия (1), (2) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр  15 в них не входит.
После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность импульсов, изменяющихся по закону пятой степени . При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной.  Четвертое условие равновесия моста –
4
14
16
19
21
17
13
14
13
16
14
16
19
21
11
А = (С+ С)ССR– (СС+СС+СС)(С+С)R= 0.       (4)
Однократной  регулировкой  значения  емкости  16 приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем четвертое  условие равновесия (4), при этом первые три условия равновесия (1) - (3) не нарушаются, т.к. регулируемый здесь параметр 16 в них не входит.
Из приведенного вытекает, что мостовая цепь (фиг.1) обладает свойством раздельного зависимого уравновешивания, и уравновешивание следует   проводить   в   приведенной   выше   последовательности 12(R12),
13(С13), 15(L15), 16(С16). Из четырех уравнений [четырех условий равновесия (1) - (4)]  берется отсчет искомых четырех параметров: 18(R18), 19(С19), 20(L20), 21(C21)]. Значения параметров элементов 11(R11), 17(R17), 14(C14) являются постоянными и известными. Все регулируемые уравновешивающие элементы - 12(R12), 13(С13), 15(L15), 16(С16) заземлены, значения их параметров являются известными и регулируемыми.
Таким образом, данный мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет реализовать раздельное уравновешивание мостовой цепи при выполнении однократных регулировок значений уравновешивающих параметров, что упрощает и ускоряет проведение измерений. Все регулируемые элементы уравновешивания заземлены, поэтому отсутствуют их паразитные емкости относительно земли, как у незаземленных элементов, что исключает составляющие погрешности от паразитных емкостей относительно «земли» и от их нестабильности. Это в итоге приводит к уменьшению погрешности измерения.