Измеритель параметров объектов на основе многоветвийной мостовой цепи
MEASURING INSTRUMENT FOR PARAMETERS OF OBJECTS BASED ON MULTI-BRANCH BRIDGE CIRCUIT

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, оно позволяет определять параметры многоэлементных двухполюсников, параметры датчиков с многоэлементной схемой замещения или параметры нескольких параметрических датчиков.
Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [Передельский Г.И. А.С. 1147986 G01R 17/10, 1985, № 12], содержащий последовательно соединённые генератор 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. Образцовые регулируемые резисторы в изготовлении являются более технологичными, простыми и недорогими по сравнению с изготовлением образцовых регулируемых конденсаторов и образцовых регулируемых индуктивных катушек. У них выше класс точности, меньше габаритные размеры и вес. На них меньшее влияние оказывают электрические и магнитные поля, а также атмосферные условия. При прочих равных условиях предпочтение отдаётся мостовым цепям с наибольшим числом резисторов в качестве регулируемых уравновешивающих элементов, и лучшим вариантом здесь является уравновешивание мостовых цепей только резистивными уравновешивающими элементами.
Известен электрический мост [Передельский Г.И. А.С. 998967 G01R 17/10, 1983, № 7], содержащий последовательно соединённые генератор импульсов трапецеидальной формы, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие раздельного уравновешивания по двум из четырёх измеряемых параметров.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа электрический мост [Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатоммиздат, 1988, стр. 51, мост 48], содержащий питающий генератор, мостовую электрическую цепь и индикатор нуля.
Недостатком его является отсутствие возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми резисторами.
Это достигается тем, что измеритель параметров объектов на основе многоветвийной мостовой цепи, содержащий генератор последовательностей питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степных 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 соединён со входами синхронизации каждого формирователя импульсов, а также его выход образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора заземлена; мостовую электрическую цепь, первая ветвь которой состоит из последовательно соединённых одиночного резистора и двух клемм для подключения двухполюсника объекта измерения, свободный вывод одиночного резистора подключен к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов, общий вывод одиночного резистора и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединённых первого резистора и первой индуктивной катушки, параллельно последней подключена цепь из последовательно соединённых второго резистора и второй индуктивной катушки, свободный вывод первого резистора соединён с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения, а общий вывод первой и второй индуктивных катушек − со второй клеммой, вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединённых первого и второго резисторов, свободный вывод первого из них соединён с общим выводом первого (сигнального) выхода генератора импульсов и одиночного резистора первой ветви мостовой цепи, общий вывод первого и второго резисторов образует второй вывод выхода мостовой цепи, а свободный вывод второго резистора заземлён, параллельно последнему резистору включены последовательно соединённые третий резистор и индуктивная катушка; нуль-индикатор, два вывода первого (дифференциального) входа которого соединены с двумя выводами входа мостовой цепи, второй вход нуль-индикатора (вход синхронизации) соединён со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительный резистор, цепи наращивания и определены эти цепи наращивания: тип элементов в них, количество элементов каждого типа, включение их между собой и подключение последующей цепи наращивания к предыдущей и, наконец, определено количество цепей наращивания, дополнительный резистор включен между общим выводом третьего резистора второй ветви мостовой цепи и индуктивной катушки и общим выводом первого (сигнального) выхода генератора импульсов, одиночного резистора первой ветви мостовой цепи и первого резистора второй ветви, три элемента из имеющихся во второй ветви мостовой цепи, третий резистор, индуктивная катушка и дополнительный резистор (два резистора и одна индуктивная катушка), образуют цепь наращивания с приведённым соединением элементов между собой, входом каждой цепи наращивания является свободный вывод резистора, соответствующего третьему резистору в выделенной первой цепи наращивания, выход каждой цепи наращивания образует общий вывод имеющихся трёх элементов, что соответствует, в частности, общему выводу в выделенной первой цепи наращивания третьего резистора, индуктивной катушки и дополнительного резистора, вход последующей цепи наращивания соединяется с выходом предыдущей такой цепи, в каждой цепи наращивания свободный вывод имеющейся индуктивной катушки заземлён, а свободный вывод резистора, соответствующего дополнительному резистору в выделенной первой цепи наращивания, соединён с общим выводом первого (сигнального) выхода генератора импульсов, одиночного резистора первой ветви мостовой цепи и первого резистора второй ветви, приведённая вторая цепь наращивания включает в себя первый резистор, подключённый к выходу первой цепи наращивания, и последовательно соединённые второй резистор и индуктивную катушку, к общему выводу последних подключен второй вывод первого резистора, свободный вывод второго резистора соединён с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов, а свободный вывод индуктивной катушки заземлен, общее 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 степных функций: формирователь 2 прямоугольных импульсов  формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения  формирователь 4 квадратичных импульсов  и т.д. до где  …,  − постоянные коэффициенты, t − время, n − число параметров в двухполюснике объекта измерения. Выход каждого формирователя соединён 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 1 импульсов. Общая шина этого генератора заземлена.
Первая ветвь мостовой цепи включает в себя последовательно соединённые одиночный резистор 8 и две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения. Свободный вывод одиночного резистора 8 соединён с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов. Общий вывод этого резистора и первой клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма заземлена. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединённых первого резистора 9 и первой индуктивной катушки 10. Параллельно последней включены последовательно соединённые второй резистор 11 и вторая индуктивная катушка 12. Свободный вывод резистора 9 подключен к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения, а общий вывод индуктивных катушек 10 и 12 − ко второй клемме.
Вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединённых резистора 13 и резистора 14. Свободный вывод резистора 13 соединен с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов, а свободный вывод резистора 14 заземлён. Общий вывод последних двух резисторов образует второй вывод выхода мостовой цепи.
Параллельно резистору 14 включены последовательно соединённые резистор 15 и индуктивная катушка 16. Резистор 17 включен между общим выводом резистора 15 и индуктивной катушки 16 и первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов. Последовательно соединённые индуктивная катушка 16 и резистор 17 образуют третью ветвь мостовой цепи. Четвёртую ветвь её образуют последовательно соединённые резистор 18 и индуктивная катушка 19. Резистор 20 включен между общим выводом элементов 15, 16 и 17 и общим выводом элементов 18 и 19. Резистор 15 является элементом связи между второй ветвью на элементах 13 и 14 и третьей ветвью на элементах 16 и 17. Резистор 20 тоже является элементом связи между третьей (16, 17) и четвёртой (18, 19) ветвями мостовой цепи. Элемент связи 15 и третья ветвь (16, 17) образуют первую цепь наращивания. На фиг. 1 она выделена пунктирными линиями. Элемент связи 20 совместно с четвёртой ветвью (18, 19) являются второй цепью наращивания, которая на фиг. 1 тоже выделена пунктирными линиями. Вход каждой цепи наращивания относительно «земли» образует свободный вывод резистора связи. Выход каждой цепи наращивания относительно «земли» образует общий вывод всех трёх имеющихся в них элементов. Например, в первой такой ветви это общий вывод резистора 15, индуктивной катушки 16 и резистора 17. Вход каждой последующей цепи наращивания соединяется с выходом предыдущей такой цепи. Исходная (классическая) мостовая электрическая цепь содержит четыре плеча и две ветви. Известные мосты, имеющие более четырёх плеч, относятся к многоплечим мостовым электрическим цепям. Аналогично мосты, содержащие более двух ветвей, являются многоветвийными мостовыми цепями. В рассматриваемом измерителе имеется многоветвийная мостовая электрическая цепь.
Два вывода выхода мостовой цепи подключаются к первому (дифференциальному) входу нуль-индикатора 21. Общая шина его заземлена. Второй вход (вход относительно «земли») нуль-индикатора соединён со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора 1 импульсов.
Перед началом работы реактивные элемента мостовой цепи свободны от запасов электрической энергии. Входное и выходное напряжения моста равны нулю.
Измеритель параметров объектов на основе многоветвийной мостовой цепи 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 напряжение мостовой цепи зависит от значений сопротивлений резисторов 8, 9, 13, 14 и 15. В интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса импульсное напряжение на дифференцальном входе нуль-индикатора 21, в качестве которого может использоваться осциллограф, имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 14 значение напряжения этой плоской вершины приводят к нулю. В результате выполняется первое условие равновесия
(1)
где  и  - сопротивления резисторов 8, 9, 13, 14 и 15 соответственно.
Полярность импульсного дифференциального напряжения на первом входе нуль-индикатора 21 определяет направление регулирования уравновешивающего резистора 14: в сторону увеличения значения сопротивления или в сторону его уменьшения. Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 импульсов на второй вход нуль-индикатора 21 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 21 имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 17 значение напряжения плоской вершины приводится к нулю и выполняется второе условие равновесия
(2)
где  − сопротивление резистора 17,  и − индуктивности индуктивных катушек 10 и 16 соответственно. Как и ранее, полярность импульсного напряжения на дифференциальном (первом) входе нуль-индикатора 21 определяет направление регулирования значения сопротивления уравновешивающего резистора 17. Регулирование его не нарушает выполнение первого условия равновесия (1), т.к. это сопротивление в него не входит.
Для примера приведены и описаны два этапа уравновешивания мостовой цепи. Последующие этапы уравновешивания являются аналогичными. На каждом из них используется очередная (последующая) форма импульсов генератора 1, приводится к нулю после окончания переходного процесса напряжение плоской вершины импульса с выхода мостовой цепи регулировкой значения сопротивлений, аналогичных вышеназванным уравновешивающим резисторам, а именно тех, которые на предыдущих этапах уравновешивания не входили в предыдущие условия равновесия, чтобы при регулировании не нарушать выполнение этих предыдущих условий равновесия.
Отсчёт искомых параметров двухполюсника объекта измерения берётся из условий равновесия. По существу, n параметров находятся из n уравнений (условий равновесия).
Таким образом, в измерителе параметров объектов на основе многоветвийной мостовой цепи имеется раздельное уравновешивание при однократных регулировках значений сопротивлений только образцовыми резисторами.