МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE METER OF PARAMETERS OF DIPOLES

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения.
Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников (а.с. СССР №1247762, G01R 17/10. БИ №28, 1986), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую 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». 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 электронных ключей и управляющих электрических сигналов с блока управления возникают дополнительные трудности и необходимость использования развязывающих элементов, например трансформаторов или оптронных пар. При заземленных уравновешивающих элементах такие трудности отсутствуют. В мостовых устройствах при прочих равных условиях отдают предпочтение мостовым цепям со всеми заземленными регулируемыми элементами уравновешивания.
Известен мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников (а.с. СССР №1147986, G01R 17/10. БИ №12, 1985), 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».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников (а.с. СССР №945805, G01R 17/10. БИ №27, 1982), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов сложной формы, 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».
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
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону Kt, Kt, Кt и Кt, где К, K, К и К - постоянные коэффициенты, a t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и блока синхронизации, выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора, выход его подключен к входу усилителя мощности, выход которого образует первый выход генератора импульсов относительно "земли", выход блока синхронизации соединен с входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов, а также выход его образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов относительно "земли", общая шина генератора импульсов заземлена; первый выход генератора импульсов подключен к входу четырехплечей мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей моста, первую ветвь образуют последовательно соединенные две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения и одиночный резистор первого плеча отношения мостовой цепи, первая клемма подключена к первому выходу генератора импульсов, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которым включен конденсатор, а также последовательно с трехэлементной цепью включен второй резистор, свободный вывод одиночного резистора заземлен, а общий вывод его и второй клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи, вторая ветвь мостовой цепи образована последовательно соединенными одиночным конденсатором второго плеча отношения моста и двухполюсником элементов уравновешивания мостовой цепи, состоящим из последовательно соединенных первого конденсатора, первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которой включен второй резистор, свободный вывод одиночного конденсатора подключен к первому выходу генератора импульсов, свободный общий вывод катушки индуктивности и второго резистора заземлен, общий вывод одиночного конденсатора и двухполюсника элементов уравновешивания моста образует второй вывод выхода мостовой цепи; нуль-индикатор, первый вход которого (дифференциальный вход) соединяется с двумя выводами выхода мостовой цепи, второй его вход (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительный конденсатор и дополнительный резистор, они введены в двухполюсник с уравновешивающими элементами мостовой цепи, дополнительный конденсатор включен между вторым выводом выхода моста и "землей", а дополнительный резистор - между общим выводом первого конденсатора и первого резистора второй ветви моста и "землей".
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1). Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор питающих импульсов 1, представленный блоками 2-8, который может формировать последовательности прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов. Формирователь импульсов 2 обеспечивает формирование прямоугольных импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 3 обеспечивает формирование линейно изменяющихся импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов 4 обеспечивает формирование квадратичных импульсов, изменяющихся по закону Kt; формирователь импульсов обеспечивает формирование кубичных импульсов, изменяющихся по закону Kt, где К, K, K и К - постоянные коэффициенты, a t - текущее время. Коммутатор 6 обеспечивает выбор одного из четырех видов импульсов, формируемых с помощью формирователей импульсов 2-5, и далее сигнал с его выхода подается на вход усилителя мощности 7, с выхода которого усиленный по мощности сигнал поступает на первый выход генератора питающих импульсов 1. С выхода блока 8 синхронизации сигнал синхронизации поступает на входы формирователей импульсов 2-5, а также на второй выход генератора питающих импульсов 1. Генератор 1 имеет два выхода, первый выход относительно «земли» является выходом питающих сигналов и подключен к первому выводу генераторной диагонали моста, заземленный вывод первого выхода генератора соединен со вторым выводом генераторной диагонали, второй выход генератора импульсов является выходом синхронизации. В первой ветви мостовой цепи последовательно включены двухполюсник объекта измерения, состоящий из последовательно соединенных первого резистора 9(R9) и катушки индуктивности 10(L10), параллельно которым включен конденсатор 11(СИ). Последовательно с вышеупомянутой трехэлементной цепью включен второй резистор 12(R12) и одиночный резистор первого плеча отношения 13(R13). Во второй ветви мостовой цепи последовательно включены одиночный конденсатор второго плеча отношения 14(С14) и двухполюсник элементов уравновешивания. Двухполюсник элементов уравновешивания состоит из последовательно соединенных первого конденсатора 15(С15), первого резистора 16(R16) и катушки индуктивности 17(L17), параллельно которой включен второй резистор 18 (R18). Вторая емкость 19(С19) подключена параллельно имеющейся цепи из последовательно соединенных первого конденсатора 15(С15), первого резистора 16(R16) и катушки индуктивности 17(L17). Третий резистор 20(R20) подключен параллельно имеющейся цепи из последовательно соединенных первого резистора 16(R16) и катушки индуктивности 17(L17). Общий выход двухполюсника объекта измерения и одиночного конденсатора 14(С14) второго плеча отношения образует первый вывод генераторной диагонали мостовой цепи. Общий вывод одиночного резистора 13(R13) первого плеча отношения и двухполюсника элементов уравновешивания заземлен и образует второй вывод генераторной диагонали мостовой цепи. В первой ветви мостовой цепи общий вывод двухполюсника объекта измерения и одиночного резистора 13(R13) первого плеча отношения образует первый вывод измерительной диагонали мостовой цепи. Во второй ветви мостовой цепи общий вывод одиночного конденсатора 14(С14) второго плеча отношения и двухполюсника элементов уравновешивания образует второй вывод измерительной диагонали мостовой цепи. Первый и второй выводы измерительной диагонали образуют относительно «земли» дифференциальный выход четырехплечей мостовой цепи, который соединен с дифференциальным входом нуль-индикатора 21. Общая шина нуль-индикатора 21 заземлена, а второй вход нуль-индикатора 21 - вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора 1.
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 последовательность импульсов прямоугольной формы. При воздействии очередного импульса в установившемся режиме в ветвях мостовой цепи устанавливаются неизменяющиеся напряжения, разность которых определяет напряжение в измерительной диагонали мостовой цепи (выходное напряжение моста). Оно зависит от значений емкостей 14(С14), 15(С15), 19(С19) и от значений сопротивлений 9(R9), 12(R12), 13(R13). Первое условие равновесия моста
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Однократной регулировкой значения заземленного конденсатора 19(С19) плоская вершина импульсного сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия моста (1). Равновесие моста здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 21 (осциллографу), при этом подача сигнала синхронизации со второго выхода генератора на второй вход нуль-индикатора 21 обеспечивает устойчивость его показаний. Далее подаем на мост последовательность импульсов линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного такого импульса на выходе моста, после окончания переходного процесса, устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия моста
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mmultiscripts><mo stretchy="false">)</mo><mprescripts /><mrow><mn>19</mn></mrow><none /></mmultiscripts><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>−</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
Выполнить его можно регулировкой сопротивления регулируемого заземленного резистора 20(R20). Однократной регулировкой значения этого резистора приводим плоскую вершину импульсного сигнала неравновесия к нулю, т.е. выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие (1) не нарушается, т.к. регулируемый здесь параметр 20(R20) в него не входит. После этого подаем на мост с генератора последовательность квадратичных импульсов. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия моста
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mmultiscripts><mo stretchy="false">)</mo><mprescripts /><mrow><mn>19</mn></mrow><none /></mmultiscripts><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo></mtd></mtr></mtable>
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
Однократной регулировкой заземленной индуктивности 17(L17) приводим плоскую вершину 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 17(L17) в них не входит. После этого подаем на мост с генератора последовательность кубичных импульсов. При воздействии очередного импульса, после окончания переходного процесса, на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия моста
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>{</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>L</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow><mrow /></msubsup><msub><mi>C</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>}</mo><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
Однократной регулировкой сопротивления регулируемого резистора 18(R18) 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 18(R18) 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 19(С19), 20(R20), 17(L17), 18(R18). Из четырех уравнений [четырех условий равновесия (1)-(4)] берется отсчет искомых четырех параметров: 9(R9), 10(L10), 11(C11), 12(R12). Значения параметров элементов 13(R13), 14(С14), 15(С15), 16(R16) являются постоянными и известными. Все регулируемые уравновешивающие элементы - 19(С19), 20(R20), 17(L17), 18(R18) заземлены. Значения их параметров являются известными.
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, что исключает составляющие погрешности от паразитных емкостей незаземленных уравновешивающих элементов мостовой цепи и от нестабильности этих паразитных емкостей.