МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE MEASURING DEVICE OF PARAMETERS OF BIPOLES

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 n-элементных пассивных двухполюсников [А.С. №1150556, 1985, Бюл.№14], 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. Кроме того, для уменьшения вредного влияния внешних электромагнитных полей и наводок уравновешивающие элементы нередко экранируют. Тогда в случае незаземленности этих элементов возникает неопределенность выбора вершины электрического моста, с которой было бы лучше соединить экраны. 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 электронных сигналов к ним возникают дополнительные трудности - необходимость применения развязывающих элементов, например, трансформаторов или оптронных пар. При заземлении всех уравновешивающих элементов такие трудности исключаются.
Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных двухполюсников [А.С. СССР №1247762, 1986, Бюл.№28], 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 элементы уравновешивания относительно «земли».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа способ измерения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [А.С. СССР №1397842 G01R 17/10, Б.И. 1988, №19, фиг.1], содержащий генератор импульсов линейно изменяющегося напряжения, генератор импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульсов по квадратичному закону, генератор импульсов с изменением напряжения по кубичному закону, четырехплечую мостовую электрическую цепь, равновесие мостовой цепи отмечается по осциллографу.
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 уравновешивающие элементы.
1
2
3
4
1
2
3
2
3
4
Это достигается тем, что в мостовом измерителе параметров двухполюсников, содержащем генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону kt, kt, kt и kt, где k, k, k - постоянные коэффициенты, t - текущее время, из коммутатора, из 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 импульсов относительно «земли», выход блока синхронизации соединен со 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 ко входу мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей мостовой цепи, первую ветвь моста образуют последовательно соединенные первый конденсатор, первый резистор и катушка индуктивности, параллельно которой включены и второй резистор, и второй конденсатор, общий вывод первого конденсатора и первого резистора образует первый вывод выхода мостовой цепи, общий вывод катушки индуктивности, второго резистора и второго конденсатора соединен с «землей»; вторую ветвь моста образуют последовательно включенные конденсатор и две клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения, общий вывод конденсатора второй ветви и первого конденсатора первой ветви образует вход мостовой цепи относительно «земли» и соединен с первым выходом генератора, общий вывод конденсатора второй ветви и первой клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма для подключения двухполюсник в объекта измерения соединена с «землей», двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которой включены и второй резистор и конденсатор; нуль-индикатор, первый вход которого (дифференциальный вход) соединяется с двумя выводами выхода мостовой цепи, второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введен в первую ветвь мостовой цепи дополнительный резистор, который включается между первым выводом выхода мостовой цепи и «землей».
Сущность изобретения поясняется чертежом.
2
3
4
Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные питающий генератор 1, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор 20. Генератор состоит из формирователей 2, 3, 4 и 5 последовательностей импульсов напряжения, изменяющегося в пределах длительности импульса пропорционально текущему времени t, t, t и t, и имеет два выхода, образованных тремя выводами, один из которых заземлен. Генератор импульсов содержит также коммутатор 6 и блок синхронизации 8. Входы коммутатора соединены с выходами формирователей, а выход его соединен с усилителем мощности 7, выход последнего является первым выходом генератора импульсов относительно «земли». Выход блока синхронизации соединен со входами синхронизации формирователей, а также этот выход является вторым выходом генератора импульсов относительно «земли (выходом синхронизации).
9
10
11
12
13
14
К первому выходу генератора импульсов подключен вход мостовой цепи, образованный общим выводом параллельно включенных двух ее ветвей. Первую ветвь мостовой цепи образуют последовательно соединенные первый конденсатор 9 (С), первый резистор 10 (R) и катушка индуктивности 11 (L), параллельно последней включены второй резистор 12 (R) и второй конденсатор 13 (C). Общий вывод катушки 11, резистора 12 и конденсатора 13 заземлен. Общий вывод конденсатора 9 и резистора 10 образует первый вывод выхода мостовой цепи. Между этим выводом и «землей» включен дополнительный (третий) резистор 14 (R).
15
Вторую ветвь моста образуют последовательно включенное одиночный конденсатор 15 (C) и две клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения. Общий вывод конденсатора 15 и первого конденсатора 9 первой ветви образует вход мостовой цепи относительно «земли», этот вывод соединен с первым выходом генератора импульсов. Общий вывод также конденсатора 15 и первой клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи, вторая клемма соединена с «землей». Первый и второй выводы выхода моста образуют относительно «земли» дифференциальный выход четырехплечей мостовой цепи.
16
17
18)
19
Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора 16 (R) и катушки индуктивности 17 (L), параллельно которой включены второй резистор 18(R и конденсатор 19 (C).
Выход мостовой цепи подключен к дифференциальному входу нуль-индикатора 20, его вход синхронизации соединен со вторым выходом генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена.
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 1 последовательность импульсов напряжения, изменяющегося по линейному закону. При действии очередного такого импульса на выходе моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной до момента окончания импульса.
Первое условие равновесия моста -
<mrow><mi>A</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
14
Однократной регулировкой значения сопротивления заземленного уравновешивающего резистора 14 (R) плоская вершина сигнала неравновесия приводится к нулю, тем самым выполняется первое условие равновесия моста (1). Равновесие моста здесь и в дальнейшем отмечается по нуль-индикатору 20, при этом сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 на второй вход нуль-индикатора обеспечивает устойчивость его показаний.
Затем на вход моста подаем с генератора 1 последовательность квадратичных импульсов. При действии очередного такого импульса по окончании переходного процесса на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Второе условие равновесия моста -
<mrow><mi>A</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>L</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>L</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
11
11
Однократной регулировкой значения индуктивности L заземленной катушки индуктивности 11 приводим плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия к нулю и выполняем второе условие равновесия (2), при этом первое условие равновесия (1) не нарушается, так как регулируемый здесь параметр L в него не входит.
Далее на вход моста подаем с генератора 1 последовательность кубичных импульсов. При действии очередного такого импульса с окончанием переходного процесса на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Третье условие равновесия моста -
<mrow><mi>A</mi><mn>3</mn><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
12
12
Однократной регулировкой параметра R заземленного резистора 12 приводим плоскую вершину импульсов напряжения неравновесия к нулю и выполняем третье условие равновесия (3), при этом первые два условия равновесия (1) и (2) не нарушаются, так как регулируемый здесь параметр R в них не входит.
4
4
Далее на вход моста подаем с генератора 1 последовательность импульсов, форма которых соответствует закону kt. При воздействии очередного такого импульса по окончании переходного процесса на выходе мостовой цепи устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия моста -
<mrow><mi>A</mi><mn>4</mn><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
13
13
Однократной регулировкой значения емкости C заземленного конденсатора 13 приводим плоскую вершину импульсов напряжения неравновесия к нулю и выполняем четвертое условие равновесия (4), при этом первые три условия равновесия (1), (2) и (3) не нарушаются, так как регулируемый здесь параметр C в них не входит.
14
11
12
13
16
17
18
19
9
10
15
11
12
13
14
Изложенное показывает, что раздельное уравновешивание мостовой цепи следует проводить в приведенной последовательности - 14(R), 11(L), 12(R), 13(C). По уравнениям условий равновесия (1), (2), (3) и (4) выполняется отсчет определяемых параметров элементов 16(R), 17(L), 18(R), 19(C). Значения параметров элементов 9(С), 10(R), 15(C) являются постоянными и известными. Параметры элементов 11(L), 12(R), 13(C) и 14(R) являются регулируемыми и также известными.
Таким образом, в данном мостовом измерителе параметров четырехэлементных двухполюсников раздельное уравновешивание при однократных регулировках значений регулируемых параметров производится только заземленными уравновешивающими элементами. Это позволяет исключить составляющие погрешности измерений, обусловленные паразитными емкостями регулируемых элементов.