МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE MEASURING DEVICE FOR MEASURING PARAMETERS OF TWO-TERMINAL CIRCUITS

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 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 являются 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 мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников (А.с. СССР №918862, G01R 17/10, БИ 1982, №13), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной 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". Здесь заземлены два из четырех регулируемых уравновешивающих элементов.
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
4
0
1
3
4
0
1
3
4
Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, который состоит из формирователей импульсов прямоугольной формы Kt, импульсов линейно изменяющегося напряжения Kt, импульсов кубичной формы Kt и импульсов с изменением напряжения в течение длительности импульса по закону четвертой степени времени Kt, где K, K, K, K - постоянные коэффициенты, a 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 генератора импульсов заземлена; четырехплечую мостовую электрическую цепь, которая состоит из двух параллельно включенных ветвей, в каждой ветви имеются последовательно соединенные одиночный резистор плеча отношения и многоэлементный двухполюсник плеча сравнения, общий вывод одиночного резистора и многоэлементного двухполюсника в первой ветви образует первый вывод выхода мостовой цепи, такой же общий вывод во второй ветви образует второй вывод выхода моста, многоэлементный двухполюсник первой ветви включает в себя параллельно включенные первый резистор и цепь из последовательно соединенных конденсатора и индуктивной катушки, параллельно последней включен второй резистор, вторая ветвь включает одиночный резистор и две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, который состоит из последовательно соединенных первого резистора и индуктивной катушки, параллельно последней включена цепь из последовательно соединенных конденсатора и второго резистора, свободный вывод первого резистора подключен к первой клемме для подключения двухполюсника объекта измерения, общий вывод индуктивной катушки и второго резистора подключен ко второй клемме, эта вторая клемма соединена также со свободным выводом одиночного резистора первой ветви мостовой цепи; нуль-индикатор, к первому (дифференциальному) входу которого подключены оба вывода выхода мостовой цепи, ко второму входу (входу синхронизации) подключен второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены дополнительный конденсатор и интегратор, в первой ветви мостовой цепи дополнительный конденсатор включен параллельно имеющемуся первому резистору, общий вывод первого резистора, дополнительного конденсатора, индуктивности и второго резистора первой ветви моста соединен со свободным выводом одиночного резистора второй ветви, этот общий вывод заземлен, а общий вывод одиночного резистора первой ветви моста и второй клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения второй ветви соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, выход формирователя прямоугольных импульсов соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом интегратора, выход которого соединен со входом формирователя кубичных импульсов, выход последнего соединен не только с соответствующим входом коммутатора, но и со входом формирователя импульсов с изменением напряжения по закону четвертой степени времени.
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1).
0
1
3
4
0
1
3
4
1
3
4
0
1
3
4
1
3
4
Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, представленный блоками 2-9, который может формировать последовательности прямоугольных импульсов, линейно изменяющихся импульсов, кубичных импульсов, а также импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени. Формирователь 3 импульсов обеспечивает формирование прямоугольных импульсов, изменяющихся по закону Kt, и его выход соединен со входом формирователя 4 импульсов, который обеспечивает формирование линейно изменяющихся импульсов, изменяющихся по закону Kt, и его выход соединен со входом интегатора 5, последовательно включенный с ним формирователь 6 импульсов обеспечивает формирование кубичных импульсов, изменяющихся по закону Kt, и его выход соединен со входом формирователя 7 импульсов, который обеспечивает формирование импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени Kt, где K, K, K и K - постоянные коэффициенты, a t - текущее время, причем формирователи импульсов 4(Kt), 6(Kt) и 7(Kt) выполнены на основе интеграторов.
Выходы формирователей 3, 4, 6, 7 импульсов соединены также со входами коммутатора 8. Коммутатор 8 обеспечивает выбор одного из четырех видов импульсов, формируемых с помощью формирователей 3, 4, 6, 7 импульсов, и далее сигнал с его выхода подается на вход усилителя 9 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 двухполюсник с элементами уравновешивания и одиночный резистор 15(R15) первого плеча отношения.
Двухполюсник с уравновешивающими элементами образуют параллельно соединенные первый резистор 10(R10) и дополнительный конденсатор 11(C11), параллельно которым включены последовательно соединенные конденсатор 12(C12) и индуктивная катушка 13(L13), параллельно которой включен второй резистор 14(R14). Общий вывод первого резистора 10(R10), дополнительного конденсатора 11(C11), конденсатора 12(C12) и одиночного резистора 15(R15) образует первый вывод выхода мостовой цепи. Общий вывод первого резистора 10(R10), дополнительного конденсатора 11(C11), индуктивности 13(L13) и второго резистора 14(R14) заземлен.
Во второй ветви моста последовательно соединены одиночный резистор 16(R16) второго плеча отношения, первая клемма для подключения одного из выводов двухполюсника объекта измерения, двухполюсник объекта измерения и вторая клемма для подключения другого его вывода. Общий вывод первой клеммы и одиночного резистора 16(R16) образует второй вывод выхода мостовой цепи. Свободный вывод одиночного резистора 16(R16) заземлен. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно соединенных первого резистора 17(R17) и индуктивности 18(L18), параллельно которой включены последовательно соединенные конденсатор 19(C19) и второй резистор 20(R20). Свободный вывод одиночного резистора 15(R15) первого плеча отношения, индуктивности 18(L18) и второго резистора 20(R20) двухполюсника объекта измерения соединены с первым выходом генератора импульсов. Оба вывода выхода моста соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 21. Общая шина нуль-индикатора 21 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 последовательность прямоугольных импульсов посредством коммутатора 8. 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 10(R10), 15(R15), 16(R16) и 17(R17). Первое условие равновесия моста -
Однократной регулировкой значения заземленного резистора 10(R10) 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 1 на второй вход нуль-индикатора 21 обеспечивает устойчивость его показаний.
Далее подадим на мост с генератора 1 последовательность линейно изменяющихся 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. Второе условие равновесия моста -
Однократной регулировкой значения заземленной емкости 11(C11) 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 11 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 -
Однократной регулировкой значения заземленной индуктивности 13(L13) 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 13 в них не входит.
После этого подаем на мост с генератора 1 последовательность импульсов, изменяющихся по закону четвертой степени. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса на выходе моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Четвертое условие равновесия моста -
Однократной регулировкой значения сопротивления заземленного резистора 14(R14) 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 14 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 10(R10), 11(C11), 13(L13), 14(R14). Из четырех уравнений [четырех условий равновесия (1) - (4)] берется отсчет искомых четырех параметров: 17(R17), 18(L18), 19(C19), 20(R20). Значения параметров элементов 12(C12), 15(R15), 16(R16) являются постоянными и известными. Все регулируемые уравновешивающие элементы - 10(R10), 11(C11), 13(L13), 14(R14) 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.