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

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и управлению и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения и физических величин посредством параметрических датчиков.
Известен мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников (А.С. СССР №1150557, G 01 R17/10, Б.И. 1985, №14), содержащий последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных 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, чем изготовление образцовых регулируемых конденсаторов и образцовых регулируемых катушек индуктивности. У них выше класс точности, меньше габаритные размеры и меньше вес. На них меньшее влияние оказывают электрические и магнитные поля, шумы, наводки, случайные флуктуации, а также изменяющиеся атмосферные условия.
Известен электрический мост (А.С. СССР №998967, G01R 17/10, Б.И. 1983, №7), содержащий последовательно соединенные генератор питающих трапецеидальных импульсов, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие раздельного уравновешивания по всем измеряемым параметрам. Здесь имеется раздельное уравновешивание только по двум из четырех измеряемых параметров, но уравновешивание осуществляется только регулируемыми резисторами.
Известен мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников (А.С. СССР №1147986, G 01 R17/10, Б.И. 1985, №12), содержащий генератор питающих 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 регулируемыми резисторами.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа электрический мост. (Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием.- М.: Энергоатомиздат, 1988, стр.53, рис.2.8, мост 63), содержащий последовательно соединенные питающий генератор импульсов, мостовую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми резисторами.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении возможности раздельно уравновешивать мостовую цепь только регулируемыми резисторами, что по сравнению с регулируемыми конденсаторами и регулируемыми катушками индуктивности соответствует использованию для уравновешивания только элементов с комплексом положительных показателей: по точности (выше класс точности), по технологичности изготовления, по габаритным размерам, весу и стоимости, по устойчивости к электрическим и магнитным полям, к шумам и наводкам, по устойчивости к изменению атмосферных условий.
0
1
2
3
0
3
0
1
2
3
Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор последовательностей питающих импульсов, который состоит из формирователя прямоугольных импульсов (Kt), формирователя импульсов линейно измеряющегося напряжения (Kt), формирователя квадратичных импульсов (Kt), и формирователя кубичных импульсов (Kt), где K,…, K - постоянные коэффициенты, t - текущее время, из коммутатора, каждый вход которого соединен с выходом одного из формирователей, а выход - со входом усилителя мощности, выход которого образует первый (сигнальный) выход генератора импульсов, из каскада синхронизации, выход которого соединен со входом каждого их четырех формирователей импульсов, также выход каскада синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов, общая шина генератора импульсов заземлена; мостовую цепь, первая ветвь которой включает в себя последовательно соединенные одиночный резистор и две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения, свободный вывод одиночного резистора заземлен, общий вывод одиночного резистора и клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи, оставшаяся клемма для подключения двухполюсника объекта измерения подключена к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов, двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно включенных первого резистора и цепи из последовательно соединенных первого конденсатора и второго резистора, второй конденсатор включен параллельно второму резистору, общий вывод первого резистора и первого конденсатора соединен с клеммой, подключенной к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов, общий вывод первого, второго резисторов и второго конденсатора соединен с клеммой, подключенной к одиночному резистору первой ветви мостовой цепи, вторую ветвь моста образуют последовательно соединенные первый конденсатор и резистор, а также последовательно соединенные второй и третий конденсаторы, свободный вывод резистора заземлен, свободный вывод второго конденсатора подключен к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов; нуль-индикатор, первый вывод дифференциального входа его соединен с первым выводом выхода мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератор импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены три дополнительных резистора и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор включен между общим выводом имеющихся второго и третьего конденсаторов и свободным выводом имеющегося первого конденсатора второй ветви мостовой цепи, между собой второй и третий дополнительные резисторы включены последовательно, свободный вывод второго дополнительного резистора соединен со свободным выводом имеющегося третьего конденсатора, а свободный вывод третьего дополнительного резистора соединен с общим выводом первого имеющегося конденсатора и первого дополнительного резистора, общий вывод второго и третьего дополнительных резисторов образует второй вывод выхода мостовой цепи и соединен со вторым выводом дифференциального входа нуль-индикатора.
Сущность изобретения поясняется фиг.1.
0
1
2
3
0
3
0
1
2
3
Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, который включает в себя формирователь 2 импульсов прямоугольной формы (Kt), формирователь 3 импульсов линейно изменяющегося напряжения (Kt), формирователь 4 импульсов квадратичной формы (Kt), и формирователь 5 импульсов кубичной формы (Kt), где K,…, K - постоянные коэффициенты, t - текущее время. Выход каждого формирователя импульсов подключен к входам коммутатора 6. Выход последнего соединен со входом усилителя 7 мощности, выход которого образует первый (сигнальный) выход генератора импульсов. Также в состав генератора импульсов входит каскад 8 синхронизации, выход которого соединен со входом каждого из четырех формирователей импульсов, а также он образует второй выход (выход синхронизации) генератора импульсов 1. Общая шина генератора импульсов заземлена.
Мостовой измеритель содержит также мостовую электрическую цепь, первая ветвь которой состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 9 и двух клемм для подключения двухполюсника объекта измерения. Свободный вывод резистора заземлен. Общий вывод одиночного резистора и клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения образует первый вывод выхода мостовой цепи. Другая клемма соединена с первым (сигнальным) выходом генератора импульсов 1. Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из параллельно включенных первого резистора 10 и цепи из последовательного соединенных первого конденсатора 11 и второго резистора 12. Второй конденсатор 13 включен параллельно второму резистору. Общий вывод первого резистора 10 и первого конденсатора 11 объекта измерения соединен с клеммой, подключенной к первому (сигнальному) выходу генератора импульсов 1. Общий вывод первого, второго резисторов и второго конденсатора соединен с клеммой, подключенной к одиночному резистору 9.
Вторая ветвь мостовой цепи состоит из последовательно соединенных конденсатора 14, резистора 15, конденсатора 16 и резистора 17. Свободный вывод конденсатора 14 соединен с первым (сигнальным) выходом генератора 1 импульсов, а свободный вывод резистора 17 - с «землей». Также во вторую ветвь входит цепь из последовательно соединенных конденсатора 18, резистора 19 и резистора 20. Свободный вывод конденсатора 18 подключен к общему выводу конденсатора 14 и резистора 15, а свободный резистора 20 - к общему выводу резистора 15 и конденсатора 16. Общий вывод резистора 19 и резистора 20 образует второй вывод выхода мостовой цепи.
Мостовой измеритель включает в себя нуль-индикатор 21, оба вывода дифференциального входа его соединены с двумя выводами выхода мостовой цепи. Второй вход нуль-индикатора (вход синхронизации) соединен со вторым выходом (выходом синхронизации) генератора 1 импульсов. Общая шина нуль-индикатора заземлена.
Перед началом работы реактивные элементы мостовой цепи мостового измерителя параметров двухполюсников свободны от запасов электрической энергии. Входное и выходное напряжения электрического моста равны нулю.
Мостовой измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом.
9
10
14
16
9
Вначале посредством коммутатора 6 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 9(R) 10(R) и от значений емкостей конденсаторов 14(С) и 16(С). В интервале времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса импульсное напряжение на входе нуль-индикатора 21, в качестве которого может использоваться осциллограф, имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 9(R) значение напряжения этой плоской вершины приводится к нулю. В результате выполняется первое условие равновесия
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0.</mn></mrow>
(1)\tab
9
Полярность импульсного напряжения на входе нуль-индикатора 21 определяет направление регулирования уравновешивающего резистора 9(R): в сторону увеличения значения сопротивления или в сторону его уменьшения. Сигнал синхронизации со второго выхода генератора 1 импульсов на второй вход нуль-индикатора 21здесь и в дальнейшем обеспечивает устойчивые показания нуль-индикатора.
15
Посредством коммутатора 6 подключаем к усилителю 7 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 входе нуль-индикатора 21 имеет плоскую вершину. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 15(R) значение напряжения плоской вершины приводится к нулю и выполняется второе условие равновесия
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
(2)
15
Как и ранее, полярность импульсного напряжения на входе нуль-индикатора 21 определяет направление регулирования значения сопротивления уравновешивающего резистора 15(R). Регулирование его не нарушает выполнение первого условия, т.к. это сопротивление не входит в условие (1).
20
19
Аналогично далее посредством коммутатора 6 подключаем к мостовой цепи импульсы квадратичной, а затем и кубичной форм. Напряжение плоских вершин импульсов на входе нуль-индикатора 21 приводим к нулю однократной регулировкой значения сопротивления вначале уравновешивающего резистора 20(R), затем уравновешивающего резистора 19(R). В результате таких действий выполняется третье условие равновесия
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>A</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>16</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>R</mi><mmultiscripts><mo stretchy="false">)</mo><mprescripts /><mrow><mn>17</mn></mrow><none /></mmultiscripts><mo stretchy="false">]</mo><mo>−</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mi>R</mi><mmultiscripts><mo stretchy="false">)</mo><mprescripts /><mrow><mn>20</mn></mrow><none /></mmultiscripts><mo>=</mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable>
(3)
и четверное условие равновесия
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>A</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>19</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>R</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>17</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>18</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>17</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0.</mn></mtd></mtr></mtable>
(4)
20
19
Требующаяся регулировка значений сопротивлений уравновешивающих резисторов 20(R) и 19(R) не нарушает выполнение предыдущих условий равновесия, т.к. они не входят в их формулы.
14
16
17
18
9
15
20
19
10
11
12
13
В мостовой цепи постоянные и известные значения имеют параметры: 14(С), 16(С), 17(R) и 18(R). Известные регулируемые значения у сопротивлений: 9(R), 15(R), 20(R) и 19(R). Неизвестные (искомые) параметры объекта измерения: 10(R), 11(С), 12(R) и 13(С). Параметры объекта измерения (искомые параметры) определяются из условий равновесия (1) - (4). По существу четыре искомых параметра определяются из четырех уравнений (условий равновесия).
Таким образом, мостовой измеритель параметров двухполюсников имеет раздельное уравновешивание мостовой цепи только регулируемыми резисторами. существенно упрощает устройство.