МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ n-ЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ
BRIDGE GAUGE OF n-ELEMENT BIPOLES PARAMETERS

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков.
Известен измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников [1], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь для определения параметров резистивно-емкостных (R-C) двухполюсников и нуль-индикатор.
Недостатком его является отсутствие возможности определения параметров резистивно-индуктивных (R-L) двухполюсников и двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C).
Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [2], содержащий последовательно соединенные генератор импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь для определения параметров двухполюсников с разнородными реактивными элементами (R-L-C) и нуль-индикатор.
Недостатком этого измерителя является отсутствие расширенных функциональных возможностей, то есть он не пригоден для определения параметров многоэлементных резисторно-емкостных (R-C) и резисторно-индуктивных (R-L) двухполюсников.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников [3], содержащий последовательно соединенные генератор последовательностей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций времени (прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных), четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор.
Недостатком его являются ограниченные функциональные возможности, а именно, он не позволяет измерять параметры более четырех элементов двухполюсников.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении функциональных возможностей. Устройство позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников, содержащих пять, шесть и более элементов.
0
1
2
n-1
i
0
1
2
n-1
Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников, содержащий генератор импульсов напряжения, который состоит из формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону целочисленной степени времени Kt, Kt, Kt,…, Kt, где K - постоянные коэффициенты, t - время, коммутатор, входы которого соединены с выходами формирователей, а выход соединен с входом усилителя мощности, выход которого образует первый выход относительно земли генератора импульсов (выход импульсов питания), блок синхронизации, выход которого соединен с входами синхронизации каждого из формирователей импульсов, а также выход блока синхронизации образует второй выход генератора относительно земли (выход синхронизации); первый выход генератора импульсов подключен ко входу четырехплечевого электрического моста, первая из двух параллельно соединенных ветвей которого образована двумя последовательно включенными многоэлементными двухполюсниками, второй из двухполюсников состоит из последовательно включенных конденсатора, первого резистора и катушки индуктивности, параллельно которой подключен второй резистор; общий вывод первого и второго многоэлементных двухполюсников образует первый вывод выхода мостовой цепи; вторая ветвь мостовой цепи образована последовательно соединенными одиночным резистором и двумя клеммами для подключения двухполюсников объектов измерения, вывод одиночного резистора и первой клеммы образуют второй вывод выхода мостовой цепи; свободный вывод одиночного резистора и свободный вывод первого многоэлементного двухполюсника образуют первый вывод генераторной диагонали моста, второй вывод генераторной диагонали моста заземлен; нуль-индикатор, первый вход которого (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора импульсов, оба вывода выхода мостовой цепи подключены ко второму (дифференциальному) входу нуль-индикатора, общий вывод генератора импульсов, общий вывод нуль-индикатора, общий вывод катушки индуктивности и второго резистора второго многоэлементного двухполюсника и вторая клемма для подключения объектов измерения второй ветви моста заземлены, введены в первый и во второй многоэлементные двухполюсники первой ветви моста одинаковые цепи наращивания, количество которых равно целой части числа (n/4-1), каждая цепь наращивания содержит те же элементы и такое же соединение их между собою, что и во втором многоэлементном двухполюснике первой ветви моста, свободный вывод конденсатора первой цепи наращивания второго многоэлементного двухполюсника подключен к общему выводу первого резистора, индуктивной катушки и второго резистора, а общий вывод индуктивной катушки и второго резистора заземлен, свободный вывод конденсатора каждой последующей цепи наращивания тоже подключен к общему выводу первого резистора, индуктивной катушки и второго резистора предыдущей цепи наращивания, а общий вывод индуктивной катушки и второго резистора тоже заземлен, последняя цепь наращивания является полной, если число n делится на 4 без остатка, и неполной, если число n делится на 4 с остатком, в этом случае последняя цепь наращивания содержит либо только конденсатор, либо конденсатор и первый резистор, либо конденсатор, первый резистор и катушку индуктивности, при этом общее число элементов во втором многоэлементном двухполюснике первой ветви мостовой цепи равно количеству элементов в двухполюснике объекта измерения; первый многоэлементный двухполюсник первой ветви моста является одинаковым со вторым двухполюсником этой ветви совместно с цепями наращивания, число формирователей в генераторе импульсов, питающих мостовую цепь, равно числу n элементов двухполюсника объекта измерения или его схемы замещения.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
0
1
2
i
0
1
2
Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников содержит генератор 1 импульсов напряжения, в состав которого входят n формирователей импульсов напряжения, изменяющегося в течение их длительности по закону целочисленной степени времени: формирователь 2 напряжения Kt, формирователь 3 напряжения Kt, формирователь 4 напряжения Kt и т.д., где K - постоянные коэффициенты, t - время, выходы формирователей соединены с входами коммутатора 5, выход которого подключен к входу усилителя мощности 6. Входы синхронизации каждого из формирователей импульсов соединены с выходом блока 7 синхронизации. Первая ветвь четырехплечей мостовой электрической цепи состоит из двух последовательно включенных многоэлементных двухполюсников. Второй из них содержит последовательно соединенные конденсатор 8 (С5), первый резистор 9 (R9) и катушку 10 индуктивности (L10). Параллельно катушке 10 подключен второй резистор 11 (R11). Элементы 8, 9, 10 и 11 имеют регулируемые параметры и используются для уравновешивания моста. Первый многоэлементный двухполюсник выполнен по схеме, аналогичной (одинаковой) схеме второго двухполюсника, и состоит из последовательно соединенных конденсатора 12 (C12), первого резистора 13 (R13) и катушки 14 индуктивности (L14), параллельно которой подключен второй резистор 15 (R15). Вторая ветвь мостовой цепи содержит последовательно соединенные одиночный резистор 16 (R16) и две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения. Свободный вывод конденсатора 12 первого многоэлементного двухполюсника первой ветви моста соединен с свободным выводом одиночного резистора 16 второй ветви, и они образуют вход мостовой цепи, который подключен к выходу усилителя 6 мощности генератора импульсов. Общий вывод катушки 14 индуктивности и второго резистора 15 первого многоэлементного двухполюсника и конденсатора 8 второго многоэлементного двухполюсника первой ветви мостовой цепи образуют первый вывод выхода мостовой цепи, а общий вывод одиночного резистора второй ветви и первой клеммы для подключения объектов измерения образует второй вывод выхода мостовой цепи (дифференциальный выход моста), оба вывода выхода мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 17, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу генератора 1 импульсов, общая шина нуль-индикатора 17 заземлена. Цепь, образованная последовательно включенными конденсатором 18 переменной емкости, первым резистором 19 переменного сопротивления и катушкой 20 переменной индуктивности, параллельно которой подключен второй резистор 21 переменного сопротивления, является цепью наращивания для второго многоэлементного двухполюсника; она подключена параллельно катушке 10 и второму резистору 11. Аналогично цепь, образованная последовательно включенными конденсатором 22, первым резистором 23 и катушкой 24 индуктивности, параллельно которой подключен второй резистор 25, является цепью наращивания для первого многоэлементного двухполюсника; она подключена параллельно катушке 14 и второму резистору 15.
Для примера приведены три варианта двухполюсников объектов измерений:
1) резистивно-емкостный (R-C) двухполюсник, который состоит из первого резистора 26 (R26), параллельно которому соединены последовательно включенные первый конденсатор 27 (С27) и второй резистор 28 (R28), параллельно резистору 28 подключен второй конденсатор 29 (C29);
2) резистивно-индуктивный (R-L) двухполюсник, который состоит из последовательно включенных резистора 30 (R30) и первой катушки индуктивности 31 (L31), параллельно которой соединены последовательно включенные второй резистор 32 (R32) и вторая катушка индуктивности 33 (L33);
3) двухполюсник с разнородными реактивными элементами (R-L-C), который состоит из первого резистора 34 (R34), параллельно которому включены последовательно соединенные конденсатор 35 (C35), второй резистор 36 (R36) и катушка индуктивности 37 (L37).
Поясним работу измерителя. Как и в известных мостовых цепях, элементы 12, 13, 14, 15 первого многоэлементного двухполюсника и элементы 22, 23, 24, 25 цепи наращивания этого двухполюсника, а также элемент 16 являются образцовыми элементами с известными, постоянными значениями параметров повышенной точности и стабильности. Элементы 8, 9, 10 и 11 второго многоэлементного двухполюсника и элементы 18, 19, 20, 21 цепи наращивания второго двухполюсника - это образцовые регулируемые элементы с известными значениями параметров для уравновешивания электрической мостовой цепи. Элементы 26, 27, 28 и 29 R-C двухполюсника, 30, 31, 32 и 33 R-L двухполюсника и, наконец, 34, 35, 36 и 37 R-L-C двухполюсника - это элементы объекта измерения с неизвестными значениями параметров.
8
12
8
На каждом этапе измерений в начале питающего импульса и после его окончания в мостовой цепи возникают переходные процессы в виде всплесков напряжения, которые со временем затухают до нуля по экспоненциальному закону. Полезной для измерений является часть выходного импульса моста в интервале времени от окончания переходного процесса до момента окончания питающего импульса. На этом участке импульса приводят к нулю плоскую вершину импульсного напряжения неравновесия на выходе моста. Рассмотрим работу мостового измерителя при подключении к нему резистивно-емкостного (R-C) двухполюсника объекта измерения. Вначале на мостовую цепь подают с выхода усилителя 6 последовательность прямоугольных импульсов. При воздействии на мост очередного импульса напряжения прямоугольной формы после окончания переходного процесса в мостовой цепи и до момента окончания питающего мост импульса напряжение неравновесия, которое поступает на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение этой плоской вершины зависит, в том числе, от соотношения значений емкости конденсаторов 8 (C) и 12 (C). Регулировкой значения емкости C в двухполюснике с уравновешивающими элементами напряжение неравновесия приводят к нулю и, тем самым, выполняют первое условие равновесия мостовой цепи
26
Нулевое значение напряжения плоской вершины отмечают по нуль-индикатору 17, в качестве которого, например, можно использовать осциллограф. Отсчет неизвестного сопротивления R резистора 26 берут из выражения (1), в котором все остальные величины известны.
8
9
9
После этого на мостовую цепь с выхода генератора 1 подают импульсы линейно изменяющегося напряжения. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от параметров C конденсатора 8 и R резистора 9 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Регулировкой значения сопротивления R напряжение плоской вершины приводят к нулю и выполняют второе условие равновесия
8
27
26
Нулевое значение отмечают по нуль-индикатору 17. Не следует регулировать значение емкости C, так как это приведет к нарушению условия равновесия (1), что недопустимо. Отсчет значения неизвестного параметра C (емкости конденсатора 27) берут из выражения (2), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе, значение сопротивления R из выражения (1).
8
9
10
8
9
10
Далее на мостовую цепь с выхода генератора 1 подают импульсы квадратичной формы. При воздействии очередного импульса после окончания переходного процесса импульсное выходное напряжение моста, поступающее на нуль-индикатор 17, имеет плоскую вершину. Напряжение ее зависит, в том числе, от емкости C конденсатора 8, сопротивления R резистора 9 и параметра L катушки 10 двухполюсника с уравновешивающими элементами моста. Параметры C и R уже были задействованы ранее для уравновешивания моста, и их значения изменять нельзя, так как нарушится выполнение предыдущих условий равновесия. Остается параметр L, который ранее не входил в условия равновесия (1) и (2), и регулировкой его значения приводят напряжение плоской вершины к нулю, отмечая это по нуль-индикатору 17. В результате выполняется третье условие равновесия
28
26
27
Из выражения (3) берут отсчет значения неизвестного параметра R (сопротивления резистора 28), так как остальные величины в нем являются известными, в том числе, значения сопротивления R из выражения (1) и емкости C из выражения (2).
i
Из приведенных положений следует, что на каждом этапе уравновешивания изменяют значение только одного из уравновешивающих параметров, и при этом выполняется только одно из условий равновесия (A=0). Уравновешивание мостовой цепи является раздельным зависимым.
8
9
10
При подключении к мостовой цепи R-L двухполюсника объекта измерения следует применять приведенные выше этапы уравновешивания. Сохраняются те же формы питающих импульсных сигналов, те же регулируемые параметры и прежний порядок регулирования их значений: C, R, L. Приведем условия равновесия для первых трех этапов:
30
31
32
Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R резистора 30, индуктивности L катушки 31, сопротивления R резистора 32.
8
9
10
При подключении к мостовой цепи R-L-C двухполюсника с разнородными реактивными элементами используют те же регулируемые параметры и порядок регулирования их значений: C, R, L. Приведем условия равновесия для первых трех этапов:
34
35
36
Из них берут отсчет значений искомых параметров: сопротивления R резистора 34, емкости C конденсатора 35, сопротивления R резистора 36.
11
18
19
При определении более трех параметров двухполюсников объектов измерения следует выполнять операции, аналогичные приведенным выше трем частным примерам уравновешивания мостовой цепи. Так, при отображении объекта измерения четырехэлементным двухполюсником вслед за приведенными выше тремя этапами уравновешивания на четвертом этапе из генератора 1 на мостовую цепь подают кубичные импульсы и приводят к нулю плоскую вершину выходного импульсного напряжения моста регулировкой сопротивления R резистора 11. Если объект измерения отображается пятиэлементным двухполюсником, то вслед за четвертым добавляется пятый этап уравновешивания, на котором из генератора 1 на мостовую цепь подают импульсы напряжения, изменяющегося по закону четвертой степени, и регулировкой емкости C конденсатора 18 приводят к нулю плоскую вершину выходного импульсного напряжения моста. В случае шестиэлементного двухполюсника добавляется шестой этап уравновешивания, на котором из генератора 1 на мостовую цепь подают импульсы напряжения, изменяющегося по закону пятой степени, и регулировкой сопротивления R резистора 19 приводят к нулю плоскую вершину выходного импульсного напряжения моста и т.д.
Таким образом, применение цепей наращивания в многоэлементных двухполюсниках моста с образцовыми и регулируемыми элементами существенно расширяет функциональные возможности мостового измерителя, и он позволяет определять параметры R-C, R-L и R-L-C двухполюсников объектов измерения с n-элементной схемой замещения, где число n измеряемых параметров может быть равно четырем, пяти, шести и более. При этом мостовая цепь сохраняет такое важное свойство, как раздельное уравновешивание.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1147986, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров пятиэлементных пассивных двухполюсников. / Г.И.Передельский, опубл. 1985, Бюл. №12 (аналог).
2. Авторское свидетельство СССР №1150557, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников. / Г.И.Передельский, А.У.Касьянов, опубл. 1985, Бюл. №14 (аналог).
3. Патент РФ №2365921, G01R 17/00. Мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников. / Г.И.Передельский, В.И.Иванов, опубл. 2009, Бюл. №24 (прототип).