RU2569043C2 - Мостовой измеритель параметров двухполюсников - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. В мостовой измеритель параметров двухполюсников дополнительно введены три резистора, катушка индуктивности, а также две клеммы для подключения объекта измерения перенесены из первой ветви во вторую ветвь моста. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника. 1 ил.

Description

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включенных в электрический мост.

Известен мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников [авт. св. СССР №1157467, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников/Г.И. Передельский. - Опубл. в бюл., 1985, №19], содержащий последовательно соединенные питающий генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять оба имеющихся многоэлементных двухполюсника. При прочих равных условиях на практике отдается предпочтение мостовым цепям, где заземлены все имеющиеся многоэлементные двухполюсники. Незаземленный многоэлементный двухполюсник образует паразитную емкость относительно «земли», которая вызывает соответствующую дополнительную составляющую погрешности измерения, обусловленную этой паразитной емкостью. Кроме того, эта паразитная емкость не стабильна и, как известно, существенно изменяется с течением времени и особенно с изменением температуры. В частном случае при незаземленном двухполюснике с регулируемыми уравновешивающими элементами и использовании в качестве них матрицы однотипных элементов, управляемых ключей и схемы управления необходимо использовать дополнительные развязывающие элементы - трансформаторы или оптронные пары. Изменение значения уравновешивающего параметра осуществляется здесь замыканием и размыканием ключей под действием сигналов с заземленной электронной схемы управления. Если же уравновешивающий элемент заземлен, то не требуется использовать дополнительные развязывающие элементы. Также в частном случае при незаземленном двухполюснике объекта измерения и использовании датчика с линией связи на последней наводятся сигналы помех и вызывают соответствующую дополнительную составляющую погрешности измерения, так как здесь линия связи тоже незаземлена. Датчик или датчик совместно с линией связи представляют собой многоэлементную схему замещения. Если же объект измерения заземлен, то сигналы помех и соответствующая составляющая погрешности измерения существенно меньше, так как линия связи заземлена. Незаземленная линия связи также имеет паразитную емкость относительно «земли». Можно обратить внимание, что заземлить оба многоэлементных двухполюсника в принципе невозможно в мостах Максвелла [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - М.-Л.: Энергия, 1966, - 88 с., стр.40, рис.15], Хея [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - М.-Л.: Энергия, 1966, - 88 с., стр.40, рис.16], Андерсона [Нижний С.М. Мосты переменного тока. - М.-Л.: Энергия, 1966, - 88 с, стр.42, рис.18].

Известен электрический мост [авт. св. СССР №920532, G01R 17/10. Электрический мост /Г.И. Передельский. - Опубл. в бюл., 1982, №14.], содержащий последовательно соединенные питающий генератор трапецеидальных импульсов, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлять оба имеющихся многоэлементных двухполюсника.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников [авт. св. СССР №918862, G01R 17/10. Мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников/Г.И. Передельский. - Опубл. в бюл, 1982, №13], содержащий последовательно соединенные питающий генератор трапецеидальных импульсов, мостовую электрическую цепь и нуль-индикатор.

Недостатком его является отсутствие возможности заземлить оба имеющихся многоэлементных двухполюсника.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости, за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников.

Это достигается тем, что в мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₁t, K₂t², K₃t³, K₄t⁴, K₅t⁵, где К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и каскада синхронизации, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся пяти формирователей импульсов, выходы которых подключены ко входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации, образует выход каскада синхронизации, общая шина генератора питающих импульсов заземлена; первый выход генератора питающих импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи (моста), которая образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей четырехплечей мостовой цепи, первая из этих двух ветвей состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод первого из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод второго резистора заземлен, вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов и катушки индуктивности, также здесь имеются последовательно соединенные конденсатор и третий резистор, свободный вывод конденсатора соединен с общим выводом второго резистора и катушки индуктивности, свободный вывод первого резистора второй ветви моста соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод первого и второго резисторов второй ветви моста образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод катушки индуктивности заземлен, также четырехплечая мостовая цепь включает в себя объект измерения, который, в частности, состоит из последовательно включенных первого конденсатора, первого резистора и катушки индуктивности, параллельно с последней соединены и второй резистор, и второй конденсатор; нуль-индикатор, два вывода дифференциального (первого) входа которого соединены с двумя выводами выхода четырехплечей мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена; введены три дополнительных резистора, дополнительная катушка индуктивности, а также две клеммы для подключения объекта измерения перенесены из первой ветви во вторую ветвь моста, первый дополнительный резистор включен параллельно имеющейся катушке индуктивности второй ветви четырехплечей мостовой цепи, дополнительная катушка индуктивности включена между свободным выводом имеющегося третьего резистора во второй ветви и «землей», параллельно имеющемуся второму резистору во второй ветви четырехплечей мостовой ветви включены последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы, к общему выводу последних подключена первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения, вторая клемма заземлена, свободный вывод первого конденсатора объекта измерения соединен с первой клеммой, а общий вывод катушки индуктивности, второго резистора и второго конденсатора объекта измерения соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из формирователя 2 линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 3 квадратичных импульсов (K₂t²), формирователя 4 кубичных импульсов (K₃t³), формирователя 5 импульсов, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени (K₄t⁴), формирователя 6 импульсов, напряжение которых изменяется по закону пятой степени (K₅t⁵), где К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 7 мощности, коммутатора 8 и каскада 9 синхронизации. Выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора 8, выход которого подключен ко входу усилителя 7 мощности, выход которого образует первый (сигнальный) выход относительно «земли» генератора 1 питающих импульсов. Выход каскада 9 синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов. Также выход каскада 9 синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) относительно «земли» генератора 1 питающих импульсов. Общая шина генератора 1 питающих импульсов заземлена.

Первый выход генератора 1 питающих импульсов подключен ко входу (к первой вершине генераторной диагонали) четырехплечей мостовой цепи (моста), образованной двумя параллельно включенными ветвями. Первая из этих ветвей состоит из двух последовательно соединенных резисторов 10 (R10) и 11 (R11), образующих соответственно первое и второе плечи четырехплечей мостовой цепи. Свободный вывод первого резистора R10 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод второго резистора R11 заземлен. Общий вывод резисторов R10 и R11 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи.

Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных первого резистора 12 (R12), второго резистора 13 (R13) и катушки индуктивности 14 (L14). Первый резистор R12 образует третье плечо моста. Своим свободным выводом этот резистор подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Общий вывод резисторов R12 и R13 образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) моста. Второй резистор R13 и катушка индуктивности L14 являются частью многоэлементного двухполюсника, образующего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи. В этом двухполюснике параллельно катушке индуктивности L14 включены первый дополнительный резистор 15 (R15) и соединенные последовательно конденсатор 16 (С16), третий резистор 17 (R17) и дополнительная катушка индуктивности 18 (L18). Также в этом двухполюснике параллельно резистору R13 включены соединенные последовательно второй дополнительный резистор 19 (R19) и третий дополнительный резистор 20 (R20), к общему выводу которых присоединена первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения. Свободный вывод резистора R19 присоединен к общему выводу резистора R13 и катушки индуктивности L14. Свободный вывод резистора R20 подключен к общему выводу резисторов R12 и R13 и ко второй вершине измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи. Вторая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения заземлена.

Двухполюсник объекта измерения, в частности, состоит из последовательно включенных первого конденсатора 21 (С21), первого резистора 22 (R22) и катушки индуктивности 23 (L23), параллельно с которой соединены второй резистор 24 (R24) и второй конденсатор 25 (С25). Свободный вывод первого конденсатора С21 соединен с первой клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения. Общий вывод катушки индуктивности L23, второго резистора R24 и второго конденсатора С25 соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения.

Два вывода дифференциального первого входа нуль-индикатора 26 соединены с двумя выводами выхода четырехплечей мостовой цепи. Второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора 26 соединен со вторым выходом генератора 1 питающих импульсов. Общая шина нуль-индикатора 26 соединена с заземленной общей шиной генератора 1 питающих импульсов и со второй вершиной генераторной диагонали моста, образованной общим выводом резисторов R11 и R15, катушек индуктивности L14 и L18 и второй клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения.

В мостовом измерителе параметров двухполюсников значения сопротивлений резисторов R10 и R12, R13 и R20 постоянные, известные и равные (R10=R12, R13=R20). Также известно постоянное значение сопротивления резистора R19. Значение сопротивления резистора R11 определяется из предварительно выполненного начального условия

$$R_{{}_{{}_{11}}}=\frac{R_{{}_{13}}(R_{{}_{13}}+R_{{}_{19}})}{2R_{{}_{13}}+R_{{}_{19}}}.$$

(1)

Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - катушек индуктивности L14 и L18 и резисторов R15 и R17 и конденсатора С16. Искомыми являются параметры элементов двухполюсника объекта измерения - конденсаторов С21 и С25, резисторов R22 и R24 и катушки индуктивности L23.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени при отсутствии импульсов с генератора 1 питающих импульсов напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. В генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 3 квадратичных импульсов, формирователь 4 кубичных импульсов, формирователь 5 импульсов, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени, формирователь 6 импульсов, напряжение которых изменяется по закону пятой степени, формируют последовательности импульсных сигналов соответствующих форм. Через коммутатор 8 и усилитель 7 мощности эти сигналы поочередно поступают на выход генератора 1 питающих импульсов и воздействуют на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи.

В первую очередь на вход четырехплечей мостовой цепи подается последовательность линейно изменяющихся импульсных сигналов. При воздействии очередного такого импульса в измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса устанавливается неизменяющееся в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса напряжение неравновесия. Плоская вершина этого напряжения приводится к нулю однократной регулировкой переменной индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L14. При этом выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи

А₁=(2R₁₃+R₁₉)²L₁₄ - R² ₁₃R² ₁₉C₂₁=0. (2)

Во вторую очередь на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов квадратичной формы. При воздействии очередного импульса квадратичной формы на выходе четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса образуется импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта вершина с учетом выполненного первого (2) условия равновесия приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего элемента - резистора R15. Второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

А₃=(2R₁₃+R₁₉)²R₁₅R₂₂ - R² ₁₃R² ₁₉=0. (3)

Выполнение первого условия равновесия (2) в этом случае сохраняется, поскольку в нем нет переменного сопротивления уравновешивающего резистора R15.

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов кубичной формы. При воздействии очередного импульса кубичной формы на выходе четырехплечей мостовой цепи после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной. Эта вершина с учетом выполненного первого (2) и второго (3) условий равновесия приводится к нулю однократной регулировкой переменной емкости уравновешивающего конденсатора С16. Третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

А₃=(2R₁₃+R₁₉)²L₂₃ - R² ₁₃R² ₁₉ C₁₆=0. (4)

Выполнение первого (2) и второго (3) условий равновесия в этом случае сохраняется, так как они не содержат переменной емкости уравновешивающего конденсатора С16.

Далее на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействуют импульсы, напряжение которых изменяется по закону четвертой степени. В измерительной диагонали моста при поступлении очередного такого импульса появляется сигнал неравновесия. Этот импульсный сигнал после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса содержит плоскую вершину, которая при выполненных условиях (2) - (4) приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R17. Четвертое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

А₄=(2R₁₃+R₁₉)²R₁₇R₂₄ - R² ₁₃R² ₁₉=0. (5)

Предыдущие условия равновесия (2) - (4) сохраняются, поскольку в этих условиях отсутствует переменное сопротивление уравновешивающего резистора R17.

В последнюю очередь на вход моста подается последовательность импульсов, напряжение которых изменяется по закону пятой степени. Воздействие на мостовую цепь очередного импульса такой формы вызывает появление в измерительной диагонали моста импульсного сигнала неравновесия, имеющего после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса плоскую вершину. Эта вершина приводится к нулю при выполнении условий (2) - (5) однократной регулировкой переменной индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L18. В результате выполняется пятое и последнее условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, имеющее вид

А₅=(2R₁₃+R₁₉)²L₁₈ - R² ₁₃R² ₁₉ C₂₅=0. (6)

При этом условия равновесия (2) - (5) не нарушаются, поскольку в них не имеется переменной индуктивности уравновешивающей катушки индуктивности L18.

Искомые значения параметров пяти элементов двухполюсника объекта измерения C21, R22, L23, R24 и C25 определяются из пяти условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (2) - (6). По сути из решения пяти уравнений определяются пять неизвестных параметров.

Таким образом, предлагаемый мостовой измеритель параметров двухполюсников позволяет уменьшить погрешность измерения за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника, а также нестабильности этой паразитной емкости, за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников. Кроме того, в предлагаемом мостовом измерителе параметров двухполюсников реализуется такое важное свойство мостовых цепей, как зависимое раздельное уравновешивание.

Claims (1)

1. Мостовой измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор питающих импульсов, состоящий из формирователей импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону K₁t, K₂t², K₃t³, K₄t⁴, K₅t⁵, где К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ - постоянные коэффициенты и t - текущее время, из коммутатора, из усилителя мощности и каскада синхронизации, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся пяти формирователей импульсов, выходы которых подключены ко входам коммутатора, выход которого соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности образует первый выход генератора питающих импульсов относительно «земли», второй выход генератора питающих импульсов - выход синхронизации, образует выход каскада синхронизации, общая шина генератора питающих импульсов заземлена; первый выход генератора питающих импульсов подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи (моста), который образует общий вывод двух параллельно включенных ветвей четырехплечей мостовой цепи, первая из этих двух ветвей состоит из двух последовательно соединенных резисторов, свободный вывод первого из них соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод второго резистора заземлен, вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов и катушки индуктивности, также здесь имеются последовательно соединенные конденсатор и третий резистор, свободный вывод конденсатора соединен с общим выводом второго резистора и катушки индуктивности, свободный вывод первого резистора второй ветви моста соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, общий вывод первого и второго резисторов второй ветви моста образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод катушки индуктивности заземлен, также четырехплечая мостовая цепь включает в себя объект измерения, который, в частности, состоит из последовательно включенных первого конденсатора, первого резистора и катушки индуктивности, параллельно с последней соединены и второй резистор, и второй конденсатор; нуль-индикатор, два вывода дифференциального (первого) входа которого соединены с двумя выводами выхода четырехплечей мостовой цепи, второй вход (вход синхронизации) нуль-индикатора соединен со вторым выходом генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена; отличающийся тем, что в него введены три дополнительных резистора, дополнительная катушка индуктивности, а также две клеммы для подключения объекта измерения перенесены из первой ветви во вторую ветвь моста, первый дополнительный резистор включен параллельно имеющейся катушке индуктивности второй ветви четырехплечей мостовой цепи, дополнительная катушка индуктивности включена между свободным выводом имеющегося третьего резистора во второй ветви и «землей», параллельно имеющемуся второму резистору во второй ветви четырехплечей мостовой ветви включены последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы, к общему выводу последних подключена первая клемма для подключения двухполюсника объекта измерения, вторая клемма заземлена, свободный вывод первого конденсатора объекта измерения соединен с первой клеммой, а общий вывод катушки индуктивности, второго резистора и второго конденсатора объекта измерения соединен со второй клеммой для подключения двухполюсника объекта измерения.