RU2105315C1

RU2105315C1 - Bridge-type meter of parameters of three-element passive one-ports

Info

Publication number: RU2105315C1
Application number: RU93032833A
Authority: RU
Inventors: Г.И. Передельский; А.С. Романченко
Original assignee: Курский Политехнический Институт
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: meter has generator 1 of pulses of rectangular, linearly-varying and square waveforms, electric bridge 2 and balance indicator 4. First arm of bridge is formed by series-connected measurement object 3 which has series-connected resistor 5 and inductance coil 6 in parallel to which capacitor 7 and resistor 8 are connected. Common lead of inductance coil 6 and resistor 8 forms first apex of diagonally opposite pair of bridge terminals. Second arm of bridge includes series-connected resistors 9, 10 and 11. Inductance coil 12 is connected in parallel to resistor 11. Parallel-connected capacitor 13 and resistor 14 are connected in parallel to series-connected resistors 9 and 10. When measuring the object parameters, meter allows the use of only adjustable resistors as standard balancing elements. EFFECT: reduced mass and dimensions. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, промышленной электроники и может быть использовано для измерения параметров объектов с двухполюсной схемой замещения, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включаемых в мостовую цепь. The invention relates to the field of information technology, industrial electronics and can be used to measure the parameters of objects with a bipolar equivalent circuit, as well as physical quantities by means of parametric sensors included in the bridge circuit.

Известен электрический мост (см. а.с. N 998967, бюл. N 7, 1983 г.), содержащий последовательно соединенные генератор питающих импульсов, мостовую цепь и индикатор равновесия. Known electric bridge (see AS N 998967, bull. N 7, 1983), containing a series-connected generator of supply pulses, a bridge circuit and an equilibrium indicator.

Недостатком его является отсутствие возможности измерять параметры трехэлементных двухполюсников, содержащих разнородные реактивные элементы (индуктивности, емкости). Its disadvantage is the inability to measure the parameters of three-element bipolar, containing heterogeneous reactive elements (inductance, capacitance).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников (см. а.с. N 945805, бюл. N 27, 1982 г.), содержащий генератор импульсов сложной формы, объект измерения, состоящий из последовательно соединенных первого резистора и первой индуктивности катушки, параллельно которым включена первая емкость, второй резистор и второй конденсатор в плечах отношения разных ветвей электрического моста, причем второй резистор включен в ветвь объекта измерения, а второй конденсатор - в ветвь плеча сравнения, индикатор равновесия, подсоединенный к измерительной диагонали электрического моста, плечо сравнения, состоящее из параллельно соединенных третьего резистора и второй индуктивной катушки, последовательно с которыми включены четвертый резистор и третий конденсатор, причем общий вывод первого и второго резисторов и первого конденсатора образует первую вершину измерительной диагонали моста, а общий вывод второго и третьего конденсаторов - вторую вершину измерительной диагонали электрического моста. The closest in technical essence and the achieved result to the claimed device is a bridge meter of parameters of three-element passive two-terminal devices selected as a prototype (see A.S. N 945805, Bull. N 27, 1982), containing a complex pulse generator, measurement object consisting of a series-connected first resistor and a first coil inductance, in parallel with which a first capacitance, a second resistor and a second capacitor are connected in the arms of the relationship of different branches of the electric bridge, the first resistor is included in the branch of the measurement object, and the second capacitor is in the branch of the comparison arm, an equilibrium indicator connected to the measuring diagonal of the electric bridge, the comparison arm, consisting of a third resistor and a second inductive coil connected in parallel, with a fourth resistor and a third capacitor connected in series moreover, the common conclusion of the first and second resistors and the first capacitor forms the first vertex of the measuring diagonal of the bridge, and the common conclusion of the second and third capacitors - the second th vertex diagonal electric measuring bridge.

Недостатком данного мостового измерителя является необходимость добиваться равновесия моста разнотипными элементами: резистором, конденсатором и индуктивной катушкой. The disadvantage of this bridge meter is the need to achieve equilibrium of the bridge with heterogeneous elements: a resistor, a capacitor and an inductive coil.

Технической задачей изобретения является уменьшение веса и габаритов при измерении параметров объектов с трехэлементной схемой замещения, содержащей разнородные реактивные элементы, за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов. An object of the invention is to reduce the weight and dimensions when measuring the parameters of objects with a three-element equivalent circuit containing heterogeneous reactive elements, due to the use of only adjustable resistors as balancing reference elements.

Данная техническая задача решается тем, что в мостовом измерителе параметров трехэлементных пассивных двухполюсников, содержащем генератор импульсов сложной формы, подключенный выходами к диагонали питания электрического моста, объект измерения, состоящий из последовательно соединенных первого резистора, первый вывод которого образует первую вершину диагонали питания электрического моста, и первой индуктивной катушки, параллельно которым включен первый конденсатор, второй резистор, включенный последовательно с объектом измерения в первую ветвь электрического моста, другой вывод которого образует вторую вершину диагонали питания электрического моста, индикатор равновесия, первый и второй входы которого подсоединены к измерительной диагонали электрического моста, первую вершину которой образует общий вывод первой индуктивной катушки и второго резистора, вторая ветвь электрического моста содержит второй конденсатор, первый вывод которого соединен с первой вершиной диагонали питания электрического моста, параллельно соединенные третий резистор и вторую индуктивную катушку, первый общий вывод которых подключен к первому выводу четвертого резистора, а второй общий вывод соединен с второй вершиной диагонали питания электрического моста, во вторую ветвь электрического моста введены пятый и шестой резисторы, первые выводы которых соединены с первым выводом второго конденсатора, второй вывод пятого резистора подключен ко второму выводу четвертого резистора и соединен с второй вершиной измерительной диагонали электрического моста, вторые выводы второго конденсатора и шестого резистора соединены с первым выводом четвертого резистора, третий вход индикатора равновесия соединен с выходом синхронизации генератора импульсов сложной формы, а четвертый вход индикатора равновесия соединен с общей шиной мостового измерителя и с второй вершиной диагонали питания электрического моста. This technical problem is solved by the fact that in a bridge meter of parameters of three-element passive bipolar, containing a pulse generator of complex shape, connected to the power supply diagonal of the electric bridge, the measurement object, consisting of series-connected first resistor, the first output of which forms the first vertex of the power supply diagonal of the electric bridge, and the first inductive coil, in parallel with which the first capacitor is connected, the second resistor connected in series with the measurement object in the first branch of the electric bridge, the other output of which forms the second vertex of the power supply diagonal of the electric bridge, an equilibrium indicator, the first and second inputs of which are connected to the measuring diagonal of the electric bridge, the first vertex of which forms the common output of the first inductive coil and second resistor, the second branch of the electric bridge contains a second capacitor, the first terminal of which is connected to the first vertex of the diagonal of the power supply of the electric bridge, a third resistor and a second inductor connected in parallel a positive coil, the first common terminal of which is connected to the first terminal of the fourth resistor, and the second common terminal is connected to the second vertex of the power supply diagonal of the electric bridge, the fifth and sixth resistors are introduced into the second branch of the electric bridge, the first terminals of which are connected to the first terminal of the second capacitor, the second terminal the fifth resistor is connected to the second terminal of the fourth resistor and connected to the second vertex of the measuring diagonal of the electric bridge, the second terminals of the second capacitor and the sixth resistor are connected us to a first terminal of the fourth resistor, the third balance indicator input coupled to an output synchronizing pulse generator of complex shape, and the fourth equilibrium indicator input coupled to the common bus bridge meter and second diagonal vertex power of the electric bridge.

В заявленной совокупности отличительные признаки проявили новое свойство, заключающееся в уменьшении веса и габаритов при измерении параметров объектов с трехэлементной схемой замещения, содержащей разнородные реактивные элементы, за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов. Решений, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное устройство от прототипа, не обнаружено. Достижение такого эффекта не вытекает из известных в технической литературе решений. Предложенный мостовой измеритель соответствует необходимому изобретательскому уровню и может быть использован при измерении параметров любых объектов, которые можно представить трехэлементной схемой замещения, содержащей резисторы, конденсаторы и индуктивные катушки. In the claimed combination, the distinguishing features showed a new property, which consists in reducing the weight and dimensions when measuring the parameters of objects with a three-element equivalent circuit containing heterogeneous reactive elements due to the use of only adjustable resistors as balancing model elements. No solutions having features similar to those distinguishing the claimed device from the prototype were not found. The achievement of such an effect does not follow from the solutions known in the technical literature. The proposed bridge meter corresponds to the necessary inventive step and can be used to measure the parameters of any objects that can be represented by a three-element equivalent circuit containing resistors, capacitors and inductive coils.

На фиг. 1 представлена функциональная схема мостового измерителя параметров трехэлементных пассивных двухполюсников. In FIG. 1 is a functional diagram of a bridge meter for the parameters of three-element passive two-terminal devices.

Мостовой измеритель параметров трехэлементных двухполюсников (фиг. 1) содержит генератор 1 импульсов сложной формы, электрический мост 2 с объектом 3 измерения и индикатор равновесия 4. Объект 3 измерения, состоящий из последовательно соединенных резистора 5 (R1) и индуктивной катушки 6 (L1), параллельно которым включен конденсатор 7 (C1), и последовательно соединенный с объектом 3 измерения резистор 8 (R2) образуют первую ветвь электрического моста 2. Вторую ветвь электрического моста 2 образуют последовательно соединенные резисторы 9 (R3), 10 (R4) и 11 (R5), причем параллельно резистору 11 включена индуктивная катушка 12 (L2), а параллельно последовательно соединенным резисторам 9 и 10 включены конденсатор 13 (C2) и резистор 14 (R6), соединенные параллельно. Общий вывод объекта измерения и резистора 9 образует первую вершину диагонали питания электрического моста 2. Вторую вершину диагонали питания, подключенную к общей шине мостового измерителя, образует общий вывод резисторов 8, 11 и индуктивной катушки 12. Выходы электрического моста 2, образованные общим выводом резистора 8 и объекта 3 измерения, а также общим выводом резисторов 9 и 10, соединены с двумя входами индикатора 4 равновесия. Два выхода генератора 1 импульсов сложной формы соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста 2. Третий вход индикатора 4 равновесия соединен с выходом синхронизации генератора 1 импульсов, а четвертый вход - с общей шиной. The bridge meter of the parameters of the three-element bipolar (Fig. 1) contains a complex pulse generator 1, an electric bridge 2 with an object 3 of measurement and an equilibrium indicator 4. An object 3 of measurement, consisting of a series-connected resistor 5 (R1) and an inductive coil 6 (L1), parallel to which the capacitor 7 (C1) is connected, and the resistor 8 (R2) connected in series with the measurement object 3 forms the first branch of the electric bridge 2. The second branch of the electric bridge 2 forms the series-connected resistors 9 (R3), 10 (R4) and 11 (R5 ), moreover, inductance coil 12 (L2) is connected in parallel to resistor 11, and capacitor 13 (C2) and resistor 14 (R6) connected in parallel are connected in parallel to series resistors 9 and 10 connected in series. The common output of the measurement object and resistor 9 forms the first vertex of the power diagonal of the electric bridge 2. The second vertex of the power diagonal connected to the common bus of the bridge meter forms the common output of resistors 8, 11 and inductive coil 12. The outputs of the electric bridge 2 formed by the common output of resistor 8 and the measurement object 3, as well as the common output of the resistors 9 and 10, are connected to two inputs of the equilibrium indicator 4. Two outputs of the pulse generator 1 of complex shape are connected to two vertices of the power supply diagonal of the electric bridge 2. The third input of the equilibrium indicator 4 is connected to the synchronization output of the pulse generator 1, and the fourth input is connected to a common bus.

Генератор 1 импульсов сложной формы вырабатывает три вида импульсов: импульсы прямоугольной, линейно изменяющейся и квадратичной формы. Для этого он может быть выполнен в виде совокупности трех формирователей (см. фиг. 2): формирователя 15 прямоугольных импульсов (ФПИ), формирователя 16 линейно изменяющихся импульсов (ФЛИН) и формирователя 17 квадратичных импульсов (ФКИ), которые с помощью коммутатора 18 подключаются или через усилитель мощности в виде эмиттерного повторителя (на фиг. 2 не показан), или непосредственно к выходу генератора 1, вторым выходом которого является общая шина всех формирователей. В качестве коммутатора 18 выбран переключатель типа ПР2-10П1НВР(К). An impulse generator 1 of complex shape generates three types of impulses: rectangular, linearly varying and quadratic impulses. For this, it can be made in the form of a combination of three shapers (see Fig. 2): a rectangular pulse shaper 15 (FPI), a linearly varying pulse shaper 16 (FLIN) and a quadratic pulse shaper 17 (FCI), which are connected using a switch 18 either through a power amplifier in the form of an emitter follower (not shown in FIG. 2), or directly to the output of the generator 1, the second output of which is the common bus of all formers. As the switch 18, a switch of the type PR2-10P1NVR (K) is selected.

Формирователь 15 прямоугольных импульсов выполнен на основе заторможенного мультивибратора на операционном усилителе (ОУ) (см. Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах //Под ред. С.Я.Шаца. М.: Советское радио, 1976, с. 154, 155). Формирователь импульсов линейно изменяющегося напряжения (ЛИН) построен на основе последовательно включенных заторможенного мультивибратора на ОУ (см. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные устройства. М.: Советское радио, 1980, с. 216, 217) и генератора ЛИН на ОУ (см. там же, с. 254, 255). Формирователь 16 квадратичных импульсов выполнен на последовательно соединенных упомянутых выше заторможенном мультивибраторе, генераторе ЛИН (см. там же, с. 216, 217 и с. 254, 255) и интеграторе на ОУ (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983. Т. 1, с. 408, 409, рис. 6.55). Выход заторможенного мультивибратора здесь подключен также к выводу "Сброс" интегратора. В качестве индикатора 4 равновесия можно использовать осциллограф. The square-wave pulse generator 15 is made on the basis of a braked multivibrator on an operational amplifier (OA) (see Designing of Radio-Electronic Devices on Integrated Circuits // Edited by S.Ya. Shats. M.: Soviet Radio, 1976, p. 154, 155). A linear voltage pulse shaper (LIN) is constructed on the basis of a series-connected braked multivibrator on an op-amp (see Frolkin VT, Popov LN Pulse devices. M: Soviet radio, 1980, p. 216, 217) and a generator LIN on the OS (see ibid., P. 254, 255). The quadratic pulse generator 16 is made on a series-connected braked multivibrator mentioned above, a LIN generator (see ibid., P. 216, 217 and p. 254, 255) and an op-amp integrator (see Horowitz P., Hill W. Art of circuitry. M.: Mir, 1983. T. 1, p. 408, 409, Fig. 6.55). The output of the braked multivibrator here is also connected to the "Reset" terminal of the integrator. As an indicator of equilibrium 4, you can use an oscilloscope.

В генератор 1 входит каскад синхронизации (на фиг. 1 и 2 не показан), который построен на основе автоколебательного мультивибратора по а.с. N 517992, бюл. N 2, 1976. Один выход его соединен с входами формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных импульсов, а другой образует выход синхронизации генератора (третий выход). The generator 1 includes a synchronization cascade (not shown in FIGS. 1 and 2), which is built on the basis of a self-oscillating multivibrator according to the AS N 517992, bull. N 2, 1976. One of its outputs is connected to the inputs of the formers of rectangular, linearly varying, quadratic pulses, and the other forms the synchronization output of the generator (third output).

Мостовой измеритель работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе моста равны нулю. Вначале подаем на мост прямоугольные импульсы генератора 1. При воздействии очередного прямоугольного импульса в установившемся режиме в ветвях моста устанавливаются неизменяющиеся напряжения. Напряжение неравновесия зависит только от значения сопротивления резисторов 5, 8, 9 и 10. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 10 приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и тем самым выполняют первое условие равновесия. Равновесие моста здесь и далее отмечают по индикатору равновесия 4. Далее подают на мост импульсы линейно изменяющегося напряжения с генератора 1. При воздействии очередного такого импульса в измерительной диагонали моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной, которая зависит с учетом выполнения первого условия равновесия от значений сопротивления только одного уравновешивающего резистора 14. Однократной регулировкой его приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют второе условие равновесия. После этого на мосту подаются импульсы квадратичной формы с генератора 1. При поступлении очередного импульса этой формы в измерительной диагонали моста после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной, которая зависит с учетом выполнения первых двух условий равновесия от значения сопротивления третьего уравновешивающего резистора 11. Однократной его регулировкой приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют третье условие равновесия. The bridge meter works as follows. In the initial state, the voltages at the input and output of the bridge are zero. First, we feed the rectangular pulses of the generator 1 onto the bridge. Under the influence of the next rectangular pulse in the steady state, unchanging voltages are established in the bridge branches. The nonequilibrium voltage depends only on the resistance value of the resistors 5, 8, 9, and 10. By adjusting the resistance value of the balancing resistor 10 once, the flat peak of the nonequilibrium signal is brought to zero and thereby the first equilibrium condition is fulfilled. Hereinafter, the equilibrium of the bridge is noted by the equilibrium indicator 4. Next, linearly varying voltage pulses from the generator 1 are fed to the bridge. When another such pulse is applied to the bridge’s measuring diagonal, after the end of the transition process, a pulse signal with a flat top is established, which depends on the fulfillment of the first condition equilibrium from the resistance values of only one balancing resistor 14. By adjusting it once, the flat top of the nonequilibrium signal is brought to zero and yayut second condition of equilibrium. After that, quadratic pulses from the generator 1 are applied to the bridge. When a next pulse of this form arrives in the measuring diagonal of the bridge, after the end of the transition process, a pulse signal with a flat top is established, which, taking into account the fulfillment of the first two equilibrium conditions, depends on the resistance value of the third balancing resistor 11. By adjusting it once, the flat peak of the nonequilibrium signal is brought to zero and the third equilibrium condition is fulfilled.

Отсчет искомых значений величин берется из выражений, полученных на основе условий равновесия:

После трех уравновешиваний в измерительной диагонали остаются короткие экспоненциальные всплески, поэтому мостовую цепь можно считать квазиуравновешенной.The countdown of the desired values of the quantities is taken from the expressions obtained on the basis of the equilibrium conditions:

After three balances, short exponential bursts remain in the measuring diagonal, therefore, the bridge circuit can be considered quasi-balanced.

Таким образом, данный мостовой измеритель позволяет уменьшить вес и габариты при измерении параметров объектов с трехэлементной схемой замещения с разнородными реактивными элементами за счет использования в качестве регулируемых уравновешивающих образцовых элементов только переменных активных сопротивлений. Уравновешивание моста раздельное, что перспективно для автоматических измерений. При этом если в прототипе уравновешивание должно выполняться тремя регулируемыми элементами, то в предлагаемом изобретении - только тремя переменными резисторами 10, 14 и 11. Кроме того выполнение второй ветви электрического моста 2 в виде предложенной на фиг. 1 конфигурации элементов 9 - 14 позволяет использовать ее для измерения параметров других трехэлементных пассивных двухполюсников с разнородными реактивными элементами. Thus, this bridge meter allows to reduce weight and dimensions when measuring the parameters of objects with a three-element equivalent circuit with heterogeneous reactive elements due to the use of only variable active resistances as adjustable balancing reference elements. The balancing of the bridge is separate, which is promising for automatic measurements. Moreover, if in the prototype balancing should be performed by three adjustable elements, then in the present invention - only by three variable resistors 10, 14 and 11. In addition, the second branch of the electric bridge 2 in the form proposed in FIG. 1 configuration of elements 9 - 14 allows you to use it to measure the parameters of other three-element passive two-terminal with heterogeneous reactive elements.

Claims

A bridge three-element passive two-terminal parameter meter, containing a complex pulse generator connected to the power supply diagonal of the electric bridge, a measurement object consisting of a first resistor connected in series, the first output of which forms the first vertex of the power supply diagonal of the electric bridge, and the first inductive coil, in parallel with which the first capacitor, the second resistor, connected in series with the measurement object in the first branch of the electric bridge, the other in The output of which forms the second vertex of the diagonal of the power supply of the electric bridge, an equilibrium indicator, the first and second inputs of which are connected to the measuring diagonal of the electric bridge, the first vertex of which forms the common output of the first inductive coil and second resistor, the second branch of the electric bridge contains a second capacitor, the first output of which is connected with the first vertex of the power bridge diagonal of the electric bridge, a third resistor and a second inductive coil are connected in parallel, the first common conclusion of which is connected to the first terminal of the fourth resistor, and the second common terminal is connected to the second vertex of the power supply diagonal of the electric bridge, characterized in that the fifth and sixth resistors are introduced into the second branch of the electric bridge, the first terminals of which are connected to the first terminal of the second capacitor, the second terminal of the fifth resistor is connected to the second terminal of the fourth resistor and is connected to the second vertex of the measuring diagonal of the electric bridge, the second terminals of the second capacitor and the sixth resistor are connected to the first terminal of the fourth rtogo resistor, the third balance indicator input coupled to an output synchronizing pulse generator of complex shape, and the fourth equilibrium indicator input coupled to the common bus bridge meter and second diagonal vertex power of the electric bridge.