RU2511673C2 - 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, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включенных в электрический мост. Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение погрешности измерений. Технический результат достигается благодаря тому, что мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор, а также за счет исключения составляющей погрешности от паразитной емкости относительно «земли» незаземленного многоэлементного двухполюсника и нестабильности этой паразитной емкости за счет использования только заземленных многоэлементных двухполюсников. 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 [АС СССР №1157467, G01R. Мостовой измеритель параметров многоэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский. Опубл. в Бюл., 1985, №19], содержащий последовательно включенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, четырехплечую мостовую 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].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников [АС СССР, №918862, G01R. Мостовой измеритель параметров четырехэлементных пассивных двухполюсников / Г.И.Передельский. Опубл. в Бюл., 1982, №13]. Мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор импульсов трапецеидальной формы, четырехплечую 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 каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены к 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, первую ветвь образуют последовательно соединенные два резистора, свободный вывод первого из них подключен к первому выходу генератора питающих импульсов, свободный вывод второго резистора заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, во вторую ветвь моста входит одиночный резистор, один из выводов которого соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а второй вывод образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, также вторая ветвь моста включает в себя многоэлементный двухполюсник, состоящий из двух параллельно включенных ветвей, в первую из них входят последовательно соединенные конденсатор и резистор, а также индуктивная катушка, один из выводов которой соединен с «землей», вторая ветвь многоэлементного двухполюсника включает в себя две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения, одна из клемм заземлена, последовательно соединенные первый резистор и катушку индуктивности, конденсатор, подключенный к общему выводу первого резистора и катушки индуктивности, и второй резистор, подключенный к свободному выводу катушки индуктивности, свободный вывод первого резистора соединен с незаземленной клеммой для подключения двухполюсников объекта измерения, общий вывод катушки индуктивности и второго резистора соединен с заземленной клеммой, нуль-индикатор, с дифференциальным входом которого соединены оба вывода выхода чытырехплечей мостовой цепи, ко второму входу нуль-индикатора (входу синхронизации) подключен второй выход генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, введены три дополнительных резистора, электрическая цепь из резистора, конденсатора и катушки индуктивности перенесена из первой ветви четырехплечей мостовой цепи во вторую ветвь и изменено включение элементов моста, последовательно соединенные дополнительные первый и второй резисторы введены в первую ветвь многоэлементного двухполюсника второй ветви четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод первого дополнительного резистора подключен ко второму выводу выхода мостовой цепи, свободный вывод второго дополнительного резистора заземлен, к общему выводу этих двух дополнительных резисторов присоединен свободный вывод конденсатора перенесенной электрической цепи, а также в ней свободный вывод резистора соединен со свободным выводом катушки индуктивности, третий дополнительный резистор введен во вторую ветвь многоэлементного двухполюсника второй ветви четырехплечей мостовой цепи и включен между вторым выводом выхода мостовой цепи и незаземленной клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод второго резистора во второй ветви многоэлементного двухполюсника второй ветви моста соединен с общим выводом первого резистора, катушки индуктивности и конденсатора, а свободный вывод конденсатора соединен с заземленной клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, имеющийся двухполюсник из первого и второго резисторов, катушки индуктивности и конденсатора является двухполюсником объекта измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 питающих импульсов, состоящий из формирователя 2 прямоугольных импульсов (K₀t⁰), формирователя 3 линейно изменяющихся импульсов (K₁t¹), формирователя 4 квадратичных импульсов (K₂t²), формирователя 5 кубичных импульсов (K₃t³), где К₀, K₁, К₂ и К₃ - постоянные коэффициенты, t - текущее время, усилителя 6 мощности, коммутатора 7 и блока 8 синхронизации. Выход каждого формирователя импульсов соединен с соответствующим входом коммутатора 7, выход которого подключен ко входу усилителя 6 мощности, выход которого образует первый выход генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». Выход блока 8 синхронизации соединен со входом (входом синхронизации) каждого формирователя импульсов. Также выход блока 8 синхронизации образует второй выход (выход синхронизации) генератора 1 питающих импульсов относительно «земли». 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 9 (R9) и 10 (R10), образующих соответственно первое и второе плечи четырехплечей мостовой цепи. Свободный вывод резистора R9 подключен к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Свободный вывод резистора R10 заземлен. Общий вывод резисторов R9 и R10 образует первый вывод выхода (первую вершину измерительной диагонали) четырехплечей мостовой цепи. Вторая ветвь моста состоит из последовательно соединенных одиночного резистора 11 (R11), образующего третье плечо моста, и многоэлементного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи. Одним выводом резистор R11 подключен к свободному выводу резистора R9 и соответственно к первому выходу генератора 1 питающих импульсов. Общий вывод резисторов R9 и R11 образует первую вершину генераторной диагонали моста. Общий вывод резистора R11 и многоэлементного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи, образует второй вывод выхода (вторую вершину измерительной диагонали) моста. Этот многоэлементный двухполюсник состоит из двух параллельно включенных ветвей. Его первая ветвь образована последовательно соединенными первым дополнительным резистором 12 (R12) и четырехэлементным двухполюсником. Этот двухполюсник составлен из параллельно включенных второго дополнительного резистора 13 (R13) и последовательно соединенных конденсатора 14 (С14), резистора 15 (R15) и индуктивной катушки 16 (L16). Вторая ветвь многоэлементного двухполюсника, составляющего четвертое плечо четырехплечей мостовой цепи, включает в себя третий дополнительный резистор 17 (R17), один из выводов которого присоединен к общему выводу резисторов R11 и R12, и две клеммы для подключения двухполюсника объекта измерения. Первая из этих клемм подключена к свободному выводу резистора R17, а вторая заземлена. Двухполюсник объекта измерения состоит из последовательно включенных первого резистора 18 (R18) и электрической цепи, образованной параллельно соединенными индуктивной катушкой 19 (L19), вторым резистором 20 (R20) и конденсатором 21 (С21). Общий вывод индуктивной катушки L19, резистора R20 и конденсатора С21 присоединен к заземленной клемме для подключения двухполюсников объекта измерения. Два вывода выхода четырехплечей мостовой цепи соединены с дифференциальным входом нуль-индикатора 22. Ко второму входу (входу синхронизации) нуль-индикатора 22 подключен второй выход генератора 1 питающих импульсов. Заземленная общая шина генератора 1 питающих импульсов соединена со второй вершиной генераторной диагонали моста, образованной общим выводом резисторов R10 и R13, индуктивной катушки L16 и второй клеммы для подключения двухполюсников объекта измерения. Общая шина нуль-индикатора 22 соединена со второй вершиной генераторной диагонали четырехплечей мостовой цепи и с общей шиной генератора 1 питающих импульсов и заземлена. В мостовом измерителе параметров двухполюсников сопротивления резисторов R9, R10, R11, R12 и R17 известны, постоянны и имеют равные значения (R9=R10=R11=R12=R17). Регулируемыми переменными являются известные параметры уравновешивающих элементов - резисторов R13 и R15, конденсатора С14 и индуктивной катушки L16. Искомыми являются параметры элементов двухполюсника объекта измерения - резисторов R18, R20, индуктивной катушки L19 и конденсатора С21.

Работа мостового измерителя параметров двухполюсников состоит в следующем. В начальный момент времени напряжения на генераторной и измерительной диагоналях четырехплечей мостовой цепи равны нулю. В генераторе 1 питающих импульсов формирователь 2 прямоугольных импульсов, формирователь 3 линейно изменяющихся импульсов, формирователь 4 квадратичных импульсов, формирователь 5 кубичных импульсов формируют последовательности импульсных сигналов соответствующей формы. Через коммутатор 7 и усилитель 6 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 прямоугольных 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 переменного сопротивления уравновешивающего резистора R13. В результате выполняется первое условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, которое имеет вид

$$R_{13}{R}_{18}-R_{12}^2=0.(1)$$

Затем на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи поступает последовательность импульсов линейно изменяющейся формы. При воздействии очередного импульса линейно изменяющейся 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 условия равновесия (1) приводится к нулю однократной регулировкой переменного параметра уравновешивающего элемента - конденсатора С14. Второе условие равновесия четырехплечей мостовой цепи запишется в виде

$$L_{19}-R_{12}^1{C}_{14}=0.(2)$$

Выполнение первого условия равновесия (1) в этом случае сохраняется, поскольку это условие не содержит емкость конденсатора С14.

Далее на генераторную диагональ четырехплечей мостовой цепи воздействуют импульсы квадратичной формы. В измерительной диагонали четырехплечей мостовой цепи при воздействии очередного импульса квадратичной формы устанавливается импульсный сигнал неравновесия. Этот сигнал после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса имеет плоскую вершину, которая при выполненных условиях (1) и (2) приводится к нулю однократной регулировкой переменного сопротивления уравновешивающего резистора R₁₅. При этом третье условие равновесия четырехплечей мостовой цепи определяется выражением

$$R_{15}{R}_{20}-R_{12}^2=0.(3)$$

Предыдущие условия равновесия (1) и (2) сохраняются, поскольку в этих условиях отсутствует сопротивление резистора R₁₅.

В последнюю очередь на вход моста подается последовательность кубичных импульсов. Воздействие на мостовую цепь очередного импульса такой формы приводит к тому, что в измерительной диагонали моста устанавливается импульсный сигнал неравновесия, имеющий после окончания переходного процесса в течение интервала времени от окончания переходного процесса и до окончания импульса плоскую вершину, приводимую к нулю при выполнении условий (1)-(3) однократной регулировкой переменной индуктивности уравновешивающей индуктивной катушки L16. В результате выполняется четвертое и последнее условие равновесия четырехплечей мостовой цепи, имеющее вид

$$L_{16}-R_{12}^2{C}_{21}=0.(4)$$

При этом выполнение условий равновесия (1)-(3) не нарушается, поскольку в них не содержится индуктивность индуктивной катушки L16.

Искомые значения параметров четырех элементов двухполюсника объекта измерения R18, L19, R20 и С21 определяются из четырех условий равновесия четырехплечей мостовой цепи (1)-(4). Следовательно, четыре неизвестных параметра находятся из решения по сути четырех уравнений.

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 каскада синхронизации, формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, коммутатора и усилителя мощности, выход каскада синхронизации соединен с каждым входом имеющихся четырех формирователей импульсов, выходы которых подключены к 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, первую ветвь образуют последовательно соединенные два резистора, свободный вывод первого из них подключен к первому выходу генератора питающих импульсов, свободный вывод второго резистора заземлен, общий вывод этих двух резисторов образует первый вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, во вторую ветвь моста входит одиночный резистор, один из выводов которого соединен с первым выходом генератора питающих импульсов, а второй вывод образует второй вывод выхода четырехплечей мостовой цепи, также вторая ветвь моста включает в себя многоэлементный двухполюсник, состоящий из двух параллельно включенных ветвей, в первую из них входят последовательно соединенные конденсатор и резистор, а также индуктивная катушка, один из выводов которой соединен с «землей», вторая ветвь многоэлементного двухполюсника включает в себя две клеммы для подключения двухполюсников объектов измерения, одна из клемм заземлена, последовательно соединенные первый резистор и катушку индуктивности, конденсатор, подключенный к общему выводу первого резистора и катушки индуктивности, и второй резистор, подключенный к свободному выводу катушки индуктивности, свободный вывод первого резистора соединен с незаземленной клеммой для подключения двухполюсников объекта измерения, общий вывод катушки индуктивности и второго резистора соединен с заземленной клеммой, нуль-индикатор, с дифференциальным входом которого соединены оба вывода выхода чытырехплечей мостовой цепи, ко второму входу нуль-индикатора (входу синхронизации) подключен второй выход генератора питающих импульсов, общая шина нуль-индикатора заземлена, отличающийся тем, что в него введены три дополнительных резистора, электрическая цепь из резистора, конденсатора и катушки индуктивности перенесена из первой ветви четырехплечей мостовой цепи во вторую ветвь и изменено включение элементов моста, последовательно соединенные дополнительные первый и второй резисторы введены в первую ветвь многоэлементного двухполюсника второй ветви четырехплечей мостовой цепи, свободный вывод первого дополнительного резистора подключен ко второму выводу выхода мостовой цепи, свободный вывод второго дополнительного резистора заземлен, к общему выводу этих двух дополнительных резисторов присоединен свободный вывод конденсатора перенесенной электрической цепи, а также в ней свободный вывод резистора соединен со свободным выводом катушки индуктивности, третий дополнительный резистор введен во вторую ветвь многоэлементного двухполюсника второй ветви четырехплечей мостовой цепи и включен между вторым выводом выхода мостовой цепи и незаземленной клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, свободный вывод второго резистора во второй ветви многоэлементного двухполюсника второй ветви моста соединен с общим выводом первого резистора, катушки индуктивности и конденсатора, а свободный вывод конденсатора соединен с заземленной клеммой для подключения двухполюсников объектов измерения, имеющийся двухполюсник из первого и второго резисторов, катушки индуктивности и конденсатора является двухполюсником объекта измерения.