Устройство для измерения параметров двухполюсников

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения , параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема замещения которых является многоэлементным двухполюсником (Д). Цель изобретения - расширение пределов измерения параметров четырехэлементных Д за счет возможности проведения уравновешивания во время переходных процессов измерительной цепи (ИЦ) ИЦ , образованную последовательно соединенными образцовым элементом 5 и Д, при каждом уравновешивании подключают посредством коммутатора 3 к соответствующему генератору 2 импульсных сигналов с изменением напряжения в импульсе по закону степенной функции с показателем степени 0,1,2,3. Выходное напряжение ИЦмоделируютв виде суммы из i импульсных сигналов, поступающих на входы сумматора 15 с выходов (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 К 17/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4704709/21 (22) 14.06.89 (46) 07.05.91. Бюл. М 17 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) А.Н.Сапрыкин и B.Ï.ßêóøåâ (53) 621.317.733(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1187102, кл. G 01 R 27/02, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1520454, кл, G 01 R 17/10, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТР0В ДВУХПОЛЮСНИКОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения.параметров физических объектов, „„5U ÄÄ 164742,1 А1 эквивалентная электрическая схема замещения которых является многоэлементным двухполюсником (Д). Цель изобретения— расширение пределов измерения параметров четырехэлементных Д за счет возможности проведения уравновешивания во время переходных процессов измерительной цепи (ИЦ), VlLI,, образованную последовательно соединенными образцовым элементом 5 и Д, при каждом уравновешивании подключают посредством коммутатора 3 к соответствующему генератору 2 импульсных сигналов с изменением напряжения в импульсе по закону степенной функции с показателем степени 0,1,2,3, Выходное напряжение ИЦмоделируют в виде суммы из i импульсных сигналов, поступающих на входы сумматора 15 с выходов г с С1647421

35 (З) генераторов 2 через соответствующие масштабные усилители 4, коммутаторы 3, потенциометры 13, повторители 14 напряжения. После выполнения последнего уравновешивания искомые параметры Д определяют из решения системы алгебраических уравнений, которыми выражаются условия равновесия. Для исключения влияния экспоненциальных составляющих выИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении гираметров пассивных многоэлементных двухполюсников.

Цель изобретения — расширение пределов измерения параметров четырехэлементных двухполюсников за счет возможности проведения уравновешивания во время переходных процессов в измерительной цепи.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения параметров двухполюсников.

Устройство содержит задающий генератор 1, выход которого соединен с входами управления генераторов 2 — 1 — 2 — 4 импульСов прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной формы соответственно, четырехплатный коммутатор 3 на четыре положения. Выход генератора 2-1 прямоугольных импульсов подключен к первому, второму, третьему и . четвертому контактам плат 3-1 — 3-4 коммутатора соответственно. Выход генератора

2 — 2 линейно изменяющихся импульсов подключен к второму контакту первой платы

3 — 1 непосредственно, а ктретьемуичетвертому контактам второй и третьей плат 3 — 2 и

3 — 3 коммутатора — через первый 4-1 и второй 4-2 масштабные усилители соответственно. Выход генератора 2-3 квадратичных импульсов соединен с третьим контактом первой платы 3-1-непосредственно, а с четвертым контактом второй платы 3-2 — через третий усилитель 4 — 3. Выход генератора 2—

4 кубичных импульсов подключен к четвертому контакту первой платы 3-1. Первый выход коммутатора 3 через образцовый резистор 5 (Ro) соединен с первой клеммой 6, а вторая клемма 7 для подключения исследуемого двухполюсника 8 подключена к общей шине.

Схема замещения двухполюсника 8 содержи первый резистор 9 (И1}, параллельно которому. включены последовательно сое- 4 диненные первый конденсатор 10 (С ) и второй резистор 11 (Вг}, параллельно которому включен второй конденсатор 12 (Сг). Первые выводы потенциометров 13 — 1 — 13-4 соединены с соответствующими выходами комму5

30 ходкого напряжения ИЦ во время переходных процессов в ней выполняют их ав оматическую компенсацию, последовательно дифференцируя, интегрируя разность выходного напряжения ИЦ и МН и вновь сравнивая ее с напряжением на выходе интегратора 19, что в конечном счете расширяет диапазон значений параметров измеряемого Д. 1 ил. татора 3, а вторые выводы через повторители 14 — 1 — 14-4 напряжения подключены к соответствующим входам параллельного сумматора 15, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 16, второй вход которого через пятый повторитель напряжения 14 — 5 подключен к клемме 6. Первый вход нульоргана 17 соединен с общей шиной, второй вход подключен к выходу дифференциального усилителя 16 через последовательно соединенные дифференциатор 18 и интегратор 19. а третий вход — непосредственно, между четвертым входом нуль-органа 17 и выходом задающего генератора 1 включен элемент 20 задержки, Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии подвижные контакты коммутатора 3 находятся в в верхнем по схеме положений, а движки потенциометров 13-2 — 13-4 в нижнем. Положение движка потенциометра 13 — 1 безразлично.

Сопротивление исследуемого двухпо-, люсника 8 в операторной форме равно:

2»(Р) =

PRt Ct+C» +1

R1 Ct + Rt Ct + Rt Сг + 1 ос + — „„,t;o — + ) (1) где Р— оператор Лапласа.

Соответственно изображение выходного напряжения измерительной цепи, являющейся делителем, образованным резистором 5 и двухполюсником 8,равно

Р+1/ R» С!+С» ! Щ

Р +Р

» + RoRt Ct +RoR»Ct +Ro R»C» +RtR»Ct +RtR»C» Ro+ Rt

Ro Rt R2 Cl C2 ъ.л лгс;. где 0Bx(P) — напряжение на выходе первой платы 3 — 1 коммутатора.

Известно, что при воздействии импульсов прямоугольной линейной, квадратичной, кубичной форм оригинал выходного напряжения (2) имет вид

U!(t)=Um (А1+ : Bte 2! ) . ! =1 !

Um

Ut (t ) = — (А! + Аг . С Е 2! );

1vv

t =1

U1(t) = — — А! t + 2 Аг !+Аз+ Д 01Е

0в г 2

l2

1=1!

U1(t) — !" (А! !»+ЗА»! +ЗА»!+Ал+, fte 2! )

\ Ц

I =!

1647421 где Ь вЂ” время действия импульсного сигнала;

tj — постоянные времени измерительной цепи, определяемые согласно (2) значениями параметров двухполюсника 8 и образцового резистора 5;

В,С,D,F — коэффициенты, определяемые также значениями ггараметров двухполюсника и образцового резистора, коэффициенты А1-А4 равны:

R1 R(, R) C1

А1— А2

Rp+R1 (р +р )2 з 2 2

2Rp С1 + 2RpR1 R2C1

Аз (Я+В)з (Р+R 2 г

2 2 (Ro + R1) г 2

+ 2 Р R1 R2 С! (R1 + R2 ) + RZ С! С2

2 2 2

X(Rp+R1) +й1 Rz С1 j, (4)

Вначале имг)ульсы прямоугольной формы с выхода генератора 2 — 1 через первый контакт платы 3 — 1 коммутатора 3 поступают на измерительную цепь и первый вывод потенциометра 13 — 1. В соответствии с первым уравнением системы (3) выходное напряжение измерительной цепи О1(!) имеет форму прямоугольного импульса, алгебраически просуммированного с двумя экспоненциальными со тавляющими, Через повторитель 14 — 5 напряжения (служащий для уменьшения влияния паразитных парамет.ров схемы) зто напряжение поступает на первый вход дифференциального усилителя 16.

Выходное напряжение потенциометра

13 — 1, равное Uп)К1 через повторитель 14 — 1 напряжения поступает на второй вход усилителя 16 (K1 — коэффициент передачи потенциометра 13 — 1, принимающий значения

0 K1 1). Так как движки потенциометров

13-2 — 13 — 4 находятся в крайнем нижнем по схеме положении, то на остальных входах сумматора 15 нулевое напряжение, поэтому выходное напряжение Uz(t) сумматора 15, поступающее на второй вход усилителя 16) равно 02(т) = U K1. Соответственно выходное напряжение Ua(t) дифференциального усилителя 16 имеет вид

t из(7) =U ((At+ g В,е ) -Kt) (5) Напряжение (5) последовательно подвергается операциям дифференцирования и интегрирования в блоках 18 и 19, соответствующие выходные напряжения которых

5 имеют в)4д

Ut(t}=Umee 2, (— — ) Brе ;(8) 1 (=1 rl

Ue(t)=U g В е . (7) () j 1 где тц, х„— постоянные времени дифференциатора 18 и интегратора 19.

При равенстве постоянных времени

15 дифференциатора и интегратора Тц = rU выходное напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет вид

20 (Ue(t) =U 2, Bie, (8)

) =1

Результат сравнения напряжений (5) и (8) s нуль-органе 17 имеет вид

28 Ue(t}=U ((At+ 2, Bie ) — Kt)—

j =1

t — ()e 2, Bie =Uet(At — К1). (9)

)=1

3р Таким образом, напряжение (9) имеет форму прямоугольного импульса, т.е. в устройстве произошла автоматическая компенсация экспоненциальных составляющих выходного напряжения измерительной цепи. Это открывает воэможность производить уравновешивание, не о:кидая окончания переходных процессов в измерительной цепи, длительность которых опре-, деляется значениями параметров

4р двухполюсника. (8). Это позволяет, в отличие от прототипа, расширить диапазон значений параметров двухполюсника. При этом, как и в прототипе, полярность и амплитуда прямоугольного импульса в нуль-орга45 не 17 однозначно определяют направление и расстояние перемещения движка потенциометра.

Регулируя положение движка потенциометра 13 — 1, добиваются равенства нулю

50 напряжения(9), выполняя тем самым первое условие равновесия

K1 = Aj (10)

Во+И!

Состояние равновесия здесь и далее

55 фиксируют по экрану осциллографа, выполняющего функции нуль-органа 17. При этом, импульсы синхронизации нуль-органа 17 поступают с выхода задающего генератора

1 через элемент 20 задержки. Задержка необходима для того, чтобы успели закончить1647421 ся переходные процессы в электронных узлах схемы преобразователя.

Затем подвижные контакты коммутатора 3 перемещают в следующее положение на одну позицию вниз. При этом на измери- 5 тельную цепь и первый потенциометр 13-1 поступают линейно изменяющиеся импульсы с выхода генератора 2-2 через второй контакт первой платы 3 — 1, а на потенциометр 13-2 поступают прямоугольные им- 10 пульсы с выхода генератора 2 — 1 через второй контакт платы 3 — 2.

Выходное напряжение измерительной цепи соответствует второму уравнению системы (3), а выходное напряжение суммато- 15 ра 15 состоит уже из двух слагаемых

U2 (t) = t К1 Um К2 ° (11)

Um

tu

С учетом выполнения первого условия равновесия (10) выходное напряжение диффе- 20 ренциального усилителя 16 имеет вид

U3(t) = — "- (A2+, С е т j — U Кг, Um

tu

i=1

25 (12)

По аналогии с (6) и (8) можно показать, что выходное. напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет вид 30 г т

05(т) =, Я С е . (13)

<и

Результат сравнения напряжений (12) и (13) в нуль-органе 17 имеет также форму прямо- 35 угольного импульса

0б (t) = — А2 Um К2. (14)

Um тц

Регулируя положение движка потенциометра 13-2, добиваются равенства нулю 40 напряжения (14), выполняя тем самым второе условие равновесия

= К2 °

Аг (15) т, Затем подвижные контакты коммутато- 45 ра 3 перемещают в следующее положение на одну позицию вниз.

Выходное напряжение 01(t) измерительной цепи соответствует теперь третьему уравнению системы (3), а выходное 50 напряжение сумматора 15 02(t} формируется уже из трех слагаемых

U2(t) = t К1 t Кг+Um Кз.

Um 2 2 Um

2 tu

1и (16)

Удвоение значения второго слагаемого (16) происходит вследствие того, что линейно изменяющиеся импульсы с выхода генератора 2 — 2 поступают на потенциометр 13 — 2 через масштабный усилитель 4-1, имеющий коэффициент усиления 2. По аналогии с (5), с учетом выполнения условий равновесия (10) и (15), можно показать, что выходное напряжение 0з(т) дифференциального усилителя 16 имеет вид (1Л

Соответственно выходное напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет вид

U5(t)=,, . О;е . (18}

tu I=1

Таким образом, результат сравнения напряжений (17) и (18) будет также иметь форму прямоугольного, импульса

0б(1) — 2 АЗ вЂ” Um КЗ, (19)

tu

Регулируя положение движка потенциометра 13-3, добиваются равенства нулю напряжения (19), выполняя тем самым третье равновесие

= Кз. (20) и

Затем подвижные контакты коммутатора 3 устанавливают в четвертое, крайнее нижнее положение и аналогично уравновешивают сравниваемые величины U5(t) и Ufj(t) изменением положения движка потенциометра 13-4. Выходное напряжение 01(1) измерительной цепи определяется последним уравнением системы (3), а выходное напряжение 02(т) сумматора 15 состоит из четырех слагаемых

02(т) 3 т К1

+ tКЗ вЂ” 0mÊ4, 3L4 (21)

tu

Утроение значений второго и третьего слагаемого (21) происходит вследствие того, что квадратичные и линейно изменяющиеся импульсы, с выходов генераторов 2-3 и 2-2 поступают на потенциометры 13-2 и 13-3 через масштабные усилители 4-3 и 4-2 соответственно, имеющие коэффициент усиления 3. Компенсация экспоненциальных составляющих в выходном напряжении Ua(t) усилителя 16 происходиттакже,каки при предыдущих уравновешиваниях и четвертое условие равновесия имеет вид

К4 ° (22)

30м 2К

0з(1) = 2 (Аз+ Д Dt е ) — Um Кз.

Um ,2(11

1647421

Из решения системы уравнений (10), (15), (20), (22) с учетом зн ачен ий (4) коэффициентов А1-А4 находят формулы для вычисления параметров двухполюсника 8

К1 . К1 Кз 1 = Ro

1 — K1 R2=Ro

К1

2 Кг импульсов, выход генератора линейно изменяющихся импульсов соединен с вторым контактом первой платы непосредственно, а с третьим и четвертым контактами второй и третьей плат коммутатора через первый и второй масштабные усилители соответственно, выход генератора квадратичных импульсов подключен к третьему контакту первой платы непосредственно, к четвертому контакту второй платы — через третий масштабный усилитель, выход генератора

10 кубичных импульсов соединен с четвертым контактом первой платы коммутатора, четыре потенциометра, первые выводы которых подключены к выходам соответствующих плат коммутатора, а вторые выводы через соответствующие повторители напряжения подключены к входам параллельного сумматора, образцовый резистор, первый вывод которого соединен с выходом первой платы коммутатора, а второй вывод подключен к первой клемме для подключения исследуемого двухполюсника к входу пятого повторителя напряжения, при этом вторая клемма, третьи выводы всех потенциометров и первый вход нуль-органа соединены с общейшиной, отлича ющеесятем,что, 15

25 с целью расширения пределов измерения дифференциатор и элемент задержки, оключенный между выходом задающего генератора и вторым входом нуль-органа, третий вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя непосредственно, а четвертый вход через последовательно соединенные дифференциатор и интегратор, при этом первый вход дифференциального усилителя соединен с выходом пятого повторителя напряжения, а второй вход подключен к выходу сумматора.

Составитель В.Семенчук

Редактор А.Шандор Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.Øàpoøè

Заказ 1395 Тираж 421 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/S

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

tö К2 2

С1 2, Cz = tu (2 Kz К4 3 Кг Х

R. К1

2 х (1 — К1 )г (Кз + 2 Kz — K1 Кз ) — 6 Kz X

2 2

x (1 — K1 ) (К1 Кз — 2 К2 ) (Кз + 2 К2 г — К1 Кз ) - 3 12 (к1 Кз 2 K2 ) ) /(3 Ro x (2 — K1 Кз)2). (23)

Таким образом, устройство для измерения параметров двухполюсников в отличие от прототипа позволяет определить параметры двухполюсника не ожидая окончания переходных процессов в измерительной цепи, Это открывает возможность для расширения диапазона значений параметров исследуемого двухполюсника. При этом полностью сохранены достоинства, присущие прототипу: применение только однотипных управляемых элементов, раздельное уравновешивание, возможность измерения параметров двухполюсников с другими схемами замещения.

Ф о р м у л а .и з о б р е т е н и я

Устройство для измерения параметров двухполюсников, содержащее задающий генератор, выход которого соединен с входами управления генераторов импульсов прямоугольной линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной форм, четырехплатный коммутатор на четыре положения, первый, второй, третий и четвертый контакты соответствующих плат которого подключены к выходу генератора прямоугольных параметров четырехэлементных двух30 полюсников, в него введены дифференциальный усилитель, интегратор,