Измеритель параметров двухполюсников

 

Изобретение относится к области измерения физических величин, в частности к измерению параметров двухполюсников. Измеритель содержит генератор прямоугольных импульсов, первый выход которого соединен с ветвью из двухполюсника и многоэлементного двухполюсника. Выход ветви подключен ко входу неинвертирующего повторителя напряжения, выход которого соединен со входом инвертирующего усилителя. Выход усилителя подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора. Выход сумматора через разделительный конденсатор подключен к первому входу нуль-индикатора, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора. Изобретение позволяет уменьшить погрешность измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитной емкости относительно земли. 1 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, автоматике, промышленной электронике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения, а также физических величин посредством параметрических датчиков.

Известна мостовая схема для измерения параметров конденсаторов [1], содержащая генератор питающих электрических сигналов, мостовую цепь и сравнивающее устройство с дифференциальным входом.

Недостатком ее является отсутствие возможности измерять параметры объектов измерения с резистивно-индуктивной схемой замещения.

Известен мост Максвелла, питающихся импульсным напряжением трапецеидальной формы [2], содержащий генератор питающих импульсов, мостовую цепь и сравнивающее устройство с дифференциальным входом.

Недостатком его является понижение точности за счет составляющей погрешности от неидеального подавления напряжения синфазных сигналов в сравнивающем устройстве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа измеритель параметров двухполюсников [3], содержащий генератор питающих прямоугольных импульсов, ветвь из объекта измерения и двухполюсника с регулируемыми элементами, повторитель напряжения, инвертирующий усилитель, двухвходовый аналоговый сумматор, разделительный конденсатор и нуль-индикатор.

Недостатком его является повышение погрешности измерения за счет составляющей погрешности от паразитной емкости, которую образует незаземленный объект измерения или незаземленный двухполюсник регулируемых (уравновешивающих) элементов относительно земли. В приведенном измерителе отсутствует возможность заземлить и двухполюсник объекта измерения, и двухполюсник регулируемых элементов, поэтому обязательно присутствует названная паразитная емкость и соответствующая составляющая погрешности. Дополнительная составляющая погрешности возникает и от нестабильности этой паразитной емкости. Такой недостаток имеют мостовые цепи с объектом измерения и двухполюсником регулируемых элементов в одной ветви, а также мосты с несмежными плечами отношения и соответственно с несмежными плечами сравнения, например мост Максвелла.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности измерения за счет исключения составляющих погрешности от паразитной емкости относительно земли или незаземленного объекта измерения, или незаземленного двухполюсника регулируемых элементов, а также нестабильности этой паразитной емкости.

Это достигается тем, что в измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор прямоугольных импульсов, первый вывод которого заземлен и является общим для его двух выходов, второй вывод образует первый выход генератора и третий вывод - второй выход (выход синхронизации), первый резистор, образующий первый двухполюсник ветви, первым из выводов соединен со вторым выводом первого выхода генератора, во второй двухполюсник ветви входят параллельно соединенные конденсатор и второй резистор, первый общий вывод которых заземлен, неинвертирующий повторитель напряжения, вход которого соединен со вторым выводом первого резистора, инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным двум, вход которого соединен с выходом неинвертирующего повторителя напряжения, двухвходовый аналоговый сумматор, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, а второй вход - с первым выходом генератор, нуль индикатор, первый вывод которого соединен с землей, второй вывод образует первый вход и через разделительный конденсатор соединен с выходом аналогового сумматора, а третий вывод образует второй вход (вход синхронизации) и соединен со вторым выходом генератора, введены третий резистор, включенный между первым резистором и параллельно соединенными вторым резистором и конденсатором, и цепь из трех последовательно соединенных элементов: четвертого, пятого резисторов и индуктивной катушки, последняя цепь включена между землей и общим выводом первого, третьего резисторов и входом неинвертирующего повторителя напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема измерителя параметров двухполюсников.

Измеритель параметров двухполюсников содержит генератор 1 прямоугольных импульсов. Первый выход его соединен с ветвью из двухполюсника в виде резистора 2 (R2) и многоэлементного двухполюсника из резистора 3 (R3), резистора 4 (R4), конденсатора 5 (С5), резистора 6 (R6), резистора 7 (R7) и индуктивной катушки 8 (L8). Выход ветви подключен ко входу неинвертирующего повторителя 9 напряжения, выход которого соединен со входом инвертирующего усилителя 10 с коэффициентом усиления по абсолютной величине, равным двум. Выход усилителя подключен к первому входу двухвходового сумматора 11, второй вход его соединен с первым выходом генератора. Выход сумматора через разделительный конденсатор 12 подключен к первому входу нуль-индикатора 13, а второй вход его (вход синхронизации) соединен со вторым выходом генератора (выходом синхронизации).

Измеритель параметров двухполюсников работает следующим образом. С генератора 1 подается последовательность прямоугольных импульсов. Предварительно следует выполнить условие

а также коэффициент усиления инвертирующего усилителя 10 по абсолютной величине должен быть равным двум. Как известно, двухполюсник R3-R4-C5-R6-R7-L8 является потенциально частотно-независимым двухполюсником. При выполнении условий частотной независимости сопротивление его является резистивным и равным R. Пусть к измеряемым параметрам относятся L8 и R7 (параметры катушки индуктивности или параметры индуктивного датчика), а к регулируемым параметрам - R4, С5.

При воздействии очередного импульса генератора после окончания переходного процесса емкость С5 представляет собой разрыв цепи (бесконечное сопротивление), а индуктивность LS-нулевое сопротивление. Тогда выходное напряжение аналогового сумматора 11 имеет плоскую вершину и зависит от соотношения значений сопротивлений R4 и R7. Такая ситуация будет продолжаться до момента времени окончания плоской вершины импульса питающего генератора. Регулировкой значения сопротивления R4 приводим к нулю плоскую вершину выходного импульса аналогового сумматора и тем самым выполняем условие уравновешивания

Уравновешивание отмечаем по нуль-индикатору 13, в качестве которого можно использовать осциллограф.

После выполнения условия (2) выходное напряжение сумматора 11 содержит два экспоненциальных всплеска противоположной полярности, соответствующих переходным процессам в ветви при подаче питающего прямоугольного импульса генератора 1 и при окончании этого импульса. Регулировкой значения емкости конденсатора С5 приводим к нулю экспоненциальные всплеск, отмечая это по нуль-индикатору. В результате выполняется второе условие уравновешивания

Условия равновесия (2), (3) совпадают с условиями частотной независимости частотно-независимого двухполюсника, и при их выполнении эквивалентное сопротивление такого двухполюсника, как известно, равно R. Тогда с учетом (1) напряжение с генератора 1 ветвью ослабляется в два раза, инвертирующим усилителем 10 усиливается в два раза (по абсолютной величине) и инвертируется. Тогда на двух входах сумматора 11 действуют равные по абсолютной величине значения напряжений и противоположные по знаку, что предопределяет нулевое значение выходного напряжения этого сумматора. Отсчет искомых значений параметров (R7, L8) берется по значениям регулируемых параметров (R4, С5) из условий (2), (3). Допустимо в качестве измеряемых выбрать параметры R4, С5, а в качестве регулируемых параметров - R7, L8.

Таким образом, в данном измерителе параметров двухполюсников уменьшена погрешность измерения за счет исключения составляющих погрешности от влияния паразитной емкости незаземленного двухполюсника регулируемых элементов (R4, С5) относительно земли или паразитной емкости незаземленного объекта измерения (R7, L8), а также от влияния нестабильности этой паразитной емкости, т.к. двухполюсник регулируемых элементов и объект измерения здесь заземлены. Более того, заземлен каждый элемент двухполюсника регулируемых элементов (R4, С5), а R7 и L8 представляют собой эквивалентные параметры реальной катушки индуктивности или индуктивного датчика. Рассмотренный измеритель относится к нулевым, т.к. для отсчета искомых параметров напряжение информационного сигнала необходимо привести к нулю. Уравновешивание измерителя является раздельным зависимым. Допустима небольшая нестабильность амплитуды импульсов генератора, как и у такого нулевого измерителя, как электрический мост, ибо эта амплитуда не входит в выражения для отсчета искомых параметров (2), (3). Допустимы также небольшие нестабильности длительности импульсов генератора и их частоты повторения.

Источники информации, принятые во внимание

1. Малиновский В.Н., Демидова-Панферова Р.М., Евланов Ю.Н. и др. Электрические измерения. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 233, рис.4.21,б.

2. Герасимов В.М., Передельский Г.И. Мост Максвелла, питающийся импульсным напряжением трапецеидальной формы. - Измерительная техника, 1971, №8, с. 57, фиг.1.

3. Патент на изобретение №2152622, C 01 R 27/02, 17/10/ Измеритель параметров двухполосников/Г.И.Передельский. - опубл. в БИ, 2000, №19 - прототип.

Формула изобретения

Измеритель параметров двухполюсников, содержащий генератор прямоугольных импульсов, первый вывод которого заземлен и является общим для его двух выходов, второй вывод образует первый выход генератора и третий вывод - второй выход (выход синхронизации), первый резистор, образующий первый двухполюсник ветви, первым из выводов соединен со вторым выводом первого выхода генератора, во второй двухполюсник ветви входят параллельно соединенные конденсатор и второй резистор, первый общий вывод которых заземлен, неинвертирующий повторитель напряжения, вход которого соединен со вторым выводом первого резистора, инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным двум, вход которого соединен с выходом неинвертирующего повторителя напряжения, двухвходовый аналоговый сумматор, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, а второй вход - с первым выходом генератора, нуль-индикатор, первый вывод которого соединен с землей, второй вывод образует первый вход и через разделительный конденсатор соединен с выходом аналогового сумматора, а третий вывод образует второй вход (вход синхронизации) и соединен со вторым выходом генератора, отличающийся тем, что в него введены третий резистор, включенный между первым резистором и параллельно соединенными вторым резистором и конденсатором, и цепь из трех последовательно соединенных элементов: четвертого, пятого резисторов и индуктивной катушки, последняя цепь включена между землей и общим выводом первого, третьего резисторов и входом неинвертирующего повторителя напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1