Устройство для измерения параметров двухполюсников

(5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКО СВИДЕТЕЛЬСТ 2 институт аври Томском х систем уп(21) 4704709/21(71) Научно-исследовательскийтоматики и электромеханики иинституте автоматизированныравления и радиоэлектроники(56) Авторское свидетельство СССРМ 1187102, кл. 6 01 К 27/02, 1985.Авторское свидетельство СССРМ 1520454, кл, 6 01 В 17/10, 1987,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКОВ(57) 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 последо- вательно 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 импульсных сигналов, поступающих на входы сумматора 15 с выходовг с С(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 щраметров 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 генеразор 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 (Яо) 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 (й 1), параллельно которому. включены последовательно сое диненные первый конденсатор 10 (С 1) и второй резистор 11 (Вг), параллельно которому включен второй конденсатор 12 (Сг). Первые выводы потенциометров 13 - 1 - 13-4 соединены с соответствующими выходами коммуходкого 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 нуль- органа 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; зл(Р) = Рйз(С+С +1йс Сс + В 1 С 1 + й 1 С 1 + 1с с ссс +с - лсс;л -- всссс- (1) где Р - оператор Лапласа.Соответственно изображение выходного напряжения измерительной цепи, являющейся делителем, образованным резистором 5 и двухполюсником 8,равно 5 10 15 20 25 30 Р+2 Г й С+С 2) 1 Щ Р +Р В.йссс+ВсйзСс+йсйзС 1+йсйзС 1+йсйзсл В,+йс йа й 1 йз С 1 С 2 + с;СсССссгде Ойз(Р) - напряжение на выходе первой платы 3 - 1 коммутатора.Известно, что при воздействии импульсов прямоугольной линейкой, квадратичной, кубичной форм оригинал выходного напряжения (2) им.;ет вид 1О 1=Осс (А 1+81 Е 2 ) .1=1ОО 1 = - А 1+А 2Се "1 )1 сс1=11О 1= - 2 - А 1 +2 А 2+АЗ+ Д, 01 Е сОсс с 21 й1=1 О 1 = - " (А 1 +ЗА +ЗАЗ+АЛ+ , Р 1 Е й )1=где 1 и - время действия импульсного сигнала;т 1 - постоянные времени измерительной цепи, определяемые согласно (2) значениями параметров двухполюсника 8 и образцового резистора 5;В,С,О,Р - коэффициенты, определяемые также значениями ггараметров двухполюсника и образцового резистора, коэффициенты А 1-А 4 равны:81, Во 81 С 1А 1 - А 2 -Во+81 (В +В )22 З 2 228 о 81 С 1 + 28 о 81 82 С 1 Аз -+2 йо 8182 С 1 (81+82)+82 С 1 С 2 Х г г Х(Во+81) +81 82 С 1(4) Вначале имг)ульсы прямоугольной формы с выхода ге) ератора 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 01(1) 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 Оп)К 1 через повторитель 14 - 1 . напряжения поступает на второй вход усилителя 16 (К 1 - коэффициент передачи потенциометра 13 - 1, принимающий значения 0К 11). 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 Щ 1) сумматора 15, поступающее на второй вход усилителя 16) равно 02(т) = ОВК 1. Соответственно выходное напряжение Оз(т) дифференциального усилителя 16 имеет видие =и ( (дп +В е В ) - К,ОЕ(Е)=ипп - Е- Й ВЕ Д, (7)и (=1где тд, х - постоянные времени дифференциатора 18 и интегратора 19.При равенстве постоянных времени 15 дифференциатора и интегратора Т = ти выходное напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет вид 10,В д: и, ( д, - К и ) . (В) 30 Таким образом, напряжение (9) имеетформу 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 40 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-орга не 17 однозначно определяют направлениеи расстояние перемещения движка потенциометра.Регулируя положение движка потенциометра 13 - 1, добиваются равенства нулю 50 напряжения(9), выполняя тем самым первоеусловие равновесияК 1 = А 1, (10)Во+81Состояние 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 закончить 20 Напряжение (5) последовательно подвергается операциям дифференцирования и интегрирования в блоках 18 и 19, соответствующие выходные напряжения которых 5 имеют в)4 дОП(П)=игпЕЕ( -- ) ВЕ пф,(В)1ся переходные процессы в электронных узлах схемы преобразователя.Затем подвижные контакты коммутатора 3 перемещают в следующее положениена одну позицию вниз. При этом на измерительную цепь и первый потенциометр 13-1поступают линейно изменяющиеся импульсы с выхода генератора 2-2 через второйконтакт первой платы 3-1, а на потенциометр 13-2 поступают прямоугольные импульсы с выхода генератора 2-1 черезвторой контакт платы 3 - 2.Выходное напряжение измерительнойцепи соответствует второму уравнению системы (3), а выходное напряжение сумматора 15 состоит уже из двух слагаемыхО 2 (т ) = т К 1 - Огп К 2 . (11)ОгптиС учетом выполнения первого условия равновесия (10) выходное напряжение дифференциального усилителя 16 имеет видОз (т ) = - А 2 +,), С 1 е) - Огп Кг,Огп25(12)По аналогии с (б) и (8) можно показать, чтовыходное. напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17,имеет вид 30гтО 5 =;Я С 1 е. (13)цРезультат сравнения напряжений (12) и (13)в нуль-органе 17 имеет также форму прямоугольного импульсаОб (т) = - Аг - О Кг. (14)Огптг,гРегулируя положение движка потенциометра 13-2, добиваются равенства нулю 40напряжения (14), выполняя тем самым второе условие равновесия(15)т,Затем подвижные контакты коммутатора 3 перемещают в следующее положениена одну позицию вниз.Выходное напряжение Оф) измерительной цепи соответствует теперь третьему уравнению системы (3), .а выходное 50напряжение сумматора 15 Оф) формируется уже из трех слагаемыхОг(т) = т К 1 1 Кг+Огп КЗ.Огп 2 2 Огп2 1 ггтц(1 6) 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 Оз(т) дифференциального усилителя 16 имеет видОз(1) = Аз+ Д Рге 1 ) - Огп Кз.ОгпЬ(17)Соответственно выходное напряжение интегратора 19, поступающее на первый вход нуль-органа 17, имеет видОб(1) = Х Р; е т 1 . (18)Таким образом, результат сравнения напряжений (17) и (18) будет также иметь форму прямоугольного, импульсаОб ( т ) - г Аз Огп Кз, (19)1 оРегулируя положение движка потенциометра 13-3, добиваются равенства нулю напряжения (19), еьгполняя тем самым третье равновесие2 - КЗ (20) тцЗатем подвижные контакты коммутатора 3 устанавливают в четвертое, крайнее нижнее положение и аналогично уравновешивают сравниваемые величины Об(т) и Об(т) изменением положения движка потенциометра 13-4. Выходное напряжение Оф) измерительной цепи определяется последним уравнением системы (3), а выходное напряжение Ог(т) сумматора 15 состоит из четырех слагаемыхОгп тз К 3 Огп тг К +3 2(21)1 ггУтроение 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 Оз(т) усилителя 16 происходиттакже,какипри предыдущих уравновешиваниях и четвертое условие равновесия имеет видЭ К 4 (22)10 1647421 Из решения системы уравнений (10), (15), (20), (22) с учетом значений (4) коэффициентов А 1-А 4 находят формулы для вычисления параметров двухполюсника 82К 1, К 1 Кз1 = о1 - К 1: 2 =Во2К 12 К 2 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 20 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. 35 40 Составитель В.СеменчукРедактор А.Шандор Техред М.Моргентал Корректор М,Шароши Заказ 1395 Тираж 421 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 т, КгС 1 " г, С 2 =1 ц 2 К 2 К 4 3 К 222Х ( 1 - К 1 )г ( Кз + 2 Кг - К 1 Кз ) - б К 2 Х2 2х(1 - К 1 )(к 1 кз - 2 к 2 ) (кз+2 к 2г- К 1 Кз)-3 Кг(К 1 КзКг )/3 В, хх(2 - К 1 Кз) . (23)Таким образом, устройство для измерения параметров двухполюсников в отличиеот прототипа позволяет определить параметры двухполюсника не ожидая окончанияпереходных процессов в измерительной цепи, Это открывает возможность для расширения диапазона значений параметровисследуемого двухполюсника. При этомполностью сохранены достоинства, присущие прототипу: применение только однотипных управляемых элементов,раздельное уравновешивание, возможность измерения параметров двухполюсников с другими схемами замещения,Ф ормула.изобретенияУстройство для измерения параметровдвухполюсников, содержащее задающийгенератор, выход которого соединен с входами управления генераторов импульсовпрямоугольной 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 двух полюсников, в него введены дифференциальный усилитель, интегратор,