Преобразователь параметров многоэлементных двухполюсников

(5 К 27 0 ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 2 Изобретени ельной техни змерения пар ерезонансных качения пара стора объединен с и/2 катушек индук Выводы которых по выводам соответстЦелью изобрете ширение области п обеспечения измер элементного двухп относится к измериорыми выводами ачено ивностеи е и предметров п ервые лемент чень первым исторов.двухпЬлю етров эк ников, черезивалентногоего и/2 послерезисторов,леднего рези вующих ре ния являе ся рас за сче двухполюсникадовательно со причем второй рименения ения пара нных тр ывод по а также юсни(71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Г.И.Передельский и А.Н.Сапрыкин (53) 621. 317. 363(088. 8)(56) Авторское свидетельство СССР М:938199, кл. С 01 К 27/02, 1980,Авторское свидетельство СССР Р .1187102, кл, С 01 К 27/02, 1984. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЯЮГОЭЛЕЮНТНЫХ ДВУХПОЛОСНИКОВ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров физических объектов, эквивалентная электрическая схема которых является а-, элементным двухполюсником (Д). Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя путем обеспечения измерения параметров и-элементного двухполюсника, а также обеспечения пересчета параметров других исследуемых нерезонансных двухполюсников через значения параметров эквивалентного двухполюсника -достигается введением и генераторов импульсов с изменением напряжения по законам степенных функций, выходные напряжения которых поочередно подаются на входы двух операционных усилителей (ОУ). В обратную связь первого ОУ включен Д, а во входную цепь второго ОУ - модель Д, состоящая из переменных элементов. Выходные напряжения вычитающего блока, подключенного к выходам ОУ фиксируются и элементами выборки и хранения (ЭВХ), затем поочередно приводятся к нулю регулировкой соответствующих элементов модели Д при подаче на входы ОУ выходных напряжений первого - и-ного сФ генератора импульсов соответственно. Выходное напряжение первого ЭВХ прог горционально первому параметру Д, а значения остальных определяются вы- С ходными напряжениями делительных звеньев, подключенных к выходам и ЭВХ. Е При измерении параметров объектов, имеющих другую схему замещения, блок пересчета осуществляет вычисление искомых параметров любого другого Д через эквивалентные значения параметров приведенного Д. 1 з.п. ф-лы,1539679 ки. Выход первого элемента 13 непосредственно соединен с первым выходом преобразователя и первым входомблока 49 пересчета, а выход любогоиз элементов 14-17 выборки и хранениясоединен с соответствующими выходомпреобразователя и входом блока 49 пересчета через пару последовательносоединенных делительных звеньев 50-57(например, третий выход - через звенья 52 и 53), вторые входы которыхсоединены с выходом предыдущего элемента выборки и хранения и предыдущим выходом преобразователя соответственно, исследуемый двухполюсник 58,параметры которого могут быть определены через эквивалентные значенияпараметров двухполюсника 27,Преобразователь работает следующимобразом.Для случая п=4 исследуемый двухполюсник 27 состоит из резисторов 28,29 и катушек индуктивностей 31, 32,причем второй вывод резисторов 29объединен с вторыми выводами катушекиндуктивностей 31, 32. Модель 36 содержит переменные конденсаторы 40,41, ключ 37, причем второй. вывод конденсатора 41 объединен с вторым выводом переменного резистора 44. Следует заметить, что число переменныхэлементов и модели 36 всегда должнобыть равно и, т.е. на единицу мень-"ше, чем число элементов измеряемогодвухполюсника 27.4 В исходном состоянии ключи 8, 18 замкнуты, а ключи 19-21, 8-11, 37 разомкнуты, значения параметров переменных элементов модели 36 равны нулю. Тактовые импульсы задающего генератора 1 поступают на вход генератора 2 прямоугольных импульсов, работающего в ждущем режиме. Выходные импульсы прямоугольной формы Б (й)=П=Пю( - время) длительностью йи генератора 2 через контакты ключа 18 поступают во входные цепи усилителей 23, 24. С учетом того, что коэффициент усиления и входной импеданс усилителя 24 достаточно велики, его передаточную функцию Ъ, (Р) можно определить из известного соат- ношения обеспечения пересчета параметровдругих исследуемых нерезонансныхдвухполюсников через значения параметров эквивалентного двухполюсника.На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема преобразователя параметров многоэлементныхдвухполюсников, где п=4; на фиг, 2 - эквивалентный исследуемый двухполюс ник.Преобразователь содержит задающий генератор 1, выход которого соединен с входами генераторов 2-6 импульсов,с изменением напряжений по законам 15 11 степенных функций с показателями степени пи входом элемента 7 задержки, выход которого через ключи 8-12 подключен к управляющим входам элементов 13-17 выборки и хранения. Выходы 20 генераторов 2-6 соединены через ключи 18-22 с входными цепями операци;онных усилителей 23 и 24. Первый образцовый элемент 25 (Ь ) включен вовходную цепь усилителя 24, а второй 25 образцовый элемент 26 (Со) - в цепьобратной связи усилителя 23, Исследуемый двухполюсник 27 содержит последовательно соединенные резисторы28-30 (К К . К ), причем второй 30 выход последнего резйстора 30 объединен с вторыми выводами катушек 31-33 индуктивностей (Ь ,1 Ь ), первые выводы которых подключены к первым выводам соответствующих резисторов 28-30 и подключен в цепь обратной связи усилителя 24 к клеммам 34 и 35. Настраиваемая модель 36 исследуемого двухполюсника включена во входнуюцепь усилителя 23. Модель 36 содержит 40 последовательно соединенные ключи 37- 39 и переменные конденсаторы 40-43(С 1,СС ), причем второй выводпоследнего конденсатора 43 объединен с вторыми выводами переменных резис торов 44-46 (гг г ,), первые выводы которых подключены ко вторымвыводам соответствующих конденсаторов. Выходы усилителей 23 и 24 подключены к входам вычитающего блока 47, 50 выход которого соединен с информационными входами элементов 13-17 выборки и хранения и нуль-органа 48.Вход синхронизации нуль-органа 48соединен с выходом элемента 7 задержЕ 11(Р) 1 ГЬЬд (Вд+Р д+Р. 1 В К .гь РЬ, Ь Р Ь,Ь+Р(Р,Ь+РЬ,+Р. Ь)+РР(Р) =11 (Р)1"1 уа(Р) э (2)где Б(Р) " выходйое напряжение генератора 2. в операторнойформе. Аналогично можно показать, что 79бСостояние равновесия здесь и далее фиксируется нуль-органом 48. Далее ключ 18 размыкается, а ключи 19 и 9 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 поступают линейно-изменяющиеся импульсы с выхода генераторра 3: Ц=Г , при этом после окончания переходных процессов выходное напряжение вычитающего блока 47,1 определяемое разностью напряжений на его входах, с учетом (5), будет равно:15 Б (Р)-11 (Р)И (Р)- ---- , (3)Б (Р)э 2 з . РС 2 (Р) .где 2 (Р) - сопротивление модели 3636в операторной форме.На основании (2) можно показать, что оригинал выходного напряжения усилителя 24 после окончания переходных процессовопределяется параметром Е . 20 25(4) й 4 У Но 50С,Б 1(С) - Ь 14 (1)-У ., (С)-Б, - -У, - -О,а о(5) Са при этом С,=1 -о55 выходное напряжение операционных усилителей 23 и 24 соответственно,где Бэ 11 Это напряжение через вычитающий блок .47 (т.к. переменные элементы модели 36 установлены в нулевые положения, то на выходе усилителя 23 нулевой потенциал) поступает на информационные входы элементов 13-16 выборки и хранения и фиксируется элементом 13, т.к, на его управляющий вход посту пают через замкнутый ключ 8 задержанные элементом 7 задержки тактовые импульсы, Время задержки элемента 7 выбирается заведомо больше длительности переходных процессов. Затем ключ 40 8 размыкакт и на выходе элемента 13 выборки и хранения, подклкченного к первому выходу преобразователя, присутствует напряжение (4), однозначно определяющее параметр Ь 1. Затем 45 изменением значения емкости переменного конденсатора 40 выходное напряжение У вычитающего блока 47 привомится к нулю:(6)н 1.оНапряжение (6) фиксируется элементом 14 выборки и хранения, управляемым выходными импульсами элемента 7 задержки, поступающими через контакты ключа 9, и затем дважды делится на напряжение (4) делительными звеньями 50 и 5.1: Т.а Б = ---внР 1(7) Затем ключ 9 размыкают, и изменениемвеличины сопротивления переменногорезистора 44 выходное напряжение вы-читающего блока 4 приводится к нули:й1.1 г,С,11 (г.)= -11 ---- +11 -- =О, при4 ч ен 1 до К е иСоэтом г, = --1 о(8)ф К,СаДалее ключ 19 размыкается, а ключи 20 и 10 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 с выхода генератора 4 поступают импульсы с изменением напряжения по закону квадратичной параболы:йЦ (е)=11и Это напряжение фиксируется элементом 15 выборки и хранения, управ- г После окончания переходных процессов выходное напряжение вычитающего блока 47 с учетом выполнения условий (5) и (8) будет равно:зЫ 1., 1., 1.Ь 11 )= - (" --т+ - + )- ф 11 О 2 Р Кт2 ц С 1 1.,1.,ляемым выходными импульсами элемента/ 7 задержки, поступающими через контакты ключа 10, и затем делится на напряжения (6) и (7) делительными5 звеньями 52 и 53 соответственно: Ц =2 Ц 1.д кз в Ь,(10) Затем размыкается ключ 10, замыкает ся ключ 37 и изменением величины емкости переменного конденсатора 41 выходное напряжение вычитающего блока 47 приводится к нулю:1 Ь гС С Ц С)=2 ц ---2 Ц --- =0 О Э Ь В й С эц о 1 ц О при этом Сэ=ЬСв(13)2 ЦсКТаким образом, выражения (4), (7), (10), (13) однозначно определяют искомые параметры 1.Р , Ь К исследуемого двухполюсника 27. При увеличении числа элементов п исследуемого двухполюсника порядок работы преобразователя аналогичен вышепрнведЕннному.Данный преобразователь позволяет определить параметры любого нерезо-. нансного многоэлементного двухполюсДалее ключ 20 размыкается, а ключи 20 21 и 11 замыкаются и во входные цепи усилителей 23 и 24 с выхода генератора 5 поступают импульсы с изменением напряжения по закону кубичной параболы: Ц=Ц (й/й). После 25 окончания переходных процессов выхоцное напряжение вычитающего блока 47 с учетом выполнения .условий (5), (8) и .(11) будет равно:6 Ц ГЬ 3 ЬЬ30 ц Г): - 12 +( ф зЬ 1 6 2 К КК; Кф РКбц С з т,С,э з- е - -д - е +г, С е-г СвСвС 6 235ю вк-2 г С С -г С С у 6 Ц ---- . (12)в з 1 Ь 1"р вЭто напряжение фиксируется элементом 16 выборки и хранения, управляемым 40 выходными импульсами элемента 7 задержки, поступающими через контакты ключа 11, и затем делится на напряжения (9) и (10) делительными звеньями 54 и 55 соответственно: 45т (р) -Еэ (Р) 1Ко Ро Р (РКС з+Р.зВ.аС е)+Р.зР В эК С вС 4+Р (Р вС 4+КС э+К С )+1 Следовательно, порядок уравновешивания и функционирования делительных звеньев 50-55 одинаков при исследовании двухполюсников 27 и 58, Выражения (4), (7), (10), (13) принимаютЦ Ц(15)Ко(18) Совместный анализ выражений (4), (7),(10), (13) и выражений (15)-(18)позволяет получить Формулы пересчетаот эквивалентных значений параметровККЬ в 1 двухполюсника 27эх ЧэкУ э экю эквк йскомым параметрам К, К, Сз, Сизмеряемого двухполюсника 58: К,(С э+С) цтнКз 1 буквц -ц ц4 В В й 1 э 51в оЬоВа ВэЦммК 1 экв2 Цв,К С в2 Цв 1 эввЦФК (С+С э) Ь,(19) ЗКвС з(С +С) ЗЬо И 2 Цр,фцС, 2 Ц,рК эв ника, состоящего из и элементов. Необходимым условием при этом является соответствие передаточной Функции усилителя 24 виду (1), что достигается включением образцового элемента 25 и исследуемого двухполюсника 27 либо во входную цепь, либо в цегь отрицательной обратной связи усилителя 24, а также варьированием характера применяемого образцового элемента 25 (образцовой катушки индуктивности Ь , образцового конденсатора С или образцового резистора Р,). Например, исследуемый двухполюсник 58 (фиг.2) ключается в цепь обратной связи, а бразцовый элемент 25 (резистор К,) о входную цепь усилителя 24, передаточная Функция которого 11 .(Г) в24этом случае имеет вид, аналогичный (1);ЬоСз = ----- . -10 1, Преобразователь параметров 55 многоэлементных двухполюсников, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом элемента задержки и входами пяти генераторов 9 15396Из системы уравнений 19 следует: йКо Иэкв+Кэк Ь втэкещфэЬю В 7 эквЬ5оэ С 4Р. К 2 эквк---- (20)Фэкв 1 экв 2 эквНапряжения, определяемые выражениями(15)-(18),с первого-четвертого выходов преобразователя поступают на соответствующие входы блока 49 пересчета, Блок 49 пересчета по алгоритму 15определяемому выражениями (20), осуществляет расчет искомых параметровК, Сз, С двухполюсника 58,Аналогично можно получить формулыпересчета от значений эквивалентных 20параметров К , , 1, , двухполюсника27 к искомым параметрам х, любого1другого нерезонансного многоэлементного двухполюсника, . при этом числопараметров этого двухполюсника должно быть равно числу параметров двухполюсника 27.Таким образом, данный преобразователь позволяет определить параметрыи-элементных нерезонансных двухполюсников и может найти применение приопределении параметров физическихобъектов, эквивалентная электрическаясхема которых представляет собой иэлементный двухполюсник. Например,двухполюсник 27 представляет собойсхему замещения, встречающуюся в устройствах автоматики,всвязи в качествеамплитудных корректоров, плечейфильтров, двухполюсник 58 - схемузамещения белкового раствора. Посравнению с прототипом данное изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства, таккак обеспечивает измерение параметров и-элементного двухполюсника. Вданном решении уравновешиванИе покаждому параметру осуществляется раздельно, т.е. выполняется однократной регулировкой переменных элементов. Ф о р м у л а и з о б р е т.е н и я 7910импульсов, выходные напряжения кото-. рых соответственно изменяются по законам степенных функций с показателями степени О, 1, 2, 3, 4, а выходы через соответствующие ключи подключены к первому выводу настраиваемой модели исследуемого двухполюсника, второй вывод которой соединен с первым выводом первого образцового элемента и первым входом первого операционного усилителя, второй входФкоторого соединен с первым входом второго операционного усилителя и с общей шиной, при этом второй вход второго операционного усилителя соединен с первым выводом второго образцового элемента и с первой клеммой для подключения исследуемого и-элементного двухполюсника, выход первого операционного усилителя подключен к второму выводу первого образцового элемента и первому входу вычитающего блока, выход которого подключен к информационным входам пяти элементов выборки и хранения, входы управления элементов через соответствующие ключи соединены с выходом элемента задержки, выход первого элемента выборки и хранения подключен к первому выходу преобразователя. выход любого из оставшихся элементов соединен с соответствующим выходом преобразователя через пару последовательно включенных делительных звеньев, вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента выборки и хранения и предыдущим выходом преобразователя соответственно, вторую клемму для подключения исследуемого и-элементного двухполюсника, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения, в него введены 2 пключей, 2 пделительных звеньев, нуль-орган,блок пересчета, иэлементов выборки и хранения и игенераторовимпульсов, выходные напряжения которых изменяются по законам степенныхфункций с показателями степени5,6. и, входы которых соединеныс выходом задающего генератора, авыходы через исоответствующихключей подключены к первым выводаммодели исследуемого двухполюсника и,второго образцового элемента, приэтом вторая клемма для подключенияисследуемого п-элементного двухполюсника соединена с выходом второго11 15396 усилителя и с вторым входом вычита= ющего блока, выход которого подключен к входу нуль-органа и к информационным входам остальных пэлемен 5 тов выборки и хранения, управляющие входы которых подключены к выходу элемента задержки через исоответствующих ключей, выход любого из элементов соединен с соответствующим 1 О выходом преобразователя через пару последовательно соединенных делительных звеньев, вторые входы которых соединены с выходом предыдущего элемента и предыдущим входом преобразователя соответственно, при этом и входов блока пересчета подключены к и соответствующим выходам преобразова 79 12 теля, а вход синхронизации нуль-органа соединен с выходом элемента задержки.2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что модельисследуемого двухполюсника содержити/2 последовательно соединенных ключей и и/2 переменных конденсаторов,причем между первым выводом каждогопоследующего ключа и вторым выводом .предыдущего включен переменный конденсатор, при этом второй вывод последнего и/2 конденсатора объединенс вторыми выводами (и/2)-1 переменныхрезисторов, первые выводы которыхсоединены с вторыми выводами соот"ветствующих конденсаторов,"/ уедактор М,Циткина Техред И,Ходанич Корректор Э.Лончакова Тираж 54 Заказ 2 Подпис Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 НИИПИ Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,