Способ определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников

(191 (111 А 1 504 С 01 К 27 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ А ВТОРСКОМУ С 8 ИДЕТЕЛЬСТ(71) Пензенский сельскохозяйственный институт(56) Козак А.А, Использование колебательного контура 1.С-генератора в качестве измерительного преобразова теля. - Измерительная техника, 1975 У 2, с. 79-80.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВПАССИВНЫХ ДВУХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ(57) Изобретение относится к областиизмерительной техники и позволяетобеспечить расширение функциональныхвозможностей за счет раздельного измерения параметров двухэлементныхдвухполюсников при сохранении точности измерения, Исследуемый двухполюсник подключают во времязадающую цепьавтогенератора и измеряют период генерируемых колебаний, после чего подключают дополнительный двухполюсники по изменению периода определяютпараметры двухполюсника, Вид дополнительного двухполюсника и схема егоподключения, последовательная или параллельная, определяются предполагаемой схемой замещения измеряемогодвухполюсника. 7 ил.113722Иэобретенив относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров датчиков электрических и неэлектрических5 величин,Цель изобретения - расширение функциональных возможностей эа счет раздельного измерения параметров двух- элементных двухполюсников при сохранении точности измерения.На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников; на 15 фиг. 2 и 3 - варианты генераторов прямоугольных импульсов, выполненных на основе мультивибраторов, с использованием последовательной и параллельной схем замещения исследуемых 2 О двухполюсников; на фиг. 4 и 5 - функциональные схемы генераторов пилообразных импульсов, выполненных на основе емкостных и индуктивных интеграторов; на фиг, 6 и 7 - схемы двух 25 генераторов синусоидальных колебаний с емкостными и индуктивными времязадающими э л ем е н т ам и,Устройство содержит генератор 1сигналов, блок 2 вычисления, блок 3 30внесения избыточности (БВИ) и блок 4индикации.Генераторы прямоугольных сигналоввключают в себя транзистор 5, коллекторный резистор 6, исследуемый двухполюсник 7, времязадающий конденсатор8, второй коллекторный резистор 9,второй транзистор 10, времяэадающийрезистор 11.Генераторы пилообразных импульсов 4 Осодержат исследуемый двухполюсник 7,времязадающий резистор 11, блок 12питания, усилитель 13,Генераторы синусоидальных сигналов содержат исследуемый двухполюсник 45времязадающий резистор 11, времязадающий конденсатор 8 (индуктивность), блок 12 питания, усилитель 13.Способ осуществляют следующим образом.В общем случае длительность генерируемых импульсов (фиг. 2), например, с емкостной времязадающей цельюопределяется выражениемт = С,К, 1 пп , (1)где Т - длительность генерируемыхимпульсов;С Ко - параметры времязадающейцепи; 48Еп = - коэффициент определяемыиКЭ"Г отношением напряжения питания Е к его порогу чувствительности.Уравнение (1) справедливо для случая, когда потери у конденсатора С, с последовательной схемой замещения равны нулю, а с параллельной схемой замещения равны бесконечности.Если вместо образцового конденсатора С, включить исследуемый с последовательной схемой замещения и с реально существующими потерями, то уравнение (1) следует переписать в следующем виде:Т, = С(К+ К)1 пп, (2)Данное уравнение полностью справедливо, так как потери включаются последовательно с времязадающим образцовым двухполюсником, конденсатором 8 (К,) во времязадающую цепь, образованную цепочкой, состоящей из (С , К, К ).Для определения обоих параметров С, К необходимо внести в уравнение (2) информационную избыточность в виде изменений величины образцового двухполюсника, например, в сторону увеличения, хотя возможен вариант и в сторону уменьшения, величина приращения выбирается из условия превышения порога чувствительности.ак = к, - кк, = ак + к (3) где . а К - величина приращения междуобразцовыми двухполюсникамии Ко.Тогда уравнение (2) примет следующий вид;т, = С(К, + аК + К)1 пп. (4)Подставив (3) в уравнение (4), получим окончательное выражение для длительности Т вновь сформированных импульсов при внесении информационной избыточности в виде приращения аКТ = С(К, + К) 1 пп, (5)Решая совместно систему уравнений(2) и (5) относительно Си К, можноопределить измеряемые параметры,Для этого разделим уравнение (5)на уравнение (2) с целью избавленияот одного из неизвестных параметров,а именно С.Т К+ КФ (6)Т, К,+КПриведя уравнение (6) к общему знаменателю и раскрыв скобки, получим-- -1 С (15)о Ск ТкюТ где Уравнения для определения абсолютных (относительных) приращений измеряемых параметров следующие: Подставив К из уравнения (9), например, в уравнение (5) получим уравнение отсчета для второго параметра, 15 а именно С ЬК 1-2 +1 ск К 1-ш ) о(18) За время внесения избыточности приО ращение информативного параметра должно быть одним и тем же, т.е. скорость внесения избыточности должна превышать на порядок и более скорость изменения информативного параметра.Для анализа уравнений (9) и (10) в уравнении (9) разделим числитель и знаменатель на Т, и заново перепишем вновь полученное уравнение Для получения уравнений отсчета параметров емкостных двухполюсников, выполненных по параллельной схеме замещения, необходимо изменить структуру генератора прямоугольных импульсов (фиг, 3)Уравнения отсчета следующие: 25 Т - 1 сТо К - к Т Т о(23) Уравнения для абсолютных (относительных) приращений примут следующий вид: 2 - 1 сК =К = (с) Кк - 1о ох(12) ао т.е. величина К пропорциональнаС целью получения более простого отсчета по С необходимо внести избыточность Со последовательно с С. 45Тогда уравнение (2) примет следующий вид: Р-- С,;Р - 1(27) При определении параметров индуктивных двухполюсников необходимо вместо К генераторов, в которых используется обратная связь по напряжению (фиг. 2 и Э), применять ЬК-генераторы прямоугольных импульсов сОбозначив= 1 с, уравнение (8)К,Кперепишем в следующем виде: Т =в (К + К )1 пп С+ С Решив совместно систему уравнений(2) и (3) относительно С, получимуравнение для его определения Т - ТкС Со3Разделив числитель и знаменательна Т перепишем уравнение (14) вболее удобной форме, а именно; 1-2,1 сДК = (К - К ) = - - К (16)к о к 1 ш 2 Р - 1оСр(40) 5 137 обратной связью по току, принцип работы которых аналогичен принципу работы КС-генераторов с той разницей, что одним из элементов времязадающей цепи является исследуемый индуктивный двухполюсник.Уравнения (2), (5) и (13) для индуктивного двухполюсника с последовательной схемой замещения запишутся следующим образом; Совместное решение уравнений (28) - (30) позволяет получить отсчет искомых параметров Разделив (31) и (32) на Т упростим эти уравнения: Выражения для абсолютных (относительных) приращений имеют следующий щ(+ )щ - 1 Уравнения для определения параметров двухполюсников с параллельной схемой замещения индуктивного двухполюсника имеют вид: Данные уравнения получены при условии, что информационная избыточность вводится параллельно исследуемому двухполюснику.Все приведенные уравнения получены с использованием генератора прямоугольных импульсов. Однако известно,что спектр прямоугольного сигналачрезвычайно широк и содержит в своемсоставе большое число гармоник, которые при измерении параметров двухполюсников приводят к возникновению30дополнительной погрешности измерения.Более узким спектром гармоник обладает пилообразный сигнал, использование которого позволяет обеспечитьповышенную точность измерения.З 5 Для получения уравнений отсчетапараметров двухполюсников обратимсяк фиг, 4 и 5.Длительность генерируемых пилообразных импульсов, также как и в мультивибраторе, определяется параметрамиэлементов времязадающей цепи,Т, = Сх(Ко + К)1 п- ; (47)пор1,Т, =1 п п (48)К, + К где 11 - пороговое значение напряжения срабатывания интегратора. Как видно из уравнений (47) и (48), они идентичны уравнениям, полученным при генерировании прямоугольных импульсов, следовательно, ы уравнения отсчета параметров двухполюсников при генерировании пилообразных импульсов аналогичны описанным.С точки зрения повышения точности измерения наибольший интерес представляет измерение параметров пассив1372248 ных двухполюсников, по которым протекает синусоидальный ток.На фиг. 6 и 7 представлены схемы двух классических вариантов генера 5 торов синусоидальных сигналов.Записав выражение для частоты генерации этих генераторов, можно от них перейти к составлению уравнений отсчета параметров исследуемых двух полюсников.Рассмотрим порядок получения уравнений отсчета параметров исследуемых двухполюсников на примере КС-генератора, так как получение уравнений от счета параметров индуктивного двухполюсника аналогично.В общем случае частота генерации КС-генератора синусоидальных сигналов записывается в следующем виде: 20(49) Совместное решение уравнений (50)25и (56) позволяет получить следующеевыражение: 2Гв-- С1 о3(57) Ск 30 Разделив числитель и знаменательуравнений (53) и (58) на Т, получимй35 более упрощенные выражения для Ки С(60) 40 Выражения для абсолютных (относи тельных) приращений параметров исследуемого двухполюсника записаны в следующей форме:2 ш - 1дК =- --- К (61)к ш о о2 ш - 13 К (62)шоР дС (Р - 1 оР ДС (64) 5 Р 1(50) иета парасника: ая уравн ение о двухпо последовавухполюс ни 2) где К С К, Со - параметры образцовых двухполюсников.Если в качестве одного иэ образцовых двухполюсников в контур времяэадающей цепи поместить исследуемый двухполюсник 7 (фиг. 6), то уравнение (49) будет представлено в следующем виде; Как видно из уравнения (50), в него входят два неизвестных параметра, относительно которых разрешить его невозможно.Поэтому по аналогии с описанным добавим в исследуемый двухполюсник с параллельной схемой замещения информационную избыточность в виде, например, дополнительного двухполюсника К параллельно включенного с К, и с учетом этого перепишем уравнение (50): Если вместо частоты Г подставить выражение периода генерируемых колебаний Т, то уравнение (52) примет другой вид: 2 х Т - Тк1Сек К,С 4 кК ( -) к 471 К С Ко(Т Т ) Для исключения погрешности от нестабильности К,С, введем вторую информационную избыточность в виде С подключенную параллельно исследуемому двухполюснику, тогда: 2ТС = - , --- -С (58)к Тэй а где Тк Р Тю ТУравнения отсчета птельной схеме замещенияков следующие:(71) Вводя аналогично указанному в уравнение (72) информационную избыточность в виде дополнительной индуктивности Е, и образцового двухполюсника К , можно получить отсчет любого из параметров.При последовательной схеме замещения эти уравнения следующие:КТг щК =К (73)Х Т - Тг О 1 щ 0)1 2Э(79) При параллельной схеме замещенияиндуктивного двухполюсника уравненияпримут вид:г гК = (щ) К;(80)з При измерении параметров двухполюсников индуктивного характера необходимо использовать ЕК-генератор, изображенный на фиг, 7.В этом случае частота генерируемых колебаний определяется по следующей формуле:К1 о 1.л(72)2 л Устройство (фиг. 1), реализующееспособ определения параметров пассивных двухполюсников, работает следующим образом.При подключении во времяэадающуюцепь генератора 1 сигналов исследуемого двухполюсника 7 генерируемыйсигнал в виде длительности импульса(частоты колебаний) подается на входную шину блока 2 вычисления.Блок 2 вычисления осуществляет запоминание сигнала и дает команду науправление блоком 3 внесения избыточности, который подключает последовательно (параллельно) исследуемомудвухполюснику 7 дополнительный образцовый двухполюсник К, (ЕО, С ), одновременно с управляющей шины БВИ 3осуществляется вариация величины дополнительных образцовых двухполюсников. Вновь генерируемый временнойсигнал заносится в следующую ячейку 35памяти блока 2 вычисления. При необходимости получения третьего временного сигнала с целью более точногоизмерения второго параметра исследуемого двухполюсника 7 вновь с выходнойшины блока 2 вычисления поступаеткоманда на управление блоком 3 внесения избыточности и дополнительноеподключение в исследуемый двухполюсник 7 второго образцового двухполюс ника и отключение первого.Третий генерируемый временной сигнал запоминается в одной из ячеекпамяти блока 2 вычисления. После этого осуществляется совместная цифроваяобработка сформированных временныхсигналов согласно полученным выше алгоритмам измерения. Выходные сигналыс выходов блока 2 вычисления в видекодов чисел, пропорциональных измеренным параметрам исследуемого двухполюсника, поступают на третий и второй воды блока индикации,Внесение избыточности, можно осуществлять непосредственно самим пре12 1372248 образуемым параметром (при допусковомконтроле, при измерении приращений),а именно в первом такте формируетсясигнал с учетом номинального или гра 5ничного значения, т.е. параметра, относительно которого осуществляетсяконтроль либо процесс измерения,Следовательно, в первом такте работы генерируемый сигнал является функ Оцией лишь одного неизвестного параметра.Во втором такте работы по командес БВИ 3 начинается генерация сигналас внесенной избыточностью в виде изменения второго исследуемого параметра относительно наперед заданного,что исключает необходимость в коммутации дополнительного образцовогодвухполюсника,Использование предлагаемого способа определения параметров пассивныхдвухэлементных двухполюсников позволяет расширить функциональные возможности эа счет раздельного измерения параметров двухэлементных двухполюсников и создать на его основеуниверсальный измерительный прибордля измерения параметров датчиковфизических величин,Т,-ТС СТ - Т,ме замещенияК= К 1 с ТгТ 1Е11 Тэ - Т,при параллельной индуктивной схемеЗО замещения К К)Т -Т 1 с Т - Тъ35кдля случая использования автогенератора гармонических сигналов, при параллельной емкостной схеме замещенияг г40 К - К ук окТ,С = С -г- - -у )к о Т Тг 45 при последовательной емкостной схеме замещения Т,Кэ )д Тгг- Т 1г гССф Тгэ 50 55 Ко К Т : Тг ТЕ Ек оТг формула изобретения Способ определения параметров пассивных двухэлементных двухполюсников, заключающийся в подключении измеряемого и дополнительного двухполюсников во времяэадающую цепь автогенератора, измерении временных ха-рактеристик автоколебаний и расчетеискомых параметров измеряемого двухполюсника, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет раздельного измерения параметров двухэлементных двухполюсникон при сохранении точности измерения, во времязадающую цепь автогенератора вначалеподключают измеряемый двухполюсники осуществляют изменение периода автогенератора в случае использованияавтогенератора гармонических и линейно изменяющихся сигналов илидлительности выходного импульса в случае использования генератора прямоугольных сигналов с помощью дополнительногоФ двухполюсника, подключаемогО последовательно или параллельно с измеряемым в зависимости от схемы замещения,и измеряют периоды, причем параметрыдвухполюсника рассчитывают по следующим формулам: для случая использования генератора с прямоугольными и линейно изменяющимися сигналами, при последовательной емкостной схеме замещения Т - Т, 1 сК = К)к 0 Т Т при параллельной емкостной схеме замещения при последовательной индуктивной схепри последовательной индуктивнойсхеме замещенияпри параллельной индуктивной схемезамещения2 2 Т -Т.,К Т1 гТ, - Т,1ф3где К С, Ео - параметры основныхэталонных двухполюсников,1 с = К, - сопротивление дополнительного резистора, подключенного параллельно или последовательно с исследуемым двухполюсником;Т, - длительность прямоугольных 5импульсов или период линейно изменяющихся и гармонических сигналов при включенииисследуемого двухполюсникаво времязадающую цепь автоге нератора;Т,Т - длительность прямоугольныхимпульсов при подключении кисследуемому двухполюсникупараллельно, последовательно 15 дополнительного резистивногоемкостного, индуктивного, эталонного двухполюсника соответственно..Кравчук Сост рректор М.Демч едактор Н.Тупица хр каз 477/37 отк аб. изводственно-полиграфическое предприятие, г.ухгород, ул.Проектная,Тирах 772 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Ра