мостовое измерительное устройство

Формула изобретения

Мостовое измерительное устройство, содержащее генератор последовательности импульсных сигналов прямоугольной и линейно-изменяющейся формы, два выхода которого соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста, другая диагональ которого является измерительной, причем первая ветвь электрического моста образована последовательно соединенными объектом измерения и первой индуктивной катушкой, при этом схема замещения объекта измерения состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и первого резистора, параллельно которым включена вторая индуктивная катушка, общий вывод первого конденсатора и второй индуктивной катушки является первой вершиной диагонали питания электрического моста, а второй вывод первой индуктивной катушки ее второй вершиной, индикатор равновесия, первый вход которого соединен с первой вершиной измерительной диагонали электрического моста, образованной общим выводом первой и второй индуктивных катушек и первого резистора, вторая ветвь электрического моста содержит третью и четвертую индуктивные катушки, первые выводы которых соединены соответственно с первой и второй вершинами диагонали питания электрического моста, и второй резистор, первый вывод которого является второй вершиной измерительной диагонали электрического моста и соединен с вторым входом индикатора равновесия, отличающееся тем, что генератор последовательности импульсных сигналов прямоугольной и линейно-изменяющейся формы дополнен формирователями импульсных сигналов квадратичной и кубической формы и его третий выход соединен с третьим входом индикатора равновесия, а во вторую ветвь электрического моста введены с третьего по седьмой резисторы, причем вторые выводы третьей индуктивной катушки и второго резистора объединены, второй вывод четвертой индуктивной катушки через третий резистор соединен с первым выводом второго резистора, параллельно четвертой индуктивной катушке включены последовательно соединенные второй конденсатор, четвертый и пятый резисторы, первый вывод третьей индуктивной катушки соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с вторым выводом четвертой индуктивной катушки и с общим выводом четвертого и пятого резисторов, а четвертый вход индикатора равновесия соединен с общей шиной устройства, с которой также соединена вторая вершина диагонали питания электрического моста.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, промышленной электроники и может быть использовано для измерения параметров объектов с двухполюсной схемой замещения, а также физических величин посредством параметрических датчиков, включенных в мостовую цепь.

Известен мостовой измеритель параметров трехэлементных пассивных двухполюсников (см. а.с. N 945805, бюл. N 27, 1982) содержащий генератор импульсов сложной формы, подключенный к диагонали электрического моста, объект измерения, состоящий из резистора, индуктивной катушки и конденсатора, резистор и конденсатор в плечах отношения, индикатор равновесия и плечо сравнения, содержащее последовательно соединенные резистор, конденсатор и индуктивную катушку, параллельно которой включен еще один резистор.

Недостатком его является необходимость регулировать параметры трех разнородных элементов: резистора, конденсатора и индуктивной катушки.

Известен также мостовой измеритель параметров пассивных двухполюсников (см. а. с. N 1827640, бюл. N 26, 1993), содержащий генератор последовательностей импульсных сигналов прямоугольной формы, линейно изменяющейся и квадратичной, два выхода которого соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста, первую ветвь которого образуют последовательно соединенные первый конденсатор и объект измерения, схема замещения которого состоит из последовательно соединенных второго конденсатора, первого резистора и первой индуктивной катушки, а вторую ветвь образуют последовательно соединенные третий конденсатор, вторая индуктивная катушка, шестой и третий резисторы, параллельно второй индуктивной катушке включены последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы, а параллельно третьему конденсатору, второй индукной катушке и шестому резистору включен второй резистор, общий вывод первого конденсатора и объекта измерения является первой вершиной измерительной диагонали, с которой соединен первый вход индикатора равновесия, общий вывод четвертого и пятого резисторов является второй вершиной измерительной диагонали, с которой соединен второй вход индикатора равновесия, третий вход которого соединен с третьим выходом генератора последовательностей импульсных сигналов, а четвертый вход индикатора равновесия соединен с общей шиной, с которой соединена также вторая вершина диагонали питания.

Недостатком данного мостового измерителя является то, что он позволяет измерять параметры объектов только с определенным соединением элементов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа мостовое измерительное устройство (Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 54, мост 74 на рис. 2.8), содержащее генератор последовательности импульсных сигналов прямоугольной и линейно изменяющейся формы, два выхода которого соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста, другая диагональ которого является измерительной, причем первая ветвь электрического моста образована последовательно соединенными объектом измерения и первой индуктивной катушкой, при этом схема замещения объекта измерения состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и первого резистора, параллельно которым включена вторая индуктивная катушка, индикатор равновесия, первый вход которого соединен с первой вершиной измерительной диагонали электрического моста, образованной общим выводом и второй индуктивных катушек и первого резистора, вторая ветвь электрического моста содержит последовательно соединенные третью и четвертую индуктивные катушки, параллельно третьей индуктивной катушке подключены последовательно соединенные второй конденсатор и второй резистор, общий вывод первого и второго конденсаторов и первой и третьей индуктивных катушек является первой вершиной диагонали питания электрического моста, общий вывод второй и четвертой индуктивных катушек является второй вершиной диагонали питания электрического моста, общий вывод второго резистора, третьей и четвертой индуктивных катушек является второй вершиной измерительной диагонали электрического моста, с которой соединен второй вход индикатора равновесия.

Недостатком данного устройства является необходимость регулировать параметры трех разнотипных элементов: резистора, конденсатора и индуктивной катушки.

Технической задачей изобретения является уменьшение веса и габаритов за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов при измерении параметров объектов с трехэлементной схемой замещения с разнородными реактивными элементами.

Данная техническая задача решается тем, что в мостовом измерительном устройстве, содержащем генератор последовательности импульсных сигналов прямоугольной и линейно изменяющейся формы, два выхода которого соединены с двумя вершинами диагонали питания электрического моста, другая диагональ которого является измерительной, причем первая ветвь электрического моста образована последовательно соединенными объектом измерения и первой индуктивной катушкой, при этом схема замещения объекта измерения состоит из последовательно соединенных первого конденсатора и первого резистора, параллельно которым включена вторая индуктивная катушка, общий вывод первого конденсатора и второй индуктивной катушки является первой вершиной диагонали питания электрического моста, а второй вывод первой индуктивной катушки - ее второй вершиной, индикатор равновесия, первый вход которого соединен с первой вершиной измерительной диагонали электрического моста, образованной общим выводом первой и второй индуктивных катушек и первого резистора, вторая ветвь электрического моста содержит третью и четвертую индуктивные катушки, первые выводы которых соединены соответственно с первой и второй вершинами диагонали питания электрического моста, и второй резистор, первый вывод которого является второй вершиной измерительной диагонали электрического моста и соединен с вторым входом индикатора равновесия, генератор последовательности импульсных сигналов прямоугольной и линейно изменяющейся формы дополнен формирователями импульсных сигналов квадратичной и кубичной формы и его третий выход соединен с третьим входом индикатора равновесия, а во вторую ветвь электрического моста введены с третьего по седьмой резисторы, причем вторые выводы третьей индуктивной катушки и второго резистора объединены, второй вывод четвертой индуктивной катушки через третий резистор соединен с первым выводом второго резистора, параллельно четвертой индуктивной катушке включены последовательно соединенные второй конденсатор, четвертый и пятый резисторы, первый вывод третьей индуктивной катушки соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с вторым выводом четвертой индуктивной катушки и с общим выводом четвертого и пятого резисторов, а четвертый вход индикатора равновесия соединен с общей шиной устройства, с которой также соединена вторая вершина диагонали питания электрического моста.

В заявленной совокупности отличительные признаки проявили новое свойство, заключающееся в уменьшении веса и габаритов за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов. При измерении параметров объектов с трехэлементной схемой замещения, содержащей разнородные реактивные элементы. Решений, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное устройство от прототипа, не обнаружено. Достижение такого эффекта не вытекает из известных в технической литературе решений. Предложенное мостовое измерительное устройство соответствует необходимому изобретательному уровню и может быть использовано при измерении параметров любых объектов, которые можно представить трехэлементной схемой замещения, представленной выше как объект измерения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема мостового измерительного устройства.

Мостовое измерительное устройство (фиг. 1) содержит генератор 1 импульсов, электрический мост 2 с объектом измерения 3, индикатор 4 равновесия, объект измерения 3, состоящий из последовательно соединенных конденсатора 5 (C1) и резистора 6 (R1), параллельно которым включена индуктивная катушка 7 (L2), и последовательно соединенная с объектом измерения индуктивная катушка 8 (L1) образуют первую ветвь электрического моста 2. Вторую ветвь электрического моста 2 образуют последовательно соединенные индуктивная катушка 9 (L3), резистор 10 (R2), резистор 11 (R3) и индуктивная катушка 12 (L4). Параллельно индуктивной катушке 12 (L4) включены последовательно соединенные конденсатор 13 (C2), резистор 14 (R4), резистор 15 (R5), а параллельно индуктивной катушке 9 (L3), резисторам 10 (R2) и 11 (R3) включен резистор 16 (R6). Между общим выводом индуктивной катушки 9 (L3) и резистора 16 (R6) и общим выводом резисторов 14 (R4) и 15 (R5) включен резистор 17 (R7). Общий вывод объекта измерения, индуктивной катушки 9 (L3), резисторов 16 (R6) и 17 (R7) образует первую вершину диагонали питания электрического моста 2, а вторую вершину диагонали питания моста 2 образует общий вывод индуктивных катушек 8 (L1) и 12 (L4) и резистора 15 (R5). Общий вывод объекта измерения и индуктивной катушки 8 (L1) образует первую вершину измерительной диагонали моста 2, а общий вывод резисторов 10 (R2) и 11 (R3) - вторую вершину измерительной диагонали моста 2.

Генератор 1 импульсов вырабатывает четыре вида импульсов: импульсы прямоугольной, линейно изменяющейся, квадратичной и кубичной формы. Для этого он может быть выполнен в виде совокупности четырех формирователей (см. фиг. 2): формирователя 18 прямоугольных импульсов (ФПИ), формирователя 19 линейно изменяющихся импульсов (ФЛИН), формирователя 20 квадратичных импульсов (ФКВИ) и формирователя 21 кубичных импульсов (ФКУИ), которые с помощью коммутатора 22 подключаются или через усилитель мощности в виде эмиттерного повторителя (на фиг. 2 не показано), или непосредственно к выходу генератора 1, вторым выходом которого является общая шина всех формирователей. В качестве коммутатора 22 может быть выбран переключатель типа ПР2-10П1НВР.

Формирователь 18 прямоугольных импульсов может быть выполнен на основе заторможенного мультивибратора на операционном усилителе (ОУ) (см.: Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах. Под ред. С. Я. Шаца. М.: Сов. радио, 1976, с. 154, 155). Формирователь 19 импульсов линейно изменяющегося напряжения (ЛИН) может быть построен на основе последовательно включенных заторможенного мультивибратора на ОУ (См.: Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные устройства. М.: Сов.радио, 1980, с. 216, 217) и генератора ЛИН на ОУ (см. там же, с. 254, 255). Формирователь 20 квадратичных импульсов выполнен на последовательно соединенных упомянутых выше заторможенном мультивибраторе, генераторе ЛИН (см. там же, с.216, 217 и с.254, 255) и интеграторе на ОУ (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983, - Т. 1, с. 408, 409, рис. 6.55). Выход заторможенного мультивибратора здесь подключен также к выводу "сброс" интегратора. Формирователь 21 кубичных импульсов выполнен как формирователь квадратичных импульсов, рассмотренный выше, выход которого подключен к еще одному такому же интегратору на ОУ, вход "сброс" которого также подключен к выходу заторможенного мультивибратора. В генератор 1 входит каскад 23 синхронизации (КС), который может быть построен на основе автоколебательного мультивибратора по а.с. N 517992, бюл. N 2, 1976. Один выход его соединен со входами формирователей прямоугольных, линейно изменяющихся, квадратичных и кубичных импульсов, а другой - образует выход синхронизации генератора (третий выход). В качестве индикатора равновесия 4 может быть использован осциллограф, который можно подключить к вершинам измерительной диагонали для контроля за уравновешиванием электрического моста.

Мостовое измерительное устройство работает следующим образом. В исходном состоянии напряжения на входе и выходе моста равны нулю. Вначале подаем на мост 2 прямоугольные импульсы с генератора 1. При воздействии очередного прямоугольного импульса в установившемся режиме в ветвях моста устанавливаются неизменяющиеся напряжения. Напряжение неравновесия зависит только от значения сопротивления резисторов 10, 11, 15, 16 и 17. Однократной регулировкой значения сопротивления уравновешивающего резистора 11 (R3) плоская вершина сигнала неравновесия приводится к нулю, и тем самым выполняется первое условие равновесия. Равновесие моста 2 здесь и далее отмечают по индикатору равновесия. Далее на мост 2 подаются импульсы линейно изменяющегося напряжения с генератора 1. При воздействии очередного такого импульса в измерительной диагонали моста 2 после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал с плоской вершиной, амплитуда которого с учетом выполнения первого условия равновесия фактически зависит лишь от значения сопротивления только одного уравновешивающего резистора 16 (R6). Однократной его регулировкой приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют второе условие равновесия. Это уравновешивание в отличие от других не позволяет произвести отсчет ни одного параметра объекта измерения, но оно потребовалось для того, чтобы появилась возможность проводить следующие два уравновешивания только переменными резисторами (в этом особенность представленной на фиг. 1 схемы замещения объекта измерения 3).

После этого на мост 2 подаются квадратичные импульсы с генератора 1. При поступлении очередного импульса этой формы в измерительной диагонали моста 2 после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной, амплитуда которого зависит с учетом выполнения первых двух условий равновесия от значения сопротивления третьего уравновешивающего резистора 17 (R7). Однократной его регулировкой приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют тем самым третье условие равновесия. Затем на электрический мост 2 подаются импульсы кубичной формы с генератора 1. При поступлении очередного импульса этой формы в измерительной диагонали моста 2 после окончания переходного процесса устанавливается импульсный сигнал неравновесия с плоской вершиной, амплитуда которого зависит с учетом выполнения первых трех условий равновесия от значения сопротивления четвертого уравновешивающего резистора 14 (R4). Однократной его регулировкой приводят плоскую вершину сигнала неравновесия к нулю и выполняют тем самым четвертое условие равновесия.

Отсчет искомых значений величин берется из выражений, полученных на основе условий равновесия:



Таким образом, данный мостовой измеритель позволяет уменьшить вес и габариты при измерении параметров объектов с трехэлементной схемой замещения с разнородными реактивными элементами за счет использования в качестве уравновешивающих образцовых элементов только регулируемых резисторов, так как используемые магазины сопротивлений имеют меньший вес и габариты по сравнению с магазинами емкости и индуктивности (Отраслевой каталог: Приборы и средства автоматизации. Ч. 3. - М.: 1988. - С. 9-10, 13, 17), которые необходимо использовать для уравновешивания электрического моста в прототипе. Кроме того, уравновешивание моста раздельное, что перспективно для автоматизированных измерений.