Измерительный преобразователь

Измерительный преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в контрольно-измерительной технике в различных измерительных системах с амплитудными датчиками. Сущность изобретения: в измерительный преобразователь, содержащий опорный генератор 1, фазометр 6, два амплитудных датчика 5,8, сумматор 7, выход которого подключен к информационному каналу фазометра 6, с целью повышения точности измерений введены два формирователя 2 синусоидального сигнала, счетчик 4, дешифратор 10, триггер 9 и ключ 3. Причем выход опорного генератора 1 соединен с входом счетчика 4 и входом первого формирователя 2 синусоидального сигнала, а выход последнего подключен к входу первого амплитудного датчика 5, а также к опорному входу фазометра 6, кроме того, выход опорного генератора 1 через ключ 3 соединен с входом второго формирователя 21 синусоидального сигнала, выход которого подключен к входу второго амплитудного датчика 8. Выход последнего подключен к первому входу сумматора 7, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного датчика 5, а выходы счетчика 7 соединены с входами дешифратора 10, выход которого подключен к входу триггера 9, кроме того, выход последнего соединен с входом ключа 3. 1 табл., 1 ил. ел С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 27/02

О

О (л)

СО

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТН (21) 4917488/21 (22) 11.03.91 (46) 07.03.93. Бюл. ¹ 9 (71) Харьковский авиационный институт им.

Н.Е.Жуковского (72) Ф.И.Веников, В.О.Захожий, Е.С.Колесник и В,Л,Сорокопут (56) Схема для преобразования изменений сопротивления в изменения частоты. ИЗР, 1981, № 28, с. 104.

Авторское свидетельство СССР ¹

1620960, кл. G 01 R 27/02, 1989. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ П Р Е О Б РА 3 О В АТЕЛЬ (57) Использование: в контрольно-измерительной технике в различных измерительных системах с амплитудными датчиками, Сущность изобретения: в измерительный преобразователь, содержащий опорный генератор 1, фазометр 6, два амплитудных датчика 5,8, сумматор 7, выход которого подключен к информационному каналу фа„„ 4 „„1800388 А1 зометра 6, с целью повышения точности измерений введены два формирователя 2 синусоидального сигнала, счетчик 4, дешифратор 10, триггер 9 и ключ 3. Причем выход опорного генератора 1 соединен с входом счетчика 4 и входом первого формирователя 2 синусоидального сигнала, а выход последнего подключен к входу первого амплитудного датчика 5, а также к опорному входу фазометра 6, кроме того, выход опорного генератора 1 через ключ 3 соединен с входом второго формирователя 21 синусоидального сигнала, выход которого подключен к входу второго амплитудного датчика 8.

Выход последнего подключен к первому входу сумматора 7, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного датчика 5, а выходы счетчика 7 соединены с входами дешифратора 10, выход которого подключен к входу триггера 9, кроме того, выход последнего соединен с входом ключа

3. 1 табл., 1 ил.

1800388

10

30

Uo = Sin (2 л Fct+ уо) 50

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в различных измерительных системах с амплитудными датчиками.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства, Устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор 1, первый формирователь 2 синусоидального сигнала, причем выход опорного генератора также соединен с первым входом ключа 3 и входом счетчика 4, Выход первого формирователя 2 синусоидального сигнала подключен к входу первого амплитудного датчика 5, а также к опорному каналу фазометра 6, измерительный вход которого подключен к выходу сумматора 7. Первый вход последнего соединен с выходом первого амплитудного датчика 5, а второй вход подключен к выходу второго амплитудного датчика 8, подключенного входом к выходу второго формирователя 2 синусоидального сигнала, вход которого соединен с выходом ключа 3. Управляющий вход последнего подключен к выходу триггера 9, вход которого соединен с выходом дешифратора 10, дешифрирующего выходной код счетчика 4.

Формирователи синусоидального сигнала представляют собой последовательное соединение счетчика Джонсона 11 и

ЦАП 12, осуществляющего взвешенное суммирование выходного кода счетчика, что позволяет получить п-уровневую аппроксимацию синусоидального сигнала с частотой Ро = FQ(2n), где n — количество разрядов счетчика Джонсона;

Ео - частота сигнала опорного генератора.

Таким образом, на выходе первого формирователя 2 синусоидального сигнала имеет место сигнал Uo с частотой Fc u начальной фазой po, Кроме того, импульсы с выхода опорного генератора 1 поступают на вход счетчика

4, а с его выходов на входы дешифратора 10.

Пусть необходимо задержать сигнал на выходе формирователя 2 синусоидального сигнала на время тз = NTor, где Тог = 1/For.

Тогда вход S триггера 9 необходимо подключить к выводу N дешифратора, После прихода N импульсов уровень логической

"1" с выхода дешифратора 10 переводит триггер 9 в единичное состояние (исходное состояние которого было нулевым), и выходной сигнал последнего открывает ключ 3, разрешая прохождение последующих импульсов, начиная с (N+1)-го с выхода опорного генератора 1 на вход второго формирователя 2 синусоидального сигнаI ла. Следовательно, на выходе последнего формируется сигнал U> с частотой Fo, запаздывающий относительно сигнала на выходе первого формирователя синусоидального сигнала на время 1з.

С учетом вышесказанного колебание на выходе второго формирователя 2 синусои1 дального сигнала имеет вид

01 = Sin (2 X Fat+ фо-(2 Л FcN)/For) (2) Сигнал Uo с выхода первого формирователя 2 синусоидального сигнала поступает на вход амплитудного датчика 5, а с выхода последнего на первый вход сумматора 7.

Сигнал U> с выхода второго формирователя

2" синусоидального сигнала поступает на вход амплитудного датчика 8, а с выхода последнего на второй вход сумматора 7.

Таким образом, на входах сумматора 7 присутствуют два колебания:

Uz = K> Sin (2 Л F

Оз= K2SIn(2 x Fot+ фо -(2 тг Рсй/For ) (4) где К>, K2 — коэффициенты передачи амплитудных датчиков 5 и 8 соответственно, Из векторной диаграммы путем несложных математических операций над векторами можно получить, что начальная фаза сигнала, поступающего на измерительный вход фазометра 6 с выхода сумматора 7, равна

40 ge = до+ arctg(KzSin(Лр )/(К1+КгCos» (ю)), (5) где Л»р =-2л F

Поскольку на вход опорного канала фазометра 6 поступает сигнал с начальной фазой ро, то показания последнего составят д ф = фо — pc = -arctg (Кг Sin (Лр )/(К1+

+ Кг Cos (h jo))). (6) В динамическом режиме измеряемое воздействие вызывает изменение коэффициентов передачи амплитудных датчиков 5 и 8. Колебания Uo и U> формируются так же, как и при отсутствии информационного воздействия. Пусть коэффициент передачи амплитудных датчиков 5 и 8 при наличии воздействия соответственно К 1, К г. Тогда

1800388 личины фазового раскрыва следует использовать вероятностный анализ.

Запишем выражение для среднего значения и дисперсии величины Ар сигналы, поступающие на входы сумматора

7, можно записать в виде

0 г= К13(П(2 Л Fct+ Ро );

U 3= Кг SirI (2 27 Fct+ po 2 к РСМFor), М(hp )=М(hp )M(а ) (11) В устройстве-прототипе номинальное значение фазового раскрыва Ар и определяется разностью фазовых сдвигов р фз| и р фзг, приобретаемых сигналом при прохождении через первое и второе фазовые звенья соответственно.

Для фазового звена первого порядка

i щс. = po+ arktg (Кг Sin (Ap )/К1 + Кг Cos (Ap)) (7) а показания фазометра 6 15 др =-arctg (Кг Sin (h.p )/(К1 + Кг Cos (Ap))) (8) р фз1=-2агст9 (в7 ) (13) р фзг = 2arctg (в 7г ) (14) Из последнего выражения следует, что - 20 разность фаз колебаний, поступающих на входы фазометра 6, а следовательно, и его показания зависят от коэффициентов передачи амплитудных датчиков, т.е. и от измеряемого воздействия.

Проведем сравнительный анализ предлагаемого устройства и устройства-прототипа. Как в первом, так и во втором случае стабильность характеристики преобразования определяется стабильностью фазово- 30 го раскрыва, под которым понимают величину фазового сдвига между сигналами, поступающими на входы амплитудных датчиков или входы тензорезисторных мостов в заявляемом устройстве и устройствепрототипе.

В первом приближении отклонение величины фазового раскрыва под воздействием температуры окружающей среды является функцией по крайней мере трех переменных величин: где 7 1.г — постоянные времени первого и второго фазовых звеньев соответственно, С учетом вышесказанного, Лр=фз1 — pф32 = 2а ctg (N7г ) — 2arctg (И71 ), (15) 71= 01(1+ а,1 AT) С1(1+ а с1 Л Т); (16)

7г=йг(1+ а г ЛТ) Сг(1+ а С1Л Т) (17) Для нахождения температурного коэффициента фазы продифференцируем выражение (15) с учетом уравнений (16) и (17): й< 11 2(DRaCg(«r 2

" да,т >О «(R,с,1 i+(R c,Г

Ap(AT)= hр а AT, (9) Тогда где а — температурный коэффициент фазы; 45

h,p — номинальное значение фазы;

AT — отклонение температуры от исходной, при которой производилась градуировка.

Перепишем выражение (9) в виде

2юм(2-)м(с,)(м(«„,) м(«„)1 2им(2)м(с)(м(«) м(«„)I

I («11) +и м1(2д мыс,) 1 ч мЧ2,1м (са

При этом дисперсию величины а, можно представить как

Ap(AT)= р (10) где Лр = Ap a — отклонение фазы при

I изменении температуры на один градус.

В условиях массового производства радиоаппаратуры Ар является случайной

I величиной и, следовательно, для оценки вегде

4«„2иС,-2ы с R (2 с Р (""" "

Ып 2ыса-2я С 21 (> 1R> С 1 (1 2 д а а

2 >R -2оэ С R1 тогда начальная фаза сигнала, поступа- D(Ap ) = D (Ap ) а + Ap D (а )

1 г г ющего с выхода сумматора на измеритель- (12) ный вход фазометра 6, равна 10

1800388 где т1, т2 определяются выражениями, аналогичными соотношениям (16), (17).

Продифференцировав выражение (22), полу.чим, 5 о го В,с(Э + R,с, 2,ÿ ) С о0" ГЯ (+»2(К С 2

22<2,с, l+rC2R,C2

Q 22!

Ы a„(.Q.

10 Тогда с)о(,,z (+() и С, 15

При этом дисперсию величины Q(( можно представить как

20 где

25 где

35

Лр(= 2 л Есй/Рог+ р фнч1 р фнч2

45 где р фнч1, р фнч2 — фазовые сдвиги, вносимые фильтрами нижних частот, осуществляющими подавление 15-й гармоники сигнала на выходах первого и второго формирователей синусоидального сигнала со- 50 ответственно.

Известно, что для фильтров нижних частотпервого порядка рфнч1=-агссд(вт) ), (P фнчг"=-arCtg(Й) Т2 ) и следовательно, где

Перепишем выражение (20) в виде

М 2 DR2 2 ЯС! 2 DC2

D(Q()»Q <и 2 Qr2c 2 ""Q»c«С2 я а — — 0

22(С! 2 ((Сса

2(<Я,С,-2222С, Я, (c(rl<((.с!) ) ((»П(г Я, С,)

Ъ Ъ

2((iR Cz-2са сг R2, (C(r2

Qr2c= („,2Яаса)2

2(cR,C< 2c(2C,R, ()с(п=- ((»а,гЯаса)2 (C(r !22(с<) а

2иЯ2С2-2И С2Яа (Cl,r2r Ûc2);

Qc2n= ((»„,аяаса)2

2(a R, С с(„<

ЯН (+(2222 С а

2я Яаccc(»2 ((га (+(2Я2 C2 >

2с2 R,с,2(,! ()<Сс! = (ап аЯгса

22»Яасгc(c2

Q (! 2(2R, С, В предлагаемом устройстве номинальное значение фазового раскрыва составляет

Л р„= 2 л Р N/Fp, + arctg(m rz )- a(Ctg(И (1 ), (22) Чн! (а("аса (2(га 2(са) cI R c (c(r cc() ((ï

<(пт dT->О (((<(RQC2) (((QR,С,) П(М(Я2)М(сг)(М(2(га)2МЬ(сД) П(М(ЯДМ!С!.)(М((Сг

< 1(а(п Я,С,)

<)2(н (cR2- (ааасаа R22 и са ((<н(аЯаса)2 (га са)) ()2(„(пЯ С< (пг (+(2Яаса, ( ((С(Н (а(Я2С2 с

<)с(га (cc(2Rccc ! » » а.с. а,а, <)2(Н (а(Яаса

Я2С2

Перепишем выражение (25) в виде

))Яг 2 XICq 2 DC2

З(аг! 2 Dc(»2 2 ((»с< 2 Dc (2

2QI(r(2 2 22<(ган а +Qc(c(2 2 Я((сан

2(г< 2(га (Сс! C(22

QRC, ас R2.

QrI2» 2 г а (Кг<+2(с!) r

С(ги R,Ñ,)

ОЯ2С2-(П,С,Я, 2 2 2 па С(с ) ( ((+22 Я. С. )2 и Я,С,- спас Я (2(г< С с!) j ((+(с R,C,)2

rgR c2-и(С Я

222 2 2 2 r ((2r2+c(cc)) ((Q2(R2C2 )2 ссЯ,С, Я„, (ат! гсг <С, llа»„

QÄÄ,„, »Q,e,»„

Q,.„° - . (+П2 Я,са

1800388

6ЭЦС Мд

Q a

Ксан +< а са

Для анализа примем, что в обоих устройствах используются резисторы и конденсаторы с 1%-ным разбросом 5 номинального значения и 100%-ным разбросом температурного коэффициента, т.е, 0R1 0В2 0С1 0С2 1 4

Р1 R1 С1 С1 10

0 аг1 0 аГ2 0 ас1 0 ас2 1

31 Ь 31 132

15 номинальное значение фазового раскрыва составляет Л рп = Л рн = 135О, а номинальные значения температурных коэффициентов - а г1 = аа =- 120 *10 6

1/град, а p1 = а p2 = 33* 10 1/град.

Тогда согласно выражению (15) для устройства-прототипа или

arctg((вт2 -1/ шт2 ))/2)= Лу, /2 (29) Введя постановку X= вг2, представим выражение (29) в виде

Х -1 - 2tg (Лр /2) = 0 (30) Решение уравнения (30) имеет вид

X = tg (h pn /2) + 1/Cos(Л р /2) или с учетом постановки

<31

Тогда

Ж71 = 1/(Ж72) 50 (32 ) 55

2arctg(вх2 ) -arctg(вт1 ) = Лу, (27)

Учитывая, что постоянные времени т1 и t 2 связаны соотношением йР = 1/(t1 t2), перепишем выражение(27) в виде

2arctg(а т2 ) -2arctg(1/ ат2 )) = Лр, (28) В предлагаемом устройстве согласно выражению (22) 2 x FpN/Fpr+ arctg(вт2 ) — arctg (m t1 ) =

Лpi (33) При Fp/Fpr = 16, что соответствует использованию в формирователях синусоидального сигнала восьми разрядного счетчика Джонсона, N = 6 Лу = 135 соотношение (33) имеет вид

arctg(шх2 ) - arctg (вт1 ) = 0 (34) Следовательно, ат1 = вт2

Для определенности выберем р = 2 =1/(3 со ) (35) Результаты расчета по формулам (21), (31), (32) для прототипа и (26), (35) для предлагаемого устройства сведены в таблицу

Таким образом, из проведенного анализа следует, что использование предложенного устройства позволяет улучшить стабильность фазового раскрыва в 1,653 раза, и следовательно, повысить точность измерения физической величины.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь, -содержащий опорный генератор, фазометр, два амплитудных датчика, сумматор, выход которого подключен к информационному каналу фазометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два формирователя синусоидального сигнала, счетчик, дешифратор, триггер и ключ, причем выход опорного генератора соединен с входом счетчика и входом первого формирователя синусоидального сигнала, а выход последнего подключен к входу первого амплитудного датчика, а также к опорному входу фазометра, кроме того, выход опорного генератора через ключ соединен с входом второго формирователя синусоидального сигнала, выход которого подключен к входу второго амплитудного датчика, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного датчика, а выходы счетчика соединены с входами дешифратора, выход которого подключен к входу триггера, выход последнего соединен с входом ключа.

1800388

10

20

Составитель Ф.Веников

Техред М,Моргентал Корректор М.Куль

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1162 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР . 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5