Цифровой автоматический экстремальный мост переменного тока

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ У ТРЕМАЛЬНЫЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, со держащий последовательно соединенные питающий генератор, мостовую измерительную цепь с дискретно регулируе- фи мыми элементами, избирательный уСилитель и амплитудный детектор, основ-.ной реверсивный счетчик и трехпози- че ционный реверсивный счетчик модуля- по Тора, выходи которых подключены кдискретно регулируемым . уравновеши- чу вающим элементам мостовой измеритель- хо ной цепи, а входы - к выходам ком- ди мутатора рабочих импульсов, вход к управления которого соединен через но логический элемент совпадений с вы- со ОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(71) Институт электродинамики АН Украинской ССР(56) 1.Авторское свидетельство СССР У 175126, кл. С 01 К 17/10, 1963.2. Неболюбов Е.Ю. и др. Система дискретного уравновешивания специализированного быстродействующего моста переменного тока. - В кн,:Техника электрических измерений. Киев, "Наукова думка", 1979, с.19-30 (прототип).(54)(57) ЦИФРОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЭКС ходами трехпозицйонного реверсивного счетчика модулятора и с соединенными между собой входами управления реверсом обоих реверсивных счетчиков, цифровое отсчетное устройство, под". ключенное к выходу основного реверсивного счетчика, и тактовый генератор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и расширения области применения путем обеспечения возможности измерения среднего значения колеблющихся величин, в него введены дополнительный модулятор и делитель частоты, входы которых подключены к тактовому генератору, а выходы соответственно - к мостовой измерительной цепи и входу коммутатора рабочих пульсов, а также разделительный нденсатор и последовательно соединные фазочувствительный детектор, льтр нижних частот и дискриминатор лярности напряжения, причем первый од фазочувствительного детектора рез разделительный конденсатор, дключен К выходу амплитудного детеора, второй опорный) вход фазовствительного детектора - к выду тактового генератора, а выходскриминатора полярности напряжения- входу управления реверсом основ" го реверсивного счетчика импуль:Вфной реверсивный счетчик только тогда, когда совпадают сигналы: либо "+1 трехпозиционного реверсивного счетчика модулятора и "+" управления реверсом, либо противоположные, зна-. чения этих сигналов. Во всех .остальных случаях импульсы проходят через коммутатор на трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора 12.Известный цифровой экстремальный мост обладает высокой точностью измерения и высоким быстродействием, однако существенным его недостатком является низкая помехоустойчивость по отношению к помехам, однородным по своей физической природе с измеряемой величиной. Такие помехи чаще всего проявляются в виде сравнительг но низкочастотных колебаний измеряемой величины относительно ее среднего значения, которое должно быть измерено. К ним относятся, например, вибропомехи, сопровождающие измерение таких неэлектрических величин как масса, сила посредством упругих элементов, неоднородности потока жидкости или газа при измерении параметров движения этих сред; пульсации контролируемого давления в трубопроводах работающих машин и т.д. Когда период колебаний помехи намного боль-ше времени уравновешивания моста, происходит нормальное отслеживание изменений входной величины, благодаря чему возможна последующая обработка результатов измерения для вычисления среднего значения. Если же пери- од колебаний помехи соизмерим со временем уравновешивания или меньше его, нормальное уравновешивание становится невозможным, цифровой мост выдает беспорядочно изменяющиеся результаты с большими погрешностями и пользоваться прибором становится практически невозможно, К такому же результату приводят и электрические помехи определенной категории, а именно те, которые модулируют сигнал неравновесия измерительной цепи вследствие нелинейности тракта усиления. Колебания помехи нельзя подавить в тракте усиления сигнала неравновесия моста, работающем на переменном токе несущей частоты, а при введении фильтра нижних частот после амплитудного детектора в выходном напряжении этого фильтра появляется постоянная составляющая, величина которой 1087903Изобретение относится к электроиз+мерительной технике, в частности кустройствам для цифрового измеренияпассивных параметров цепей на переменном токе, 5Изобретение может быть использовано в различных измерительных преобразователях, .измерителях неэлект-.рических величин, информационно-измерительных системах и устройствах 10автоматического управления.Известны цифровые экстремальные модуляционные мосты переменного тока, содержащие питающий генератор, мостбвую измерительную цепь и систе му автоматического уравновешивания Ц,Недостатком их является невысокое быстродействие.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 20 цифровой экстремальный квазимодуляционный мост геременного тока, содержащий (при уравновешивании по одному параметру) последовательно соединенные питающий генератор, из мерительную мостовую цепь с дискрет" но регулируемыми уравновешивающими элементами, избирательный усилитель, амплитудный детектор и экстремум- детектор, а также основной реверсив- З 0 ный счетчик и трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора, выходы которых подключены.к дискретно регу,лируемым уравновешивающим элементам мостовой цепи, а входы - к выходам коммутатора, вход которого соединен с тактовым генератором. Трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора имеет три состояния +1,О и -, соответстВующие изменению сос тояния мостовой цепи на +1,0 или -1 шаг дискретного изменения уравновешивающего параметра относительно его значения, заданного основным реверсивным счетчиком. Управляющий вход коммутатора связан через логический элемент совпадений с выходом" экстремум"детектора и с выходом трех- позиционного реверсивного счетчика модулятора. Входы управления ревер-, сом основного реверсивного счетчика и трехпозиционного реверсивного счет чика модулятора подключены к выходу экстремум-детектора. К выходу основного реверсивного счетчика подключенотакже цифровое отсчетное устройство.Ло гический элемент совпадений управля- ет коммутатором таким образом, что рабочие импульсы проходят на основ3 1087903зависит от параметров помехи. Этопроисходит вследствие того, что наамплитудный детектор поступает сигналнесущей частоты, модулированный помехой, т.е. их произведение. Амплитудный детектор, имеющий несимметричную относительно начала координатхарактеристику, выделяет абсолютнуювеличину входного сигнала, т.е. произведение абсолютных величин сигнала и 1 Опомехи, Таким образом, сигнал навыходе амплитудного детектора будетзависеть как от параметров полезногосигнала, так и от параметров помехи,которые нестабильны. Данное явление. 15сделало бы невозможным получение достоверного результата измерения,Цель изобретения - повышение помехоустойчивости цифрового автоматического экстремального моста к поме-. 20хам, однородным по физической природе сизмеряемой величиной, а также расширениеего области применения путем обеспечения возможности измерения средне-го значения колеблющихся величин. 25 Указанная цель достигается тем, .что в цифровой автоматический экстремаль ный мост переменного тока, содержащий последовательно соединенные пита- ющий генератор, мостовую измерительную цепь с дискретно регулируемыми элементами, избирательный усилитель и амплитудный детектор, основной реверсивный счетчик и трехпозиционный реверсивиый счетчик модулятора, выходы которых подключены к дискретно регулируемым уравновешивающим элементам мостовой измерительной цепи, а входы - к выходам коммутатора рабочих импульсов, вход управле40 ния которого соединен через логический элемент совпадений с выходами трехпозиционного реверсивного счетчика модулятора и с соединенными между собой входами управления ре.версом обоих реверсивных счетчиков, цифровое отсчетное устройство, подключенное к выходу основного реверсивного счетчика и тактовый генератор, введены дополнительный модулятор и делитель частоты, входы кото" рых подключены к тактовому генератору, а выходы соответственно - к .мостовой измерительной цепи и входу коммутатора рабочих импульсов, а 55 также разделительный конденсатор и последовательно соединенные фазочувствительный детектор, фильтр нижних 1 частот и дискриминатор полярностинапряжения, причем первый. вход фазочувствительного детектора через разделительный конденсатор подключен к выходу амплитудного детектора, авторой опорный) вход фазочувствительного детектора - к выходу тактотвого генератора, а выход дискриминатора полярности напряжения - к входууправления реверсом основного ревер-,сивного счетчика импульсов,Благодаря введению дополнительного модулятора в сигнал неравновесиявводится информация о знаке отклонения равновесия в виде фазы огибающей этого сигнала по отношению к фазе напряжения тактового генератора. Эта информация выделяется фазочувствительным детектором. Таким образом,характеристика тракта мостоваяцепь - выход фазояувствительного детектора в отличие от известного моста становится симметричной относительно начала координат передаточной характеристики. Это даетвозможность отделить полезную информацию о направлении уравновешивания,заключенную в знаке постоянной составляющей от помехи, проявляющейся ввиде переменной составляющей этогосигнала, с помощью фильтра нижнихчастот. Введение фильтра нижнихчастот позволяет также измерятьсреднее значение величин, что расширяет область применения моста,На чертеже представлена структурная схема предлагаемого цифровогоавтоматического экстремальногомос"та переменного тока,Устройство содержит последовательно соединенные питающий генератор 1,мостовую измерительную цепь 2 с дискретно регулируемыми элементами,избирательный усилитель 3, амплитудный детектор 4, разделительныйконденсатор 5, фазочувствительныйдетектор 6, фильтр 7 нижних частот,дискриминатор 8 полярности .напряжения, основной реверсивный счетчик 9 импульсов, трехпозиционный реверсивный счетчик 10 .модулятора, коммутатор 11 рабочих импульсов, дополнительный модулятор 12, делитель 13 частоты, тактовый генератор 14, логический элемент 15 совпадений и цифровое отсчетное устройство 16.Выходы основного реверсивного счетчика 9 и трехпозиционного реверсивного счетчика 10 модулятора под-. ключены к дискретно регулируемым .уравновешивающим элементам мостовой измерительной цепи 2, а . входь 1 - к выходам коммутатора 11 рабочих 5 импульсов, вход управления которого соединен через логический элемент 15 совпадений с выходами трехпози- . ционного реверсивного счетчика О модулятора и с соединенными между со О бой входами управления реверсом обоих реверсивных счетчиков. Цифровые отсчетное устройство 16 подключено к выходу основного реверсивного счетчика 9, входы дополнительного моду лятора 12 и делителя 13 частоты подключены к тактовому генератору 14, а выходы соответственно " к мостовой измерительной цепи 2 и входу коммутатора 11 рабочих импульсов, 20Устройство работает следующим образом.С питающего генератора 1 на мостовую измерительную цепь 2 поступает переменное напряжение. Сигнай нерав новесия мостовой цепи 2 усиливается избирательным усилителем З.и поступает на амплитудный детектор 4. Так-, товый генератор 14 вырабатывает импульсы напряжения тактовой частоты, управляющие работой дополнительного модулятора 12, который модулирует ( периодически изменяет на небольшую величину) уравновешивающий параметр мостовой цепи 2. При этом в огибающей сигнала неравновесия мостовой цепи 2 появляется переменная составляющая тактовой частоты, Фаза которой зависит от знака неравновесия. Амплитудный детектор 4 выделяет огиба 40 ющую сигнала неравновесия, разделительный конденсатор 5 выделяет переменную составляющую этой огибающей, и с помощью Фазочувствительного детектора 6, опорным для которого является напряжение тактового генера"45 тора 14, выделяется постоянное напряжение, полярность которого однозначно определяет знак неравновесия мостовой цепи 2. В выходном сигнале Фазочувствительного детектора 6, помимо постоянной составляющей, присутствует переменная составляющая поме-. хи, которая вызвана .неинформативными колебаниями измеряемой величины.Эта помеха подавляется фильтром 7 нижних частот. Дискриминатор 8 поляр ности напряжения (например усилительограннчитель, компаратор напряжений с нулевой уставкой и т.п.) в зависи мости от полярности напряжения на выходе Фильтра 7 нижних частот выдает на своем выходе один из двух логических сигналов, который устанавли вает основной реверсивный счетчик 9 и трехпозиционный реверсивный счетчик 10 модулятора для счета в прямом или обратном направлении. Этот же сигнал реверса подается на логический элемент 15 совпадений, Рабочие импульсы, управляющие уравновешиванием, поступают с выхода делителя 3 частоты через коммутатор 11 на основной реверсивный счетчик 9 либо на трехпозиционный реверсивный счетчик 10 модулятора. Коэффициент деления делителя 13 частоты выбирается из условия окончания переходного процесса в фильтре 7 нижних частот за время одного такта уравновешивания.Уравновешивание моста производится по следующему алгоритму. В начале уравновешивания основной реверсивный счетчик 9 и трехпозицнонный ре. - версивный счетчик 10 модулятора находятся в произвольных состояниях. Дискриминатор 8 полярности напряжения выдает на шины реверса логический сигнал, соответствующий направлению движения к равновесию, Коммутатор 1 1 рабочих импульсов подключает при этом выход делителя 13 частоты на вход трехпозиционного реверсивного счетчика 1 О модулятора, который под действием рабочих импульсов переходит в одно из своих крайних состояний ( "+" или "-1") в направлении движения к равновесию, если до этого он находился в нулевом или противоположном крайнем состоянии. Если после этого полярность напряжения на выходе фильтра 7 нижних частот не изменилась на противоположную, то логический элемент 5 совпадений переключает посредством коммутатора 11 рабочие импульсы. с выхода делителя 3 частоты на вход основно-. го реверсивного счетчика 9, который начинает считать и переключать одновременно уравновешивающие элементы мостовой цепи 2, приближая мост к равновесию. При переходе через точку равновесия логический сигнал на выходе дискриминатора 8 полярности напряжения принимает противоположное значение, при этом логический элемент 15 совпадений переключает ком7 108790 мутатор 11 на вход трехпозиционного реверсивного счетчика 10 модулятора и уравновешивающий элемент мостовой цепи 2 начинает изменяться по двум или трем соседним дискретным значениям в окрестности равновесия за счет возвратно-поступательных движений трехпозиционного реверсивного счетчика 1 О модулятора, при этом состояние основного реверсивного 1 О счетчика 9 не изменяется и на цифро вом отсчетномустройстве 16 индуцируется число, соответствующее ближайшему к равновесию значению уравно вешивающего параметра. 15При подекадно-следящем уравновешивании цифрового моста целесообразно переключать коэффициент деления делителя.13 частоты и постоянную времени фильтра 7 нижних частот в зависимос ти от.номера декады, при этом на более старших декадах уравновешивание можно производить быстрее,танк как влияние помех на этих декадах сказы 3 8вается меньше. Это увеличит быстро. действие многодекадного цифрового моста переменного тока. Преимуществом предлагаемого устройства является возможность работы с параметрическими емкостными, индуктивными, резистивными и т.д,) датчи" ками неэлектрических величин при наличии неинформативных колебаний измеряемой величины (например, вибра-. ций груза при измерении веса) . Устранение указанного недостатка в предлагаемом устройстве позволяет расширить область применения цифровых экстремальных мостов переменного тока, использовать их преимущества 1 высокая чувствительность и точность) при измерении неэлектрических величин, благодаря чему значительно сокращается срок окупаемости затрат.иа их из. готовление, а также повышается достоверность измерения при наличии вибропомех.