Феррозондовый измеритель направления

СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1643947 А 1 ф)5 6 01 С 17/ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН й иньмиолоЪ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРЬЬ 1348648, кл. 6 01 С 17/30, 26,05.86,Трубы Ленинградского гидрометеогического института. 1978, вып. 65, с. 75(57) Изобретение относится к океанографическим измерениям, Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния ошибок фазовой девиации, Устройство содержит феррозонд 2 с ортогональными сигнальными обмотками, избирательный усилитель 4, сумматор 10, цифровой измеритель фазы 12, генератор 1, переключатель 3, два блока выборки и хранения 6 и 7, два перемножителя 8 и 9, формирователь стартового импульса 13, счетчик периодов 14, линию задержки 15 и счетный триггер 16, 3 ил.Изобретение относится к области океанографических измерений,Целью изобретения является повышение гочности за счет уменьшения влиянияошибок фазовой девиации, 5На фиг. 1 представлена схема измерителя; на фиг. 2 и 3 - временные характеристики, поясняющие его работу,Измеритель состоит из генератора 1,ферроэонда 2 с ортогональными сигнальными обмотками, переключателя 3 сигнала навходе избирательного усилителя 4, переключателя 5 входов записи, второго и первого устройств 6 и 7 выборки и хранения,второго и первого перемнокителей 8 и 9, 15сумматора 10, фильтра 11 избирательногоусилителя, цифрового измерителя 12 фазы,формирователя 13 стартового импульса,счетчика 14 периодов, линии 15 задержки,счетного триггера 16. 20Первый выход генератора 1 подсоединен к обмотке возбуждения феррозонда 2,две сигнальные обмотки котооого подсоединены соответственно к двум входам переключателя 3, выход которого подсоединен к входу 25коммутируемого избирательного усилителя 4,выход которого подсоединен к двум входамустройств 6 и 7 выборки и хранения, выходы которых подсоединены к двум первымвходам перемножителей 8 и 9, выходы которых подсоединены к входам сумматора10, выход которого подсоединен к входуфильтра 11, выход которого подсоединен к .входу остановки цифрового измерителя 12фазы, вход запуска которого подсоединен к 35второму входу перемножителя 9 и первомувыходу опорного сигнала генератора 1, асчетный вход подсоединен к выходу счетных импульсов генератора 1. Второй выходопорного сигнала генератора подсоединен 40к второму входу перемножителя 8, а выходудвоенной частоты возбуждающего сигнала, сдвинутого по фазе на дУ 2, подсоединенк сигнальному входу счетчика 14 периодов,вход запуска которого подсоединен к выходу формирователя 13 стартового импульса,а выход подсоединен к входу линии 15 задержки и входу переключателя 5, два выхо- .да которого подсоединены к двум входамзаписи устройств 6 и 7 выборки и хранения, 50а управляющий вход подсоединен к управляющему входу переключателя 3 и к выходусчетного триггера 16, вход которого подсоединен к выходу линии 15 задержки,Измеритель работает следующим обраэомеПрямоугольный сигнал частотой т 1 и фазой 2 гФа поступает с первого выходагенератора 1 на обмотку возбуждения феррозонда 2. Две сигнальные обмотки феррозонда 2 с помощью переключателя 3 по очереди подключаются к входу коммутируемого избирательного усилителя 4 (КИУ). На выходе КИУ 4 по очереди образуются два сигналаОх " (К+ Ь К)соз р зп(2 в 1+ ), (1) Оу= (К+ ЬК)зи р зп(2 вт + ф), (2)где ЬК - изменение коэффициента К усиления КИУ,ф- уход Фазы относительно фазы 2 вт за счет изменения фазовой характеристики КИУ,Амплитуды этих сигналов запоминаются устройствами 6 и 7 выборки и хранения (УВХ) с помощью переключателя 5, который по очереди подключает к входам записи УВХ би 7 импульс записи. Работой переключателей 3 и 5 управляет счетный триггер 16 (СТ), Когда на выходе СТ 16 - единица, то, например, только первая сигнальная обмотка феррозонда 2 подключена к входу КИУ 4, а амплитуда его выходного сигнала записывается в УВХ 6. Если на выходе СТ 16 - ноль, то только вторая сигнальная обмотка подключена к входу КИУ 4, а амплитуда записывается в УВХ 7. Время нахождения выходов СТ 16 в единичном или нулевом состоянии назовем периодом коммутации Т. Таким образом, вход КИУ 4 подключается по очереди к сигнальным обмоткам на время, равное Тк. Известно, что при коммутировании в КИУ 4 возникает переходный процесс, который характеризуется временем установления Туст. определяемым по ФормулеТуст = 0,73О(3)1 оЕсли добротность С 1 КИУ 4 установить равной 100, а его резонансную частоту То = = 1 кГц;то Тус =73 мс. Выберем Тус равным 100 мс или 100 периодам выходного сигнала КИУ 4. За это время на выходе КИУ 4 образуется установившимся колебательный процесс. Следовательно, можно установить Тут = Т = 100 мс. Введение Т не влияет на точность измерений, так как Т гораздо меньше, чем постоянная времени измерителя направления течения как механической системы, которая равна единицам секунд, Поэтому можно считать, что положение измерителя в пространстве, в частности ферроэонда, не изменится за несколько периодов Тк Тк устанавливается счетчиком 14 периодов (СП). К его счетному входу подключен пятый выходгенератора 1 с фазой прямоугольного сигнаИ ла (2 йм + л/2) и частотой 2, = то = - , т.е,Лпериод этого сигнала устанавливается равным периоду выходного сигнала КИУ 4, Поэтому через 100 мс при подсчете 100 импульсов на выходе СП 14 появляется короткий импульс, Период появления этого импульса равен Тк, Этот импульс, пройдя переключатель 5, записывает в УВХ 6 или 7 амплитудное значение выходного сигнала КИУ 4. Так как сигнал на пятом выходе генератора 1 имеет фазу 2 йл+ л/2, а выходной сигнал КИУ 4 - фазу 2 в (из-за того, что феррозонд питается сигналами с фазой ат), то импульс записи, сформированный по фронту сигнала с фазой (2 г.л + л/2), на временной оси соответствует амплитудному значению выходного сигнала КИУ 4. Импульс записи приходит в конце Т и записывает амплитудное значение выходного сигнала КИУ 4, например, в УВХ б, Таперь необходимо переключить вход КИУ 4 к другой сигнальной обмотке, а выход - к другому УВХ 7. Этоделаеттотже импульс записи, нопрошедший линию 15 задержки (ЛЗ), СП 14 получает разрешение на начало счета от формирователя 13 стартового импульса (ФСИ).После прихода стартового импульсас выхода ФСМ 13 СП 14 выдает два импульса записи и снова приходит в режим ожидания, т.е. измеритель измеряет два находящихся рядом во времени значения Ох и Оу и переходит в режим ожидания. Этосделано для того, чтобы исключить влияние Тк на работу цифрового измерителя 12 фазы (ЦИФ). Рассмотрим это подробней при описании дальнейшей работы измерителя. В УВХ б и 7 записаны амплитуды сигналовКИУ 4 Ох и Оу согласно выражениям (1) и (2). Эти амплитуды с помощью перемножителей 8 и 9 перемножаются с прямоугольными сигналами с фазами Йт и (21+ л/2). На выходе этих перемножителей образуются прямоугольные сигналы с этими же фазами, но амплитудами, пропорциональными созе и згп р.Запоминание амплитудных значений обязательно, чтобы два сигнала, которые последовательно проходят через КИУ друг за другом, совместить во времени. Далее, чтобы сохранить алгоритм определения у- ла у), эти амплитудные значения с помощью перемножителей умножаются на два пря 304045 50 моугольных сигнала с амплитудой Е, часК татой Й= 2 лГ и фазами Йл и (Й т+ - ).2Здесь надо отметить, что частота Й не равна частоте 2 в. На выходах перемножителей образуются прямоугольные сигналы Оха с Е К+ЛК фазой И и амплитудойМсозаЛи Охф с фазой(01+ - ) и амплитудой2Е К+ЛКз 1 пр, где М - нормирующий коэффициент перемножителей, Из этих выражений видно, что на выходах перемножителей получают два сигнала Ока и Оур. сдвинутые по фазе относительно друг друга на л/2, Этот сдвиг получен без помощи фазовращателей, как в прототипе, а с помощью двухфазного генератора, который вырабатывает два прямоугольных сигнала, сдвинутых по фазе относительно друг друга на л/2. Сигналы О ха и О ф суммируются с помощью сумматора, С помощью избирательного усилителя из выходного сигнала сумматора выделяем его первую гармонику, Тогда. на выходе избирательного усилителя образуется сигнал видао 1 --- =,соя 01.р), (4) Цифровой измеритель фазы измеряет разность фаз между сигналом О 1 и одним из прямоугольных сигналов двухфазного ге-, нератора, который выбирается опорным. Отсюда видно, что если ограничения на рост частоты счетных импульсов измерителя фазы существуют, то точность измерения фазы о можно повысить путем уменьшения частоты Й.Таким образом, изобретение дает возможность увеличить точность измерения фазы путем уменьшения частоты Й при фиксированной частоте счетных импульсов. Чем меньше частота Е, тем больше период 1/Р, тем больший временной интервал соответствует фазе р и тем меньше нужна частота счетных импульсов ЦИФ 12 для измерения этой фазы р, Отсюда видно, что если не запускать СП 14 от ФСИ 13, то возможна ситуация, когда в УВХ б и 7 будут записываться значения амплитуд с частотой 1/Тк, и на выходе перемножителей 8 и 9 из-за очень низкой частоты Г1/Тк не будет успевать установиться колебание с этой частотой Р.При коммутировании КИУ 4 не возникнет самовозбуждения усилителя, так как известно, что для стандартного операционного усилителя соскоростью нарастания 1 В/мкс максимально возможная 1 О = 12,2 кГц, Известно, что существуют фильтры, в которых самовозбуждение в принципе невозможно, Частота 1 О = 1 кГц, выбранная для описанияработы устройства, практически не отличается от рабочих частот стандартных ферроэондов, Например, для ИДЬо = 800 Гц, а для ИД1 о = 2 кГц,Рассмотрим фаэовые ошибки, вносимые переключателями 3 и 5, СП 14, УВХ 6 и 7, СТ 16 и ЛЗ 15, Время задержки ЛЗ 15, время срабатывания СТ 16 и переключателей 3 и 5 совершенно ие влияют на процесс. и точность измерений. Фазовую. ошибку в измерение амплйтуд сигналов О и Оу на выходе КИУ 4 (только амплитуды, а не наи ра влени я) вносит только СП 14, Во-первых, он вырабатывает импульс записи с некоторой задержкой после прихода на его вход положительного фронта 100-го импульса (эта задержка равна десяткам наносекунд), во-вторых, длительность этого импульса является временем выборки Твыв УВХ 6 и 7, Если период выходного сигнала КИУ 4 То = 1 мс, а Твыб = 100 мкс, то конденсатор УВХ практически заряжается до значения, равного амплитудному. За То = = 1 мс фаза сигнала изменяется от 0 до 360. Следовательно, за Твыб = 10 мкс фаза сигнала изменяется на 3,6 О. Конденсатор запоминает значение сигнала, пропорциональное э 1 п 93,6 = 0,998 или 99,8% от амплитудного, Но здесь надо учесть два обстоятельства. За два Т 200 мс) амплитуда выходного сигнала КИУ 4 изменяется незначительно, так как измеритель не может столь быстро сменять свое положение в пространстве, следовательно,конденсатор УВХ заряжается не от нуля, а от значения, уже близкого к измеряемому, В этом случае Твыб можно еще уменьшить. Твыб одно и то же для двух УВХ 6 и 7, и отклонения измеренных значений сигналов от амплитудных значений можно отнести к погрешности КИУ 4, которая не влияет на точность измерения направления течения.Приведенные временные характеристики фиг. 2 и 3) поясняют работу измерителя, С выхода генератора 1 снимается сигнал4 Лс фазой 2 ак+ - , который представляет2собой прямоугольные импульсы, подсчитываемые СП 14. По переднему фронту 100-го импульса СП 14 формирует импульс записи. ЛЗ 15 задерживает этот импульс на время тз = 40 мкс. Это время задержки выбрано произвольно, С помощью импульса записи, задержанного ЛЗ 15, вход КИУ 4 переключается от одной сигнальной обмотки к другой. При этом в КИУ 4 возникает переходный процесс, длящийся примерно 100 мс. Стартовый импульс запускает СП 14. Через 100 мс СП 14 выдает импульс записи. По этому импульсу заря.50 55 5 10 15 20 25 30 жается УВХ 6, Через 100 мс 14 выдает второй импульс записи. По этому импульсу заряжается УВХ 7, На фиг, 3 видно, что2 лесли период сигналов, перемножаемых с сигналами УВХ, соизмерим с периодом импульсов записи, то сигналы с установившейся амплитудой на выходах перемножителей, а также избирательного усилителя появятся не сразу, а через время, большее периода следования импульсов записи, Поэтому СП 14 после выдачи 2-го импульса записи переходит в режим ожидания до прихода стартового импульса. ФСИ 13 формирует кроме стартового импульса еще одинПоскольку время установления сигналов на выходе усилителя 11 известно, то по прошествии этого времени дополнительный импульс с выхода ФСИ 13 разрешает ЦИФ 12 измерение разности фаз. Только после измерения разности фаз ФСИ 13 вырабатывает стартовый импульс. Дополнительные выход ФСИ 13 и вход ЦИФ 12 на фиг, 1 ие показаны,Введение двухфазного генератора прямоугольных сигналов и перемножителей позволяет упросить конструкцию и настройку. Построенные на микросхемах, они практически не требуют настройки. Применение КИУ позволяет исключить процесс настройки двух идентичных избирательных усилителей. Формула изобретения Феррозондовый измеритель направления, содержащий генератор, выход возбуждающего сигнала которого подключен к феррозонду с двумя ортогоиальными сигнальными обмотками, связанному с последовательно соединенными избирательным усилителем, сумматором и цифровым измерителем фазы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности эа счет уменьшения влияния ошибок фаэовой девиации, ои снабжен последовательно соединенными формирователем стартовых импульсов, счетчиком периодов, линией задержки, счетным триггером, переключателем входов записи, первым блоком выборки и хранения и первым.перемножителем, связь ферроэонда с избирательным усилителем осуществлена через введенный переключатель, управляемый вход которого подключен к выходу счетного триггера, связь избирательного усилителя с сумматором осуществлена через введенные последовательно включенные второй блок выборки и хранения и второй перемиожитель, связь сумматора с цифровым измерителем фазы осуществлена через введенный фильтр, генератор выпол 1843947 10нен с дополнительными выходами, из которых выход удвоенной частоты возбуждающего сигнала подключен к соответствующему входу счетчика периодов, первый выход опорного сигнала подключен к соответству ющему входу первого перемножителя и к входу запуска цифрового измерителя фазы, второй выход опорного сигнала соединен с соответствующим входом второго перемножителя, а выход счетных импульсов подключен к счетному входу цифрового измерителя фазы, причем выход счетчика периодов связан с соответствующим входом переключателя входов записи, а выход избирательного усилителя - с соответствующим входом первого блока выборки и хранения,каз 1233 ВНИИПИ Госуда м при ГКНТ СС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагар йа, переюажитею 8 дых. лерек жителя 9,йи. суи люда УО Тираж 315 Подписноерственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5