Измерительный преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 003 51)5 6 01 й 2 СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТ олесных ого фаО О(71) Харьковский авиационный институт им.Н.Е.Жуковского(56) Схема для преобразования измененийсопротивления в изменения частоты, ИЗР,1981, М 28, с. 104.Авторское свидетельство СССР М1620960, кл. 6 01 В 27/02, 1989,(57) Использование: в контрольно-измерительной технике в различных измерительных системах с амплитудными датчиками,Сущность изобретения: в измерительныйпреобразователь, содержащий опорный генератор 1, фазометр 6, два амплитуддатчика 5,8, сумматор 7, выход которподключен к информационному каналу 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 5 10 15 20 25 30 45 О =31 п(2 л Ест+ дЪ) 50 55 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 Ес = Ещ(2 п), где и - количество разрядов счетчика Джонсона;Еог частота сигнала опорного генератора.Таким образом, на выходе первого формирователя 2 синусоидального сигнала имеет место сигнал Оо с частотой Ес и начальной фазой Ъ; 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 = МТО, где Тог = 1/Еог. Тогда вход Я триггера 9 необходимо подключить к выводу й дешифратора, После прихода Й 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 (И+1)-го с выхода опорного генератора 1 на вход второго формирователя 2 синусоидального сигна 1ла. Следовательно, на выходе последнего формируется сигнал 01 с частотой Ес, запаздывающий относительно сигнала на выходе первого формирователя синусоидального сигнала на время 1 з.С учетом вышесказанного колебание на выходе второго формирователя 2 синусои 1дального сигнала имеет вид 01= 9 п(2 л Ест+ дЪ-(2 л Есй)/Рог) (2) Сигнал Оо с выхода первого формирователя 2 синусоидального сигнала поступает на вход амплитудного датчика 5, а с выхода последнего на первый вход сумматора 7, Сигнал 01 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; Ог = К 1 Я и (2 л Е+ ъ ) (3) иОз= КгЯи (2 й Ест+ фо -(2 7 е Есй/Ео ) (4) где К 1, Кг - 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 фе = ъ+ агстд(КгЯп( Ьр )/(К 1+ Кг Сов д( ьр, (5)где Лср =-2 ЕЛ/Е,Поскольку на вход опорного канала фазометра 6 поступает сигнал с начальной фазой сро, то показания последнего составят дф =фо фс =-агст 9 (Кг Яп ( Лср )/(К 1++ Кг Соз ( Лр. (6) В динамическом режиме измеряемое воздействие вызывает изменение коэффициентов передачи амплитудных датчиков 5 и 8. Колебания Оо и 01 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. Тогда1800388 личины фазового раскрыва следует использовать вероятностный анализ.Запишем выражение для сре(него значения и дисперсии величины Др сигналы, поступающие на входы сумматора7, можно записать в виде 41 г = К 13(п (2 л Ест+ фо )1 50 3 = Кг Яп (2 л Ес+ фо 2 К ЕсйРог),М Др =МДр Уа(11) В устройстве-прототипе номинальное значение фазового раскрыва Др 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 щ = дЪ+ агйд (Кг Яп ( Д р )/К 1 + Кг Сов( др (8) р фз 1=-2 агстд( вг 1 ) (13) р фзг=-2 агстд( враг ) (14) Из последнего выражения следует, что 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.25Проведем сравнительный анализ предлагаемого устройства и устройства-прототипа. Как в первом, так и во втором случае стабильность характеристики преобразования определяется стабильностью фазово го раскрыва, под которым понимают величину фазового сдвига между сигналами, поступающими на входы амплитудных датчиков или входы тензорезисторных мостов в заявляемом устройстве и устройстве- прототипе.В первом приближении отклонение величины фазового раскрыва под воздействием температуры окружающей среды является функцией по крайней мере трех 40 переменных величин: где х 1,г - постоянные времени первого ивторого фазовых звеньев соответственно,С учетом вышесказанного,д=фз 1 - р ф 32 = 2 агс 1 д ( со гг ) - 2 агсщ(аг),(15) г 1=Я 1(1+ а,1 дТ)С 1(1+ а с 1 д Т); (16) тг=йг(1+ аа дТ) Сг(1+ а с 1 д Т) (17) Для нахождения температурного коэффициента фазы продифференцируем выражение (15) с учетом уравнений (16) и (17): цЧ 2 я(хс 1(к 2 ксЫ 2 ад(ыгфк 1ВО)д о 1(яй,с,1 1+(ай,с,д ( д Т)= др а дТ (9) Тогда где а - температурный коэффициент фазы; 45Д(р - номинальное значение фазы;ДТ - отклонение температуры от исходной, при которой производилась градуировка.Перепишем выражение (9) в виде Вамо,мсД(мкмыс, 1 аимямс(мк мкДмМ.имРд м (с1 цмЧ,1 м(.са При этом дисперсию величины а,можно представить как Др(ДТ)= Др( ДТ,(10) где Др = Др а - отклонение фазы при изменении температуры на один градус.В условиях массового производства радиоаппаратуры Др является случайной(величиной и, следовательно, для оценки вегде ййцс,-2 ыфсй,4 1 (аРс) р д, 1 Ррз,(.1)1 ЬЬЛ,-гоРС, И,тогда начальная фаза сигнала, поступа- О др= Од ра + д р Оа1 г гющего с выхода сумматора на измеритель- (12)ный вход фазометра 6, равна 101800388 где х 1, 72 определяются выражениями,аналогичными соотношениям (16), (17),Продифференцировав выражение (22),полу.чим,5 оцуп,с( 1 со В,с,ОР,С 2 ООсгз таЯ КС 22 2гсйс(сан,саассо Ц,С 2 10 Тогда 15 20 где 25 где 30 35 40 ЬЪ =2 ЛЕСИ/Еог+ ф фнч 1- ф фнч 2,45 ГДЕ ф фнч 1, ф фнч 2 - фаЗОВЫЕ СДВИГИ, ВНОсимые фильтрами нижних частот, осуществляющими подавление 15-й гармоникисигнала на выходах первого и второго формирователей синусоидального сигнала соответственно.Известно, что для фильтров нижних чаСтат ПЕРВОГО ПОРЯДКа Рфнч 1=-аГС 9( ВТ 1 ),фнчг:=-дГСтд( ОТ 2 )и следовательно,где 55 Д : 2 л ЕСМ/Е,+ агс 19( в г 2 ) -- дгс 19( се 1 ) (22) Перепишем выражение (20) в виде т(й г йа яс г Эсг1 гав - ".рс( )вО н а ггн г 1 са Са Сй аЗгг г гг, а (а - гЯс(с г Эс 2дЯнга г на а нсг Мнг сса Сгг с(сгсг гсгйгф- Фгс(с) )- "й 1 С 1г ъЬЛ,С,-асс,еа йа,( грассаВ предлагаемом устройстве номинальное значение фазового раскрыва составляет Чн ( йаса (с(гг Ф 0(сг (д а с сс + с(н" - аьт альт-О ( (цйгс,г ( (цй,с,г ЯМйгММ(МССга 1 гмС(еД) СЭМй)МС 3(МССг) ФМС гг гРМааат Ма сад (агамай 1 мас 1При этом дисперсию величины анможно представить какдэПдСддЕдО адддд 1 дт сд Для анализа примем, что в обоих устройствах используются резисторы и конденсаторы с 10 -ным разбросом 5 номинального значения и 1000 -ным разбросом температурного коэффициента, т.е,ОЙ 1 ОВ 2 ОС 1 ОС 2 - 4 В С С15номинальное значение фазового раскрыва составляет Ьрп =Ада =135, а номинальные значения температурных коэффициентов -аг 1 =аг 2 =- 120 106 1/град, а с 1= а с 2=331061/град.Тогда согласно выражению (15) для уст- ройства-прототипа или агстд К щи -1/ щи /2)= Ь.Ъ /2 (29) Введя постановку Х= щг 2, представимвыражение (29) в виде Х -1 - 219 ( Ь р /2) = 0 (30) Решение уравнения (30) имеет видХ=сд( ЬЪ /2)+1/Сов( ЬЪ /2) илис учетом постановки45 щтг -дад 1 - 1/(щ д 2) О(32 ) 5 2 агстд( щхг ) -агссд( щи ) = ЬЪ (27)25Учитывая, что постоянные времени т 1 И т 2 СВЯЗаНЫ СООТНОШЕНИЕМщ 2 = 1/( т 1 т 2), перепишем выражение(27) в виде2 агс 19( щи ) -2 агсд(1/ щи= ЛЪ (28) В предлагаемом устройстве согласновыражению (22)2 л РЛ/Р 0 г+ агстд( щи ) - агстд ( щ г 1 ) = Лъ (33)При Рс/Рог = 16, что соответствует использованию в формирователях синусоидального сигнала восьми разрядного счетчика Джонсона, й = 6 Лу = 135 соотношение (33) имеет видагсщ( щ тг ) - агстд ( щ т 1 ) = 0 (34)Следовательно, щи = щиДля определенности выберемГ 1 =72:1/(3 щ )"(35)Результаты расчета по формулам (21), (31), (32) для прототипа и (26), (35) для и редлагаемого устройства сведены в таблицуТаким 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 каналуфазометра, отл и ч а ю щи й с я 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 12 10 15 20 25 Составитель Ф.ВениковТехред 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, Раушская нэб., 4/5