Устройство для измерения средних значений изменяющихся во времени величин

Союз Советских Социалистиче Республик СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТО РСК 1) Дополнительное к авт. св 2) Заявлено 10.10. 77(21 51)М. Кл,2530794/ Ч 23/ присоединением23) Приоритет -явки1 ооударстееииый комитет СССР по делам изобретений и открытий. Лоб 1) Заявитель УСТРОИСТВО Й ИЗМЕНЯ ЮШИХСЯ 1Изобретение относится к ннформацион-но-измерительной технике, ктожет найтиширокое применение при точном непрерывном измерении усредненных значений изменяющихся во времени неэлектрических, а также электрических величин,с помощью частотных датчиков, преимушественно на основе 1 С -генераторовс управляемой индуктивностью или сиспользованием варикапов, в цифровыхприборах и информационно-измерительныхсистемах (ИИС) с большим числом контролируемых параметров, В частности;оно может широко использоваться дляточного измерения сил и давлений в специфических условиях гидравлических лабораторий при величине пульсируюшейпомехи (например, потока жидкости),сравнимой с постоянной составляющейизмеряемой величины,датчики харакю нуля и чувст ьности частоты Известныечастотнь теризуются погрешнос вительности от нестабил.07.80. Бюллетень25 ЗМЕРЕНИЯ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИВРЕМЕНИ ВЕЛИЧИН генератора и имеют сушественно нелинейную характеристику преобразованияпри достаточно широком относительномизменении входов параметра.Нелинейность характеристики не позволяет использовать для измерениячастоты датчика промышленные частотомеры, а в ИИС при наличии несколькихкаиапов не позволяет производить непосредственно на выходе датчика сложе.- 10ние, вычитание частот от разных датчиков, усложняя последующую обработкуинформации и загружая память специализированной вычислительной машины.15Погрешности от нелинейности характеристики, нестабильности частоты являтотся взаимосвязанными параметрамичастотных датчиков и в конечном счетеопределяют диапазон измерения устройства, Уменьшение нелинейности призаданной погрешносли линейности позволяет снизить погрешность от нестабильности, а уменыаение обоих погрешноэ 748310ф 30 50 стей позволяет расширить диапазон изме. рения.Кроме того, при измерении усредненных значений изменяющихся во времечи величин (в частности постоянных5 величин с наложенной на пих гармонической помехой) возникает погрешность усреднения. Одна из составляющих погрешности усреднения - динамическая погрешность второго рода (погрешность отсечки), связанная с некрвтностью време-. ни измерения и периода помехи, может быть устранена различными способами, например, при известных параметрах помехи,интегрированиемсо сдвигом на полпериода помехи или частоты управляемых генераторов (датчиков) частотной помехи, а при известных параметрах помехи наиболее просто - выбором времени интегрирования, много большйм максимального периода помехи или интегрированием со сдвигом и т. д.Вторая составляющая погрешности усреднения определяется нелинейностью характеристики частотного датчика - наличием квадратичного и кубичного членов разложения в ряд характеристики где Х - измеряемая величина 1 и 1, частота на выходе датчика и начальная частота при Х=О сС,Ъ,у - постоянные коэффициенты, что при интегрировании измеряе-. мой величины даже эа интервал времени, крат 35 ный периоду помехи, приводит к смешению усредненного значения из-за добавок от квадратичного и кубичного членов, пропорциональных квадрату амплитуды пере 40 меиной составляющей измеряемой величины (помехи).Известны устройства для измерения перехода амплитудной модуляции в частотную или фвзовую в ограничителях,: .45 содержащие два неуправляемых генератора; частоты которых, соответственно выше и ниже измеряемой, в которых 1обеспечивается вычисление разностных частот для анализа откпонеиия разностной частоты от номинала 1.Однако в этих устройствах невозможно осуществить линеаризацию характеристики устройства и коррекцию мультипликативной составляющей системати 55 ческой погрешности от нестабильности частот генераторов.Наиболее близко к предлагаемому устройство для измерения средних значений изменяющихся во времени величин,в котором возможно обеспечить стабильность характеристик и высокую их линейность путем исключения квадратичногои кубичного членов разложения, в такжеполучить более высокое, по сравнениюс дифференциальными преобразователями,уменьшение погрешности усреднения изза нелинейности характеристики при непрерывном процессе измерения контролируемого параметра. Данное устройство содержит два симметричных инверсно управляемых измеряемой величиной генератора (включенных дифференциально), подключенные ко входам одного смесителя, другой смеситель и неуправляемый генератор, подключенный к одному из входов второго смесителя, другой вход которого через полосовой фильтр связан с выходом первого смесителя, счегчик импульсов, иа входе которого установлено ключевое устройство, бдин из входов которого через полосовой фильтр и дискретный делитель частоты связан с выходом вто рого смесителя, в нв другом входе уста- новлен фильтр нижних частот, через который этот вход связан с выходом,.первого смесителя (2Недостатки устройства:1) Необходимость создания строго симметричных дифференциальных преобразователей (управляемых измеряемой величиной генераторов) с идентичными коэффициентймисСКф=5,3:одновременно при трех членах разложения с первой, второй и третьей степенями, и равными начальными частотами 10- 1для осуществления процесса линеаризации и искл 1 очения как квадратичного, так и кубичного "членов разложения.2) Невозможность на практике с высокой точностью симметрировать управляемые генераторы и вытекающие отсюда значительное усложнение настройки датчиков, требующих сложной иыдивидувл ьиой подгонки для удовпетворения максимально возможной симметрии, появление высокой остаточной погрешности нелинейности Вюсткак от квадратичного, так. и от кубичйого членов разложения, при неравенстве коэффициентов мгопри линейных членами, а также неравенственачальных частот ( 10 ф о) двух управляемых генераторов.3) Принципиальная невозможностьразнесения начальных частот управляемыхгенераторов, приводящая к захвату час5 746310тот и искажающая характеристику преоб- Введение дополнительного неуправляемого генератора, подключенного ко вхораэования.Это затрудняет практическое прймене- ду дополнительного смесителя позволяетВние данного устройства делает его не- обеспечить точное выполнение условия липригодным для серийного производства5 неаризации путем подстройки его частотыи существенно снижает эффективность как при произвольной начальной частоте уплинеаризации статической характеристики, равляемого генератора подключенного/1так и уменьшения погрешности усредне- вместе с ним к дополнительному смесиния изменяющейся во времени величины таню, и произвсаьных коэффициентах разпри непрерывном ее интегрировании в о л женияцикле измерения. Все это существенно повышает эффекЦель изобретения - повышение точнос- тивность линеаризациистатической хати линеаризации.Рактеристики и эффективность усредненияУказанная цель достигается тем, что изменяющейся во времени. величины прив устройство для измерения средних зна- д непрерывном ее измерении и значительно. чений изменяющихся во времени величии, упрощает изготовление и настройку устсодержащее первый смеситель, ко входамройства, делая его пригодным для серийкоторого подключены два управляемых ного производства,генератора, выход первого смесителя На чертеже приведена структурнаясоединен через первый полосовой фильтр 2 О электрическая схема предлагаемого устс одним входом второго смесителя, вто- ройства.ройвход которого подключен к выходу: Схема состоит из управляемого иэмьгенератора, причем выход второго сме- ряемой величиной генератора 1 и ииверссителя соединен с последовательно вклю- но управляемогогенератора 2, подключенным вторым полосовым фильтром, 2 ченных к смесителй 3, полосового фильт. дискретным делителем, ипочом и счет- . Ра 4, неуправляемого генератора 5, вточиком импульсов, третий палосовой рого смесителя 6 и второго полосовогофильтр, выход которого соединен со фильтра 7, дополнительного неуправляемовторым входом ключа, снабжено дополни- го генератора 8, дополнительного смесительным генератором и смесителем, так Зо теля 9, фильтра нижних частот 10, дисчто выход дополнительного смесителя кретного делителя 11 ключа 12 и очетсоединен со входом третьего иолосового чика импульсов 13,фильтра, а входы дополнительного смеси- Последние три узла образуют отдельтеля порознь подключены к выходам до- ный блок 14 - измеритель отношенияполнительного генератора и одного иэ ц двух частот, в качестве которого можетуправляемых генераторов. быть использован промышленный частотомер или многофункциональный частотомерВведение дополнительного смесителя,ИИС. Остальные узлы конструктивноформирующего, в отличие от прототипа, объединены и образуют частотный датиную заполняющую частоту, путем сме - чик 15, выходные частотные сигналы кошивания частоты дополнительного- неуп- . торого по линиям связи передаются кравляемого генератора и частоты одного блоку 14.из управляемых генераторов, подключен-Устройство работает следующим обраных к его входу, которая заполняет зом.счетчик импульсов в течение измеритель-Под действием изменяющейся во временого интервала времени, сформированно- ни измеряемой величины Х частота колего аналогично прототипу, позволяет обес- . байий 1 1 управляемого генератора 1печить условие линеаризации статической увеличивается, а .частота 1 генератора.характеристики (при полном исключении 2 уменьшается в соотвеся в соответствии с выражеквадратичного и кубичного членов разло- Зо пнямижения) и уменьшить, по сравнению сдифференциальным методом, погрешность1 . (1+ у Х - Й Х + Х(1)усреднения даже при различных начальных частотах управляемых генераторови различных произвольных их коэффициен-12- а 1 -ОС Х -б Х + Х ) (2)г., о 2 г Рг 3 атах Разложения (Мфос,3 ф/Ь,Ф):0 фо ) допускает разнесение на- де ОХ иО - начальные частоты генерачальных частот управляемыхгенерИо-. горов 1 и 2 при Х=О, О 1, р, у,аров, исключая их захватывание.3, , безразмерные коэффициенты7 7483 И, 8частотойН - нв входы дополнительного смесителя 9, Полосовой фильтр 4 и фильтр нижних частот 10 выделяют на выходах смесителя 3 и дополнительного смесителя 9 сигналы с частотами, равными соответственно сумме 1 С= 1 д+ 12 и Разности д;д =1 нд частот гене- раторов, причем(3) Од 01 од. 2 ОД Ъ- +1.+ с 6-сб Х- ДХ+- М . (4) Г, 021 2д 202, 02 02 02 20 Н 2 од од Од 2 1011 --- -1- А -с х+ 6,х -- х Р 02 0202 02 02, 02(5) ся равенств еделя значениер из условии кратности периоду помехи, о исключает из первой составляюднепия - погреш им 1+ х у у 1+ о д-д-Х,+ - ЬО 2 . 02 2 од при условии кратности измерительного интервала. времени Ти периоду пом хи;. 7, записывается в виде огичным путем средей частоты ЬР е импульсов 13,Вычисленное анвл ее значение разност олучвемое в счетчик, и 2О 2 20 величина которых зависит от типа и конструктивных особе 1 пюстей датчика. Вьасодные напряжения управляемых генераторов 1 и 2 поступают на входы смесителя 3, а одного из управляемых генераторов. - генератора 2 и дополнительного неуправляемого генератора 8 с Далее разностная частота Ьпоступает на один из входов ключа 12 и . используется как частота, заполняющая счетчик импульсов 13. Суммарная частота тиспользуется25 для формирования измерительного интервала времени 7 и, фушсционлльно связанного с измеряемой величиной Х и поступает на один иэ входов второго смесителя 6, где смешивается с частотой 2= К102 неуправляемого генервЗО тора 5, поступающей нв другой вход смеПри измерении среднего значения .пульсирующей по гармоническому законувеличины Х = Х 0 11+ О 51 П (Ы 1+ Ч)(гдето= ХХ и характеризует отцошениамплитуды Х п 1 помехи частотой ди начальной фазой (р к постоянномузначению Х о измеряемой величины)среднее значение разности частотрна выходе дискретного делителя 11 сителя ( К - некоторый коэффициент,выбираемый из условия линеаризвции).Разность частот 1=1 Н 2- выделяетсявторым полосовым фильтром 7 и непосредственно используется для формирова-.ния измерительного интервала времениТ= иТр путем деления ее на коэффициент и дискретным делителем 11( 1 р - усредненный делителем периодразности частот 1 р ) и подачи сигнала на второй вход ключа 12. Выражение для рвзностнои частоты записываетсяв виде подставляя в которое (5) и интегрируя при интервала усреднения т. е. 1 - целом (чт рассмотрения влияние щей погрешности усре ности отсечки) получ9 74 Ы 19 10Тогда записанное в счетчик 13 при наличии помехи число импульсов Н 1 2 ." 3 22 2о(8)Р 1 Р 2о 1 К 2к(Р Н 2 О 1 О 1 О 1 с( 2 Мг Р 1 ф ф 1 М + (11) "1(ГРР,) получим линеаризованную характеристикуустройства с кодом Й 2 , пропорциональным усредненному значению Х изме.- о 2 О ряемой величины Х( 12) Статическая характеристика данногоустройства имеет высокую линейность сточностью до члена разложения четвертойстепени (погрешность нелинейности отквадратичного и кубичного членов практически исключается),30Реализация предлагаемого устройствав индуктивных преобразователях для измерения сил и давлений позволила получить линейность характеристики, в 5. 6 раз превышающую. линейность известных дифференциальных преобразователейс теми же датчиками.Более полное исключение квадратичного и кубичного членов разложения в предлагаемом устройстве обеспечило повышение линейности в 2 2,5 раза по сравнению с прототипом.Погрешность усреднения при измерении изменяющейся во времени величины, - .обусловленная нелинейностью характеристики, определяется в данном устройстве(подобно дифференциальным преобразова-.телям, имеющим из рассмотренных аналогов наименьшую погрешность усреднения) лишь смещением от кубического члена разложения, причем теоретически этосмещение при равных условиях в 1,5раза ниже, чем у дифференциальных преобразователей.Данное устройство позвсйиет значи тельно, по сравнению с прототипом,упростить процесс линеаризации изготовления датчика, подббр его элементов инастройку преобразователя в целом. Выбрав произвольно начальную частоту 1 о 2 управляемого генератора 2 и установив начальную частоту управляемого генератора 1г- (9) частоту дополнительного неуправляемого генератора 8 и частоту неуправляемого генерато 1 О ра 5 При изготовлении датчика отпадает необходимость в строгой симметрии двух управляемых генераторов (например, включающих первичные и индуктивные преобразователи, элементы генераторов) для точного выполнения условий линеаризации. В данном устройстве симметрирование генераторов обусловливается лишь получением желательно одинаковой нестабильности их частот для повышения стабильности преобразователя в целом. Значительно проще по сравнению с прототипом осуществляется настройка преобразователя (например, не требуется точного симметрирования начальных зазоров индуктивного датчика). Формула изобретения,Устройство для измерения средних значений изменяющихся во времени величин, содержащее первый смеситель, ко входам которого подключены два управляемых генератора, выход первого смесителя соединен через первый полосовой фильтр с одним входом второго смесителя, второй вход которого подключен к выходу генератора, причем быход второго смесителя соединен с последовательно включенным вторым полосовым фильтром, дискретным делителем, ключом и счетчиком импульсов, третий полосовой фильтр, выход которого соединен со вторым входом ключа, отличающеесятем, что, сСоставитель М, НазаровРедактор Б. Федотов Техред М. Петко Корректор С, щекма По ого комите й и откры 5, Раушск Тираж 1019 ЯИИП И Государственн по делам изобретени 113038, Москва, Ж3я /6 Ъшй Адиие. Проектная,атент, г, Ужгор ли йГкМф, м11ф ф,ф 46319 12Юцелью повышения точности линеаризации, Источники информации,оно снабжено дополнительным генерато- принятые во вниманиепри экспертизером и дополнительным смесителем так,что выход дополнительного смесителя 1. Авторское свидетельство СССРсоединен совходом третьего полосового% 208027, кл. Я 03 С 3/38, 1969,фильтра, а входы дополнительного смесителя порознь подключены к выхойам допол. Авторское свидетельство СССРнитйпьного генератора и одного из управ- М 434329, кл, С 01 Я 23/14,ляемых генераторов. 1973 (прототип).