Устройство для измерения относительного изменения напряжения

(яи 6.01 й 19/ БРЕТЕНИЯ ПИСАН И К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ структорское бюроизводственногоика" ой измеритель отно сигнала. - Прибор1984, Ь 8, с.20. ьство СССР1/50, 6 01 В 13/02ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОНИЯ НАПРЯЖЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерителях диэлектрических характеристик. Цель изобретения - расширение диапазона измерений, которая достигается применением двух логических элементов ИЛИ 8, 9, 0-триггера 7, ключа 6 за счет выбора числа разрядов счетчиков с учетом требуемой точности и количества Т-триггеров с учетом диапазона измеряемого напряжения. Устройство содержит также преобразователь 1 напряжение - частота, два ключа 4, 5. реверсивный счетчик 2, счетчик 3, блок 11 цифровой регистрации, элемент 12 задержки, блок 10 управления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.Напряжения Оо и Ох поступают на вход 30 устройства периодически от одного источника, поэтому необходимо запоминающее устройство, вход которого с источником связан через переключатель, синхронизированный с появлением напряжений Оо и Ох.. Основным недостатком данного устройства является .низкая точность. Источника.ми погрешности являются утечки в сопротивлении изоляции аналогового ЗУ и коммутирующего ключа. Низкая точность вообще присуща устройствам, использую 40 щим обработку ийформации в аналоговой форме.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения относительных приращений аналоговых сигналов, предназначенное для использования в автоматическом диэлькометрическом влагомере.Устройство содержит АЦП, преобразу 50 ющий уровень входного сигнала в число импульсов, два реверсивных счетчика, счетчик, два ключа, элемент задержки, блок управления и блок цифровой регистрации. Устройство позволяет автоматически определять относительное изменение убывающего сиг нала к его исходному уровню.Выход АЦП через первый ключ связан с входом прямого счета первого двоично-десятичного счетчика, выход переноса. (переИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано вблоках измерения потерь в диэлькометрических анализаторах.Известно устройство для измерения относительного изменения напряжений, реализованное в диэлькометре, содержащееаналоговый блок вычисления отношениядвух напряжений, запоминающее устройство и вычитатель. 10Устройство работает следующим образом,В запоминающем устройстве запоминается напряжение Оо, Выход запоминающего устройства соединен с первым входом 15вычитателя, на второй вход которого подается напряжение Ох (ОхОо). Разность(Оо - Ох) напряжений с вычитателя поступаетна первый вход блока вычисления отношения двух напряжений, на второй вход которого поступает напряжение Ох. На выходеблока вычисления отношения двух напряжений в результате присутствует напряженив, равное отношению иОхпропорциональное измеряемой проводимости 9 х, эквивалентной диэлектрическимпотеоям в исследуемом образце вещества,полнения) которого - с входами прямого счета второго реверсивного счетчика и счетчика, информационные выходы которого соединены с входами "Установка" второго реверсивного счета, выход переноса которого - через элемент задержки с входами обратного счета первого двоично-десятичного реверсивного счетчика и предварительной записи второго реверсивного счетчика, вход обратного счета которого через второй ключ соединен с выходом АЦП, дричем выходы блока управления соединены с управляющими входами ключей, входами "Сброс" счетчика и второго реверсивного счетчика и входом "Сброс" первого реверсивного счетчика; информационные выходы которого соединены с входами блока цифровой регистрации.Устройство работает следующим образом.Предварительно установив счетчики в ноль, устройство управления открывает ключ, при этом импульсы АЦП поступает на вход прямого счета первого двоично-десятичного реверсивного счетчика, выполняющего роль делителя частоты с числом десятичных разрядов 1. Импульсы переполнения первого реверсивного счетчика поступают на вход счетчика и вход прямого счета второго реверсивного счетчика.Число разрядов счетчиков определяется требуемой точностью измерения, Например, если погрешность вычисления должна быть не выше 1, то первый двоично-десятичный реверсивный счетчик должен иметь не менее двух десятичных разрядов(1 =2), а емкость второго реверсивного и нереверсивного счетчиков должна позволять записывать соответствующее первому преобразуемому напряжению числоМ=Е (00) 100,где Во - число импульсов, прошедшее через первый ключ;Е - целая часть отношенияВремя аналого-цифрового преобразователя входного сигнала, т.е, время, на которое открываются ключи, выбирается таким, чтобы второй реверсивный счетчик был максимально заполнен, но в то же время не переполнялся.Затем блок управления, предварительно установив в нуль первый реверсивный счетчик, что соответствует записи в него числа 10" (100 при к = 2), открывает второй ключ, через который импульсы АЦП, соответствующие меньшему из преобразуемых напряжений, поступают на вход обратногосчета второго реверсивного счетчика и вычитаются из его содержимого, При установлении в нуль второго реверсивного счетчика на его выходе появляется сигнал, подается на вход обратного счета первого реверсив ного счетчика и на вход предварительной записи второго реверсивного счетчика. В результате осуществляется параллельная перезапись содержимого нереверсивного счетчика во второй реверсивный счетчик. 10Таким образом, во второй части измерений второй реверсивный счетчик по отношению к первому реверсивному счетчикувыполняет роль делителя частот с коэффициентом деления й. Общее число импульсов 15 переполнения, получаемых при обратном счете второго реверсивного счетчика, равноВ = Е (д),Вгде В - число импульсов, прошедшее через 20 второй ключ, соответствующее числовому эквиваленту второго напряжения О(Ф);В 1Е - целая часть числа - .йПоэтому после окончания цикла изме рения содержимое счетчика окажется равным91=100 -Вьчто при к = 2 с точностью до 1 фсоответствует истинному значению относительного 30 приращения сигнала на входе АЦП, опредег.яемому по формуле 9 00, где 0(т) - исследуемый сигнал; 3тоа- моменты времени, относительно которых осуществляется оценка величины изменения сигнала.Результат измерения отображается с помощью блока цифровой регистрации.Недостатки известного устройства для измерения относительного изменения аналогового сигнала состоят в его сложности (необходимо использовать два реверсивных счетчика), в невозможности его исполь зования в резонансных измерителях диэлектрических параметров и измерителя полной проводимости, в которых необходимо измерять относительное изменение напряжения на С-контуре после введения в 5 емкостной датчик-ячейку, включенную в резонансный контур, исследуемого вещества. В этом случае вычисления должны осуществляться по формулеО - О 5 дх= О 9х где дх - постоянная;Оо - напряжение на контуре до введения исследуемого вещества; Ох - напряжение на контуре после введения в ячейку вещества (ОхОо, т,е.необходимо вычислять отношение абсолютного изменения напряжения к меньшему изнапряжений),Цель изобретения - упрощение устройства для измерения относительного изменения напряжений при одновременномобеспечении. возможности его использования в качестве цифрового блока измерениядиэлектрических потерь е резонансных диэлькометрах и расширение диапазона измерений.Поставленная цель достигается тем, чтоустройство, содержащее преобразовательнапряжения в частоту, два ключа, реверсивный счетчик, вход прямого счета которогочерез первый ключ соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, второйсчетчик, блок цифровой регистрации, элемент задержки и блок управления, первыедва выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей,дополнительно введены две схемы ИЛИ, Ртриггер и включенный между третьим тактовым выходом блока управления и счетнымвходом второго счетчика третий ключ, управляющий вход которого и первый входпервой схемы ИЛИ соединены с выходомР-триггера, вход синхронизации которого ивторой вход первой схемы ИЛИ - с вторымвыходом. блока управления, четвертый выход которого соединен с входами. установкив ноль счетчиков и первым входом второйсхемы ИЛИ, второй вход которой соединенс выходом обратного переноса первого реверсивного счетчика, вход обратного счетакоторого соединен с выходом преобразователя напряжения в. частоту через второйключ, управляющий вход которого соединенс выходом первой схемы ИЛИ, а выход второй схемы ИЛИ - с входом сброса Р-триггера, выход которого через элемент задержкисоединен с входом "Запись" блока цифровой индикации, информационные входы ко- .торого соединены с соответствующимивыходами второго счетчика.Блок управления устройства выполненв виде двух М-входовых схем И, формирователя импульса сброса, вход которого соединен с выходом первой схемы И, ипоследовательно включенных генераторатактовых импульсов и М Т-триггеров, при. чем первым выходом блока управления является выход первой схемы И, входыкоторой соединены с прямыми выходамипервых МТ-триггеров и инверсным выходом последнего Т-триггера, прямой выходкоторого соединен с входом второй схемыИ, остальные. входы которой соединены с5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 инверсными выходами остальных Т-триггеров, выход второй схемы И является вторым выходом блока управления, третьим выходом которого является дополнительный выход генератора тактовых импульсов, а число М Т-триггеров определяется по формулеМ=ц 1 о 92 1+ 1,хмингде Ех 1- целая часть числа х;Оо - значение максимального напряжения на входе устройства, относительно которого измеряются изменения напряжения;Ох мин - значение минимального напряжения на входе устройства,На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для измерения относительного изменения напряжений; на фиг.2 - принципиальная схема блока управления; на фиг, 3 - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства: а - на выходе тактового генератора; в-е - на прямых выходах Т-триггеров; 1 - . на первом выходе блокауправления-сигнал, открывающий вход прямого счета реверсивного счетчика; 9 - на втором выходе блока управления; и - на выходе О-триггера - на управляющем входе второго ключа;- на управляющем входе первого ключа, открывающем вход обратного счета РС 2.Устройство содержит преобразователь 1 входного напряжения в частоту(ПНЧ), реверсивный счетчикЯ, счетчик 3, ключи 4-6, 0-тригге р 7, схемы ИЛИ 8-9, блок 10 управления, блок 11 цифровой регистрации и элемент 12 задержки,Входы прямого и обратного счета реверсивного счетчика 2 с выходом НКЧсоединены соответственно через ключи 4 и 5, управляющие входы которых соответственно соединены с первым выходом блока 10 управления и выходом схемы ИЛИ 8. Выход обратного переноса реверсивного счетчика 2 через схему ИЛИ 9 соединен с входом сброса 0-триггера 7, вход синхронизации которого и первый вход счеты ИЛИ 8 соединены с вторым выходом блока 10 управления, третий тактовый выход которого через ключ 6 соединен со счетным входом счетчика 3, Четвертый выход блока 10 управления соединен с входами установки в ноль счетчиков и вторым входом схемы ИЛИ 9, Выход О-триггера 7 соединен с управляющим входом ключа 6, вторым входом схемы ИЛИ 8 и через элемент 12 задержки с входом "Запись" блока 11 цифровой регистрации, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика 3. Блок 10 управления содержит две четырехвходовых схемы И 13 и 14, формирователь 15 импульсов сброса, вход которого соединен с выходом схемы И 13, и последовательно включенные генератор 16 тактовых импульсов и Т-триггеры 17 - 20. Первым выходом блока управления является выход схемы И 13, входы которой соединены с прямыми выходами Т-триггеров 17-19 и инверсным выходом Т-триггера 20, прямой выход которого соединен с входом схемы И 14, остальные входы которой соединены с инверсными выходами Т-триггеров 17-19.Вторым выходом блока управления является выход схемы И 14, третьим выходом - дополнительный выход генератора 16 тактовых импульсов, четвертым - выход формирователя 15 импульсов сброса,В момент времени И блок 15 по положительному перепаду напряжения, поступающего на его вход с выхода схемы И 13, формирует на выходе короткий (около 75 нс) импульс, который с выхода 3 блока 10 поступает на входы "Очистка" счетчиков 2 и 3 и через схему ИЛИ 9 на вход сброса О-триггера 7.Одновременно высоким уровнем напряжения с выхода И 13 (выход 1 блока 10 управления), поступающим на управляющий вход ключа 4, открывается. вход и рямого счета реверсивного счетчика 2.В течение промежутка времени от т 1 до 12 реверсивный счетчик 2 заполняется с входа прямого счета импульсами, частота которых пропорциональна опорному напряжению Оо,Длительность 2-11 определяется временем нахождения в единичном состоянии триггера Т 17. В момент времени 12 к входу преобразователя 1 напряжение-частота подключается источник напряжения (ООо), Одновременно выход блока 1 переключается с входа прямого счета на вход обратного счета реверсивного счетчика 2. Выход блока 1 соединяется с входом обратного счета реверсивного счетчика 2 ключом 5, на управляющий вход которого через схему ИЛИ 8 с момента времени т 2 по з поступает высокий уровень напряжения с выхода 2 блока 10 управления (выход схемы И 14).В момент времени тз задним фронтом напряжения с выхода схемы И 14 0-триггер 7 устанавливается в единичное состояние и высокий уровень напряжения с его выхода, поступая через схему ИЛИ 8 на ключ И 5, оставляет открытым вход обратного счета реверсивного счетчика 2 и, поступая на управляющий вход ключа К 6, разрешает прохождение импульсов с тактового генератора16 в счетчик 3.Таким образом на отрезке времени от 11до сг реверсивный счетчик 2 заполняе ся свхода прямого счета импульсами, частотаследования которых пропорциональна Оо, ас момента 12 - с входа обратного счета импульсами, частота следования которых пропорциональна Ох(ОхОо)Поэтому, так как 2-11 =тз; к моментувремени 13 в счетчике 2 останется записанным число импульсов, пропорциональноеразности напряжений Оо - Ох. С этого момента времени (тз) начинает заполнятьсясчетчик 3 импульсами с генератора 16 тактовых импульсов. Заполнение счетчика 3продолжается до тех пор, пока содержимоереверсивного счетчика 2 не пройдет черезноль, при этом на выходе реверсивногосчетчика 2 появляется импульс обратногопереноса, поступающий через схему ИЛИ 9на вход "Сброс" О-триггер 7, и низкий уровень напряжения на его выходе отключаетвход счетчика 3 от выхода генератора тактовых импульсов.Очевидно, время (14 - 13) заполнениясчетчика 3 прямо пропорционально разности напряжений (Оо-Ох) - числу импульсов,оставшихся в реверсивном счетчике 2 к моменту времени тз, и обратно пропорционально напряжению Ох (обратнопропорционально частоте следования импульсов, поступающих на вход обратногосчета реверсивного счетчика 2, т.е,Оо - Охдд - 11 -- Мд,где цк- коэффициент пропорциональности;(чц -число импульсов, зафиксированноесчетчиком 3 к моменту времени 14,Определим, каким образом коэффициент пропорциональности связан с параметрами устройства.Можно записать о = ЯОо, (1)тх = ЯОх, (2)где Оо и Ох - напряжения на входе блокаПНЧ 1;о и 1 х - соответствующие им частоты навыходе ПНЧ 1;8 - крутизна преобразования ПНЧ 1.Число импульсов, прошедшее в реверсивный счетчик 2 с входа прямого счета,равноМО = Юо(12-11), (3)с входа обратногосчета за отрезокЙх тх(тз - дг). (4)С учетом (1) и (2) и (3) и (4) можно определить число импульсов, оставшееся в счетчике 2 к моменту 1 зйо - йх = 8(Оо - ОхХ 12 - 11), (5)Время (14-13) заполнения счетчика 3 определяется изМ= Йо Йх5 тх-- (12 ). (6)А число йц импульсов, прошедшее всчетчик 2, равно10 О, ОхЙд - (д - (дд 11)ддти, (7)где 1 гти - . частота с выхода 3 тактовогогенератора 16, т.в,цк = (тг)когти, . (8)Очевидно, коэффициент пропорциональности ус равен отношению частот навыходе 3 генератора 16 тактовых импульсови на входе Т-триггера 7. Это отношение частот можно выбрать таким образом, чтобы20 получать результат измерения непосредственно в значениях измеряемой проводимости.Диапазон измерения относительногоизменения напряжений ограничивается допустимым временем(14- тз) заполнения счетчика 3, которое зависит от количествавключенных последовательно Т-триггеров.Для приведенного примера реализации устройства(4 137тг - т 1С учетом (9) из (6) имеемОо - Охмин 14 - 13 2(М) 1 (10)Охмин тг 11Откуда находим число Т-триггеров,обеспечивающее требуемый диапазон измерений40 2 о х +1 о, (11Ох Охмин д Ох 35 М Е(1092 ) -- ) (12)хмингде Ох мин - значение минимального напря жения на входе устройства;Е(Х) - целая часть числа Х.Предлагаемое устройство позволяет измерять относительное изменение убывающих напряжений, является более простым по сравнению с известным и обеспечиваетболее высокую точность измерения диэлектрических потерь в резонансных диэлькометрических анализаторах, например в резонансных измерителях диэлектрической 55 проницаемости типа ТАНГЕНСМ и Ш 2-5,основанных на методе прямого замещения.Принцип действия диэлькометров состоит в том, что к измерительному Ы-контуру диэлькометра поочередно подключаются заполненная исследуемым веществом1718133 12 10 15 20 25 30 35 емкостная ячейка-датчик или градуированный конденсатор. При подключенной ячейке С-контур настраивается в резонанс постоянно включенным в него конденсатором переменной емкости, а при подключении к 1.С-контуру вместо ячейки градуированного конденсатора изменением емкости этого конденсатора. После настройки диэлектрическую проницаемость вещества определяют по шкале градуированного конденсатора, а проводимость цх, эквивалентную диэлектрическим потерям в веществе - по относительному изменению напряжения на .С-контуре, ИзвестноОо- ОхЦх ЦКгде Оо - напряжение на.настроенном в резонанс контуре при незаполненной ячейке;Ох - напряжение на настроенном в резонанс контуре после введения в ячейку исследуемого вещества;ц- постоянная - собственная проводимость нагруженного контура, эквивалентная потерям в его элементах.Из-за наличия активных потерь в веществе Ох Оо.Был изготовлен макет предлагаемого устройства и испытан в дизлькометрическом анализаторе с положительными результатамии. Формула изобретения 1, Устройство для измерения относительного изменения напряжения, содержащее преобразователь напряжение-частота, два ключа, реверсивный счетчик, счетчик, блок цифровой регистрации, элемент задержки, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, вход прямого счета реверсивного счетчика соединен с выходом первого ключа, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота,отлича ющеесятем,что,сцелью расширения диапазона измерений, дополнительно введены два логических элемента ИЛИ, О-триггер, третий ключ, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выходтретьего ключа соединен со счет. ным входом счетчика, вход сброса которого соединен с четвертым выходом блока управления, входом сброса реверсивного счетчика и первым входом второго элемента ИЛИ, вход преобразователя напряжение-частота является входом устройства, выход которого соединен с входом второго ключа, выход которого соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика, выход обратного переноса которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом сброса О-триггера, вход записи которого соединен с вторым выходом блока управления и первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом О-триггера, управляющим входом третьего ключа и входом элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом блока цифровой регистрации, первый вход которого соединен с выходом счетчика, выход первого элемента ИЛИ соединен с управляющим входом второго ключа,2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок управления содержит два М-входовых элемента И, формирователь импульса сброса, генератор импульсов, первый вход которого соединен с входом последовательно соединенных М Т-триггеров, причем первым выходом блока управления является выход первого элемента И, входы которого соединены с прямыми выходами первых МТ-триггеров и инверсным выходом последнего Т-триггера, прямой выход которого соединен с входом второго элемента И, остальные входы которого соединены с инверсными выходами остальных Т-триггеров, выход второго элемента И является вторым выходом блока управления, третьим выходом которого является второй выход генератора актовых импульсов сбро 40 са соединен с выходом первого элемента И, а число М Т-триггеров определяется по фор- муле М = Цоц 2 О+1,Охмингде ЕХ - целая часть числа Х;Оо - значение максимального напряжения на входе устройства, относительно которого измеряется изменение напряжения;50 Ох ми - значение минимального напряжения на входе устройства,Реда Заказ 878 Тираж ПодрасиееВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и еврцаею113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская неб., 4 Уб и ГКНТ ССС оизводетвенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгу на, 10