Способ безрезонансного формирования низкогармонического переменного электрического напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 2 М 5/08 1)5 И ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Казарновский Д.М. Емкостные преобразователи частоты. Л.: Энергия, 1968, с, 108. (54) СПОСОБ БЕЗРЕЗОНАНСНОГО ФОРМИРОВАНИЯ НИЗКОГАРМОНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в горнодобывающей, металлургической, химической и других отраслях промышленности для контроля уровня материала, например горной массы, в подземных емкостях, Цель изобретения - повышение разрешающей способности устройства, В устройство, содержащее два датчика сейсмических колебаний, размещенных на разном расстоянии от подземной емкости и подключенных к измерительному блоку, который состоит из двух формирователей, регистра сдвига, генератора тактовых импульсов, элементов совпадения, связанных выходами со счетчиками импульсов, блока запоминания и обработки введены элементы ИЛИ, многоканальный коммутатор и блок управления. Вызванный ударами падающего материала сигнал от ближнего датчика поступает через первый формирователь на информационный вход регистра, а с его выИзобретение относится к электротехние и радиотехнике и предназначено для пре.,Ж 173 Тб ходов задержанныи сигнал подается через элементы ИЛИ на первые входы первой группы элементов совпадения и, кроме того, через коммутатор на первые входы второй группы элементов совпадения,.Запаздывающий сигнал отдаленного датчика через второй формирователь и элемент совпадения, подключенный вторым входом к генератору, поступает на вторые входы элементов совпадения обеих групп, на третьи входы которых подаются сигналы от блока управления. На адресный вход коммутатора из блока управления подается код номера группы выходов регистра, определяемый номером счетчика из первой группы счетчиков, переполненного в предыдущем цикле измерения, С помощью второй группы элементов совпадения и счетчиков определяется величина дополнительной задержки опережающего сигнала ближнего датчика до момента его совпадения с сигналом отдаленного датчика. Фиксируемые блоком запоминания и обработки коды номеров счетчиков, переполненных раньше остальных в первой и второй группах, характеризуют величину взаимного временного сдвига сигналов и соответственно высоту контролируемого уровня. Измерение осуществляется в разном масштабе времени, благодаря чему число дискретных значений контролируемого уровня равно произведению числа элементов совпадения и счетчиков в первой группе на их число во второй группе. 3 ил. образования частоты переменного электрического напряжения.Известен способ безрезонансного формирования низкогармонического переменного электрического напряжения, т,е. напряжения, состоящего из низких гармоник преобразуемого синусоидального элек- трического сигнала, с помощью нелинейных (сегнетоэлектрических) конденсаторов, диэлектрическая поляризация которых нелинейно зависит от приложенного электрического напряжения, что приводит к появлению в токе через конденсатор низких гармоник. При этом в зависимости от того, приложено ли к сегнетоэлектрическим конденсаторам постоянное смещающее электрическое поле или нет, получаются только нечетные (преимущественно, третья) или одновременно четные (преимущественно, вторая) и нечетные гармоники,Недостатком этого способа является низкая эффективность, вызванная малой амплитудой формируемых гармоник, т,е, малая величина отношения получаемой на выходе гармоники напряжения к переменному напряжению, подаваемому на вход. Недостатком же является преобладание в токе через конденсатор тока с основной частотой,Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования низкогармонического переменного электрического напряжения, при котором воздействуют входным электрическим сигналом и постоянным смещающим электрическим напряжением на линейные и нелинейные элементы преобразователя, производят компенсацию сигнала по основной частоте на линейный и нелинейных элементах(конденсаторах) в мостиковой схеме и снимают его с выхода преобразователя, При этом приложение постоянного смещающего напряжения к нелинейному конденсатору позволяет получить и нечетные, и четные гармоники.Недостатком способа является низкая эффективность, вызванная малой амплитудой выходного сигнала.Целью изобретения является повышение эффективности за счет увеличения амплитуды выходного сигнала,В предлагаемом способе безрезонансного формирования низкогармонического переменного электрического напряжения воздействуют входным электрическим сигналом и постоянным смещающим электрическим напряжением на линейные и нелинейные элементы преобразователя и производят компенсацию сигнала по основной частоте на линейных и нелинейных элементах. Новым является то, что компенсацию сигнала по основной частоте осуществляют путем его преобразования в механическую деформацию разных знаков жестко связанных между собойпьезоэлектрического и электрострикцион 5 ного элементов и передают их разностнуюдеформацию на дополнительный пьезоэлектрический линейный элемент, с которогоснимают выходной сигнал,На фиг. 1 показаны зависимости отно 10 сительного удлинения элементов входногоблока от электрического поля: пьезоэлектрических элементов (Л пэ/пэ) и электрострикционных(Лэс/эс), а также их разности( д ), построенные по нашим эксперимен 15 тальным данным; на фиг. 2 - зависимостьразностной деформации д от времени приразных величинах переменного синусоидального и смещающего постоянного напряжений (а - Есм = О, Епер = 2 10,20 б - Есм = 3 10 Епер = 6 10, в - Есм = 6 10,5, 5Епер = 9 10 В/м); на фиг, 3 - один извариантов устройства для реализации п редложенного способа.Впервые предложен новый физический25 принцип формирования низкогармонического переменного электрического напряжения путем преобразования частотыпеременного электрического напряжения,основанный на преобразовании электриче 30 ского сигнала в механический, что позволяет даже. при малых напряжениях получитьбольшую нелинейность (в случае диэлектрической нелинейности поляризация Р зависитотполя Е как Р=яоЕ+АЕ +из35 диэлектрическая проницаемость как е= Р/Е=.го+ АЕ + , т.е. нелинейный член проявляется только при относительно сильных полях, тогда как в случае электромеханическойнелинейности, наблюдаемой при электро 40 стрикционных процессах, деформация зависит от поля как Л / = МЕ уже в слабыхгполях). Это позволяет повысить процент выхода гармоники в обработанном сигнале,Кроме того, впервые предложен новыйфизический принцип, основанный на компенсации сигнала по основной частоте путем компенсации деформаций линейных инелинейных элементов с последующимпреобразованием разностной деформациив выходной электрический сигнал. Для получения необходимых гармоник сигнала вовходном блоке нужны нелинейные элементы, для компенсации сигнала по основнойчастоте необходимы также линейные элементы. Поскольку электрический сигналсначала преобразуется в механический, необходимо, чтобы линейные и нелинейныеэлементы обладали электромеханическойактивностью и были бы изготовлены из пье1737668 30. одного пьезоэлемента или же, если надо зоэлектрического и электрострикторного материалов соответственно. Для компенсации механического сигнала по основной частоте необходимо, чтобы на каждый элемент входного блока подавалось одинаковое смещающее и одинаковое преобразуемое переменное напряжения, а электрическое подсоединение их должно быть таким, чтобы деформации линейных и нелинейных элементов имели различный знак (последнее требование легко удовлетворяется, так как при его невыполнении достаточно изменить знак постоянного смещающего напряжения). Естественно, что при этом все элементы входного и выходного блоков должны быть механически жестко связаны между собой, что обеспечивает компенсацию механического сигнала во входном блоке и передачу скомпенсированного сигнала выходному блоку. Последняя нужна, поскольку с помощью выходного блока из пьезоэлектрических элементов производится обратное преобразование деформации в выходной электрический сигнал. Таким образом, использование новых физических принципов при преобразовании частоты переменного электрического напряжения ведет к увеличению выхода гармоник. Из фиг. 1 и 2 видно, что при изменениинапряженности поля от отрицательных значений до больших положительных значений величина относительной деформации д (а значит, и абсолютной деформации Л = д1 вх) трижды принимает нулевое значение: при Е 1=0, Е 2 и Ез, т.е, трижды меняет знак (в оптимальном случае Ез = 2 Е 2, что обеспечивает максимальный выход гармоники). Поскольку разностная деформация подается на элементы выходного блока, а они являются линейными (пьезоэлектрическими), снимаемый с них при этом (т,е. в течение полупериода) электрический сигнал также трижды меняет свой знак, Таким образом, утроение частоты основано на том, что в оптимальном случае при подаче на входной элемент переменного напряжения с амплитудой Ча,вх = Еа,вх 1 вх = Г 2 Чвх = =1 Г 2 х Евх 1 вх (где 1 вх - расстояние между электродами входного элемента) и постоянного СМЕщаЮщЕГО НаПряжЕНИя ЧСМ.З = Е 21 вх дОЛ- жно соблюдаться соотношение ч 2 2 Еа,вх 1 вх/3 = 2 2 Евх 1 вх/3 = 2 1 Г 2 Чвх/3. При этом напряжение на входном блоке меняется втечение периода примерно от -0,25 Ез 1 вх до+1,25 Езвх и снова до -0,25 Ез 1 вх, а величина Ь шесть раз меняет знак (что и соответствует утроению частоты). 5 10 15 20 25 35 40 45 50 55 Как мы уже говорили, для удвоения частоты достаточно, чтобы в течение одного периода входного напряжения величина поменяла свой знак только 4 раза. Для этого в оптимальном случае должно выполняться ссотношениЕ Ч 2 = Е 21 вх = 1 Г 2 Евх 1 вх = Ч 2 Чвх, а постоянное напряжение должно быть равным Чем.2 = 0,5 Е 21 вх.Описанный способ может быть реализован только с помощью специального устройства, которое может существовать в различных вариантах, Для пояснения способа опишем подробно один из этих вариантов.На фиг. 3 представлено устройство, состоящее из жесткого корпуса 1, изготовленного из изолирующего материала или покрытого жесткой электрической изоляцией (например, эмалью). Длина.его внутреннего зазора равна 1. В зазор вклеены нелинейный и линейный элементы 2 и 3 входного блока, которые могут состоять из одного диска (или пластинки) электрострикторного или пьезоэлектрического материала соответственно, или же, если нужно повысить отношение Чвых/Чвх, из нескольких, причем все упомянутые элементы соединены друг с другом параллельно, а также выходной блок 4., который может состоять из повысить силу тока через нагрузку, из нескольких пьезоэлементов. Общая длина всех элементов (2, 3 и 4), включающая толщину клеевых прослоек, равна 1. Имеются также источник постоянного смещающего напряжения 5 и, естественно, источник преобразуемого переменного напряжения 6.Электрострикторный элемент 2 при данной конструкции устройства в результате приложения электрического напряжения любой полярности всегда будет удлиняться. Входной пьезоэлектрический элемент 3 в зависимости от направления в нем остаточной поляризации и знака приложенного напряжения будет или удлиняться, или сокращаться. Если при положительном знаке приложенного электрического напряжения элемент 2 удлиняется, а элемент 3 сокращается, то суммарная деформация этих двух преобразователей равна разности их деформаций. Поскольку неизменность длины зазора 1 обеспечивается жесткостью корпуса 1, деформация элементов 2 и 3 входного блока создает деформацию в блоке 4, которая в свою очередь создает выходное электрическое напряжение, пропорциональное разности, деформаций электрострикторных и пьезоэлектрических элементов 2 и 3 входного блока,Оценим деформацию выходного пьезопреобразователя 4: Ьеых. Пусть блоки 2, 3 и 4 характеризуются длинами и площадями поперечного сечения Я с индексами "эс", "пэ" и "вых" соответственно. Представим себе, что сначала вся система преобразователей не вставлена в зазор и находится в свободном состоянии, причем суммарная длина этой системы за счет удлинения элементов входного блока возросла на величину Ь и стала равной+ Л . Для того чтобы теперь вставить систему в зазор, нужно поджать ее на А,Тогда каждый из блоков сожмется на величину Ль Для расчета величин Л; учтем, что на каждый блок действуетодинаковаясила Р=о:, Яь Поскольку о; = У Л /1 ь где У - модуль Юнга, то, принимая для простоты расчетов, что Уэс-"Упэ=Увых (поскольку материал тех и другихблоков является, как правило, сегнетоэлектрической керамикой, модули Юнга двух родственных материалов могут не отличаться существенно друг от друга), получим два независимых уравненияАэ Яэс/1 эс = Лпз Япз/1 пз,пэ )пз/1 пэ =вых Явых/1 вых.Третьим уравнением являетсяЬс+Ьэ+Ьвых =АРешая эту систему уравнений, получаемЗэсЗпэвыхЬ-ьвыхЗэсзпэвых + Басовыхпэ + ЗпззвыхэсДля простоты обсуждения положим 1 зс =-+2Из этой формулы видно, что при О-+О, т,е.при уменьшении поперечного сечения выходного пьезопреобразователя Ьеых стремится к Л, тогда как при заданной величине О и увеличении Л величина Ьых также возрастает, приближаясь к АВозьмем для примера реальные значения Ли О Л=2,0 =0,25, т.е. длину выходного преобразователя равной сумме длин входных преобразователей, а его диаметр (если речь идет о дисках) в два раза меньше диаметра входных элементов. Тогда еых =0,8 Ь.Рассчитаем выходное напряжение. Дляэтого исходя из кривых на фиг. 1 и известных величин 4 з и 1 зс построим зависимости Л 1 пэ(Ч) и Л 1 эсМ, найдем точки их пересечения и определим соответствующие им величины Ч 2 и Чз. Тогда условием наибольшеговыхода второй гармоники будет Ча,вх5:1 Г 2 Чвх = Ч 2, откуда найдем деформацию пьезоэлектрического элемента входного блока(Л 1 пэ)ч - ч 2 = с 1 ззЧ 2, где бзз - пьезомодуль,Полагая, что при 1 пэ = 1 эс амплитуда второйгармоники будет определяться разностью10 д 1 и д 2, т.е. величинойда = (д 1+ д 2) /2, можно сделать вывод,что амплитудная величина абсолютной деформации Ьа (пропорциональная д,) составляет 20,7 от ( Лпэ)ч - ч 2, Если мывозьмем то же соотношение размеров, что иранее, т.е. Л= 2, 0 = 0,25, 1 вых = 21 эс = 21 пэ,Язых = 0,25 Яэс = 0,25 Япэ, когда мы получилиЬеых = 0,8 Ь, то придем к выводу, что20Л а. вых = 16,6%(Л 1 пз)ч-ч 2. Когда произведение пьезоэлектрических констант бззиззблизко к единице, выходное напряжениеможно рассчитать как ЧвыхйЬа, еых йзз. Отсюда следует, что Чавых=16 6%Ч 2=16,6%Ча,вус Это же относится и к эффективным значениям напряжения,Условие получения наибольшего выхода третьей гармоники Ча,вых = 1,5 Ч 2. Величины да и Ла имеют те же значения. Такимобразом, выход третьей гармоники будетменьше в 1,5 раза и будет составлять16,6%/1,5 = 11 от входного напряжения,т,е. будет все-таки больше, чем в случае п рототипа.Достоинством изобретения являетсявозможность дальнейшего увеличения выхода гармоник. Если мы составим элементы2 и 3 входного блока из иэс и ипэ пластинокили дисков соответственно и для простоты40положим изс = ипэ = и (хотя это равенство неявляется обязательным), мы сможем получить ту же величину деформации Лиривходном напряжении, меньшим в и раз, если при этом величины 1 зс и 1 пз будут в и раз45 меньше. Например, если входные преобразователи имеют толщину 5 мм и при и = 1требуют входного напряжения 2 кВ, чтобыобеспечить выходное напряжение 200 В, топри и = 10 указанное выходное напряжениебудет обеспечиваться при входном напряжении 200 В, подаваемом на каждый из элементов толщиной 0,5 мм, Тогда Чвых/Чвх =-100%. При большем и можно получить ЧвыхЧвх, Ясно, что предел повышения величины указанного соотношения этим не ограничивается, так как современная технологиясегнетокерамики позволяет легко получитьтак называемые сегнетокерамические пленки толщиной 50 мкм и тоньше.1737668 10 45 50 55 Далее покажем, что совокупность существенных признаков, отраженных в формуле изобретения, является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике.Как было показано, для преобразования частоты входного электрического сигнала в электрический сигнал с другой частотой впервые обоснована целесообразно преобразования электрического сигнала в механический и обращено внимание на то, что в отличие от нелинейности диэлектрической поляризации нелинейность электрострикторного преобразователя осуществляется уже в слабых полях, что позволяет значительно повысить процент выхода гармоник. Таким образом, использование хорошо известных способов преобразования электрического сигнала в механический и.хорошо известных зависимостей в сочетании с учетом их особенностей позволило по новому решить задачу преобразования частоты и обеспечить более высокий процент выхода гармоник. Впервые предложено компенсацию сигнала осуществлять на том этапе, когда сигнал . представляет собой периодически меняющуюся механическую деформацию, и преобразование в электрический сигнал только разностной деформации, что позволяет обойтись без последующей электрической компенсации сигнала,Графическое определение выхода гармоник по зависимостям Ь пз(Ч) и Лэс(Ч) для различных комбинаций материалов показало, что с отклонением соотношения 0,5 Чз/Ч 2 от единицы выход гармоник понижается, хотя преимущество перед прототипом еще сохраняется, пока указанное соотношение больше 0,9 и меньше 1,2. Это преимущество сохраняется и при отклонении напряжений, подаваемых на вход, от оптимальной величины, а именно при условии, что 2 Чсм,г/Чг и Ч,х/Ч 2 (в случае генерации второй гармоники) или 2 Чсмз/Чз и 1,333 Чвх/Чз(в случае генерации третьей гармони ки) лежат в пределах от 0,8 до 1,2.Объединение устройств предлагаемоготипа в каскады может позволить высокоэффективное получение более высоких гармоник. Например, в случае двух удваивающих 10 и одного утраивающего преобразователейчастоты в каскаде можно получить двенадцатую гармонику.Предлагаемый способ может найти применение для питания радиотехнических и 15 электротехнических устройств, для изготов.ления устройств с переключаемой частотой и возможно, для сигнальных устройств.Формула изобретения Способ безрезонансного формирова ния низкогармонического переменногоэлектрического напряжения, при котором воздействуют входным электрическим сигналом и постоянным смещающим электрическим напряжением на линейные и 25 нелинейные элементы преобразователя,производят компенсацию сигнала по основной частоте на линейных и нелинейных элементах и снимают его с выхода преобразователя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, 30 что, с целью повышения эффективности засчет увеличения амплитуды выходного сигнала, компенсацию сигнала по основной частоте осуществляют путем его преобразования в механическую деформа цию разных знаков, жестко связанных между собой пьезоэлектрического и электрострикционного элемента и передают их разностную деформацию на дополнительный пьезоэлектрический линейный 40 элемент, с которого снимают выходной сигнал.1737668 0 5 0 оставитель В.Исуп ехред М.Моргентал орректор А.Осауленко ак Хода ко Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 аз 1903 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5