Цифровой измеритель затухания колебательных систем

 

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЗАТУХАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ, содержащий автогенератор, образованный со- : единенными в кольцо выходным усилителем , цепью связи выходного усилителя с колебательной системой, колебательной системой, цепью связи колебательной системы с предварительНЕА1 усилителем и двумя коммутируемыми фазосдвигающими звеньями, а также средства управления коммутацией фааосдвигеиоших звеньев и средства из- ; мерения разности длительностей периодов автогенератора, о т ли ч а ю-г ; щ и и с я тем, что, с целью обеспе .чения прямого отсчета затухания ко/лебаний исследуемой колебательной :системы, средства управления коммутацией фазосдвигающих звеньев состоят из каскадно включенных формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом автогенератора, счетчика импульсов и первого и второго триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, а средства измере:ния длительностей периодов сигнала автогенератора состоят из умножителя частоты, вход которого соединен с инверсным выходом первого триггера, а выход - спервыми входами двух логических элементов И, выходы которых связаны соответственно с входаi И -1 ми реверсивного счетчика импульсов с отсчетным уст (Я ройством, третьего и четвертого триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, и устройства управления , причем вход третьего триггера соединен с инверсным выходом первого триггера, выход четвертого триггера связан со входом устройства управления и со вторыми входами двух логических элементов И, выход устрой4 « ства управления связан с третьими входами двух логических элементов И, а четвертые входы логических элементов И соединены соответственно с прямьм к инверсным выходами второго триггера. to

, SU„„1041912

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(50 С 01 Н 11 16

":, ф;;, 1 ": У

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3400893/18-25 (22) 22. 02. 82 (46) 15 ° 09.83. Бюл. М 34 (72) В..Г. Кнорринг (71) Ленинградский ордена Ленин политехнический институт им. М.И.;Калинина (53) 534..833.6(088.8) (56) 1. Кремлевский В.П., Степф.чев А.А.. Новые автоматические,вибрационные вискозиметры. Л., ЛДНТП, 1968, с. 18-20.

2. Новицкий П.В, Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с

- частотными датчиками. Л., Энергия, 1970, с. 151 (прототип). (54 ) (57 ) ЦИФРОВОЙ И3МЕРИТЕЛЬ ЗАТуХАННН KOJIEBATEJIbHHX СИСТЕМ, содержа" щий автогенератор, образованный соединенными в кольцо выходным усилителем, цепью связи выходного усилителя с колебательной системой, колебательной системой, цепью связи колебательной системы с предварительньм усилителем и двумя коммутируемыми фаэосдвигающими звеньями, а также средства управления коммутацией фаэосдвигающих звеньев и средства измерения разности длительностей периодов автогенератора, о т л и ч а ю-. шийся тем, что, с целью обеспечения прямого отсчета затухания ко-: ,лебаний исследуемой колебательной системы, средства управления коммутацией фазоадвигающих звеньев состоят из каскадно включенных формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом автогенератора, счетчика импульсов и первого и второго триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, а средства измерения длительностей периодов сигнала автогенератора состоят из умножителя частоты, вход которого соединен с инверсным выходом первого триггера, а выход — с первыми входами двух . логических элементов И, выходы кото; :рых связаны соответственно с входами +1 и -1 реверсивного

9 счетчика импульсов с отсчетным устройством, третьего и четвертого

: триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, и устройства управ- С ления, причем вход третьего триггера соединен с инверсньм выходом первого триггера, выход четвертого триггера связан со входом устройства управ-, .в а ления и со вторыми входами двух ло- .:,> гических элементов И, выход устройства управления связан с третьими >ф входами .двух логических элементов

И, а четвертые входы логических элементов И соединены соответственно с (©

:прямьм и инверсным выходами второго триггера.

1041912

Изобретение относится к измери=

;тельной технике и предназначено пре. имущественно для использования в цифровых вибрационных вискозиметрах, а также может быть использовано в устройствах для .измерения внутреннего трения материалов, в установках для измерения эквивалентных электрических параметров пьезорезонаторов и других измерительных устройств, работа которых основана на изменении добротности Я или затухания .4 = 1/Я электрических или электромеханических колебательных систем.

Известно устройство для измерения добротности колебательных систем, основанное на том, что в исследуемой системе возбуждают свободные затухающие колебания и подсчитывают число циклов этих колебаний в течение интервала времени, необхо димого для уменьшения амплитуды колебаний в заданное число раз (1 ).

Однако применительно к исполъэованию в вискозиметрах данное устройство имеет серьезные недостатки: во-первых, оно дает прямой отсчет добротности, в то время как измеряемой вязкости пропорционально прира.щение обратной величины — затухания; во-вторых при малых добротностях число регистрируемых импульсов очень мало (например, при счете за интервал, в течение которого амплитуда убывает вдвое, оно примерно равно 0,228).

Наиболее близким техничееким решением к предлагаемому является устройство для измерения добротности струнных резонаторов, содержащее автогенератор, образованный соеди- ° ненными в кольцо выходным усилителем, цепью связи выходного усилителя с колебательной системой, колеба тельной системой, цепью связи колебательной системы с предварительным усилителем, предварительным усилителем и двумя коммутируемыми звеньями, а также средства управления коммутацией фазосдвигающих звеньев и средства измерения разности длительностей периодов сигнала автогенератора (2 J.

Недостаток такого устройства 3аключается.в том, что оно не обеспе" чивает прямого отсчета добротности или затухания системы.

Целью изобретения является обеспечение прямого отсчета затухания колебательной системы.

Эта цель достигается тем, что в цифровом измерителе затухания колебательных систем, содержащем автогенератор, оЬразованнцй соединенными в кольцо выходным усилителем, цепью связи выходного усилителя с колебательной системой, колебательной системой, цепью связи колебательной системы с предварительным усилителем, предварительным усилителем и двумя коммутируемыми фазосдвигающими звеньями, а также средства управле ния коммутацией фаэосдвигающих звеньев и средства измерения разнос-, ти длительностей периодов сигнала автогенератора, средства управления коммутацией фазосдвигающих звеньев состоят иэ каскадно включенных фор1О мирователя импульсов, вход которого соединен с выходом автогенератора, счетчика импульсов и первого и второго триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, а средства изме15 рения длительностей периодов сигнала автогенератора состоят из умножителя частоты, вход которого соединен с инверсным выходом первого триггера, а выход — с первыми входами о двух логических элементов И, выходы которых связаны соответственно с входами +1 и -1 реверсивного счетчика импульсов с отсчетным устройством, третьего и четвертого

25 триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, и устройства управления, причем вход третьего триго е" ра соединен с инверсным выходом первого триггера, выход четвертого триггера связан со входом устройства управления и.со вторыми входами двух логических элементов И, выход устрой. ства управления связан с третьими входами двух логических элементов И, а четвертые входы логических эле- .

З5 ментов И соединены соответственно с прямым и инверсным выходами второго триггера.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства;

4О на фиг. 2 †. временная диаграмма.

Устройство содержит автогенератор выходной усилитель 2, цепь 3 связи выходного усилителя с колебательной системой, колебательную систе45 му 4, цепь 5 связи колебательной системы с предварительным усилителем, предварительный усилитель 6, фазосдвигающие звенья 7 и 8, коммутатор 9, формирователь 10 импульсов, счетчик 11 импульсов, триггеры 12-15, 5О умножитель частоты 16, логические элементы И 17, 18, реверсивный счетчик 19 импульсов с отсчетным устрой- ством, устройство 20 управления.

Автогенератор 1 образован соединенными в кольцо выходным усилителем

2., цепью связи 3, колебательной системой 4, цепью связи 5, предваритель. ным усилителем 6 и фазосдвигающими звеньями 7,8 (предпочтительно вносящими равные по модулю и противоположные по знаку фазовые сдвиги), коммутируемыми коммутатором 9 Выход автогенератора (которым может быть,, как показано на фиг. 1, выход

65 предварительного усилителя 6) соеди.

1041912

15, который находится в состоянии 1 в течение двух периодов вход-, ого сигнала умножителя частоты 16. ак видно иэ графиков фиг. 2, в двух межных периодах входно ;о сигнала ножителя частоты 16 состояния автогенератора 1 с увеличенной и уменьенной частотой выходного сигнала ередуются в противоположном порядке; это автоматически устраняет влияние систематической неравномерности.

Функция устройства управления 20 заключается в том, чтобы обеспечить заданную периодичность измерений, пропуская некоторое число интерваов, в течение которых триггер 15 на ходится в состоянии .1, и перед началом очередного измерения устанавливать счетчик 19 либо в состояние 0 ., если необходимо измерять полное затухание колебательной системы 4, либо в состояние, дополнительное к отсчету при начальном затухании, если требуется измерять приращение затухания по отношению к известному начальному затуханию колебательной системы 4.

I !

Найдем число импульсов N, накоп- ленное реверсивным счетчиком 19 за время, равное удвоенному периоду входного .сигнала умножителя частоты.

Обозначим меньший период автоколебаний генератора 1, получающийся при включении того из фазосдвигающих элементов 7,8, который вносит опережающий фазовый сдвиг, Т „, а больший период, получающийся при внесении отстающего фазового сдвига обозачим Т2. Пусть, кроме того, емкость (модуль счета)счетчика 11 будет и, а коэффициент умножения .умножителя час,тоты 16 — М.Тогда период входного

:сигнала умножителя частоты 16 в соответствии с фиг. 2 составит n(T4+T2) а частота выходного сигнала умножителя частоты 16 будет равна

n(2 +Т )

Выходной сигнал умножителя частоты 16 поступает на вход +1 реверсивного счетчика 19 через элемент И 17 в течение двух интервалов длительностью по nT2„ и на вход -1 реверсивного счетчика 19 через элемент И 18 в течение двух интервалов длительностью по nT.

Таким образом, содержимое реверсивного счетчика 19 после окончания счета можно выразить как

Переходя от периодов сигнала генератора 1 Т„ и Т к соответствуюнен через формирователь импульсов

10, выход которого, в свою очередь, соединен со счетным входом триггера н

12. Первый (прямой) выход тригге- K ра 12 соединен -ео счетным входом - с триггера 13, вход которого соединен, 5 ум с управляющим входом коммутатора 9.

Второй (инверсный) выход тркггера . ш

12 соединен с входами умножителя ч частоты 16 и делителя частоты на 4 на триггерах 14-15..Выходы элементов

И 17, 18 соединены с входами +1 и -1 реверсивного счетчика импульсов 19; первые, вторые и третьи: входы элементов И 17, 18 соединены с-выходом умножителя частоты 16,.с ."..35 л выходом триггера 15 и с выходом . устройства управления 20; четвертые входы соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера 13.

Цифровой измеритель затухания ра- . 20 ботает следующим образом.

В,автогенераторе 1 возникают автоколебания. Формирователь 10 форми-: рует по.одному импульсу на каждый . цикл автоколебаний. Эти импульсы считаются счетчиком 11, триггерами

12.и 13. Выходной сигнал триггера 13 коммутирует фазосдвигающие звенья 7 . и 8 в автогенераторе 1. На графиках -. фйг. 2 принято, что в состоянии 1 З0 триггера 13 включено звено отстающего фазового сдвига, и.частота сиг- нала автогенератора 1 уменьшается, ... в состоянии 0 триггера 13 вклю-:,. чено звено опережающего сдвига и частота сигнала автогенератора 1 возрастает. Как видно из графиков фиг. 2, несмотря на изменения частоты автогенератора 1, положитель-.- . н ные фронты выходного сигнала триггера 12 расположены во времени равно- . 40 мерно. Этими равномерно следующими фронтами запускается умножитель час. тоты 16 с большим коэффициентом умножения (например, основанный на принципе фазовой автоподстройки уп- . 45. равляемого генератора). Соединение логических элементов И 17, 18 с другими узлами прибора таково, что ре-, версивный счетчик 19 имеет импульсы умножителя частоты 16 на входе" +1 в те моменты, когда в автоге . нераторе 1 включено звено отстающего фазового сдвига, и частота еиг- . нала автогенератора уменьшена, а иа.. входе -1 — в те моменты, когда в автогенераторе включено звено опережающего сдвига и частота уве-."- личена. Благодаря этому число импуль сов, поступающих на вход +1 .,.ока зывается.больше числа импульсов, поступивших на в сод -1, и в -:;ре-..:;. 60 версивном счетчике 19 накапливается некоторый отсчет. Для того, чтобы исключить влияние систематической неравномерности выходных импульсов. умножителя частоты, добавлен триггер) g5

".гг(т+т) "гп(т,т) т, т. °

1041912

„- f2)

° Ф! „ tf> q Ч„

У М+ + о qg2

Ю2 Юо о 1.

20 Ч= — — — Q

Отсюда

ag Ч Ч вЂ” 1+ — +— — @2 29 щим частотам „11T и f 1/Tg получим теперь можно связать частоты

1 и с фазовыми сдвигами и затухани.ем колебательной системы Ы l/Q.

Как известно, фаэо-частотная характеристика колебательной системы, содержащей три однородных элемента (две реактивных и одну активную ) проводимости,. соединенные параллельно, или два реактивных и одно активное сопротивления, соединенные последовательно), может быть записана в виде где У„ - Фазовый сдвиг в колебатель- ной системе;

Ео — собственная частота систе-

I мы с учетом присоединенных: реактивностей.

При включении такой колебательной системы в автогенератор, работающий в квазилинейном режиме, таким образом, чтобы выходной величиной цепи связи 3 и входной величиной цепи связи 5 были соответственно напряжение и ток: или сила и скорость (или иные .аналогичные величины в .эависймости от вида колебательной системы), частота автоколебаний совпадает с собственной частотой f . Если же в кольцо автогенератора ввести звено, вносящее Фазовый сдвиг Ч, частота автоколебаний изменится так, чтобы было,,Ч +Ч ®= О. Следовательно, в этом случае справедливо уравнение для часто ты автоколебаний

Пусть теперь фазовые сдвиги, вносимые звеньями 7 и 8, будут 9., и Ч, причем для определенности Ч„)О,Ч 2 и /v1/ =/9 2/.

Тогда, Подставив эти значения в выражение для N, получаем

° — - ted%

2 g@ М гЧ

Выбирая соответствующим образом всегда можно обеспечить требу25 емую степень близости второго сомножителя к единнце, а выбором М - получить достаточно большое число импульсов в реверсивном счетчике 19.

Модуль счета п.счетчика 16 не входит

Ф в окончательное выражение для N; его выбор производится исходя иэ того, чтобы частота выходных импульсов умножителя частоты 16, равная

М Mf „

Э5е (- ) 2n не была слишком больи ь1 ь2 шой,. и,чтобы переходные процессы, возникающие в автогенераторе после коммутации фазосдвигающих звеньев, не влияли существенно на результат

40 счета При укаэанных условиях N пря мо пропорционально затуханию l=l/®.

В описываемом приборе время, необходимое для получения отсчета, не превосходит нескольких секунд. Если учесть время, необходимое на погру» жение колебательной системы прибора в исследуемую среду, .то вискозиметр на базе описываемого цифрового измерителя затухания в 2-3 раза производительней известного базового

50 объекта.

1041912

CTSj

П2 а вх

М

@ Вьи

TI6

Фиг.2

ВНИИПИ Заказ 7118/44

Тираж 873 - Подписное

Филиал ППП "Патент", r., УЖгород, ул. Проектная, 4