Цифровой автоматический экстремальный мост переменного тока

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Б — ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3553935/18-21 (22) 21. 02. 83 (46) 23. 04.,84. Бюл. N 15 (72) П.И.Борщев, А.Е.лабузов и А.И.Новик (71) Институт электродинамики АН

Украинской ССР (53) 621.317.733(088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

У 175126, кл. С 01 R 17/10, 1963.

2. Неболюбов E.Ю. и др. Система дискретного уравновешивания специализированного быстродействующего моста переменного тока. — В кн.:Техника электрических измерений. Киев, "Наукова думка", 1979, с.19-30 (прототип). (54)(57) ЦИФРОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЭКС

ТРЕМАЛЬНЫЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, со» держащий последовательно соединенные питающий генератор, мостовую измерительную цепь с дискретно регулируемыми элементами, избирательный уСилитель и амплитудный детектор, основ-. ной реверсивный счетчик и трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора, выходы которых подключены к дискретно регулируемым . уравновешивающим элементам мостовой измерительной цепи, а входы — к выходам коммутатора рабочих импульсов, вход управления которого соединен через логический элемент совпадений с выходами трехпозицйонного реверсивного счетчика модулятора и с соединенными между собой входами управления реверсом обоих реверсивных счетчиков, цифровое отсчетное устройство, под-. ключенное к выходу основного реверсивного счетчика, и тактовый генератор, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и расширения области применения путем обеспечения возможности измерения среднего значения колеблющихся величин, в него введены дополнительный модулятор и делитель частоты, входы которых подключены к тактовому генератору, а выходы со-. ответственно — к мостовой измерительной цепи и входу коммутатора рабочих импульсов, а также разделительный конденсатор и последовательно соединенные фазочувствительный детектор, фильтр нижних частот и дискриминатор полярности напряжения, причем первый вход фазочувствительного детектора через разделительный конденсатор . подключен К выходу амплитудного детектора, второй опорный) вход фазочувствительного детектора — к выходу тактового генератора, а выход дискриминатора полярности напряженияк входу управления реверсом основ" ного реверсивного счетчика импульсов. ной реверсивный счетчик только тогда, когда совпадают сигналы: либо

"+! трехпозиционного реверсивного счетчика модулятора и "+" управления реверсом, либо противоположные, зна-. чения этих сигналов. Во всех .остальных случаях импульсы проходят через коммутатор на трехпозицнонный реверсивный счетчик модулятора (2) .

Известный цифровой экстремальный мост обладает высокой точностью измерения и высоким быстродействием, однако существенным его недостатком является низкая помехоустойчивость по отношению к помехам, однородным по своей физической природе с измеряемой величиной. Такие помехи чаще всего проявляются в виде сравнитель-.. но низкочастотных колебаний измеряемой величины относительно ее среднего значения, которое должно быть измерено. К ним относятся, например, вибропомехи, сопровождающие измере-. ние таких неэлектрических величин как масса, сила посредством упругих элементов, неоднородности потока жидкости или газа при измерении парамет» ров движения этих сред; пульсации контролируемого давления в трубопроводах работающих машин и т.д. Когда период колебаний помехи намного боль- ше времени уравновешивания моста, происходит нормальное отслеживание изменений входной величины, благодаря чему возможна последующая обработка результатов измерения для вычисления среднего значения. Если же пери- . од колебаний помехи соизмерим со временем уравновешивания или меньше его, нормальное уравновешивание становится невозможным, цифровой мост выдает беспорядочно изменяющиеся результаты с большими погрешностями и пользоваться прибором становится практически невозможно. К такому же результату приводят и электрические помехи определенной категории, а именно те, которые модулируют сигнал неравновесия измерительной цепи вследствие нелинейности тракта усиления.

Колебания помехи нельзя подавить в тракте усиления сигнала неравновесия моста, работающем на переменном токе несущей частоты, а при введении фильтра нижних частот после амплитудного детектора в выходном напряжении этого фильтра появляется постоянная составляющая, величина которой

I 1087903

Изобретение отНосится к электроизЬ мерительной технике, в частности к устройствам для цифрового измерения. пассивных параметров цепей на переменном токе, 5

Изобретение может быть использовано в различных измерительных преобразователях, .измерителях неэлект-. рических величин, информационно-измерительных системах и устройствах 10 автоматического управления.

Известны цифровые экстремальные модуляционные мосты переменного тока, содержащие питающий генератор, мостовую измерительную цепь и систе- 15 му автоматического уравновешивания Ц .

Недостатком их является невысокое быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 20 цифровой экстремальный квазимодуляционный мост геременного тока, содержащий (при уравновешивании по одному параметру) последовательно соединенные питающий генератор, из- 25 мерительную мостовую цепь с дискретно регулируемыми уравновешивающими элементами, избирательный усилитель, амплитудный детектор и экстремумдетектор, а также основной реверсив- щ ный счетчик и трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора, выходы которых подключены к дискретно регу,лируемым уравновешивающим элементам мостовой цепи, а входы - к выходам коммутатора, вход которого соединен с тактовым генератором.

Трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора имеет три состояния +I О и -(, соответстВующие изменению сос- 40 тояния мостовой цепи на +1.,0 или

-1 шаг дискретного изменения уравновешивающего параметра относительно его значения, заданного основным реверсивным счетчиком. Управляющий вход коммутатора связан через логический элемент совпадений с выходомэкстремум"детектора и с выходом трехпозиционного реверсивного счетчика модулятора. Входы управления ревер-, сом основного реверсивного счетчика и трехпозиционного реверсивного счет» чика модулятора подключены к выходу экстремум-детектора. К выходу основного реверсивного счетчика подключено также цифровое отсчетное устройство.Ло" гический элемент совпадений управля-.. ет коммутатором таким образом, что рабочие импульсы проходят на основ3 1087903 зависит от параметров помехи. Это происходит вследствие того, что на амплитудный детектор поступает сигнал несущей частоты, модулированный помехой, т.е. их произведение. Амплитудный детектор, имеющий несимметричную относительно начала координат характеристику, выделяет абсолютную величину входного сигнала, т.е. произведение абсолютных величин сигнала и помехи. Таким образом, сигнал на выходе амплитудного детектора будет зависеть как от параметров полезного сигнала, так и от параметров помехи, которые нестабильны. Данное явление. 15 сделало бы невозможным получение до1 стоверного результата измерения.

Цель изобретения — повышение помехоустойчивости цифрового автоматического экстремального моста к поме-. 20 хам, однородным по физической природе с измеряемой величиной, а также расширение его области применения путем обеспечения возможности измерения средне- го значения колеблющихся величин. 25

Указанная цель достигается тем, . что в цифровой автоматический экстремаль"» ный мост переменного тока, содержащий последовательно соединенные пита- ющий генератор, мостовую измерительную цепь с дискретно регулируемыми элементами, избирательный усилитель и амплитудный детектор, основной реверсивный счетчик и трехпозиционный реверсивиый счетчик модулятора, выходы которых подключены к дискретно регулируемым уравновешивающим элементам мостовой измерительной цепи, а входы — к выходам коммутатора рабочих импульсов, вход управле

40 ния которого соединен через логический элемент совпадений с выходами трехпозиционного реверсивного счетчика модулятора и с соединенными между собой входами управления ре.версом обоих реверсивных счетчиков, цифровое отсчетное устройство, подключенное к выходу основного реверсивного счетчика и тактовый генератор, введены дополнительный модулятор и делитель частоты, входы которых подключены к тактовому генератору, а выходы соответственно - к . мостовой измерительной цепи и входу коммутатора рабочих импульсов, а . Я также разделительный конденсатор и последовательно соединенные фазочувствительный детектор,. фильтр нижних 1

1 частот и дискриминатор полярности напряжения, причем первый. вход фазочувствительного детектора через разделительный конденсатор подключен к выходу амплитудного детектора, а второй (опорный) вход фазочувствительного детектора — к выходу тактот вого генератора, а выход дискриминатора полярности напряжения — к входу управления реверсом основного ревер сивного счетчика импульсов.

Благодаря введению дополнительного модулятора в сигнал неравновесия вводится информация о знаке отклонения равновесия в виде фазы огибавщей этого сигнала по отношению к фазе напряжения тактового генератора. Эта информация выделяется фазочувствительным детектором. Таким образом, характеристика тракта мостовая цепь — выход фазояувствительного детектора в отличие от известного моста становится симметричной относительно начала координат передаточной характеристики. Это дает. возможность отделить полезную информацию о направлении уравновешивания, заключенную в знаке постоянной соста» вляющей от помехи, проявляющейся в виде переменной составляющей этого сигнала, с помощью фильтра нижних частот. Введение фильтра нижних частот позволяет также измерять среднее значение величин, что расширяет область применения моста.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого цифрового автоматического экстремального мос" та переменного тока.

Устройство содержит последователь-. но соединенные питающий генератор 1, мостовую измерительную цепь 2 с дискретно регулируемыми элементами, избирательный усилитель 3, амплитудный детектор 4, разделительный конденсатор 5, фазочувствительный детектор 6, фильтр 7 нижних частот, дискриминатор 8 полярности .напряжения, основной реверсивный счетчик

9 импульсов, трехпозиционный реверсивный счетчик 10 .модулятора, коммутатор 11 рабочих импульсов, дополнительный модулятор 12, делитель 13 частоты, тактовый генератор

14, логический элемент 15 совпадений и цифровое отсчетное устройство 16.

Выходы основного реверсивного счетчика 9 и трехпозиционного ревер!

087903 сивного счетчика 10 модулятора под-. ключены к дискретно регулируемым . уравновешивающим элементам мостовой измерительной цепи 2, а . входы— к выходам коммутатора ll рабочих 5 импульсов, вход управления которого соединен через логический элемент

15 совпадений с выходами трехпози- . ционного реверсивного счетчика !О модулятора и с соединенными между со !О бой входами управления реверсом обоих реверсивных счетчиков. Цифровые отсчетное устройство 16 подключено к выходу основного реверсивного счетчика 9, входы дополнительного моду- 15 лятора 12 и делителя 13 частоты подключены к тактовому генератору 14, а выходы соответственно — к мостовой измерительной цепи 2 и входу коммутатора ll рабочих импульсов. 20

Устройство работает следующим образом.

С питающего генератора 1 на мосто» вую измерительную цепь 2 поступает переменное напряжение. Сигнай нерав- 25 новесия мостовой цепи 2 усиливается избирательным усилителем З.и поступает на амплитудный детектор 4. Так-, товый генератор 14 вырабатывает импульсы напряжения тактовой частоты, управляющие работой дополнительного модулятора 12, который модулирует (периодически изменяет на небольшую величину) уравновешивающий параметр мостовой цепи 2. При этом в огибающей сигнала неравновесия мостовой

I цепи 2 появляется переменная составляющая тактовой частоты, фаза которой зависит от знака неравновесия. Амплитудный детектор 4 выделяет огиба- .

40 ющую сигнала неравновесия, разделительный конденсатор 5 выделяет переменную составляющую этой огибающей, и с помощью фазочувствительного детектора 6, опорным для которого является напряжение тактового генера45 тора 14, выделяется постоянное напряжение, полярность которого однозначно определяет знак неравновесия мостовой цепи 2. В выходном сигнале фазочувствительного детектора 6, помимо постоянной составляющей, присутствует переменная составляющая поме-. хи, которая вызвана .неинформативными колебаниями измеряемой величины.

Эта помеха подавляется фильтром 7 нижних частот. Дискриминатор 8 поляр» ности напряжения (например усилитель» ограничитель, компаратор напряжений с нулевой уставкой и т.п.) в зависи. мости от полярности напряжения на выходе фильтра 7 нижних частот выдает на своем выходе один из двух логических сигналов, который устанавли вает основной реверсивный счетчик 9 и трехпозиционный реверсивный счетчик 10 модулятора для счета в прямом или обратном направлении. Этот же сигнал реверса подается на логический элемент 15 совпадений, Рабочие импульсы, управляющие уравновешиванием, поступают с выхода делителя !3 частоты через коммутатор

11 на основной реверсивный счетчик 9 либо на трехпозиционный реверсивный счетчик 10 модулятора. Коэффициент деления делителя 13 частоты выбирается из условия окончания переходного процесса в фильтре 7 нижних частот за время одного такта уравновешивания.

Уравновешивание моста производится по следующему алгоритму. В начале уравновешивания основной реверсивный счетчик 9 и трехпозицнонный ре.— версивный счетчик IO модулятора находятся в произвольных состояниях.

Дискриминатор 8 полярности напряжения выдает на шины реверса логический сигнал, соответствующий направлению движения к равновесию, Коммутатор l! рабочих импульсов подключает при этом выход делителя 13 частоты на вход трехпозиционного реверсивного счетчика !0 модулятора, который под действием рабочих импульсов переходит в одно из своих крайних состояний ("+I" или "-1") в направлении движения к равновесию, если до этого он находился в нулевом или противоположном крайнем состоянии.

Если после этого полярность напряжения на выходе фильтра 7 нижних частот не изменилась на противоположную, то логический элемент !5 совпадений переключает посредством коммутатора 11 рабочие импульсы. с выхода делителя 13 частоты на вход основно-. го реверсивного счетчика 9, который начинает считать и переключать одновременно уравновешивающие элементы мостовой цепи 2, приближая мост к равновесию. При переходе через точку равновесия логический сигнал на выходе дискриминатора 8 полярности напряжения принимает противоположное значение, при этом логический элемент 15 совпадений переключает ком7 108790 мутатор ll на вход трехпозиционного реверсивного счетчика 10 модулятора и уравновешивающий элемент мостовой цепи 2 начинает изменяться по двум или трем соседним дискретным зна- 5 чениям в окрестности равновесия за счет возвратно-поступательных движений трехпозиционного реверсивного счетчика 10 модулятора, при этом состояние основного реверсивного : 10 счетчика 9 не изменяется и на цифро вом отсчетном устройстве 16 индуцируется число, соответствующее ближайшему к равновесию значению уравно вешивающего параметра. 15

При подекадно-следящем уравновеши ванин цифрового моста целесообразно переключать коэффициент деления делителя.13 частоты и постоянную времени фильтра 7 нижних частот в зависимос- 20 ти от.номера декады, при этом на более старших Декадах уравновешивание можно производить быстрее, танк как влияние помех на этих декадах сказы3 8 вается меньше. Это увеличит быстро действие многодекадного цифрового моста переменного тока.

Преимуществом предлагаемого устройства является возможность работы . с параметрическими (емкостными, индуктивными, резистивными и т.д.) датчи" ками неэлектрических величин при наличии неинформативных колебаний измеряемой величины (например, вибра-. ций груза при измерении веса) . Устранение указанного недостатка в предлагаемом устройстве позволяет расширить область применения цифровых экстремальных мостов переменного тока, использовать их преимущества (высокая чувствительность и точность) при измерении неэлектрических величин, благодаря чему значительно сокращается срок окупаемости затрат.иа их из готовление, а также повышается достоверность измерения при наличии вибропомех.

1087903 щр6Пщ Заказ 2651/41 . Тираж 7)! Подписное

Филиал ППП атемт ° Г.Ужгород,,ул.Проектная, 4