Устройство для измерения относительного изменения напряжения

 

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, D-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.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

I i.Ë Ь ИК (!9) (4!) (sos G.01 и 19/165

ГосудАРствен1ый комитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4770923/21 (22) 18,12.89 . (46) 07.03.92. Бюл. hL 9 (71) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственного объединения- "Химавтоматика" (72) Ю.В.Подгорный (53) 621,317.3(088.8) (56) Аргов В.Ю.Цифровой измеритель относительных приращений сигнала. — Приборы и системы управления, 1984, ЬВ 8, с.20.

Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 995309, кл. Н 03. М 1/50, G 01 R 13/02, 06,08.84. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ (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. 1э.п. ф-лы, 3 ил.

1718133

Напряжения Uo u Ux поступают на вход

30 устройства периодически от одного источника, поэтому необходимо запоминающее устройство, вход которого с источником связан через переключатель, синхронизированный с появлением напряжений Uo и 0 . . 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, использую40 щим обработку информации 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, преобразу50 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- 55 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 в блоках измерения потерь в диэлькометрических анализаторах.

Известно устройство для измерения от- 5 носительного изменения напряжений, реализованное в диэлькометре, содержащее аналоговый блок вычисления отношения двух напряжений, запоминающее устройство и вычитатель. 10

Устройство работает следующим образом, В запоминающем устройстве запоминается напряжение Uo. Выход запоминающего устройства соединен с первым входом 15 вычитателя, на второй вход которого подается напряжение Ux (Ux < Uo). Разность (Uo - 14) напряжений с вычитателя поступает на первый вход блока вычисления отношения двух напряжений, на второй вход кото- 20 рого поступает напряжение U><. На выходе блока вычисления отношения двух напряжений в результате присутствует напряжеи,— u„ нив, p8BHO8 OTHOIIIGH.NIO И

1 - х пропорциональное измеряемой проводимости ох, эквивалентной диэлектрическим потеоям в исследуемом образце вещества, полнения) котороro — 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, причем 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 k. 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 записы вать соответствующее первому преобразуемому напряжению число

N=E(„}> 100, где  — число импульсов, прошедшее через первый ключ, Š— целая часть отношения 10 .

Время 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 k = 2), открывает второй ключ, через который импульсы АЦП, соответствующие меньшему из преобразуемых напряжений, поступают на вход обратного

1718133 счета 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 реверсивного счетчика и на вход предварительной записи второго реверсивного счетчика. В результате осуществляется параллельная перезапись содержимого нереверсивного счетчика во второй реверсивный счетчик.

Таким образом, во второй части измерений второй реверсивный счетчик по отношению к первому реверсивному счетчику выполняет роль делителя частот с коэффициентом деления N. Общее число импульсов переполнения, получаемых при обратном счете второго реверсивного счетчика, равно

Rl = Е (д), Bi где Bi — число импульсов, прошедшее через второй ключ, соответствующее числовому эквиваленту второго напряжения u(1I);

В1

Š— целая часть числа — .

Поэтому после окончания цикла измерения содержимое счетчика окажется равным

gl 100 - Яь что при k = 2 с точностью до 1% соответствует истинному значению относительного приращения сигнала на входе АЦП, опредег.яемому по формуле

100, где 0(т) — исследуемый сигнал; tp < а- 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 использования в резонансных измерителях диэлектрических параметров и измерителя полной проводимости, в которых необходимо измерять относительное изменение напряжения íà LC-контуре после введения в емкостной датчик-ячейку, включенную в резонансный контур, исследуемого вещества.

В этом случае вычисления должны осуществляться по формуле

u,— — u„

Ях= U g х где gx — постоянная;

U> — напряжение на контуре до введения исследуемого вещества;

Ux — напряжение на контуре после введения в ячейку вещества (Ux < Uo, т.е. необходимо вычислять отношение абсолютного изменения напряжения к меньшему из напряжений).

Цель изобретения — упрощение устройства для измерения относительного изменения напряжений при одновременном обеспечении. возможности его использова10 ния в качестве цифрового блока измерения диэлектрических потерь s резонансных диэлькометрах и расширение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее преобразователь

55 напряжения в частоту, два ключа, реверсивный счетчик, вход прямого счета которого через первый ключ соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, второй счетчик, блок цифровой регистрации, элемент задержки и блок управления, первые два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, дополнительно введены две схемы ИЛИ, Dтриггер и включенный между третьим тактовым выходом блока управления и счетным входом второго счетчика третий ключ, управляющий вход которого и первый вход первой схемы ИЛИ соединены с выходом

D-триггера, вход синхронизации которого и второй вход первой схемы ИЛИ вЂ” с вторым выходом. блока управления, четвертый выход которого соединен с входами. установки в ноль счетчиков и первым входом второй схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом обратного переноса первого реверсивного счетчика, вход обратного счета которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту через второй ключ, управляющий вход которого соединен с выходом первой схемы ИЛИ, а выход второй схемы ИЛИ вЂ” с входом сброса О-триггера, выход которого через элемент задержки соединен с входом "Запись" блока цифровой индикации, информационные входы ко- . торого соединены с соответствующими выходами второго счетчика.

Блок управления устройства выполнен в виде двух М-входовых схем И, формирователя импульса сброса, вход которого соединен с выходом первой схемы И, и последовательно включенных генератора тактовых импульсов и М Т-триггеров, причем первым выходом блока управления является выход -первой схемы И, входы которой соединены с прямыми выходами первых М-1 Т-триггеров и инверсным выходом последнего Т-триггера, прямой выход которого соединен с входом второй схемы

И, остальные. входы которой соединены с

1718133

40

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 формуле

М=Ц1оВ 1+1, хмин где Е(х) — целая часть числа х;

Uo — значение максимального напряжения на входе устройства, относительно которого измеряются изменения напряжения;

0х 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; f —. на первом выходе блокауправления- сигнал, открывающий вход прямого счета реверсивного счетчика; g — на втором выходе блока управления; h — на выходе 0-триггера — на управляющем входе второго ключа; — на управляющем входе первого ключа, открывающем вход обратного счета РС2.

Устройство содержит преобразователь

1 входного напряжения в частоту(ПНЧ), реверсивный счетчик "2, счетчик 3, ключи 4-6, О-триггер 7, схемы ИЛИ 8-9, блок 10 управления, блок 11 цифровой регистрации и элемент f2 задержки, Входы прямого и обратного счета реверсивного счетчика 2 с выходом НКЧ-1 соединены 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 D-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 t1 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 0-триггера 7.

Одновременно высоким уровнем напряжения с выхода И 13 (выход 1 блока 10 управления), поступающим на управляющий вход ключа 4, открывается. вход н рямого счета реверсивного счетчика 2.

В течение промежутка времени от t> до

tz реверсивный счетчик 2 заполняется с входа прямого счета импульсами, частота которых пропорциональна опорному напряжению Uo.

Длительность t2-t1определяется временем нахождения в единичном состоянии триггера Т 17.

В момент времени t2 к входу преобразователя 1 напряжение-частота подключается источник напряжения (14 < 14). 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 tz no ta поступает высокий уровень напряжения с выхода 2 блока 10 управления (выход схемы И 14).

В момент времени тэ 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 К6, разрешает про1718133

10 хождение импульсов с тактового генератора

16 в счетчик 3.

Таким образом на отрезке временИ от t1 до t2 реверсивный счетчик 2 заполняе.ся с входа прямого счета импульсами, частота следования которых пропорциональна Оо, а с момента t2 — с входа обратного счета импульсами, частота следования которых пропорциональна Ux(Ux < Uo).

Поэтому, так как t2- t1= тз- t2; к моменту времени u s счетчике 2 останется записанным число импульсов, пропорциональное разности напряжений Up - Ux. С этого мо. мента времени (тз) начинает заполняться счетчик 3 импульсами с генератора 16 тактовых импульсов. Заполнение счетчика 3 продолжается до тех пор, пока содержимое реверсивного счетчика 2 не пройдет через ноль, при этом на выходе реверсивного счетчика 2 появляется импульс обратного переноса, поступающий через схему ИЛИ 9 на вход "Сброс" 0-триггер 7, и низкий уровень напряжения на его выходе отключает вход счетчика 3 от выхода генератора тактовых импульсов.

Очевидно, время (t4 — тз) заполнения счетчика 3 прямо пропорционально разности напряжений (Up Ux) — числу импульсов, оставшихся в реверсивном счетчике 2 к моменту времени тз, и обратно пропорционально напряжению Ох (обратно пропорционально частоте следования импульсов, поступающих на вход обратного счета реверсивного счетчика 2, т.е, Uo Ux д — 11 — — Ид, где цк- коэффициент пропорциональности;

Ng -число импульсов, зафиксированное счетчиком 3 к моменту времени t4, Определим, каким образом коэффициент пропорциональности связан с параметрами устройства.

Можно записать fp = SUp, (1)

1 х = SUx, (2) где Uo u Ux — напряжения на входе блока

ПНЧ t;

4 и fx — соответствующие им частоты на выходе ПНЧ 1;

S — крутизна преобразования ПНЧ 1.

Число импульсов, прошедшее в реверсивный счетчик 2 с входа прямого счета, равно

No =

Nx тх(тЗ тг). (4)

С учетом (1) и (2) и (3) и (4) можно определить число импульсов, оставшееся s счетчике 2 к моменту тз

No Nx = S(Uo- Ох@2 "И) (5) Время (t4-tç) заполнения счетчика 3 определяется из

М- з=

S Ux

М-1 Е((о92 ), (12) хмин где Ux мин значение минимального H3npsl45 жения на входе устройства;

E(X) — целая часть числа X.

Предлагаемое устройство позволяет измерять относительное изменение убывающих напряжений, является более простым по сравнению с известным и обеспечивает более высокую точность измерения диэлектрических потерь в резонансных диэлькометрических анализаторах, например в резонансных измерителях диэлектрической

55 проницаемости типа ТАНГЕНС-2М и Ш2-5, основанных на методе прямого замещения.

Принцип действия диэлькометров состоит в том, что к измерительному LC-контуру диэлькометра поочередно подключаются заполненная исследуемым веществом (4о — ((х тх — — — (u - и). (6)

А число Ng импульсов, прошедшее в счетчик 2, равно

10 Uo Ux

Йд = — (у — (12 11)ГГТИ. m где fry(4 — . частота с выхода 3 тактового генератора 16, т.е.

g(=(t2- t1) 1гти.. (8)

Очевидно, коэффициент пропорциональности 9(с равен отношению частот на выходе 3 генератора 16 тактовых импульсов и на входе Т-триггера 7. Это отношение частот можно выбрать таким образом, чтобы

20 получать результат измерения непосредственно в значениях измеряемой проводимости.

Диапазон измерения относительного изменения напряжений ограничивается допустимым временем (т4- тз) заполнения счетчика 3, которое зависит от количества включенных последовательно Т-триггеров.

Для приведенного примера реализации устройства (т4 — тз)- (2(1- 1)(t2 т1); . (9)

t4 тз < 7 тг — t1

С учетом (9) из (6) имеем

Vp — UxMNH t4 — тз 2(м-1) 1 (10)

UxMw t2 t1

Откуда находим число Т-триггеров, обеспечивающее требуемый диапазон измерений

40 2(М-1) о х +1= о . (11

Ux (.) хмин

1718133

10

20

35 емкостная ячейка-датчик или градуированный конденсатор. При подключенной ячейке LC-контур настраивается в резонанс постоянно включенным в него конденсатором переменной емкости, а при подключении к LC-контуру вместо ячейки градуированного конденсатора изменением емкости этого конденсатора. После настройки диэлектрическую проницаемость вещества определяют по шкале градуированного конденсатора, а проводимость gx, эквивалентную диэлектрическим потерям в веществе — по относительному изменению напряжения íà LC-контуре. Известно

Uo Ux .

Ях = Qk — о — - где 00 — напряжение на настроенном в резонанс контуре при незаполненной ячейке;

Vx — напряжение на настроенном в резонанс контуре после введения в ячейку исследуемого вещества;

gg- постоянная — собственная проводимость нагруженного контура, эквивалентная потерям в его элементах.

Из-за наличия активных потерь в веществе Ux < Uo °

Был изготовлен макет предлагаемого устройства и испытан в дизлькометрическом анализаторе с положительными резул ьтатами.

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

nepeoro 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 счетным 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 D-триггера, вход записи которого соединен с вторым выходом блока управления и первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом D-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

M-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 М-1 Т-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 сбро40 са соединен с выходом первого элемента И, а число М Т-триггеров определяется по формуле

М = Е(1оя2 ц )+ 1

0хмин где Е(Х) — целая часть числа Х; 4 — значение максимального напряжения на входе устройства, относительно которого измеряется изменение напряжения;

50 Ux мии — значение минимального напряжения на входе устройства, 1718133 гти

Составитель Л, Фомина

Техред М.Моргентал Корректор С, Черни

Редактор В. Данко

Производетвенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгеред. ув.Гага июне, 101

Заказ 878 Тираж Педиисиее

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и енранаию» ари ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская неб., 4/б