Способ безрезонансного формирования низкогармонического переменного электрического напряжения

 

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 выходов задержанный 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. СП С 4 CJ VJ О О 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 М 5/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1i1 о9 g

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4631064/10 (22) 03.01.89 (46) 30.05.92. Бюл. ЛЬ 20 (71) Физико-технический институт им.

А.Ф.Иоффе (72) В.А.Исупов (53) 354,232 (088,8) (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 электротехнике и радиотехнике и предназначено для пре„„. ЖÄÄ 1737668 А1 ходов задержанный 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.

1737668

Известен способ безрезонансного формирования низкогармонического переменного электрического напряжения, т,е. напряжения, состоящего из низких гармоник преобразуемого синусоидального электрического 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 перемен ного 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 собой пьезоэлектрического и электрострикцион5 ного элементов и передают их разностную деформацию на дополнительный пьезоэлектрический линейный элемент, с которого снимают выходной сигнал, На фиг. 1 показаны зависимости отно10 сительного удлинения элементов входного блока от электрического поля: пьезоэлектрических элементов (Л !пэltÄ) и электрострикционных (Л!ес/!ес), а также их разности (д ), построенные по нашим эксперимен15 тальным данным; на фиг. 2 — зависимость разностной деформации д от времени при разных величинах переменного синусоидального и смещающего постоянного напряжений (а — Есм = О, Епер = 2 10, б Ест=3 10 Enep=6 10, в Е = 6 10

5 . 5

Епер = 9 10 Вlм); на фиг. 3 — один из

1 вариантов устройства для реализации п редложенного способа.

Впервые предложен новый физический

25 принцип формирования низкогармонического переменного электрического напряжения путем преобразования частоты переменного электрического напряжения, основанный на преобразовании электриче30 ского сигнала в механический, что позволяет даже. при малых напряжениях получить большую нелинейность (в случае диэлектрической нелинейности поляризация P зависитотполя Е как Р=яоЕ+АЕ +...и з

35 диэлектрическая проницаемость как e= P/Е

=.ге+ АЕ + ..., т.е. нелинейный член проявляется только при относительно сильных полях, тогда как в случае электромеханической нелинейности, наблюдаемой при электро40 стрикционных процессах, деформация зависит от поля как Л l/! = МЕ уже в слабых г полях). Это позволяет повысить процент выхода гармоники в обработанном сигнале, Кроме того, впервые предложен новый физический принцип, основанный на компенсации сигнала по основной частоте путем компенсации деформаций линейных и нелинейных элементов с последующим преобразованием разностной деформации в выходной электрический сигнал. Для получения необходимых гармоник сигнала во входном блоке нужны нелинейные элементы, для компенсации сигнала по основной частоте необходимы также линейные элементы. Поскольку электрический сигнал сначала преобразуется в механический, необходимо, чтобы линейные и нелинейные элементы обладали электромеханической активностью 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 изменении напряженности поля от отрицательных значений до больших положительных значений величина относительной деформации д (а значит, и абсолютной деформации

Л =д Isx) трижды принимает нулевое значение: при E1= 0 Е2 и Ез, т.е. трижды меняет знак (в оптимальном случае Ез = 2Е2, 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!вх = V2 Чвх = =1Г2 х Eaxlsx (где lsx — расстояние между электродами входного элемента) и постоянного

СМЕщаЮщЕГО НаПряжЕНИя VCM.Ç = E2lax дОЛжно соблюдаться соотношение ч2

=2 Еа,вх!вх/3 = 2 2 Евх вх/3 = 2 1/2 Чвх/3. При этом напряжение на входном блоке меняется в течение периода примерно от-0,25 Ezlax до +1,25 E3lsx и снова до -0,25 Ез!вх, а величина Д шесть раз меняет знак (что и соответствует утроению частоты).

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 V2 = E2lsx = 1Г2 Eaxlsx = 72 Vax, а постоянное напряжение должно быть равным Чем.2 = 0,5Е2!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 L. 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 Чвцх/Vax, 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 L. 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 L 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, 1737668

Оценим деформацию выходного пьезопреобразователя 4: Лвых. Пусть блоки 2, 3 и 4 характеризуются длинами! и площадями поперечного сечения S 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 Л 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 действует одинаковая сила F = и Sl. Поскольку и; = Yi Л; /Ii где Yi — модуль Юнга, то, принимая для простоты расчетов, что Уэс -"Упэ==Увых (поскольку материал тех и других блоков является, как правило, сегнетоэлектрической керамикой, модули Юнга двух родственных материалов могут не отличаться существенно друг от друга), получим два независимых уравнения

Аз -$эс/lэс = пз $пэl!пз, пэ$пэ/!пз = A вых $вых/!вых.

Третьим уравнением является

Ьс + Йэ +Ьых =А

Решая эту систему уравнений, получаем

Ззсэпэ!вых

Л -1вых

ЗэсЗпэ!вых + SBCSeblxln3 + ЗпэЗвых!эс

Для простоты обсуждения положим Iec =

=!пэ, $эс = $пэ, Тогда

$зс1вых

ых

Sec I eblx + 2 $ в ых! зс

ПОЛаГаЯ !вых/13ñ =Л, Seblx/S3c = О, ПОЛучим

Л

Л Х+2 Л

Из этой формулы видно, что при 0- О, т,е. при уменьшении поперечного сечения выходного пьезопреобразователя Лвых стремится к Л, тогда как при заданной величине

0 и увеличении il, величина Лвых также возрастает, приближаясь к А

Возьмем для примера реальные значения Ли 0 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 вых = 0,8 Л.

Рассчитаем выходное напряжение. Для этого исходя из кривых на фиг. 1 и известных величин 1пз u эс построим зависимости

Л lna(V) и Л lac(V), найдем точки их пересечения и определим соответствующие им величины Vz и Чз. Тогда условием наибольшего выхода второй гармоники будет Vaex

5 =v2VBX = Ч2, откуда найдем деформацию пьезоэлектрического элемента входного блока (Л 1пэ)ч - V2 = с!ззЧ2, где 033 — пьезомодуль.

ПолагаЯ, что пРи 1пэ = Iec амплитУДа втоРой гармоники будет определяться разностью

10 !д!! и )д21, т.е. величиной да = ()д! l +!дг !) /2, можно сделать вывод, что амплитудная величина абсолютной деформации 6, (пропорциональная д,) составляет 20,77 от (Л Ine)v - v2, Если мы возьмем то х<е соотношение размеров, что и ранее, т.е. Л= 2, 0 = 0,25, Iвых = 21эс = 21пэ, $вых = 0,25$эс = 0,25$пэ, когда мы получили живых = 0,8Ë, то придем к выводу, что

20 а . вых = "6 6%(1пз)ч-чг. Когда произведение пьезоэлектрических констант бззпзз близко к единице, выходное напряжение

МОЖНО РаССЧИтатЬ КаК Veblx=Ë3, eblx /бЗЗ. Отсюда следует, что Va,вых"=16,6 oV2

=16,6 /Va,e, Это же относится и к эффективным значениям напряжения, Условие получения наибольшего выхода третьей гармоники Ча,вых = 1,5Ч2. Величины да и Ла имеют те же значения. Таким образом, выход третьей гармоники будет меньше в 1,5 раза и будет составлять

16,6 /1,5 = 11% от входного напряжения, т,е. будет все-таки больше, чем в случае и рототипа.

Достоинством изобретения является возможность дальнейшего увеличения выхода гармоник. Если мы составим элементы

2 и 3 входного блока из пэс и ппэ пластинок или дисков соответственно и для простоты

ПОЛОЖИМ Пэс = Ппэ = П (ХОТЯ ЭтО РаВЕНСтВО НЕ является обязательным), мы сможем получить ту же величину деформации упри входном напряжении, меньшим в п раз, есЛИ ПРИ ЭТОМ ВЕЛИЧИНЫ !зс И !пэ бУДУт В П Раэ

45 меньше. Например, если входные преобразователи имеют толщину 5 мм и при п = 1 требуют входного напряжения 2 кВ, чтобы обеспечить выходное напряжение 200 В, то при и = 10 указанное выходное напряжение будет обеспечиваться при входном напряжении 200 В, подаваемом на каждый из элементов толщиной 0,5 мм. Тогда Veых/Veх =

-100 . При большем и можно получить Veblx >

> Vex. Ясно, что предел повышения величины указанного соотношения этим не ограничивается, так как современная технология сегнетокерамики позволяет легко получить так называемые сегнетокерамические пленки толщиной 50 мкм и тоньше.

1737668

45

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 Л 4,(V) и Лi„(V) для различных комбинаций материалов показало, что с отклонением соотношения 0,5

Чз/Чг 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 V x/Ч2 (в случае генерации второй гармоники) или 2Ч,з/Чз и 1,333

Чрх/Чз(в случае генерации третьей гармони5 ки) лежат в пределах от 0,8 до 1,2.

Объединение устройств предлагаемого типа в каскады может позволить высокоэффективное получение более высоких гармоник. Например, B случае двух удваивающих

10 и одного утраивающего преобразователей частоты 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 формирова20 ния низкогармонического переменного электрического 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, отличающийся тем, 30 что, с целью повышения эффективности за счет увеличения амплитуды выходного сигнала, компенсацию сигнала по основной частоте осуществляют путем его преобразования в механическую деформа35 цию разных знаков, жестко связанных между собой и ьезоэлектрического и электрострикционного элемента и передают их разностную деформацию на дополнительный пьезоэлектрический линейный

40 элемент, с которого снимают выходной сигнал.

1737668

Фиг. 2

1737668

45

Составитель В.Исупов

Техред М.Моргентал Корректор А.Осауленко

Редактор 3.Ходакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1903 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5