Фазогенераторный измерительный преобразователь

 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования контролируемого физического параметра в электрический сигнал. Преобразователь представляет собой автоколебательную систему с комбинационным взаимодействием сигналов трех частот. Преобразователь включает опорный генератор и замкнутую петлю из двух смесителей, управляемого полосного усилителя и эквивалентного полосного усилителя. Управляющий вход управляемого полосного усилителя подключен к датчику. Эквивалентный полосный усилитель образован четырьмя полосными усилителями и двумя смесителями. Преобразователь содержит также блок измерения фазы. На один из входов блока измерения фазы поступает сигнал разности между сигналом с выхода управляемого полосного усилителя и сигналом с выхода эквивалентного полосного усилителя. В блоке измерения фазы измеряется фазовый сдвиг между разностным сигналом и сигналом опорного генератора. Преобразователь имеет высокую чувствительность к малым изменениям параметра датчика при использовании низкодобротных усилителей. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования измеряемого физического параметра в электрический сигнал.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрен фазогенераторный преобразователь [1]. Преобразователь содержит задающий генератор, выход которого соединен с буферным каскадом и с измерителем разности фаз, измерительный синхронизируемый генератор и резонансный усилитель, которые соединены через фазовращатель, причем вход синхронизируемого генератора подключен к выходу буферного каскада, а выход резонансного усилителя подключен ко второму входу измерителя разности фаз. Недостатками аналога [1] являются недостаточная чувствительность, которая определяется добротностью резонансных цепей, и низкая точность преобразования из-за высокой чувствительности к внешним возмущениям, например к температуре.

Другими аналогами предлагаемого изобретения являются функциональные преобразователи на основе связанных генераторов [2].

Наиболее близким к изобретению аналогом является фазогенераторный измерительный преобразователь [3] . Устройство содержит каскадное поочередное соединение в кольцо смесителей и синхронизируемых генераторов, один из которых управляется датчиком, а на вторые входы смесителей подается сигнал опорного генератора. Выходы синхронизируемых генераторов подключены к блоку выделения сигнала разностной частоты, который вместе с сигналом опорного генератора подается на измеритель фазы и регистратор. Основным недостатком преобразователя является ограниченная чувствительность, которая определяется добротностью резонансных цепей синхронизируемых генераторов. Добротность не может быть высокой из-за включения в резонансные цепи датчика и из-за трудностей синхронизации.

Цель изобретения - увеличение чувствительности фазогенераторного преобразователя при использовании низкодобротных резонансных цепей.

Техническим результатом, который может быть достигнут при использовании изобретения, является измерение сверхмалых отклонений параметра датчика.

На чертеже представлена структурная схема фазогенераторного измерительного преобразователя.

Преобразователь содержит датчик 1, управляемый полосный усилитель 2, полосные усилители 3, 4, 5, 6, смесители 7, 8, 9, 10, 11, опорный генератор 12, блок измерения фазы 13 и регистратор 14.

К управляющему входу управляемого полосного усилителя 2 подключен датчик 1. К первому входу смесителя 8 подключен выход управляемого полосного усилителя 2, а выход подключен к входу полосного усилителя 3. Выход смесителя 7 подключен к входу управляемого полосного усилителя 2. Ко второму входу смесителя 11 подключен выход управляемого полосного усилителя 2, а выход смесителя подключен к первому входу блока измерения фазы 13. Выход опорного генератора 12 подключен ко вторым входам смесителей 7, 8 и блока измерения фазы 13. К выходу блока измерения фазы 13 подключен регистратор 14. Оба входа смесителя 9 и вход полосного усилителя 4 подключены к выходу полосного усилителя 3. К выходу смесителя 9 подключен полосный усилитель 5. К входам смесителя 10 подключены выходы полосных усилителей 4 и 5, а к выходу смесителя подключен вход полосного усилителя 6, выход которого подключен к первым входам смесителей 7 и 11.

Устройство работает следующим образом.

Изменение измеряемой физической величины вызывает изменение значения выходного параметра датчика 1, который, в свою очередь, смещает по оси частот фазочастотную характеристику ϕ₁(ω₁) управляемого полосного усилителя 2. Резонансная частота ω₁₀ полосного усилителя 2 определяется по нулевому фазовому сдвигу гармонического сигнала. Если полосный усилитель 2 является фильтром второго порядка, то его фазочастотная характеристика описывается выражением где Q₁ - добротность фильтра.

Полосные усилители 3, 4, 6 настроены на резонансную частоту ω₂₀, усилитель 4 многокаскадный. Фазочастотные характеристики усилителей 3, 6 и каскадов усилителя 4 имеют аналогичный вид: Полосный усилитель 5 настроен на удвоенную частоту 2ω₂₀.

Полосные усилители 3, 4, 5, 6 и смесители 9, 10 в совокупности соответствуют эквивалентному полосному усилителю с резонансной частотой ω₂₀ и зеркальной относительно оси частот фазочастотной характеристикой Покажем это на примере, когда добротности полосных усилителей 3,5, 6 и каскадов полосного усилителя 4 одинаковые, а число каскадов равно четырем. Пусть частота ω₂ входного гармонического сигнала усилителя 3 отличается от его резонансной частоты ω₂₀. После прохождения сигнала через усилитель он приобретает дополнительный фазовый сдвиг ψ. После прохождения сигнала через четырехкаскадный усилитель 4, дополнительный фазовый сдвиг увеличивается до значения 5ψ. С помощью смесителя 9 происходит удвоение частоты и соответственно дополнительного фазового сдвига сигнала, поступающего с выхода усилителя 3. После фильтрации выходного сигнала смесителя 9 с помощью полосного усилителя 5, сигнал двойной частоты будет иметь дополнительный фазовый сдвиг 3ψ. С помощью смесителя 10 и полосного усилителя 6 выделяется сигнал разностной частоты и начальной фазы. Частота сигнала будет равна частоте входного сигнала, а дополнительный фазовый сдвиг, с учетом фазового сдвига в усилителе 6, будет равен -ψ, то есть знак дополнительного фазового сдвига стал противоположным по сравнению с обычным полосным усилителем при одной и той же расстройке.

При наличии сигнала опорного генератора с частотой ω₃, выполнении условий баланса амплитуд и баланса фаз, замкнутая петля из смесителей 7, 8, управляемого полосного усилителя 2 и эквивалентного полосного усилителя с зеркальной фазочастотной характеристикой является автоколебательной системой с комбинационным взаимодействием сигналов трех частот [4]. Частоты генерируемых сигналов определяются системой уравнений: Решая (4) с использованием (1) и (3) получим:

С помощью смесителя 11 выделяется сигнал с разностной частотой ω₁-ω₂, которая равна частоте опорного генератора. В блоке измерения фазы 13 происходит преобразование фазового сдвига между сигналом опорного генератора и сигналом с разностной частотой, который равен удвоенной величине фазового сдвига в полосных усилителях в установившемся режиме работы автоколебательной системы, например в амплитуду сигнала. Измеряемый фазовый сдвиг определяется выражением:

Линеаризуем (7) в области полосы пропускания усилителей

и найдем чувствительность измеряемого фазового сдвига к вариации резонансной частоты управляемого полосного усилителя:

Из (9) видно, что в предлагаемом изобретении при низкодобротных полосных усилителях можно получить чувствительность измеряемого фазового сдвига к изменению контролируемого датчиком 1 физического параметра, стремящуюся к бесконечности. Регулирование чувствительности осуществляется изменением добротности полосного усилителя.

Предлагаемый фазогенераторный преобразователь позволяет увеличить точность измерения сверхмалых отклонений контролируемого физического параметра.

Источники информации
1. Артемьев В.А., Сергеев В.И. Устройство для измерения неэлектрических величин. А.с. СССР 523279, кл. G 01 D 5/243, 1976.

2. Болознев В.В. Функциональные преобразователи на основе связанных генераторов. - М.: Радио и связь, 1982.

3. Шакурский В. К., Новиков С.Д. Фазогенераторный измерительный преобразователь. А.с. СССР 1368637, кл. G 01 D 5/243, 1988.

4. Уткин Г.М. Автоколебательные системы и волновые усилители. М.: Советское радио, 1978.

Формула изобретения

Фазогенераторный измерительный преобразователь, содержащий управляемый полосный усилитель, к управляющему входу которого подключен датчик, смеситель, к первому входу которого подключен выход управляемого полосного усилителя, а выход подключен к входу второго полосного усилителя, второй смеситель, выход которого подключен к входу управляемого полосного усилителя, третий смеситель, ко второму входу которого подключен выход управляемого полосного усилителя, а выход подключен к первому входу блока измерения фазы, опорный генератор, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго смесителей и блока измерения фазы, регистратор, который подключен к выходу блока измерения фазы, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, в него введены четвертый и пятый смесители и третий, четвертый и пятый полосные усилители, причем оба входа четвертого смесителя и вход третьего полосного усилителя подключены к выходу второго полосного усилителя, к выходу четвертого смесителя подключен вход четвертого полосного усилителя, к входам пятого смесителя подключены выходы третьего и четвертого полосных усилителей, а к его выходу подключен вход пятого полосного усилителя, выход которого подключен к первым входам второго и третьего смесителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1