Фазогенераторный измерительный преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования контролируемого физического параметра в электрический сигнал. Преобразователь содержит управляемый синхронизируемый генератор, к управляющему входу которого подключен датчик. Выход генератора подключен к обоим входам первого смесителя и входу второго полосного усилителя. К выходу первого смесителя подключен вход первого полосного усилителя. Выходы первого и второго полосных усилителей подключены к входам второго смесителя. Выход второго смесителя подключен к синхронизирующему входу генератора. Выходы генератора и второго полосного усилителя подключены также к первому входу блока измерения разности фаз. Выход блока измерения разности фаз соединен с регистратором. Предлагаемый преобразователь позволяет увеличить точность измерения сверхмалых отклонений контролируемого физического параметра. 2 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.

Другим аналогом предлагаемого изобретения является фазогенераторный измерительный преобразователь [2]. Преобразователь содержит опорный генератор, управляемую автоколебательную систему с комбинационным взаимодействием сигналов трех частот и измеритель разности фаз двух сигналов с одинаковой частотой.

Недостатками аналога [2] являются недостаточная чувствительность и наличие синхронизации на кратных гармониках.

Наиболее близким к изобретению аналогом является фазогенераторный измерительный преобразователь [3]. Устройство содержит два взаимосвязанных через цепь связи синхронизируемых генератора, один из которых управляется датчиком, и измеритель разности фаз выходных сигналов синхронизируемых генераторов. 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 и стабильности фазогенераторного измерительного преобразователя при использовании низкодобротных резонансных цепей.

С этой целью в фазогенераторный измерительный преобразователь, содержащий управляемый синхронизируемый генератор, к управляющему входу которого подключен датчик, а выход подключен к первому входу блока измерения разности фаз, и регистратор, который подключен к выходу блока измерения разности фаз, введены первый смеситель, оба входа которого подключены к выходу управляемого синхронизируемого генератора, первый полосный усилитель, вход которого подключен к выходу первого смесителя, а выход подключен к первому входу второго смесителя, второй полосный усилитель, вход которого подключен к выходу управляемого синхронизируемого генератора, а выход подключен ко вторым входам второго смесителя и блока измерения разности фаз, причем выход второго смесителя подключен к синхронизирующему входу управляемого синхронизируемого генератора.

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

На фиг.1 представлена структурная схема фазогенераторного измерительного преобразователя.

Преобразователь содержит датчик 1, управляемый синхронизируемый генератор 2, смесители 3, 6, полосные усилители 4, 5, блок измерения разности фаз 7 и регистратор 8.

К управляющему входу управляемого синхронизируемого генератора 2 подключен датчик 1. К обоим входам смесителя 3, к входу полосного усилителя 5 и к первому входу блока 7 измерения разности фаз подключен выход управляемого синхронизируемого генератора 2. Вход полосного усилителя 4 подключен к выходу смесителя 3, а выход подключен к первому входу смесителя 6, выход которого подключен к синхронизирующему входу генератора 2. Выход полосного усилителя 5 подключен ко вторым входам смесителя 6 и блока измерения разности фаз 7.

На фиг. 2 изображены графики, иллюстрирующие преобразование выходного параметра датчика в фазовый сдвиг, определяющий баланс фаз в установившемся режиме работы преобразователя.

Приведены фазочастотные характеристики: ϕ₁(ω) - зависимость фазового сдвига от частоты между сигналом синхронизации и выходным сигналом синхронизируемого генератора; ϕ^*₁(ω) - аналогичная зависимость при другом значении выходного параметра датчика; ϕ₂(ω) - зависимость фазового сдвига от частоты между выходным сигналом синхронизируемого генератора и сигналом синхронизации по петле внешней обратной связи.

Устройство работает следующим образом.

Изменение измеряемой физической величины вызывает изменение значения выходного параметра датчика 1, который, в свою очередь, смещает по оси частот парциальную частоту ω₁₀ управляемого синхронизируемого генератора 2 и его фазочастотную характеристику ϕ₁(ω). Парциальная частота определяется как точка пересечения фазочастотной характеристики с осью частот.

Смесители 3,6 и полосные усилители 4,5 образуют петлю внешней обратной связи. Ее следует рассматривать как эквивалентный полосный усилитель с инверсной по отношению к характеристике генератора 2 фазочастотной характеристикой ϕ₂(ω). Инверсность характеристики достигается следующим образом. Смесители 3 и 6 балансные. Смеситель 3 необходим для выделения сигнала с суммарной частотой, а смеситель 6 для выделения сигнала с разностной частотой. Полосный усилитель 4 настраивается на удвоенную парциальную частоту генератора 2. Полосный усилитель 5 двухкаскадный. Оба каскада настраиваются на парциальную частоту генератора 2. Добротность (наклон и крутизна фазочастотной характеристики) каскадов усилителя 5 и усилителя 4 одинаковая и примерно равна добротности фазочастотной характеристики генератора 2. Фазогенераторный преобразователь представляет из себя автоколебательную систему. Если в установившемся режиме частота ω₀ сигнала, генерируемого автоколебательной системой не совпадает с парциальной частотой генератора 2, то в каждом каскаде усилителя 5 и в усилителе 4 сигнал получит дополнительный фазовый сдвиг Δϕ. В результате сигнал с разностной частотой 2ω₀-ω₀ на выходе смесителя 6 будет иметь эквивалентный дополнительный фазовый сдвиг Δϕ-2Δϕ = -Δϕ по отношению к выходному сигналу генератора 2. Это справедливо для любой частоты генерируемого сигнала. Инверсная характеристика ϕ₂(ω) приведена на фиг. 2.

Установившийся режим в автоколебательной системе определяется балансом амплитуд, который будем считать выполненным в полосе синхронизации генератора 2, и балансом фаз, который определяет частоту ω₀ генерируемого сигнала. Выражение для баланса фаз имеет вид: ϕ₁(ω₀) = -ϕ₂(ω₀), (1) где ϕ₁(ω₀) - фазовый сдвиг сигнала в синхронизируемом генераторе 2; ϕ₂(ω₀) - фазовый сдвиг сигнала в эквивалентном полосном усилителе с инверсной фазочастотной характеристикой.

Для описания фазочастотных характеристик полосных резонансных усилителей и синхронизируемого генератора используем известное выражение где Q - добротность, которая обратно пропорциональна наклону характеристики и определяются выражением Q = ω₁₀/2Δω, в котором Δω измеряется при отклонении частоты, вызвавшем фазовый сдвиг π/4.

Баланс фаз примет вид:
Из (3) видно, что при равенстве ω₁₀ = ω₂₀, где ω₂₀ - резонансная частота эквивалентного полосного усилителя, частота генерируемого сигнала будет равна парциальной частоте генератора 2, а фазовые сдвиги будут равны нулю. В общем случае из (3) получим выражение для частоты генерируемого сигнала:

Так как знаменатель (4) может быть близок к нулю, то чувствительность частоты генерируемого сигнала к отклонению парциальной частоты генератора 2 очень высока.

Линеаризуя (2) в области полосы синхронизации генератора 2 получим выражение для фазового сдвига, соответствующего балансу фаз в установившемся режиме:

где k - нормирующий коэффициент.

Как и частота генерируемого сигнала, фазовый сдвиг имеет высокую чувствительность к отклонению парциальной частоты генератора 2.

На входы блока 7 измерения разности фаз подаются сигналы с входа и с выхода полосного двухкаскадного усилителя 5, следовательно, измеряется удвоенное значение фазового сдвига (5).

Регулировка чувствительности преобразователя осуществляется изменением добротности фазочастотной характеристики синхронизируемого генератора 2.

На фиг. 2 показано, что небольшое смещение характеристики генератора 2 из положения ϕ₁(ω) в положение ϕ^*₁(ω) вызывает значительно большее смещение частоты генерируемого сигнала от значения ω₀ до значения ω^*₀ и соответствующее изменение фазового сдвига от нуля до значения ϕ_б.

Кроме высокой чувствительности к изменению контролируемого датчиком физического параметра преобразователь обладает высокой стабильностью, так как воздействие возмущающих факторов, например температуры, вызывает односторонние смещения парциальной и резонансных частот генератора 2 и усилителей 4, 5, при этом значение фазового сдвига в уравнении баланса фаз остается неизменным. Это подтверждается следующим выражением:

Видно, что условием абсолютной инвариантности будет равенство относительных отклонений парциальной и резонансной частот:

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

3. Болознев В.В. Функциональные преобразователи на основе связанных генераторов. - М.: Радио и связь, 1982 (стр. 56, рис. 24б).

Формула изобретения

Фазогенераторный измерительный преобразователь, содержащий управляемый синхронизируемый генератор, к управляющему входу которого подключен датчик, а выход подключен к первому входу блока измерения разности фаз, регистратор, который подключен к выходу блока измерения разности фаз, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и стабильности, в него введены первый смеситель, оба входа которого подключены к выходу управляемого синхронизируемого генератора, первый полосный усилитель, вход которого подключен к выходу первого смесителя, а выход подключен к первому входу второго смесителя, второй полосный усилитель, вход которого подключен к выходу управляемого синхронизируемого генератора, а выход подключен ко вторым входам второго смесителя и блока измерения разности фаз, причем выход второго смесителя подключен к синхронизирующему входу управляемого синхронизируемого генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2