Прецизионный частотно-импульсный измеритель

 

Использование: в системах, построенных на базе прецизионных частотно-импульсных измерителей. Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет формирования уравновешивающего сигнала, точного по амплитуде и по длительности, кратной периоду кварцевого генератора, и осуществлении подавления сигнала помехи, не внося искажения полезного сигнала, что также повышает точность измерения параметра. Прецизионный частотно-импульсный измеритель содержит релейный элемент с гистерезисом, D-триггер, мостовую схему, стабилизатор тока, кварцевый генератор, первый и второй интеграторы, сравнивающее устройство. Измерение параметра осуществляется путем формирования уравновешивающего сигнала, компенсирующего отклонение чувствительного элемента, и преобразования этого сигнала в прецизионную частотно-импульсную последовательность с одновременной фильтрацией полезного сигнала. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электронной измерительной техники и может быть использовано в системах, построенных на базе прецизионных частотно-импульсных измерителей.

Известен частотно-импульсный измеритель [1], содержащий преобразователь напряжения в частоту, первый и второй делители частоты, преобразователь частоты в среднее значение постоянной величины, генератор, стабилизатор напряжения, триггер, коммутатор, первый, второй и третий ключи.

Недостаток этого известного частотно-импульсного измерителя в его сложности и низкой точности измерения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является прецизионный частотно-импульсный измеритель [2], содержащий датчик измеряемого параметра, блок широтно-импульсной модуляции, усилитель, кварцевый генератор, стабилизатор тока, первый, второй, третий и четвертый ключи, соединенные по мостовой схеме, первый и второй делители частоты.

Недостаток этого измерителя состоит в том, что он не обеспечивает высокой точности из-за невозможности формирования длительности выходного импульса блока широтно-импульсной модуляции, кратной периоду выходного сигнала кварцевого генератора.

Задача изобретения - повышение точности прецизионного частотно-импульсного измерителя.

Эта задача достигается тем, что в прецизионный частотно-импульсный измеритель, содержащий датчик измеряемого параметра, первый усилитель, кварцевый генератор, стабилизатор тока, мостовую схему, образованную цепью из последовательно соединенных второго и первого ключей, параллельно которой включена вторая цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого ключей, в диагональ мостовой схемы включена цепь формирования уравновешивающего сигнала датчика измеряемого параметра, выход которого соединен с входом первого усилителя, а выход стабилизатора тока соединен с входом мостовой схемы, дополнительно введены последовательно соединенные сравнивающее устройство, второй усилитель, сумматор, первый интегратор, релейный элемент с гистерезисом и D-триггер, а также инвертор, второй интегратор, первый и второй элементы И, выходы которых соединены соответственно с первой и второй шинами выходного сигнала, а первые входы элементов И соединены с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу кварцевого генератора и С-входу D-триггера, неинверсный выход которого соединен с инвертирующим входом сумматора, вторым входом первого элемента И и входами управления второго и четвертого ключей мостовой схемы, инверсный выход D-триггера соединен со вторым входом второго элемента И, входами управления первого и третьего ключей мостовой схемы и вторым неинвертирующим входом сумматора, третий неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго интегратора, подключенного своим входом к выходу сравнивающего устройства, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого усилителя, а инвертирующий вход соединен с выходом первого интегратора.

На чертеже приведена блок-схема прецизионного частотно-импульсного измерителя. На этой схеме: 1 - датчик измеряемого параметра, 2 - первый усилитель, 3 - релейный элемент с гистерезисом, 4 - D-триггер, 5 - кварцевый генератор, 6 - первый ключ, 7 - второй ключ, 8 - третий ключ, 9 - четвертый ключ, 10 - стабилизатор тока, 11 - первый элемент И, 12 - второй элемент И, 13 - первая шина выходного сигнала, 14 - вторая шина выходного сигнала, 15 - мостовая схема, 16 - сравнивающее устройство, 17 - второй усилитель, 18 - первый интегратор, 19 - второй интегратор, 20 - сумматор, 21 - инвертор.

В прецизионном частотно-импульсном измерителе первый усилитель 2, сравнивающее устройство 16, второй усилитель 17, сумматор 20, первый интегратор 18, релейный элемент с гистерезисом 3 и D-триггер 4 соединены последовательно, выход датчика измеряемого параметра 1 соединен с входом первого усилителя 2, выходы первого 11 и второго 12 элементов И соединены соответственно с первой 13 и второй 14 шинами выходного сигнала, а первые входы элементов И соединены с выходом инвертора 21, вход которого подключен к выходу кварцевого генератора 5 и С-входу D-триггера 4, неинверсный выход которого соединен с инвертирующим входом сумматора 20, вторым входом первого элемента И 11 и входами управления второго 7 и четвертого 9 ключей мостовой схемы 15, инверсный выход D-триггера 4 соединен со вторым входом второго элемента И 12, входами управления первого 6 и третьего 8 ключей мостовой схемы 15 и вторым неинвертирующим входом сумматора 20, третий неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго интегратора 19, подключенного своим входом к выходу сравнивающего устройства 16, инвертирующий вход соединен с выходом первого интегратора 18. Мостовая схема 15 образована цепью из последовательно соединенных второго 7 и первого 6 ключей, параллельно которой включена вторая цепь из последовательно соединенных третьего 8 и четвертого 9 ключей, в диагональ мостовой схемы включена цепь формирования уравновешивающего сигнала датчика измеряемого параметра 1, выход стабилизатора тока 10 соединен со входом мостовой схемы 15.

Рассмотрим работу прецизионного частотно-импульсного измерителя на примере использования в качестве датчика измеряемого параметра акселерометра маятникового типа. В зависимости от измеряемого ускорения чувствительный элемент (маятник) акселерометра отклоняется и величина отклонения регистрируется датчиком. Если на вход акселерометра подавать сигнал, уравновешивающий отклонение чувствительного элемента, то величина этого сигнала (тока обратной связи l_oc) будет в точности соответствовать значению измеряемого ускорения а, т.е.

a = kl_ос, где к - масштабный коэффициент.

Пусть на акселерометр действует ускорение а. Под действием этого ускорения чувствительный элемент начинает отклоняться, и выходной сигнал U₁ датчика измеряемого параметра 1 поступает на вход усилителя 2, с выхода которого сигнал U₁ поступает на неинвертирующий вход сравнивающего устройства 16, а с его выхода сигнал S₁, пройдя через второй усилитель 17, сумматор 20 и первый интегратор 18 поступает на вход релейного элемента с гистерезисом 3. При достижении выходным сигналом Z первого интегратора 18 значения h включается релейный элемент с гистерезисом 3 и его выходной сигнал U_P=1 (высокий уровень) поступает на D-вход триггера 4. Импульсом с генератора 5 D-триггер 4 переводится в единичное состояние, и его выходной сигнал U₊=1 с неинверсного выхода поступает на вход управления второго 7 и четвертого 9 ключей мостовой схемы 15, второй вход первого элемента И 11 и инвертирующий вход сумматора 20. С этого момента времени стабилизатор тока 10 формирует уравновешивающий сигнал l_oc через открытые второй 7 и четвертый 9 ключи на вход датчика измеряемого параметра 1, а с выхода первого элемента И 11 импульсы f₊, формируемые генератором 5 и инвертором 27, поступают на первую шину выходного сигнала 13. Ток обратной связи loc направлен таким образом, чтобы препятствовать дальнейшему перемещению чувствительного элемента, и выбирается из условия l_oc>l_max, где l_max - максимально возможное значение тока, соответствующего сигналу, уравновешивающему максимально возможное измеряемое ускорение а_мах.

С момента включения второго 7 и четвертого 9 ключей чувствительный элемент акселерометра начинает перемещаться в обратном направлении, выходной сигнал U_D датчика измеряемого параметра 1 уменьшается, уменьшается также и выходной сигнал Z первого интегратора 18, и при выходном сигнале Z=-h переключается релейный элемент с гистерезисом 3, и его выходной сигнал U_P=0 переводит триггер 4 в нулевое состояние. Выходной сигнал триггера 4 с инверсного выхода U_ = 1 поступает на вход управления первого 6 и третьего 8 ключей мостовой схемы 15, второй неинвертирующий вход сумматора 20 и второй вход второго элемента И 12. С этого момента времени стабилизатор тока 10 формирует уравновешивающий сигнал l_oc другого направления через открытые первый 6 и третий 8 ключи на вход датчика измеряемого параметра 1, а с выхода второго элемента И 12 импульсы f_- от генератора 5 поступают на вторую шину выходного сигнала 14. С этого момента времени чувствительный элемент акселерометра начинает перемещаться в обратном направлении, выходной сигнал U_d датчика измеряемого параметра 1 увеличивается, и при выходном сигнале первого интегратора 18 Z=h переключается релейный элемент с гистерезисом 3, и его выходной сигнал U_P=1 переводит триггер 4 в единичное состояние. Далее процесс переключения триггера 3 и формирования выходных сигналов f₊ и f_- повторяется аналогично уже описанному.

Найдем соотношение между выходным сигналом U₁ первого усилителя 2 и выходным сигналом Z первого интегратора 18. Пусть выходной сигнал U₁ равен U₁ = X+μ, (2) где Х - полезный сигнал датчика измеряемого параметра, μ - сигнал помехи.

Введем обозначение U = U_- - U₊. (3) Запишем очевидные соотношения в операторной форме где R₁ - выходной сигнал сумматора 20, k₁ - коэффициент передачи второго усилителя 17, k₀ - масштабный коэффициент второго интегратора 19, ε_q- выходной сигнал второго интегратора 19, р≡d/dt - оператор.

Предположим, что U = dX/dt + q, dX/dt = pX, (5) где q - величина, на которую отличается истинное значение скорости изменения полезного сигнала Х от сигнала U.

Пусть на акселерометр действует ускорение а. Чувствительный элемент акселерометра начинает отклоняться со скоростью, пропорциональной измеряемому ускорению а. Если с помощью уравновешивающего сигнала удерживать чувствительный элемент в среднем в неподвижном положении, то уравновешивающий сигнал в среднем равен измеряемому ускорению а. Скорость изменения сигнала Х определяется разностью сигналов (а-U), тогда величина q, на которую отличается истинное значение скорости изменения полезного сигнала Х от сигнала U, равна измеряемому ускорению а, которая, как правило, является медленно меняющейся функцией, т.е.

q≅const. (6)
Из (4) имеем
Z = X + Wμ(p)μ + W_q(p)q, (7)
где
Wμ(p) = (k₁p + k₀)/(p₂ + k₁p + k₀), (8)
Wq(p) = p/(p² + k₁p + k₀). (9)
Как следует из (7), полезный сигнал Х проходит через фильтр без искажения, сигнал помехи μ проходит через звено с передаточной функцией Wμ(p). С учетом (6) составляющая сигнала q после прохождения через звено с передаточной функцией W_q(р) близка к нулю (dq/dt≅0). Коэффициент Kμ подавления сигнала помехи μ равен
K_μ = |Wμ(jω|^-1. (10)
Таким образом, полезный сигнал Х без искажения проходит на выход первого интегратора 18, а сигнал помехи μ ослабляется в Кμ раз.

Пусть T₁ - время нахождения D-триггера 4 в единичном состоянии, Т₂ - время нахождения D-триггера 4 в нулевом состоянии, То - период следования импульсов F кварцевого генератора 5. Для интервала времени (T₁+T₂) справедливо соотношение
a(T₁ + T₂) = kl_oc(T₁ - T₂), (11)
или
a = kl_oc(n₁ - n₂)T₀(T₁ + T₂)^-1, (12)
где n₁ - число импульсов генератора 5 за время T₁ (выходной сигнал f₊), n₂ - число импульсов генератора 5 за время Т₂ (выходной сигнал f_-). Таким образом, в соответствии с (12) измеряемый сигнал а на интервале времени (T₁+Т₂) определяется разностью числа импульсов (n₁-n₂).

Эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в повышении точности прецизионного частотно-импульсного измерителя. Оценим вначале точность предлагаемого изобретения. Основными параметрами, влияющими на точность измерения, являются погрешности кварцевого генератора 5 и стабилизатора тока 10. Погрешность Δа измеряемого ускорения можно представить в виде
Δa = k(Δl_oct_a+Δt_al_oc), (13)
где t_a=(T₁-T₂)/(T₁+T₂), Δl_ос - погрешность стабилизатора тока 10, Δt_a - погрешность формирования величины t_a. Пусть относительная погрешность δl стабилизатора тока 10 равна 10^-4, а относительная погрешность δ кварцевого генератора 10^-5. Тогда при l_oc=10 мА, k=1 м/с²мА и а=8 мс^-2, t_a=0,8, что следует из (11), Δta определяется погрешностью кварцевого генератора 5 и равна 0,8•10^-5, а погрешность измерения ускорения Δа=0,9•10^-3мс^-2. Относительная погрешность измерения δа ускорения будет равна Δа/а=1,1•10^-4, что составляет 0,011%.

Оценим погрешность известного измерителя [2]. Основная погрешность известного решения определяется неточностью формирования интервалов широтно-импульсной модуляции вследствие невозможности формирования указанных интервалов кратно периоду Т₀ кварцевого генератора. В результате погрешность ΔТ формирования интервалов составляет величину Т₀. Для рассмотренного выше случая основную погрешность измерения Δа можно записать в виде
Δa = kl_ocΔT/T = kl_ocT₀/T, (14)
где Т - период широтно-импульсной модуляции. Для Т=0,001 с, То=10^-6 с значение Δа=0,01 Мс^-2. Относительная погрешность δа=δа/а известного решения составит 0,0012 или 0,12%, что значительно хуже, чем у предлагаемого изобретения.

Предлагаемое изобретение позволяет значительно ослабить влияние помех на процесс формирования выходного сигнала, что также повышает точность измерения. Чувствительные элементы датчика измеряемого параметра (акселерометра) обладают той особенностью, что их выходной сигнал имеет малую величину по сравнению с возможными сигналами помехи, уровень которых может в десятки раз превышать уровень полезного сигнала. Если предположить, что сигнал помехи в десять раз больше полезного сигнала, то текущее (измеренное) значение параметра (ускорения) настолько будет отличаться от фактического значения, что использование такого сигнала не представляется возможным (это отличие может достигать 100 и более %).

Оценим эффект от предлагаемого изобретения. Предположим, что в рассматриваемой схеме h=0,1 В, k₁=6 с^-1, k₀=3 с^-2, μ=3 В, ω_μ =6000 с^-1. В соответствии с (10) коэффициент Кμ подавления сигнала помехи будет равен 1000, что приводит к уменьшению сигнала помехи μ на выходе первого интегратора 18 до уровня 0,003В. Такой уровень помехи не оказывает влияние на формирование выходного сигнала, что повышает точность измеряемого сигнала до значения точности в условиях отсутствия помех.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы логические элементы И, триггеры, инверторы, ключи любых серий, например серии 564, стандартные релейные элементы, стабилизаторы тока, кварцевые генераторы, усилители, интеграторы, сумматоры.

Источники информации
1. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. - Энергия. Ленинградское отделение, 1970, с. 364, фиг. 13-2.

2. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. - Энергия. Ленинградское отделение, 1970, с. 371, фиг. 13-6.

Формула изобретения

Прецизионный частотно-импульсный измеритель, содержащий датчик измеряемого параметра, первый усилитель, кварцевый генератор, стабилизатор тока, мостовую схему, образованную цепью из последовательно соединенных второго и первого ключей, параллельно которой включена вторая цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого ключей, в диагональ мостовой схемы включена цепь формирования уравновешивающего сигнала датчика измеряемого параметра, выход которого соединен с входом первого усилителя, а выход стабилизатора тока соединен с входом мостовой схемы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные сравнивающее устройство, второй усилитель, сумматор, первый интегратор, релейный элемент с гистерезисом и D-триггер, а также инвертор, второй интегратор, первый и второй элементы И, выходы которых соединены соответственно с первой и второй шинами выходного сигнала, а первые входы элементов И соединены с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу кварцевого генератора и С-входу D-триггера, неинвертирующий выход которого соединен с инвертирующим входом сумматора, вторым входом первого элемента И и входами управления второго и четвертого ключей мостовой схемы, инверсный выход D-триггера соединен со вторым входом второго элемента И, входами управления первого и третьего ключей мостовой схемы и вторым неинвертирующим входом сумматора, третий неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго интегратора, подключенного своим входом к выходу сравнивающего устройства, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого усилителя, а инвертирующий вход соединен с выходом первого интегратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1