Цифровой способ преобразования параметров индуктивных датчиков с использованием временной инверсии сигнала

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в возбуждении кратковременным электрическим импульсом в LC-контурах измерительного и опорного плеч датчика колебательных сигналов и аналого-цифровом преобразовании их в числовые массивы данных, временной инверсии путем переиндексации элементов массивов, осуществлении Фурье-преобразования полученных в результате инверсии сигналов и определении действительных Re U(f) и мнимых Im U(f) трансформантов сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники, что позволяет вычислить начальные фазы колебаний сигналов для измерительного и опорного плеч датчика, разность которых однозначно связана с изменением параметров датчика. Технический результат заключается в повышении точности. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля технологических процессов, осуществляющих измерения механических и магнитных величин с помощью датчиков индуктивного типа.

Среди существующих способов преобразования параметров индуктивных датчиков имеются способы, принцип действия которых основан на преобразовании параметров датчика в частоту колебаний LC-контура и последующего преобразования частоты в выходное напряжение (Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. - М.: Энергия, 1976). Реализации данного способа отличаются высокой чувствительностью к изменениям параметров датчиков, но на их точность существенно влияют функциональные элементы, осуществляющие преобразование частоты в выходной сигнал. Более высокой точностью обладают цифровые методы измерений (Ратхор Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника. - М.: Техносфера, 2004).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ, положенный в основу работы цифрового преобразователя параметров датчиков индуктивного типа (см. патент РФ №2421741, Б.И. №17, 2011 г.) В прототипе используют способ преобразования параметров индуктивных датчиков, который заключается в возбуждении кратковременным электрическим импульсом колебательных процессов в измерительном и опорном плечах датчика и определении разности частот колебаний, зависящей от параметров датчика. Определение частоты колебаний осуществляет микроконтроллер, который преобразует с помощью встроенных в него аналого-цифровых преобразователей сигналы с измерительного и опорного плеч датчика в цифровой код, вычисляет спектры и определяет основные гармоники сигналов для каждого из плеч датчика.

Недостатком прототипа является то, что при ограниченном количестве отсчетов N при оцифровке сигналов (объеме выборки) дискретность частоты Δf в спектрах, полученных с помощью преобразования Фурье, может существенно превышать изменение частоты колебаний δf в измерительном плече датчика, вызванном воздействием на индуктивный датчик измеряемой физической величины:

$$\Delta f=\frac{f_s}{N}>>\delta f$$ ,

где f_s - частота дискретизации сигнала.

Это вызывает погрешность измерений, обусловленную тем, что частота основной гармоники сигнала с датчика не совпадает с дискретным значением частоты в спектре сигнала и для ее точного определения требуется обработка спектра, основанная на использовании различных интерполяционных методов. Такая обработка позволяет уменьшить погрешность, но ее величина, тем не менее, остается существенной. Для уменьшения Δf необходимо увеличивать объем выборки N, увеличив тем самым количество дискретных значений частоты в спектре, но это снижает быстродействие преобразователя параметров индуктивных датчиков.

Технический результат - повышение точности цифрового способа преобразования параметров индуктивных датчиков при сохранении ограниченного объема выборки при оцифровке сигналов с датчиков.

Технический результат достигается тем, что кратковременным электрическим импульсом возбуждаются колебательные процессы в LC-контурах измерительного и опорного плеч датчика и определяются частоты колебаний микроконтроллером, который преобразует с помощью встроенных в него аналого-цифровых преобразователей сигналы с измерительного и опорного плеч датчика в цифровой код, вычисляет спектр и определяет основные гармоники сигналов для каждого из плеч датчика.

Особенностью является то, что для каждого из сигналов производят временную инверсию путем переиндексации элементов массивов, осуществляют Фурье-преобразование полученных в результате инверсии сигналов, определяют действительные Re U(f) и мнимые Im U(f) трансформанты сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники, вычисляют начальные фазы колебаний а сигналов для измерительного и опорного плеч датчика по формуле

$$\alpha =arctg\frac{ImU(f)}{ReU(f)}$$

и находят их разность, однозначно связанную с изменением параметров датчика.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1а представлен вид сигналов с измерительного и опорного плеч датчика, а на фиг.1б представлен результат временной инверсии.

Способ осуществляется следующим образом: снимают сигналы с LC-контуров измерительного и опорного плеч датчика, преобразуют с помощью микроконтроллера в числовые массивы данных, после чего производят временную инверсию сигналов путем переиндексации элементов каждого массива - первый элемент становится последним и наоборот. Временную инверсию производят для того, чтобы получить наибольшее отличие в начальных фазах для сигналов, снимаемых с измерительного и опорного плеч датчика. Затем производят Фурье-преобразование полученных в результате инверсии сигналов и определение действительных Re U(f) и мнимых Im U(f) трансформант сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники. После этого вычисляют начальную фазу колебаний а сигналов для каждого из плеч датчика:

$$\alpha =arctg\frac{ImU(f)}{ReU(f)}$$

Разность начальных фаз сигналов, снимаемых с измерительного и опорного плеч, однозначно связана с изменением параметров датчика, вызванным воздействием на него измеряемой физической величины.

Повышение точности заявленного способа преобразования параметров индуктивных датчиков достигается за счет того, что, в отличие от прототипа, в нем не требуется точно определять частоту основной гармоники сигнала. Достаточно вычислить мнимую и вещественную трансформанты при дискретном значении частоты, наиболее близкой к частоте основной гармоники, и найти их отношение. Операция деления трансформант друг на друга позволяет скомпенсировать погрешности, обусловленные не совпадением основной гармоники сигнала с дискретным значением частоты спектра.

Цифровой способ преобразования параметров индуктивных датчиков, заключающийся в том, что кратковременным электрическим импульсом возбуждаются колебательные процессы в LC-контурах измерительного и опорного плеч датчика и определяются частоты колебаний микроконтроллером, который преобразует с помощью встроенных в него аналого-цифровых преобразователей сигналы с измерительного и опорного плеч датчика в цифровой код, вычисляет спектр и определяет основные гармоники сигналов для каждого из плеч датчика, отличающийся тем, что для каждого из сигналов производят временную инверсию путем переиндексации элементов массивов, осуществляют Фурье-преобразование полученных в результате инверсии сигналов, определяют действительные Re U(f) и мнимые Im U(f) трансформанты сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники, вычисляют начальные фазы колебаний α сигналов для измерительного и опорного плеч датчика по формуле $$\alpha =arctg\frac{ImU(f)}{ReU(f)}$$ и находят их разность, однозначно связанную с изменением параметров датчика.