Способ измерения вектора гармонического сигнала



 


Владельцы патента RU 2528274:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может использоваться при измерениях пассивных и активных комплексных электрических величин. Способ состоит в том, что амплитуду А и начальный фазовый сдвиг φ0 вектора гармонического сигнала S(t) с известным периодом Т, действующего совместно с сигналами субгармонических помех Pm(t)=Amsin(2πt/Tm0m), где m = 1, M ¯ , значения периодов Tm которых тоже известны и кратны Т, определяют по соотношениям: A=[(p')2+(p”)2]1/2 и φ0=arctg(p'/p”), где p', p” - проекции вектора сигнала S(t) на два ортогональных вектора опорных сигналов, а значения их измеряют путем частотозависимой дискретизации суммарного сигнала σ ( t ) = S ( t ) + m = 1 M P m ( t ) суммирования его дискретных отсчетов, производимых с помощью мгновенных импульсов, действующих в моменты времени, образующие соответственно для р' и для р” множества { t i ' } и { t i " } = { t i ' + Δ T } , где ΔТ=(2k±1)T/4, a k=0,1,2,…, которые формируют согласно условию: t i ' = t 0 + T ( i 1 ± n i H ) или t i ' = t 0 T ( i 1 ± n i H ) , где t0 - произвольный начальный момент отсчета времени, Н - наименьшее общее кратное множества чисел {rm}, i = 1, H ¯ , ni=0,1,2,…, а значения проекций р' и р” получают по соотношениям: p ' = K i = 1 H σ ( t i ' ) , p " = K i = 1 H σ ( t i " ) , где K=1/H. Технический результат заключается в повышении точности измерения в реальном времени вектора гармонического сигнала с известным периодом, действующего совместно с сигналами субгармонических помех, значения периодов которых тоже известны.

 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в средствах измерений пассивных и активных комплексных электрических величин, например, в мостах и компенсаторах переменного тока или в измерителях (анализаторах) параметров электрических цепей, а также в векторных вольтметрах и спектроанализаторах.

Известен способ измерения параметров двухполюсников со сложными схемами замещения с помощью разветвленной мостовой цепи при воздействии на нее нескольких тестовых гармонических сигналов с разными частотами, разделяемых с помощью аналоговых фильтров (Шеремет Л.П. Принципы построения мостовых измерительных цепей для одновременного уравновешивания на нескольких частотах // Проблемы технической электродинамики, вып.54, Киев: Наукова думка, 1975. - С.14-19).

Данный способ позволяет производить измерения сложных объектов исследования одновременно на нескольких частотах, обеспечивая тем самым возможность получения информации о быстроизменяющихся параметрах таких объектов, а через них и о протекающих в этих объектах физических или химических процессах. Однако применяемые для разделения сигналов с разными частотами аналоговые фильтры имеют низкую избирательность, не позволяющую получить высокие помехоустойчивость и точность измерения, и обладают инерционностью, а также сложностью реализации, возрастающими по мере повышения их избирательности, что является недостатком способа.

Известен также, принятый автором за прототип, способ измерения вектора гармонического сигнала S(t)=Asin(2πt/T+φ0), действующего совместно с другими гармоническими сигналами Sm(t)Amsin(2πt/Tm0m), где m = 1, M 1 ¯ , в том числе помехами, имеющими, как и сигнал S(t), известные, но не кратные друг другу значения периодов (Tm и Т), согласно которому проекции р' и р” сигнала S(t) на два ортогональных совпадающих с измеряемым сигналом по частоте вектора опорных сигналов, связанные с А и φ0, например, соотношениями А=[(р')2+(р”)2]l/2и φ0=arctg(p'/р”), измеряют путем выборки и суммирования дискретных отсчетов, или дискрет, суммарного сигнала σ ( t ) = S ( t ) + m = 1 M 1 S m ( t ) с помощью мгновенных импульсов, действующих в моменты времени, образующие множества { t i ' } и { t i " = t i ' + T / 4 } , а значения проекций р' и р” определяют по соотношениям p ' = K i = 1 2 M 1 σ ( t i ' ) и p " = K i = 1 2 M 1 σ ( t i " ) , где K = [ ( i = 1 2 M 1 sin 2 π t i ' / T ) 2 + ( i = 1 2 M 1 cos 2 π t i ' / T ) 2 ] 1 / 2 - нормирующий множитель, причем { t i ' } формируют с помощью пошаговой процедуры, начинающейся с произвольного начального момента t0, выступающего в качестве исходного множества, и получения на первом шаге дополнительного множества путем сдвига исходного на нечетное число полупериодов первого подавляемого сигнала или гармонической помехи, и далее получения на каждом последующем шаге дополнительного множества посредством сдвига полученного на предыдущем шаге множества на нечетное число nm полупериодов m-го подавляемого сигнала до тех пор, пока число шагов не станет равным М-1 (RU №2377577 С1, 27.12.2009).

Недостатком данного способа является пониженная точность измерения в тех случаях, когда вместе с измеряемым гармоническим сигналом S(t) действуют субгармонические помехи - гармонические сигналы с периодом, кратным периоду S(t), подавление которых этим способом в общем случае не обеспечивается, в чем легко убедиться уже на примере совместного действия сигнала S(t) и одной нечетной субгармонической помехи, т.е. гармонического сигнала, частота которого в нечетное число раз меньше частоты сигнала S(t).

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения в реальном времени вектора гармонического сигнала S(t)=Asin(2πt/Т+φ0) с известным периодом Т, действующего совместно с сигналами субгармонических помех Pm(t)=Amsin(2πt/Tm0m), где m = 1, M ¯ , периоды Tm которых тоже известны и кратны Т.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения вектора гармонического сигнала S(t)=Asin(2πt/T+φ0) с известным периодом Т, действующего совместно с сигналами гармонических помех Pm(t)=Amsin(2πt/Tm0m), где m = 1, M ¯ , значения периодов Tm которых тоже известны, согласно которому амплитуду А и начальный фазовый сдвиг φ0 сигнала S(t) определяют, например, по соотношениям A=[(p')2+(p”)2]1/2 и φ0=arctg(p'/p”), где p', p” - проекции вектора сигнала S(t) на два ортогональных вектора опорных сигналов, а значения этих проекций измеряют путем частотозависимой дискретизации суммарного сигнала σ ( t ) = S ( t ) + m = 1 M P m ( t ) и суммирования его дискретных отсчетов, производимых с помощью мгновенных импульсов, действующих в моменты времени, образующие соответственно для р' и для р” множества { t i ' } и { t i ' } = { t i ' + Δ T } , где ΔТ=(2k±1)T/4, а k=0,1,2,…, при Tm, кратных T, когда Tm/T=rm, где rm=2,3,…, множества моментов времени { t i ' } и { t i " } дискретных отсчетов сигнала σ(t) формируют согласно условию: или t i ' = t 0 + T ( i 1 ± n i H ) , или t i ' = t 0 T ( i 1 ± n i H ) , где t0 - произвольный начальный момент отсчета времени, Н - наименьшее общее кратное множества чисел {rm}, i = 1, H ¯ , ni=0,1,2,…, а значения проекций р' и р” получают по соотношениям: p ' = K i = 1 H σ ( t i ' ) , p " = K i = 1 H σ ( t i " ) , где K=1/Н.

Сущность изобретения состоит в том, что примененная в нем процедура формирования множества моментов времени { t i ' ] выборки дискретных отсчетов суммарного сигнала σ(t), позволяет точно и быстро (в реальном времени) измерять проекции p' и р” гармонического сигнала S(t) инвариантно по отношению к действующим вместе с ним М гармоническим помехам Pm(t) при условии, что периоды этих помех кратны периоду измеряемого сигнала S(t), т.е. исключить или минимизировать в зависимости от точности информации о периодах сигналов Pm(t) и S(t) влияние таких помех на точность измерения р' и р”, а значит, и на точность измерения А и φ0 сигнала S(t).

Поясним математически механизм подавления сигналов Pm(t), сопутствующих измеряемому, и выведем фигурирующие в формуле изобретения соотношения.

Рассмотрим сначала простейший случай, когда вместе с сигналом S(t) действует лишь одна субгармоническая помеха Pm(t). Суть механизма подавления помех заключается в том, что при кратном отношении периода Pm(t) к периоду S(t) в зависимости от точности информации о значениях периодов S(t) и помехи Pm(t) подавление последней осуществляют путем формирования множества моментов выборки дискретных отсчетов суммарного сигнала σ(t) согласно известному тригонометрическому соотношению:

i = 1 n A S sin [ 2 π ( i 1 ) / n + ϕ 0, S ] = 0,                                        ( 1 )

где n=2,3,… - число дискретных отсчетов синусоиды, а AS и φ0,S - произвольные значения амплитуды и угла начального фазового сдвига синусоиды (или косинусоиды).

Соотношение (1) означает, что операция суммирования n дискретных отсчетов синусоиды ASsin[2π(i-1)/n+φ0,S], взятых через фазовые интервалы Δφd, составляющие n-ые доли ее периода, равного (в радианах) 2π, т.е. при Δφdii-1=2π/n, где φi=2π(i-1)/n, позволяет «обнулить» синусоиду инвариантно по отношению к AS и φ0S. При этом нужно отметить, что с учетом свойства периодичности синусоиды значения φi приобретают выражение общего вида: φi=2π[(i-1)/n±k], где i = 1, n ¯ , a k=0,1,2,….

Применительно к форме записи помехи Pm(t), соотношение (1) имеет вид:

i = 1 n A m sin ( 2 π t i ' / T m + ϕ 0 m ) = 0,                                       ( 2 )

где t i ' = T m [ i 1 ) / n ± k ] - значения моментов времени дискретизации сигнала σ(t), а n=rm.

В том, что соотношение (2) выполняется и помеха Pm(t) подавляется («обнуляется») при любых значениях Am и φ0m, легко убедиться, приняв во внимание, что здесь Tm=nT=rmT, т.е. n=rm. После этого остается лишь убедиться в том, что сам измеряемый сигнал S(t) при этом не подавляется, для чего, с учетом эффекта подавления Pm(t), достаточно просуммировать при указанных значениях t i ' дискретные отсчеты (только) S(t), так как подвергающийся дискретизации σ(t) является суммой S(t) и «обнуляемого» Pm(t):

i = 1 n A sin ( 2 π t i ' / T + ϕ 0 ) = A i = 1 r m sin [ 2 π ( i 1 ± k ) + ϕ 0 ] = A r m sin ϕ 0 .

Из этого выражения следует, что в данном случае р'=KrmAsinφ0, т.е. значение проекции р' сигнала S(t) на опорный сигнал, в отличие от помехи Pm(t), не равно тождественно нулю и при этом усилено в rm раз, что имеет место благодаря тому, что интервалы между моментами t i ' выборки дискретных отсчетов S(t) кратны его периоду: t i ' t 0 = l T , где l - целое число.

Перейдем теперь к рассмотрению общего случая. Для того чтобы имело место подавление М помех при отсутствии подавления S(t), необходимо, чтобы соотношение (2) выполнялось одновременно для всех помех Pm(t), т.е. при m = 1, M ¯ . Осуществить это возможно, если число N дискретных отсчетов σ(t), а значит, и S(t), сделать равным произведению М чисел r m : N = m = 1 M r m при условии: t i ' t 0 = l T , где l - целое число.

С геометрической точки зрения это означает, что если имеется отрезок, длина L которого кратна Т:L=TN, то на нем можно уложить целые числа N j = [ m = 1 M r m ] / r j , j 1, M ¯ любого из (одинаковых) отрезков длиной Lj=rjT. Однако в общем случае это условие является слишком сильным, а необходимым и достаточным, согласно теории чисел, будет условие: N=Н, где Н - наименьшее общее кратное (множества) чисел rm.

Что касается значения нормирующего множителя K=1/Н, то оно следует из соотношения p ' = K i = 1 N σ ( t i ' ) = i = 1 N S ( t i ' ) , а также условий: N=H и t i ' t 0 = l T .

Итак, все соотношения, входящие в формулу изобретения, математически обоснованы.

Способ измерения вектора гармонического сигнала S(t)=Asin(2πt/T+φ0) с известным периодом T, действующего совместно с сигналами гармонических помех Pm(t)=Amsin(2πt/Tm0m), где , значения периодов Tm которых тоже известны, согласно которому амплитуду А и начальный фазовый сдвиг φ0 сигнала S(t) определяют, например, по соотношениям А=[(р')2+(р”)2]1/2 и φ0=arctg(p'/р”), где р', р” - проекции вектора сигнала S(t) на два ортогональных вектора опорных сигналов, а значения этих проекций измеряют путем частотозависимой дискретизации суммарного сигнала и суммирования его дискретных отсчетов, производимых с помощью мгновенных импульсов, действующих в моменты времени, образующие соответственно для р' и для р” множества и , где ΔТ=(2k±1)T/4, а k=0,1,2,…, отличающийся тем, что при Tm, кратных Т, когда Tm/Т=rm, где rm=2,3,…, множества и моментов времени и дискретных отсчетов сигнала σ(t) формируют согласно условию: или t, или , где t0 - произвольный начальный момент отсчета времени, Н - наименьшее общее кратное множества чисел {rm}, , ni=0,1,2,…, а значения проекций p' и p” получают по соотношениям: , , где К=1/Н.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. Измеритель содержит генератор импульсов, нуль-индикатор, мостовую цепь.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение их длительности пропорционально tn, где n при раздельном уравновешивании принимает значения 0, 1, 2 и 3, мостовую цепь и нуль-индикатор.

Изобретение относится к измерительной технике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор, мостовую цепь и нуль-индикатор.

Изобретение относится к измерительной технике. Мостовой измеритель параметров многоэлементных RLC двухполюсников содержит генератор импульсов напряжения, выход которого подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, первая ветвь которой состоит из последовательно включенных одиночного резистора в первом плече отношения и многоэлементного двухполюсника с уравновешивающими элементами в первом плече сравнения, а вторая ветвь - из одиночного резистора во втором плече отношения и одиночного резистора во втором плече сравнения, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходом мостовой цепи, а выход подключен к n-каскадному дифференциатору, состоящему из n последовательно включенных дифференцирующих RC звеньев; нуль-индикатор; устройство управления, выход синхронизации которого соединен с входами синхронизации генератора импульсов и нуль-индикатора.

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к области измерения параметров объектов, имеющих схемы замещения в виде многоэлементных пассивных двухполюсников.

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. .

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в средствах измерений пассивных и активных комплексных величин, например, в мостах и компенсаторах переменного тока или в измерителях параметров электрических цепей, а также в векторных вольтметрах.

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к технике измерения параметров многоэлементных пассивных двухполюсников. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров объектов, имеющих схемы замещения в виде многоэлементных пассивных двухполюсников.

Изобретение относится к области метрологии. Измеритель содержит генератор импульсов, мостовую цепь, нуль-индикатор. Мостовая цепь состоит из двух ветвей. Первая ветвь содержит клеммы и одиночный резистор. Вторая ветвь содержит два последовательно соединенных двухполюсника. Выходы мостовой цепи подключены к входу нуль-индикатора. Второй многоэлементный двухполюсник второй ветви моста состоит из последовательно соединенных первого резистора и первой катушки индуктивности, к их общему выводу подключен второй резистор, также введена дополнительная катушка индуктивности, которая включена между свободным выводом резистора и землей. Цепь из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности представляет собой цепь наращивания, количество дополнительных этих цепей равно [ n 2 − 2 ] при четном числе элементов n в двухполюснике объекта измерения, начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя R-L цепь наращивания является полной, при нечетном числе элементов n количество дополнительных цепей наращивания равно [ n + 1 2 − 2 ] , также начиная с третьей цепи наращивания, в этом случае последняя цепь наращивания является неполной. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при обработке информации, получаемой при проведении многофакторных экспериментальных исследований. Техническим результатом заявляемого устройства является расширение функциональных возможностей для измерения отношения напряжения мостовых датчиков. Устройство для измерения отношения напряжения мостовых датчиков содержит рабочий и сравнительные мосты, источники питания мостов и измерительный усилитель. В цепь отрицательной обратной связи измерительного усилителя включен сравнительный мост, управляющий коэффициентом усиления усилителя переменного тока, подключенного своим выходом к входной обмотке трансформатора. Технический результат достигается тем, что устройство дополнительно снабжено рабочими и сравнительными мостами. Эти мосты включены своими измерительными диагоналями последовательно. Рабочие мосты снабжены дополнительными источниками питания, а сравнительные мосты диагоналями питания связаны с дополнительными выходными обмотками трансформатора. Образованная следящая система автоматического управления обеспечивает высокую точность результирующих измерений. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении уровня диэлектрической жидкости в системах контроля и диагностики технических объектов, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники компонентами топлива. В способе измерения уровня диэлектрического вещества используется емкостной датчик уровня и компенсационный конденсатор, на которые поочередно подают синусоидальные напряжения двух частот. На этих частотах измеряют токи емкостного датчика уровня и компенсационного конденсатора. По величине токов определяют приращение емкости датчика уровня и относительное значение уровня диэлектрической жидкости, заполняющей межэлектродное пространство датчика. Технический результат заключается в повышении точности измерения уровня диэлектрического вещества, повышение степени автоматизации процесса измерений и его технологичности за счет учета текущего значения относительной диэлектрической проницаемости контролируемого вещества, определяемого непосредственно в процессе измерений. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к технике измерения параметров объектов в виде пассивных двухполюсников, имеющих многоэлементную схему замещения. В устройство, которое содержит генератор прямоугольных импульсов напряжения, n последовательно включенных инвертирующих интеграторов, формирующих импульсы напряжения, изменяющегося по закону первой, второй и т. д. n-й степени, дифференциальный преобразователь «ток-напряжение», (n + 1) регулируемых резисторов, один из выводов каждого из них соединен с выходом генератора импульсов и выходами интеграторов соответственно, (n + 1) аналоговых коммутаторов, входы которых подключены к свободным выводам регулируемых резисторов, выходы коммутаторов соединены с входами дифференциального преобразователя «ток-напряжение», n-каскадный дифференциатор на дифференцирующих RC-звеньях, вход первого звена подключен к выходу преобразователя «ток-напряжение»; (n + 1) нуль-индикаторов (НИ), входы каждого из них соединены соответственно с выходами n-го RC-звена дифференциатора, (n - 1)-го RC-звена и т. д., с выходом дифференциального преобразователя «ток-напряжение», дополнительно введен преобразователь «напряжение-ток» на операционном усилителе с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению и цепью отрицательной обратной связи по току, вход преобразователя подключен к выходу (n - 1)-го интегратора, а выход - к первому полюсу двухполюсника объекта измерения, второй полюс которого заземлен, и к входу повторителя напряжения, в выходную цепь которого включен образцовый резистор, соединенный вторым выводом с одним из входов дифференциального преобразователя «ток-напряжение». Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства при измерении параметров двухполюсников с емкостным элементом в разрыве цепи между полюсами. 2 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерения параметров двухполюсников. Измеритель содержит генератор, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Генератор состоит из четырех формирователей импульсов, блока синхронизации, коммутатора, усилителя мощности. Измерительный мост состоит из двух параллельных ветвей, в первую из которых включен объект измерения, многоэлементный двухполюсник, резисторы. Вторая ветвь содержит резисторы. Объект измерения состоит из двух резисторов, катушки индуктивности, конденсатора. Нуль-индикатор имеет дифференциальный вход, вход синхронизации, общая шина индикатора равновесия и генератора импульсов заземлена. В мост введены четыре дополнительных резистора. Первый дополнительный резистор включен в многоэлементном двухполюснике моста между выводом конденсатора и выводом катушки индуктивности, последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы подключены между общим выводом резистора и катушки индуктивности в многоэлементном двухполюснике четырехплечей мостовой цепи и общим выводом одиночного резистора первой ветви и первым выводом выхода моста, четвертый дополнительный резистор включен параллельно цепи из последовательно соединенных второго и третьего дополнительных резисторов. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах. Техническим результатом является повышение точности измерения, которое достигается путем измерения параметров кабельной линии связи и учета измеренных параметров кабельной сети при определении параметров двухполюсника с помощью схемы замещения. Способ определения параметров двухполюсника заключается в воздействии на двухполюсник, подключенный через линию связи, и эталон синусоидальным напряжением на n заданных частотах, где n - число элементов двухполюсника. Далее производится последовательное измерение значений токов через двухполюсник и эталон на каждой из n заданных частот с последующей фиксацией результатов измерений. Параметры двухполюсника определятся по фиксированным результатам измерений в соответствии со схемой его замещения. Отличительной особенностью способа является то, что осуществляют отключение двухполюсника от линии связи и после формирования синусоидального напряжения на n заданных частотах производят измерение токов через комплексное сопротивление линии связи и эталон на каждой из n заданных частотах. Полученные результаты фиксируют и по ним определяют значения параметров комплексного сопротивления линии связи, используя схему замещения, после чего по значениям параметров комплексного сопротивления линии связи судят о ее состоянии, а также учитывают их при определении параметров двухполюсника. 2 ил.
Наверх