Генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых излучателей



Генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых излучателей
Генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых излучателей
Генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых излучателей
Генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых излучателей
H03K3/02 - Импульсная техника (измерение импульсных характеристик G01R; механические счетчики с электрическим входом G06M; устройства для накопления /хранения/ информации вообще G11; устройства хранения и выборки информации в электрических аналоговых запоминающих устройствах G11C 27/02; конструкция переключателей для генерации импульсов путем замыкания и размыкания контактов, например с использованием подвижных магнитов, H01H; статическое преобразование электрической энергии H02M;генерирование колебаний с помощью схем, содержащих активные элементы, работающие в некоммутационном режиме, H03B; импульсная модуляция колебаний синусоидальной формы H03C;H04L ; схемы дискриминаторов с подсчетом импульсов H03D;

Владельцы патента RU 2644118:

Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" (RU)
Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" (RU)

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических излучающих трактах для возбуждения ультразвуковых излучателей. Генераторное устройство (ГУ) содержит последовательно соединенные формирователь сигналов, устройство управления и N-канальный ШИП, выходы которого через последовательно включенные каналы N-канального КУМ и N-канального порогового датчика тока соединены со входами N-канального трансформаторного сумматора, первый и второй выходы которого соединены через фильтр нижних частот и датчик тока с первой и второй шинами возбуждения акустических излучателей, а выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, дополнительно введены первый и второй пороговые усилители, амплитудный детектор, аналогово-цифровой преобразователь и цифровой сумматор, причем формирователь сигналов дополнительно содержит шину данных кода амплитуды и выход разрешения, а в устройство управления включены параметрический усилитель с шиной кода усиления и вычитающее устройство, выход которого является выходом устройства управления. Техническим результатом является повышение надежности при условии обеспечения безопасной работы в условиях значительного изменения импеданса нагрузки, что обеспечивает бесперебойное функционирования ГУ в экстремальных режимах работы. 3 ил.

 

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических излучающих трактах для возбуждения ультразвуковых излучателей.

Известны усилители мощности, использующие различные виды широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования мощных выходных сигналов заданной формы с управляемыми параметрами по частоте и амплитуде.

Устройства такого типа, реализующие метод ключевого усиления, относятся к усилителям класса D [1, 2], характеризуются высокой энергетической эффективностью и могут быть положены в основу построения мощных генераторных устройств (ГУ). Достоинством ГУ с использованием ШИМ, наряду с высоким КПД, является равномерность амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) выходного напряжения при изменении нагрузки в широких пределах. Выделенное обстоятельство является принципиально важным для возбуждения акустических излучателей, включенных в систему излучающего тракта многоканальных технологических систем, обеспечивающих воздействие на среду полем суммарных акустических колебаний.

В усилителях класса D входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по длительности, в результате ключевого усиления которых по мощности формируется модулированное импульсное напряжение, поступающее через дроссель фильтра низких частот (ФНЧ) на входы излучателей для их возбуждения. Величина индуктивности дросселя ФНЧ выбирается из условия фильтрации высокочастотных составляющих (ВЧ) импульсного напряжения на акустических излучателях, собственный импеданс которых имеет, как правило, емкостный характер.

В ряде случаев, особенно для реализации ГУ большой мощности ультразвукового диапазона частот, используются многоканальные ключевые усилители мощности (КУМ) с формированием ШИМ отдельных каналов, равномерно сдвинутых по фазе [3, 4]. В результате наращивание выходной мощности посредством суммирования модулированных импульсных напряжений дополнительно приводит к кратному увеличению суммарной частоты ШИМ, что облегчает условие фильтрации ВЧ составляющих при минимизации индуктивности дросселя ФНЧ.

Преимущества усилителей класса D с многоканальной ШИМ, обеспечивающих стабильные нагрузочные характеристики ГУ, связаны с возможностью практически неограниченного нарастания выходного тока при резком уменьшении импеданса нагрузки. Такой эффект имеет место в акустических системах, содержащих ряд ультразвуковых излучателей, обеспечивающих колебания во внутреннем объеме, либо внешних стенок технологической камеры, заполненной флюидом, подвергаемым ультразвуковому воздействию. Возникновение таких ситуаций вызывает перегрузки ГУ, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик технологической акустической системы и понижению надежности ее работы. Возникает необходимость отработки защитных механизмов, блокирующих работу ГУ.

Использование отрицательной обратной связи по выходному току, аналогично известному решению [4], переводит усилитель класса D в режим генератора тока. В результате теряются преимущества стабильности выходного напряжения, имеет место режим ограничения выходного сигнала при уменьшении нагрузки, что в результате ограничивает область применения ГУ на основе усилительного устройства такого типа.

Наиболее близким аналогом по совокупности общих признаков с предлагаемым устройством является генераторное устройство на основе многоканального усилителя класса D, реализованное в гидроакустическом передающем тракте по патенту РФ 2195687 [5]. Устройство-прототип содержит последовательно соединенные формирователь 1 сигнала, устройство 2 управления, N-канальный широтно-импульсный преобразователь 3 (ШИП), N-канальный КУМ 4, N-канальный пороговый датчик 5 тока, N-канальный трансформаторный сумматор 6, подключенный выходами через выходной фильтр 7 нижних частот и датчик 8 тока к шинам возбуждения акустических излучателей, при этом выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, а выход датчика 8 тока соединен со входом устройства управления. Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1.

Работа устройства прототипа осуществляется следующим образом.

Входной сигнал с выхода формирователя 1 через устройство управления 2 поступает на вход N-канального ШИП 3, где преобразуется в ряд последовательностей импульсов с ШИМ, равномерно сдвинутых по фазе. Сигналы с ШИМ с выходов N-канального ШИП передаются на входы N-канального КУМ 4, усиливаются по мощности и через N-канальный пороговый датчик 5 поступают на входы N-канального трансформаторного сумматора 6. Суммарный выходной сигнал передается через ФНЧ 7 и датчик 8 тока на шины возбуждения акустических излучателей (АИ). Выходной сигнал датчика 8 в устройстве-прототипе передается в устройство управления, где используется для контроля работоспособности ГУ.

Защита устройства-прототипа от режима перегрузки в условиях резкого уменьшения нагрузки реализуется N-канальным пороговым датчиком тока 5, на контрольном выходе которого при превышении выходного тока любого из каналов КУМ 4 формируется сигнал ЗАПРЕТ, поступающий на вход управления N-канального ШИП 3. При этом закрывается прохождение импульсов управления на входы КУМ 4 и обеспечивается выключение ГУ. Повторное включение возможно только при специальной команде управления от устройства формирователя сигналов либо при повторном включении ГУ. Соответственно, в условиях даже кратковременного уменьшения импеданса нагрузки в устройстве-прототипе происходит срыв функционирования, приводящий к нагружению технологического цикла излучения.

Попытка расширить область устойчивой работы устройства-прототипа при изменении нагрузки в 2-3 раза приводит к необходимости соответствующего увеличения экстремальных выходных токов каналов КУМ 4, что связано с понижением надежности работы ГУ.

Таким образом, устройство-прототип сохраняет работоспособность только при отсутствии экстремальных режимов в условиях импеданса нагрузки не менее номинального значения.

Предотвращение аварийных режимов, связанных с понижением импеданса нагрузки, в устройстве-прототипе достигается срабатыванием механизмов защиты, приводящем к срыву функционирования. Принимая во внимание значительное изменение импеданса акустических излучателей в технологических установках ультразвуковой обработки, обусловленных как их взаимным влиянием в условиях изменения состояния среды обработки, так и изменением частоты возбуждения АИ, следует выделить следующие недостатки устройства-прототипа: ограниченная область применения для ультразвуковых технологических излучающих трактов, ограничение возможности изменения частоты акустических колебаний как средства повышения эффективности ультразвуковой обработки.

Адаптация к изменяющимся условиям возбуждения АИ в устройстве-прототипе возможна только при уменьшении номинального уровня выходной мощности для обеспечения кратного диапазона, что связно с уменьшением энергетической эффективности применения известного устройства.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы ГУ в экстремальных режимах при значительном изменении импеданса нагрузки.

Для решения поставленной задачи в известное устройство, содержащее последовательно соединенные формирователь сигналов, устройство управления и N-канальный ШИП, выходы которого через последовательно включенные каналы N-канального КУМ и N-канального порогового датчика тока соединены со входами N-канального трансформаторного сумматора, первый и второй выходы которого соединены через фильтр нижних частот и датчик тока с первой и второй шинами возбуждения акустических излучателей, а выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, введена новая совокупность блоков и связей.

В устройство дополнительно введены первый и второй пороговые усилители, амплитудный детектор, аналогово-цифровой преобразователь и цифровой сумматор, причем формирователь сигналов дополнительно содержит шину данных кода амплитуды и выход разрешения, а в устройство управления включены параметрический усилитель с шиной кода усиления и вычитающее устройство, выход которого является выходом устройства управления, первый вход соединен с дополнительным входом устройства управления, второй вход соединен с выходом параметрического усилителя, шина кода усиления подключена к выходной шине цифрового сумматора, первая входная шина данных которого подключена к шине данных кода амплитуды формирователя сигналов, а вторая входная шина данных - к выходной шине аналого-цифрового преобразователя, вход которого через первый пороговый усилитель соединен с выходом амплитудного детектора, подключенного входом к выходу датчика тока и входу второго порогового усилителя, выход которого соединен с дополнительным входом устройства управления, причем выход разрешения формирователя сигналов подключен к входу разрешения N-канального широтно-импульсного преобразователя.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности при условии обеспечения безопасной работы в условиях значительного изменения импеданса нагрузки, что обеспечивает бесперебойное функционирования ГУ в экстремальных режимах работы.

Обеспечение технического результата достигается реализацией двух режимов управления выходным сигналом без отключения ГУ при уменьшении импеданса нагрузки: режим динамического ограничения выходного тока при резком уменьшении импеданса нагрузки; режим параметрического управления амплитудой выходного сигнала для плавного уменьшения и восстановления амплитуды выходного сигнала при уменьшении и восстановлении номинального значения импеданса. При этом срабатывание механизмов защиты в предлагаемом устройстве предусмотрено только в аварийных ситуациях неисправности отдельных каналов ГУ.

Выбор уровня динамического ограничения тока I1 из условия превышения на 10-20% номинальной амплитуды выходного тока обеспечивает работу ГУ в широком диапазоне выходных токов без искажения выходного сигнала. При этом настройка уровня тока параметрической коррекции коэффициента усиления, равного I1, позволяет при плавных изменениях импеданса нагрузки обеспечить генерацию сигналов установленной формы при изменении импеданса от 0,1zн (zн - номинальное значение импеданса нагрузки). Совместная реализация двух режимов работы обеспечивает устойчивость и безаварийность функционирования ГУ при возбуждении акустических излучателей с изменяющимся импедансом в условиях номинально допустимого тока возбуждения. При этом достигается максимальная энергетическая эффективность при обеспечении высокой надежности работы, в том числе и при генерации широкополосных сигналов.

Совокупность вновь введенных блоков и связей в известных устройствах усилительной и генераторной техники ранее не использовалась и их внедрение в составе предлагаемого генераторного устройства для возбуждения акустических излучателей позволяет обеспечить устойчивую работу излучающего тракта в условиях резких изменений импеданса нагрузки при динамическом ограничении тока возбуждения акустических излучателей и плавном регулировании амплитуды напряжения возбуждения и условиях обеспечения заданной формы сигнала в режимах перегрузки при токе возбуждения, близком к номинальному значению. В результате достигается повышение энергетической эффективности и надежности при обеспечении безаварийной работы в условиях значительного изменения импеданса нагрузки. Положительный эффект в предлагаемом техническом решении достигается введением режима ограничения выходного напряжения для стабилизации амплитуды выходного тока не более максимально допустимого значения и уменьшением амплитуды напряжения в режиме перегрузки для сохранения номинального значения тока возбуждения акустического излучателя без искажения формы генерируемого сигнала.

Особенность реализации устройства-прототипа и сущность изобретения поясняются на фиг. 1-3. Структурные схемы устройства-прототипа и заявляемого устройства показаны на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно. Временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства, иллюстрируются на фиг. 3.

Предлагаемое генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых акустических излучателей (фиг. 2) содержит формирователь сигналов 1, устройство 2 управления, включающее параметрический усилитель 2.1 и вычитающее устройство 2.2, N-канальный ШИП 3, N-канальный КУМ 4, N-канальный пороговый датчик 5 тока, N-канальный трансформаторный сумматор 6, фильтр нижних частот (ФНЧ) 7, датчик 8 тока, первый и второй пороговые усилители 9 и 11, амплитудный детектор 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 и цифровой сумматор 13.

Реализация N-канального ШИП 3, N-канального КУМ 4 и N-канального трансформаторного сумматора 6 выполняется по известным правилам [1, 2, 5], соответствующим построению многоканальной системы ключевого усиления с многоканальной ШИМ при последовательном трансформаторном сложении выходных сигналов отдельных каналов усиления. Такой принцип реализации обеспечивает повышение суммарной частоты импульсного преобразования в N раз (где N - количество каналов ключевого усиления).

Контроль входного тока отдельных каналов ключевого усиления осуществляется N-канальным пороговым датчиком тока, реализация которого обеспечивается по известным правилам [5], на основе применения N датчиков тока с гальванической развязкой, выполненных, например, на трансформаторах тока. В составе N-канального порогового датчика тока реализуется известная схема выделения максимального значения тока каналов Iмк и его сравнения с пороговым значением Iпк. По результату сравнения обеспечивается импульсное формирование команды ЗАПРЕТ, поступающей на установочную триггерную схему запрета в составе N-канального ШИП.

Согласно известному техническому решению устройства-прототипа N-канальный ШИП реализуется на N-канальном генераторе пилообразного напряжения и N компараторах, обеспечивающих формирование N сигналов с ШИМ по результату сравнения входного сигнала с соответствующими пилообразными напряжениями. Также, по известным правилам, N-канальный ШИП может быть выполнен N-канальной схемой разрешения и триггерной схемой запрета. При этом сигналы ШИМ на выходы N-канального ШИП проходят только при наличии команды РАЗРЕШЕНИЯ в условиях отсутствия команды ЗАПРЕТ.

Формирование команды ЗАПРЕТ соответствует выполнению условия:

где Iмк - выходной ток отдельного канала N-канального КУМ; Iпк - предельно допустимое значение выходного тока канала КУМ.

При этом команду ЗАПРЕТ обрабатывает триггерная схема N-канального ШИП, выходной сигнал которой запрещает прохождение сигналов ШИМ на весь цикл излучения. Сброс команды ЗАПРЕТ происходит при снятии команды РАЗРЕШЕНИЕ перед следующим циклом излучения.

Техническая реализация N-канального модуля КУМ основана на известных правилах построения оконечных каскадов усилителей класса D, изложенных в [1]. Как правило, отдельный канал КУМ выполняется по полумостовой схеме оконечного каскада на сильноточных полевых транзисторах и импульсных диодах, обеспечивающих высокоэффективное ключевое усиление мощности выходного импульсного сигнала соответствующего канала N-канального ШИП.

Защита каналов КУМ от экстремальных режимов и токовых перегрузок, вызванных неисправностью каналов трансформаторного сумматора, резким изменением параметров ШИМ либо другими аварийными ситуациями, обеспечивается N-канальным пороговым датчиком тока. Каналы датчика 5 могут быть выполнены по известным правилам с использованием, например, трансформаторов тока либо токовых датчиков на эффекте Холла. Функция N-канального порогового датчика тока определяется выражением (1), определяющим формирование команды ЗАПРЕТ при превышении выходного тока Iмк одного из каналов КУМ предельно допустимого значения Iпк, установленного исходя из требований безаварийной работы N-канального КУМ.

N-канальный трансформаторный сумматор 6 выполнен по известным правилам на ряде трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно, а первичные обмотки подключены через каналы порогового датчика тока к выходам каналов N-канального КУМ 4. В результате на выходных шинах трансформаторного сумматора формируется суммарное импульсное напряжение, соответствующее сигналу с многоканальной ШИМ.

Известный метод многоканальной ШИМ позволяет в N раз увеличить результирующую частоту импульсного преобразования и значительно улучшить структуру спектра суммарного импульсного сигнала. Высокочастотные составляющие импульсного сигнала группируются вокруг гармоник суммарной частоты ωN

где ω - частота преобразования ШИМ в отдельном канале КУМ.

Выделение полезного сигнала частотного диапазона Ωн<Ω<Ωв из суммарного импульсного напряжения при условии Ωв<<ωN не представляет технических сложностей и может быть проведено по известным правилам с использованием ФНЧ. Для возбуждения акустических излучателей АИ на основе пьезоактивных материалов с выраженной емкостной составляющей импеданса обычно в качестве ФНЧ используется дроссель, индуктивность L которого, совместно с емкостью нагрузки С, образует фильтр с частотой среза Ωc:

Датчик 8 тока обеспечивает формирование сигнала I, пропорционального току возбуждения АИ. Датчик 8 так же, как каналы N-канального порогового датчика тока, может быть выполнен по известным правилам, например, на основе трансформаторов тока.

Выходной ток N-канального трансформаторного сумматора 6 определяется формой и уровнем суммарного напряжения в диапазоне рабочих частот, а также импедансом нагрузки Z(Ω). В типичном случае для гармонического сигнала возбуждения частотой Ω и амплитудой напряжения Uм выходной ток и, соответственно, сигнал датчика 8 могут быть определены выражением:

где Z(Ω) - импеданс акустического излучателя на частоте Ω; Kф - коэффициент передачи ФНЧ; K1 - коэффициент преобразования датчика 8.

Выходное напряжение заявляемого генераторного устройства определяется формирователем 1, выходное напряжение которого поступает на вход N-канального ШИП 3 через устройство управления 2. Отличительной способностью формирователя сигнала в составе заявляемого устройства является дополнительное формирование команды РАЗРЕШЕНИЕ, определяющее цикл излучения, а также наличие шины данных кода амплитуды сигнала. Введенные дополнения обеспечиваются в рамках известных правил реализации цифроаналоговых формирователей сигнала и могут быть реализованы типовыми аппаратно-программными средствами.

Как правило, в библиотеке сигналов формирователя 1 реализуются гармонические частотно-модулированные сигналы с медленно изменяющимися частотой Ω и амплитудой m, что соответствует формированию сигнала U(t):

где Uм - номинальная амплитуда сигнала.

При этом дополнительно формируются данные цифрового кода амплитуды сигнала Sm(t), значение которого определяет амплитуду формируемого сигнала.

Величина кода Sm соответствует возможности уменьшения амплитуды сигнала от номинального Uм до минимального значения.

Устройство 2 управления в составе предлагаемого устройства содержит параметрический усилитель 2.1 и вычитающее устройство 2.2. Параметрический усилитель обеспечивает масштабирование амплитуды выходного формирователя сигнала пропорционально значению кода, поступающего на вход кода усиления (ослабления) с выхода цифрового сумматора 13. Выходной сигнал Uп параметрического усилителя поступает на вход вычитающего устройства, на второй вход которого поступает сигнал U1 с выхода порогового усилителя 9.

Вычитающее устройство 2.2 формирует на выходе разностный сигнал Up:

Сигнал Up является модулирующим воздействием на входе N-канального ШИП, под действием которого формируются импульсные сигналы ШИМ отдельных каналов и, соответственно, импульсные напряжения каналов N-канального КУМ в цикле излучения. В результате полезные низкочастотные составляющие суммарного импульсного сигнала на выходе N-канального трансформаторного сумматора также определяются сигналом Up:

,

где Кшим - коэффициент усиления канала КУМ, N - количество каналов, Kт - коэффициент трансформации канала сумматора 6.

Пороговый усилитель 9 предназначен для усиления выходного сигнала I датчика тока при превышении его величины пороговых значений ±I2. При этом выходной сигнал U1 порогового усилителя 9 может быть определен следующим выражением:

где KOCI - коэффициент усиление сигнала обратной связи по току.

Для реализации порогового усилителя 9 может быть использован пороговый аттенюатор с обратимым стабилитроном и операционный усилитель с заданным коэффициентом усиления.

Амплитудный детектор 10 должен обеспечивать выделение медленно изменяющегося сигнала AI, пропорционального амплитуде выходного сигнала I датчика тока. Для реализации такого устройства может быть использована простейшая схема двухполупериодного выпрямителя, нагруженного на емкостную нагрузку с известной постоянной времени разряда, существенно большей периода формируемого сигнала.

Пороговый усилитель 11 предназначен для усиления однополярного сигнала AI при его превышении порогового значения I1. Выходной сигнал порогового усилителя 11 определяется следующим соотношением:

где KOCI - коэффициент обратной связи по сигналу амплитудного детектора выходного тока.

Реализация порогового усилителя 11 аналогична решению, предложенному для выполнения порогового усилителя 9.

Следует отметить, что пороги I1 и I2 устанавливаются таким образом, что формирование сигнала ΔА согласно (8) происходит до формирования сигнала U1 в соответствии с условием (7). Как правило, значения Iпк, I2 и I1 выбираются из условия:

АЦП 12 обеспечивает преобразование аналогового сигнала ΔА в цифровой код SΔ для передачи на вторую шину данных сумматора 13, на первую шину данных которого поступает код амплитуды Sm с выходной шины формирователя сигнала.

Выходная шина данных сумматора 13 формирует цифровой код SA, пропорциональный разности кодов входных шин:

Реализация блоков 12 и 13 обеспечивается с использованием стандартных микросхем АЦП и цифровых преобразователей кода.

Приведенный принцип действия и примеры технических решений вновь введенных блоков заявляемого технического решения подтверждают реализуемость изобретения и позволяют наиболее простым образом выполнить задачу повышения энергетической эффективности и надежности работы генераторного устройства для возбуждения акустических излучателей в условиях значительного изменения импеданса нагрузки.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Сигнал U с выхода формирователя 1 поступает на вход параметрического усилителя 2.1, где усиливается до заданного уровня в соответствии с кодом Sm, который передается от шины данных кода амплитуды формирователя сигнала через цифровой сумматор на шину кода усиления. Далее сигнал с выхода параметрического усилителя без изменения амплитуды и формы поступает через вычитающее устройство 2.2 на вход N-канального ШИП 3, где преобразуется в ряд последовательностей импульсов с ШИМ.

Начальное сохранение заданной амплитуды соответствует условию отсутствия сигнала U1 на выходе порогового усилителя 9 и равенству кода SΔ=0 на выходе АЦП 12.

При поступлении команды РАЗРЕШЕНИЕ сигналы ШИМ с выхода N-канального ШИП поступают на входы каналов N-канального КУМ 4, на выходах которых формируются модулированные импульсные напряжения, которые через N-канальный пороговый датчик тока передаются на выходы N-канального трансформаторного сумматора.

В результате на его выходах формируется суммарное импульсное напряжение, низкочастотная составляющая которого Vн по форме соответствует исходному сигналу формирователя 1 и пропорциональна амплитуде. При соответствующем выборе параметров ФНЧ сигнал возбуждения АИ практически совпадает с Vн, что обеспечивает номинальный режим работы ГУ.

Такой режим сохраняется для всех значений входного тока, не превышающих первое пороговое значение I1.

При медленном изменении параметров сигнала в условиях плавного уменьшения нагрузки амплитуда выходного тока и, соответственно, сигнал I на выходе датчика тока плавно возрастает, и выходной сигнал AI амплитудного детектора 10 может превысить установленное пороговое значение I1 порогового усилителя 11. В этом случае на выходе порогового усилителя 11 формируется уровень ΔА, который преобразуется АЦП 12 в код SΔ, поступающий на вторую шину данных цифрового сумматора 13.

Далее, согласно (10), включается обратная связь огибающей амплитуды выходного тока и обеспечивается компенсация амплитуды выходного сигнала параметрического усилителя 2.1 при соответствующем уменьшении амплитуды выходного сигнала Uв, поступающего на возбуждение АИ. Глубина обратной связи по огибающей амплитуды выходного тока может быть обеспечена не менее 20 дБ, что позволяет сохранить номинальную амплитуду тока возбуждения АИ с превышением не более чем на 10% в условиях десятикратного изменения импеданса нагрузки.

Достоинством такой обратной связи является обеспечение работоспособности ГУ при сохранении заданной формы сигнала возбуждения АИ.

Однако, особенностью обратной связи по амплитуде выходного тока является значительная постоянная времени обработки, которая может превышать десятки периодов рабочей частоты. При этом в условиях резкого изменения импеданса нагрузки выходной ток может значительно превысить установленное значение I1. При динамическом увеличении выходного сигнала датчика тока 8 более второго порогового значения I2, согласно выражению (7), включается обратная связь по мгновенным значениям выходного тока. В этих условиях на выходе порогового усилителя 9 формируется сигнал UI, который поступает на вход вычитающего устройства 2.2, где согласно (6) формируется разностный сигнал Up, чем достигается режим динамического ограничения тока. В этом режиме максимальное значение выходного тока ГУ превышает установленное граничное значение I2 не более чем на 20% даже в режиме короткого замыкания.

Следует отметить, что при наличии режима динамического ограничения выходного тока продолжается действие механизма параметрического уменьшения амплитуды выходного напряжения, что приводит к плавному восстановлению формы генерируемого сигнала при уменьшении амплитуды выходного тока ниже границы I2.

Если в цикле излучения происходит восстановление импедансных характеристик нагрузки либо обеспечивается уменьшение амплитуды формируемого сигнала согласно установленной циклограмме работы, то механизмы компенсации перегрузки ГУ отключаются и заявляемое устройство переходит в номинальный режим работы.

В предлагаемом устройстве так же, как и в известном, реализуется режим отключения цикла излучения по команде ЗАПРЕТ при превышении выходного тока отдельных каналов КУМ установленного предельного значения Iпм. Но такой режим используется только при наличии аварийной ситуации либо при выходе из строя отдельных каналов с целью предотвращения расширения неисправности. В случае сохранения функциональной работоспособности совокупности блоков и связей в предлагаемом устройстве обеспечивается режим возбуждения АИ в условиях изменения импеданса нагрузки в широких пределах. При этом сохраняется форма сигнала возбуждения для заданного номинального выходного тока в условиях значительного уменьшения импеданса нагрузки. Причем в случае резкого динамического уменьшения импеданса нагрузки обеспечивается режим динамического ограничения выходного тока.

В результате, если для предлагаемого устройства при изменении импеданса нагрузки в диапазоне 0,4-1,5Zн достигается возбуждение АИ сигналом номинальной мощности, при сохранении высокого КПД 95%, то в известных устройствах в этих условиях мощность возбуждения уменьшается более чем в два раза при уменьшении КПД до 90%.

Следует отметить, что в заявляемом техническом решении реализация механизмов компенсации для динамического ограничения тока и параметрического управления огибающей амплитуды сигнала позволяет значительно повысить надежность и эффективность работы ГУ.

Совокупность преимуществ заявляемого устройства выгодно отличает его от известных устройств и позволяет внедрить предлагаемое техническое решение в генераторные устройства гидроакустических трактов и технологических комплексов звукового энергетического воздействия. В настоящее время разработан и прошел испытания образец генераторного устройства на основе 4-канального КУМ для технологического тракта звукового воздействия на продуктивную зону нефтедобывающей скважины. Опытный образец ГУ при максимально допустимой мощности 16 кВА обеспечивает номинальный режим работы 12 кВА при КПД 95%, при обеспечении устойчивой работы в условиях уменьшения нагрузки в 2-4 раза без срывов цикла излучения.

Проведенные экспериментальные исследования показали преимущества заявляемого технического решения, что подтверждает обоснованность его внедрения в излучающих акустических трактах звукового и ультразвукового диапазонов.

Источники информации

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980. с. 207.

2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия, 1980, с. 232.

3. Патент РФ №2188498, МКИ H03F 3/217. Двухканальный усилитель класса D. 2002 г.

4. А.с. 15315186, МКИ H03K 3/02. Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлетроразведки. 1989 г.

5. Патент РФ №2195687, МКИ G01S 7/524. Гидроакустический передающий тракт. 2002 г.

Генераторное устройство для возбуждения акустических излучателей, содержащее последовательно соединенные формирователь сигналов, устройство управления и N-канальный ШИП, выходы которого через последовательно включенные каналы N-канального КУМ и N-канального порогового датчика тока соединены со входами N-канального трансформаторного сумматора, первый и второй выходы которого соединены через фильтр нижних частот и датчика тока с первой и второй шинами возбуждения акустических излучателей, а выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены первый и второй пороговые усилители, амплитудный детектор, аналогово-цифровой преобразователь и цифровой сумматор, причем формирователь сигналов дополнительно содержит шину данных кода амплитуды и выход разрешения, а в устройство управления включены параметрический усилитель с шиной кода усиления, вход которого является входом устройства управления, и вычитающее устройство, выход которого является выходом устройства управления, первый вход вычитающего устройства соединен через дополнительный вход устройства управления с выходом первого порогового усилителя, а второй вход соединен с выходом параметрического усилителя, шина кода управления которого в свою очередь через соответствующую шину данных устройства управления подключена к выходной шине цифрового сумматора, первая входная шина данных которого подключена к шине данных кода амплитуды формирователя сигналов, а вторая шина данных - к выходной шине аналогово-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу второго порогового усилителя, соединенного входом с выходом амплитудного детектора, вход которого подключен к выходу датчика тока и входу первого порогового усилителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в качестве источника импульсного электропитания различных установок. Технический результат: заключается в автономности работы малогабаритного генератора импульсных токов, с повышенным коэффициентом полезного действия, без промежуточного преобразования выделяющейся энергии в электрическую.

Изобретение относится к импульсной СВЧ технике, а именно к устройствам формирования импульсных сигналов сверхмалой длительности с функцией управления длительностью.

Изобретение относится к способам и устройствам заряда батарей емкостных накопителей электрической энергии в виде конденсаторов, ионисторов и т.п., широко используемых в импульсной технике, при их заряде от источника переменного тока, в том числе ограниченной мощности.

Изобретение относится к средствам формирования мощных прямоугольных высоковольтных импульсов наносекундной и субмикросекундной длительности в ускорительной технике.

Изобретение относится к интегральной электронной технике и может быть использовано в составе боков синтезаторов сетки частот, а именно при реализации генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования прямоугольных импульсов при оптимальном соотношении КПД и габаритов блокинг-генератора, работающего в автоколебательном режиме.

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления и передачи информации.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники. Генератор включает зарядную цепь, ограничитель и нагрузку.

Предлагаемый способ относится к области измерительной техники и предназначен для преобразования напряжения в частоту следования импульсов. Технический результат заключается в уменьшении абсолютной погрешности дискретности преобразования в код выходной частоты следования импульсов и расширение диапазона входных напряжений.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для улучшения линейности усиления многочастотных сигналов. Технический результат заключается в снижении динамического диапазона многочастотных сигналов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в цифровых системах управления преобразователями постоянного напряжения с функцией подавления опасных колебаний выходного напряжения, возникающих при определенном наборе параметров системы.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в оборудовании для термообработки деталей в машиностроении и плавления металлов в индукционных печах.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания различных радиоэлектронных устройств. .

Изобретение относится к области гидроакустических исследований дна Мирового океана и других акваторий и может быть использовано при лоцировании дна, профилировании придонных слоев, в морской геофизике, поиске малоразмерных предметов.

Изобретение относится к области разработки аппаратуры многоканальных излучающих трактов гидроакустических средств различного назначения. .

Изобретение относится к морской технике, конкретнее к устройствам гидроакустических излучателей, работающих в составе глубоководных дрейфующих приборов. .

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для защиты плавсредств, например подводных и надводных кораблей, от несанкционированного съема информации о технических характеристиках объектов иностранными техническими средствами наблюдения и контроля в ходе реализации международных договоров Российской Федерации и иных программ и проектов.

Изобретение относится к усилительной технике и может использоваться в многоканальных передающих трактах гидроакустических комплексов для возбуждения фазированной антенной решетки широкополосными сигналами режимов звукоподводной связи и гидролокации.

Изобретение относится к области глубоководных приборов, в частности к глубоководным гидроакустическим преобразователям и звукоотражателям, где для автоматического поддержания противодавления на различных глубинах погружения используется газовая компенсация.

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к устройствам, предназначенным для сетей беспроводной связи при многолучевом распространении радиосигнала OFDM, и может быть использовано на базовых станциях и в мобильных терминалах. Технический результат заключается в повышении скорости передачи OFDM сигналов. Способ приема сигналов OFDM включает преобразование входного аналогового сигнала OFDM в последовательность из М цифровых информационных сигналов, где М-целое число, с помощью быстрого преобразования Фурье. Периодически в OFDM сигнале передают обучающую последовательность. По этой обучающей последовательности и принятому из эфира отклику на эту обучающую последовательность формируют импульсный отклик канала. Осуществляют формирование 2м образцов импульсного отклика канала на все возможные значения последовательности из М информационных цифровых сигналов. Сравнивают их с откликом на последовательность из М информационных цифровых сигналов, полученным из эфира. Выбирают ту последовательность из М информационных цифровых сигналов, у которой импульсный отклик канала меньше всего отличается от отклика на информационную последовательность, принятую из эфира. 1 ил.

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических излучающих трактах для возбуждения ультразвуковых излучателей. Генераторное устройство содержит последовательно соединенные формирователь сигналов, устройство управления и N-канальный ШИП, выходы которого через последовательно включенные каналы N-канального КУМ и N-канального порогового датчика тока соединены со входами N-канального трансформаторного сумматора, первый и второй выходы которого соединены через фильтр нижних частот и датчик тока с первой и второй шинами возбуждения акустических излучателей, а выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, дополнительно введены первый и второй пороговые усилители, амплитудный детектор, аналогово-цифровой преобразователь и цифровой сумматор, причем формирователь сигналов дополнительно содержит шину данных кода амплитуды и выход разрешения, а в устройство управления включены параметрический усилитель с шиной кода усиления и вычитающее устройство, выход которого является выходом устройства управления. Техническим результатом является повышение надежности при условии обеспечения безопасной работы в условиях значительного изменения импеданса нагрузки, что обеспечивает бесперебойное функционирования ГУ в экстремальных режимах работы. 3 ил.

Наверх