Цифровой виброметр

 

О ПИ 398835

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Заявлено 05.1У.1971 (№ 1643908/18-24) с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опубликовано 27.1Х.1973. Бюллетень ¹ 38

Дата опубликования описания 24.1.1974

М. Кл. 6 Olh 1/06

Ci Olr 23/06

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

УДК 534:621.3.083.72 (088.8) Авторы изобретения

В. Г. Кнорринг, Л. К. Рукина, А. Д, Толчинский и В. А. Крюков

Заявитель

Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М. И. Калинина

ЦИФРОВОЙ ВИБРОМЕТР

Изобретение относится к виброизмерительпой технике и может быть использовано прп ,построении переносных виброизмерительных приборов с цифровым отсчетом, а также соответствующих узлов систем телеметрии и централизованного контроля.

Известны виброизмерительн ые приборы, содержащие пьезоэлектрический акселерометр, у которых регистрация мгновенного значения вибросмещения происходит путем двойного интегрирования аналогового сигнала, пропорционального виброускорению. Достоинством этих приборов является возможность измерения вибраций на более низких частотах по сравнению с обычными виброметрами с индукционными акселерометрами.

Однако при современном состоянии измерительной техники аналоговый выходной сигнал и аналоговый способ обработки информации в подобных виброметрах следует рассматривать как недостаток. Например, если проектируется информационно-измерительная система, у которой все измеряемые параметры преобразуются в частоту илн цифровой код, то естественно потребовать, чтобы и выходной сигнал виброметра был представлен либо в частоте, либо в коде. Простое присоединение преобразователя напряжения в частоту либо аналого-цифрового преобразователя к выходу амплитудного выпрямителя малоцелесообразно, так как приводит к суммированию погрешностей аналоговой и цифровой частей прибора и не устраняет необходимости применения высококачественных УПТ и интегрирующих конденсаторов, большого ослабления сигнала, невозможности интегрирования в бесконечном времени, большого постоянного времени измерения. относительно больших погрешностей измерения, присущих аналоговой части.

10 Цель изобретения заключается в том, чтобы создать впброметр, в котором все операции над сигналом, в том числе н двойное интегрирование, производились бы в частотноимпульспой либо цифровой форме. Это до15 стигается тем, что вместо аналоговых интеграторов применяются интеграторы частотноимпульсных сигналов, в качестве которых исгользуются следящие частотомеры.

На чертеже показана структурная б tot.20 схема предлагаемого цифрового виброметра.

Виброметр содср>кит датчик (в частном случае пьезоэлектрический акселсрометр) 1; преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) 2; интегратор, состоящий нз блока 8

2S вычитания частот, реверсивного счетчика 4, преобразователя код-частота (КПЧ) б и делителя б частоты; интегратор, состоящий из реверсивного счетчика 4, преобразователя код-частота (КПЧ) б и делителя б частоты.

30 и кварцевый генератор 7.

398835

Выход датчика соединен с входом IIHLI, выход которого через блок вычитания частот подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 4. К вычитающему входу последнего через блок вычитания частот и дслитель б частоты подключен ПКЧ 5, который подсоединен одним входом к кварцевому генератору, а другим к единичным выходам счетчика 4. Выходной сигнал первого интегратора, снимаемый с выхода делителя частоты, поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 . Вычитающий вход счетчика 4 через делитель б частоты, подключен к выходу

ПКЧ 5, который одним входом соединен с кварцевым генератором, а другим — с единичными выходами счетчика 4 .

Сигнал с выхода ПНЧ имеет переменную составляющую f (пропорциональную измеряемому сигналу, и постоянную составляющую f=, несущую частоту ЧИМ-сигнала, т. е.

f,„„= f +f=. Для разделения составляющих применяется известная схема следящего частотомера.

Как известно, реакция сл)едящего частомера на скачкообразное изменение частоты представляет собой экспоненту с постоянной вреЛМ мени Т= —, где ЛУ вЂ” изменение показаний реверсивного счетчика при изменении частоты .на Af. Это позволяет использовать прин)цип следящего частотомера в качестве частотно-цифрового аналога RC-цепочки для интегрирования частотного сигнала при произвольном законе изменения измеряемой величины.

Уравнение следящего частотомера (без учета квантования) с 1V

N = f(f,„— f, )dt, но так как = Т, то О - о,с

f,, = — (((.. — f,,) dt т, что совпадает с уравн)ением RC-интегратора т

Uñ — 1 (Uaõ Uî.c) (ТО

Принцип следящего частотомера заключается в том, что при подаче на его вход измеряемой частоты с наложенной )переменной помехой он отрабатывает постоянную составляющую и медленные изменения частоты, оТфильтровывая переменную помеху.

При использовании следящего частотомера в качестве частотного интегратора его задача прямо противоположна.

Он должен интегрировать в непрерывном масштабе, переменный входной сигнал

N = jf„dl, что достигается выбором соответствующей постоянной времени частотомера, путем введения в цепь обратной связи делителя частоты, в результате чего f: (((,„и, кроме того, 5

foe — fax — °

Таким образом, при достаточно большой постоянной времени замкнутого контура интегратора в схеме .происходит непрерывная

10 коррекция постоянной составляющей входной частоты.

Передаточная функция следящего частотомера

W(PI T

15 F(P) 1+TP

1 где Т= — — постоянная времени )передачи, mn а т и и — коэффициенты передачи ПКЧ 5

20 и делителя б частоты соответственно. Ее можно записать так же, как .()= „"„, =,.(в) .(»

25 т. е. передаточная функция следящего частотомера есть передаточная функция последовательно соединенных разделительной цепочки и идеального интегратора. Ан)алоговым эквивалентом разделительной цепочки явля30 ется обычная разделительная RC-цепь.

Второй интегратор построен аналогично, цепь вычитания частот на его входе не нужна, так как выходные импульсы первого интегратора и импульсы обратной связи f„, полу35 чаются от одного и того же задающего генератора.

Более того, оба ПКЧ могут быть выполнены на основе одного и того >ке счетчика с двумя наборами ключей па выходах.

40 В зависимости от конкретного применения виброметра выходными параметрами его могут быть коды Л((и Л либо частотно-им)пульсные сигналы вых, H fablx

45 Лг, =- о () =- ((аЛ (О

f»x, = ((v) = (I) j adt

О

50 Ф

N, = 6(v; v) = ) jjvvdl) = y(l), О с

f-*, = Y (v; ) = Ф (О =- j j )

55 где а, v, I — параметры вибропроцесса.

С точки зрения точностных характеристик предлагаемое устройство в основном имеет две погрешности: погрешность от дискретно60 сти выходного сигнала интегратора и методическую погрешность.

Приближенный расчет цены импульса, поступающего на реверсивный счетчик первого интегратора; можно произвести, пренебрегая

65 частотой обратной связи, так как для пра398835

1 1

Т2 Т2

3

I 2 га* интегратора.

N2 — () Г дырЧ

/ ( аых z вильного интегрирования она должна быть малой по сравнению с входной частотой. Тогда, если переменная составляющая входной частоты меняется по закону.

f„= f,„„„, cos Ю, где f,„„„,— максимальная девиация частоты ПНЧ, й— частота измеряемого вибропроцесса, код в счетчике 4 колеблется по закону

N> — Ni„„,sin И = " " sin 2t

Отсюда амплитуда переменной составляющей кода в счетчике 4

f,„ f, вх-макс 1 в" макс / 1 а F fI,F)

Аналогично для второго интегратора

Следовательно, частотный диапазон данного виброметра ограничен сверху при определен ной заданной погрешности дискретности

= р () и „„=р Р,.„„) макс

Оптимальный частотный диапазон вибраций, полученный теоретическим и экспериментальным путем для данного прибора, лежит в пределах единиц долей герца до сотен герц.

Методическая погрешность бм, возникающая вследствие введения обратных связей в интеграторах, определяется по формулам

1

2T И

1 где Т, = — постоянная времени первоm n, го интегратора, 5 1 где Т,= постоянная времени второго

m,ë

10 Соответствующим подбором можно довести методическую погрешность в указанном диа. пазоне частот до величин порядка 0,1 — О,ЗО О.

15 Предмет изобретения

1. Цифровой виброметр, содержащий датчик, преобразователь напряжение-частота, кварцевый генератор и два последовательно

20 соединенных интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения его точности и расширения класса решаемых задач, выход датчика через преобразователь напряжение-частота подключен к входу первого интегратора, 25 второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора и входом второго интегратора.

2. Виброметр по п. 1, отличающийся тем, 3О что первый интегратор содержит блок вычитания частот, один вход которого подключен к первому входу интегратора, другой — к выходу делителя частоты, а выходы — и суммирующему и вычитающему входам реверЗ5 сивного счетчика, единичные выходы которого через преобразователь код-частота подсоединены к входу делителя частоты и выходу первого интегратора, раздельный вход преобразователя код-частота подключен к второму

40 входу первого интегратора.