Устройство для измерения средних значений изменяющихся во времени величин

 

Союз Советских

Социалистических

Республик (ii 746319 (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 10.10. 77(21) 2530794/18-21 с присоединением заявки ¹

01 R 23/14

Ркударстеенный комитет

СССР (23) Приоритет— по делам изобретений и открытий

Опубликовано 07Я7 80. Бюллетень № 25 (53) УДК621017 (088.8) Дата опубликования описания 10.07.80 (72) Авторы изобретения

В. И. Лобан и В. И. Сергеев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ

ИЗМЕНЯЮШИХСЯ ВО ВРЕМЕНИ ВЕЛИЧИН

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, ктожет найти .широкое применение при точном непрерывном измерении усредненных значений изменяющихся во времени неэлектрических, а также электрических величин, 5 с помощью частотных датчиков, преимущественно на основе 1 С -генераторов с управляемой индуктивностью или с использованием варикапов, в цифровых приборах и информационно-измерительных системах (ИИС) с большим числом контролируемых параметров. В частности; оно может широко использоваться для точного измерения сил и давлений в специфических условиях гидравлических лабораторий при величине пульсирующей помехи (например, потока жидкости), сравнимой с постоянной составляющей измеряемой величины.

Известные частотные датчики характеризуются погрешностью нуля и чувствительности от нестабильности частоты

/ генератора и имеют существенно нелинейную характеристику преобразования при достаточно широком относительном изменении входов параметра.

Нелинейность характеристики не позволяет использовать для измерения частоты датчика промышленные частотомеры, а в ИИС при наличии нескольких каиалов не позволяет производить непосредственно на выходе датчика сложение, вычитание частот от разных датчиков, усложняя последующую обработку информации и загружая память специалиI

GHpoBBB8oH Вычислительной машиные

Погрешности от нелинейности характеристики, нестабильности частоты являтотся взаимосвязанными параметрами частотных датчиков и в конечном счете определяют диапазон измерения устройства, Уменьшение нелинейности при заданной погрешносли линейности позволяет снизить погрешность от нестабильности, а уменыаение обоих погрешно3 4 стей позволяет расширить диапазон измерения.

Кроме того, при измерении усредненных значений изменяющихся во времечи величин (в частности постоянных величин с наложенной на пих гармонической помехой) возникает погрешность усреднения. Одна из составляющих погрешности усреднения — динамическая погрешность второго рода (погрешность отсечки), связанная с некратностью времени измерения и периода помехи, может быть устранена различными способами, например, при известных параметрах помехи,интегрированием со сдвигом на полпериода помехи или частоты управляемых генераторов (датчиков) частотной помехи, а прй известных параметрах помехи наиболее просто — выбором времени инте1 грирования, много большйм максимального периода помехи или интегрированием со .сдвигом и т. д.

Вторая составляющая погрешности усреднения определяется нелинейностью характеристики частотного датчика — наличием квадратичного и кубичного членов разложения в ряд ха }актеристики где Х - измеряемая величина f и 1, частота иа выходе датчика и начальная частота при Х=О; cK,P,g — постоянные коэффициенты,чтоприинтегрированииизмеряе-. мой величины даже за интервал времени, кратный периоду помехи, приводит к смешению усредненного значения из-за добавок от квадратичного и кубичного членов, пропорциональных квадрату амплитуды переменной составляющей измеряемой величины (помехи).

Известны устройства для измерения перехода амплитудной модуляции в частотную или фризовую в ограничителях, : . содержащие два неуправляемых генератора, частоты которых, соответственно выше и ниже измеряемой, в которых

I обеспечивается вычисление разностных частот для анализа откпонеиия разностной частоты от номинала (1J.

Однако в этих устройствах невозможно осуществить линеаризацию характеристики устройства и коррекцию мультипликативной составляющей систематической погрешности от нестабильности частот генераторов.

Наиболее близко к предлагаемому устройство для измерения средних зна5

10 чений изменяющихся во времени величин, в котором возможно обеспечить стабильность характеристик и высокую их линейность путем исключения квадратичного и кубичного членов разложения, а также получить более высокое, по сравнению с дифференциальными преобразователями, уменьшение погрешности усреднения из за нелинейности характеристики при непрерывном процессе измерения контролируемого параметра.

Данное устройство содержит два симметричных инверсно управляемых измеряемой величиной генератора (включенных дифференциально), подключенные ко входам одного смесителя, другой смаситель и неуправляемый генератор, подключенный к одному иэ входов второго смесителя, другой вход которого через полосовой фильтр связан с выходом первого смесителя, счегчик импульсов, иа входе которого установлено ключевое устройство, бдин из входов которого через полосовой фигьтр и дискретный делитель частоты связан с выходом вто рого смесителя, а на другом входе уста- новлен фильтр нижних частот, через который этот вход связан с выходом,.первого смеситебя f2)

Недостатки устройства:

1) Необходимость создания строго симметричных дифференциальных преобразователей (управляемых измеряемой ве-. личиной генераторов) с идентичными коэффициентамисС1-с ф = Ь = $ однг временно при трех чйенах разложения с первой, второй и третьей степенями, и равными начальными частотами fp — f 0>

40 для осуществления процесса линеаризации и искл1ачения как квадратичного, так и кубичного "членов разложения, 2) Невозможность на практике с высокой точностью симметрировать управляемыее генераторы и вытекающие отсюда значительное усложнение настройки датчиков, требующих сложной индивидуальной подгонки для удовлетворения максимально возможной симметрии, появление высокой остаточной погрешности нелинейности бюст как от квадратичного, так. M от кубичйого членов разложения, при неравенстве коэффициентов юг 4 < при линейных членах, а также неравенстве начальных частот l f-gj го ) двух управляемых генераторов.

3) Принципиальная невозможность разнесения начальных частот управляемых генераторов, приводящая к захвату час5 746310 тот и искажающая характеристику преоб- Введение дополнительного неуправляеразования. мого генератора, подключенного ко вхоЭто затРУднЯет пРактическое примене- ду дополнительного смесителя позволяет ние данного УстРойства, делает егО не- обеспечить точное выполнение условия липригодным для серийного производства 5 неаризации путем подстройки его частоты и существенно снижает эффективность как при произвоЛьной начальной частоте уплинеаРизации статической хаРактеристики, равляемого генератора подключенного г 1 так и уменьшения погрешности усредне- вместе с ним к дополнительному смесиния изменяющейся во времени величины телю, и произвольных коэффициентах разпри непрерывном ее интегрировании в 1О ложения цикле измерения. Все это существенно повышает эффекЦель изобретения — повышение точнос- тивность линеаризации статической хати линеаризации. Рактеристики и эффективность усреднения

Указанная цель достигается тем, что изменяющейся во времени. величины при в устройство для измерения средних зна- д непрерывном ее измерении и значительно . чений изменяющихся во времени величии упрощает изготовление и настройку устсодержашее первый смеситель, ко входам ройства, делая его пригодным для серийкоторого подключены два управляемых . ного производства. генератора, выход первого смесителя На чертеже приведена структурная соединен через первый полосовой фильтр щ электрическая схема предлагаемого уст с одним входом второго смесителя, вто- ройства. рой вход которого подключен к выходу : Схема состоит из управляемого измьгенератора, причем выход второго сме- ряемой величиной генератора 1 и ииверссителя соединен с последовательно вклю- но управляемого генератора 2, подключенным вторым полосовым фильтром, д ченных к смесителй З, полосового фильт.дискретным делителем, ипочом и счет- ра 4, неуправляемого генератора 5, вточиком импульсов, третий палосовой рого смесителя 6 и второго полосового фильтр, выход которого соединен со фильтра 7, дополнительного неуправляемвторым входом ключа, снабжено дополни- го генератора 8, дополнительного смеситвпьным генератором и смесителем, так 30 теля 9, фильтра нижних частот 10, дисчто выход дополнительного смесителя кретного делителя 11, ключа 12 и счет соединен со входом третьего иолосового чика импульсов 13. фильтра, а входы дополнительного смеси- Последние три узла Ьбразуют отдельтеля порознь подключены к выходам до- ный блок 14 - измеритель отношения полнительного генератора и одного из 35 двух частот, в качестве которого может управляемых генераторов. быть использован промышленный частотомер или многофункциональный частотомер

Введение дополнительного смесителя, ИИС. Остальные узлы конструктивно формирующего, в отличие от прототипа, объединены и образуют частотный датиную заполняющую частоту, путем сме- 4О - чик 15, выходные частотные сигналы кошивания частоты дополнительного- неуп- . торого по линиям связи передаются к равляемого генератора и частоты одного блоку 14. из управляемых генераторов, подключен- Устройство работает следующим обраных к его входу, которая заполняет зом. счетчик импульсов и течение измеритель- 4j Под действием изменяющейся во временого интервала времени, сформированно- ни измеряемой величины X частота колего аналогично прототипу, позволяет обес- . байий f .} управляемого генератора 1 печить условие линеаризации статической увеличивается а .частота 1 генератора генератора .характеристики (при полном исключении 2 уменьшается в соотве а ся в соответствии с выражеквадратичного и кубичного членов разло- 5О ниями жения) и уменьшить, по сравнению с дифференциальным методом, погрешность 5 k .(+ .Х» (3 X + X ) (1) усреднения даже при различных начальных частотах управляемых генераторов и различных произвольных их коэффициен- gg 2 = Ф 12 ): 4 чальных частот управляемых генераторов, исключая их захватывание. 3, g безразмерные коэффициент

7 7483 М 8 частотой f Н - на входы дополнительного смесителя 9. Полосовой фильтр 4 и фильтр нижних частот 10 выделяют на выходах смесителя 3 и дополнительного смесителя 9 сигналы с частотами, равными соответственно cfììe 1С= f 1+ 2

Ги gf. = f Н1- f2 частот гене раторов, причем (3) Oi 01 О . 2 Oi

1 — +)."- с(, -с Х- Д Ð Х + II - Х . (4)

Г 02 1 2 1 2

О2. 02 0Z 02

fа1 2 . 01 3

+ (ьi l52 Х ri r2 Х

02, 02 (5) Н2 01 01. .= О2 — - — -,02 02 02.

2 2

Ь| 1 — -i+X2X ф i+ Х g i+ X (7) И 1 2 0 3

20 2 2 Я 2 2 о

02 величина которых зависит от типа и конструктивных особе пюстей датчика.

Выходные напряжения управляемых генераторов 1 и 2 поступают на входы смесителя 3, а одного из управляемых генераторов.— генератора 2 и дополнительного неуправляемого генератора 8 с

Ъ

Далее разностная частота Ь | поступает на один из входов ключа 12 и . используется как частота, заполняюшая счетчик импульсов 13.

Суммарная частота 1 с используется

25 для формирования измерительного интервала времени 7И, фумио :илько связанного с измеряемой величиной X и поступает на один иэ входов второго смесителя 6, где смешивается с частотой Н2=К 102 неуправляемого генераЗО тора 5, поступаюшей на другой вход смеПри измерении"среднего значения . пульсирующей по гармоническому закону величины Х = X O l(+a 51Ï.((ë) + Ч} (rAe д= х „„ X и характеризует отношение амплитуды Х 1 помехи частотой <д и начальной фазой (p к постоянному значению Х о измеряемой величины) среднее значение разности частот р на выходе дискретного делителя 11

Вычисленное аналогичным путем среднее значение разностей частоты Ь получаемое в счетчике импульсов 13„ сителя (К - некоторый коэффициент, выбираемый из условия липеаризации).

Разность частот 5 p -=-5 Н<-3 выделяется вторым полосовым фильтром 7 и непосредственно используется для формирования измерительного интервала времени

7 П Тр путем деления ее на коэффициент и дискретным делителем 11 (T p — усредненный делителем период разности частот 3 р ) и подачи сигнала на второй вход ключа 12. Выражение для разностнои частоты записывается в виде

t определяется равенством " = — р т р -PT подставляя в которое значение из (5) и интегрируя при условии кратности интервала усреднения периоду помехи, т. е. 3 - целом (что исключает из рассмотрения влияние первой составляюшей погрешности усреднения — погреш-нос и отсечки) получим, при условии кратности измерительного интервала. времени Ти периоду помехи;. 7, записывается в виде

9 7463 1 9 10

Тогда записанное в счетчик 13 при наличии помехи число импульсов н а 2 а 2

2;) о 2 ) о

+ф,2 к +P + > i+ — .х и частоту неуправляемого генерато1О ра 5

o(2 (г Р +i 121 1+ +, (11)

" Р Г & le) =/+ 2 (2 (1+ 1 Р2)

Isr ) 1 ) Р2 +2(23 i Р1321

Хо

n Z P,+ P2 Р.(,Р P,) ° (12) Статическая характеристика данного устройства имеет высокую линейность с точностью до члена разложения четвертой степени (погрешность нелинейности от квадратичного и кубичного членов практически исключается).

Реализация предлагаемого устройства в индуктивных преобразователях для измерения сил и давлений позволила получить линейность характеристики, в 5... . 6 раз превышаюшую. линейность извест- . ных дифференциальных преобразователей с теми же датчиками.

Более полное исключение квадратично го и кубичного членов разложения в предлагаемом устройстве обеспечило повышение линейности в 2... 2,5 раза по сравнению с прототипом.

Погрешность усреднения при измерении изменяющейся во. времени величины,—. обусловленная нелинейностью характеристики, определяется в данном устройстве (подобно дифференциальным преобразова-. телям, имеющим из рассмотренных аналогов наименьшую погрешность усреднения) лишь смещением от кубического члена разложения, причем теоретически это смешение при равных условиях в 1,5 раза ниже, чем у дифференциальных преобразователейй.

Банное устройство позволяет значиI тельно, по сравнению с прототипом, упростить процесс линеаризации изготовления датчика, подббр его элементов и настройку преобразователя в целом.

Устройство для измерения средних значений изменяющихся во времени величин, содержашее первый смеситель, ко входам которого подключены два управляемых генератора, выход первого смесителя соединен через первый полосовой фильтр с одним входом второго смесителя, второй вход которого подключен к выходу генератора, причем быход второго смесителя соединен с последовательно включенным вторым полосовым фильтром, дискретным делитепем, ключом и счетчиком импульсов, третий полосовой фил ьтр, выход которого соединен со вторым входом ключа, отличаюшеесятем, что, с

1Н2 О о, Or

Выбрав произвольно начальную частоту управляемого генератора 2 и установив начальную частоту управляемого генератора 1 2

1) (02 > . (9) частоту дополнительного неуправляемого генератора 8 (Я)

1 — х- 1 1+2 получим линеаризованную характеристику устройства с кодом N >, пропорциональным усредненному значению Х изме о ряемой величины Х

При изготовлении датчика отпадает необходимость в строгой симметрии двух управляемых генераторов (например, включающих первичные и индуктивные преобразователи, элементы генераторов) дпя точного выполнения условий линеаризации. В данном устройстве симметрирование генераторов обусловливается лишь получением желательно одинаковой нестабильности их частот для повышения стабильности преобразователя в целом.

Значительно проше по сравнению с прототипом осуществляется настройка преобразователя (например, не требуется точного симметрирования начальных зазоров индуктивного датчика).

Формула изобретения Ф

Г „. „укМ ,,Ф: В .ФАВН

11 46Г19 12

1 целью повышения точности линеаризации, Источники информации, оно снабжено дополнительным генерато- принятые во внимание при экспертизе ром и дополнительным смесителем так, что выход дополнительного смесителя 1. Авторское свидетельство СССР соединен со входом третьего полосового g N 208027, кл. Я 03 С 3/38, 1969. фильтра, а входы дополнительного смесителя порознь подключены к выходам допол- 2. Авторское свидетельство СССР нитвпьного генератора и одного из управ- Nq 434329, кл. С 01 R 28/14, ляемых генераторов. 1973 (прототип).

Составитель М. Назаров

РедактоР Б. Федотов ТехРед М. Петко КоРРектсР С Щекмар.

Заказ 3932/32 Тираж 1019 Подписное

ILHHH1lH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4