УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ Российский патент 1994 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерителям параметров вибрации, а именно к устройствам для измерения амплитудных значений виброперемещений, виброскорости или виброускорений.

Известно устройство для измерения параметров вибрации, содержащее вибродатчик, блок запоминания положительных амплитуд сигнала и неинвертирующий усилитель [1] .

Известное устройство формирует на выходе сигнал в виде электрического напряжения, пропорционального амплитудным значениям виброперемещений, виброскорости или виброускорений.

Недостатком известного устройства является низкое быстродействие, так как сигнал, пропорциональный амплитудным значениям, устанавливается через время, равное нескольким периодам измеряемого сигнала.

Более близким по технической сущности является устройство для измерения параметров вибрации, содержащее вибродатчик, блок запоминания положительных амплитуд сигнала, блок обработки положительных полупериодов сигнала, формирователь положительных управляющих импульсов и неинвертирующий усилитель [2] .

В известном устройстве сигнал на его выходе устанавливается через время, равное одному периоду измеряемого сигнала.

Недостаток известного устройства - относительно низкое быстродействие измерений. Это препятствует его использованию в особо быстродействующих системах автоматического управления вибрационными объектами, например, в системах дискретного (порционного) дозирования.

Цель изобретения - повышение быстродействия измерений путем обеспечения дискретизации измерений через время, равное половине периода измеряемого сигнала.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения параметров вибрации, содержащее вибродатчик, блок запоминания положительных амплитуд сигнала, блок обработки положительных полупериодов сигнала, формирователь положительных управляющих импульсов и неинвертирующий усилитель, снабжено блоком запоминания отрицательных амплитуд сигнала, блоком обработки отрицательных полупериодов сигнала, формирователем отрицательных управляющих импульсов, инвертирующим усилителем и блоком выделения большего из двух сигналов. Вибродатчик соединен с первыми входами блоков запоминания положительных и отрицательных амплитуд сигнала и первыми входами блоков обработки положительных и отрицательных полупериодов сигнала, выход блока запоминания положительных амплитуд сигнала через неинвертирующий усилитель соединен с первым входом блока выделения большего из двух сигналов, второй вход которого через инвертирующий усилитель связан с выходом блока запоминания отрицательных амплитуд сигнала, выход блока обработки положительных полупериодов сигнала через формирователь отрицательных управляющих импульсов соединен со вторыми входами блока запоминания отрицательных амплитуд сигнала и блока обработки отрицательных полупериодов сигнала, а выход блока обработки отрицательных полупериодов сигнала через формирователь положительных управляющих импульсов - со вторыми входами блока запоминания положительных амплитуд сигнала и блока обработки положительных полупериодов сигнала.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений на выходах функциональных элементов устройства.

Устройство для измерения параметров вибрации содержит вибродатчик 1, блок 2 запоминания положительных амплитуд сигнала, блок 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала, блок 4 обработки положительных полупериодов сигнала, блок 5 обработки отрицательных полупериодов сигнала, неинвертирующий усилитель 6, блок 7 выделения большего из двух сигналов, инвертирующий усилитель 8, формирователь 9 отрицательных управляющих импульсов и формирователь 10 положительных управляющих импульсов. Вход вибродатчика 1 является входом всего устройства, а выход блока 7 выделения большего из двух сигналов - выходом всего устройства.

Блоки 2 и 3 запоминания положительных и отрицательных амплитуд сигнала содержат последовательно соединенные диод 11 и конденсатор 12, охваченный разрядным ключом 13, однако в блоке 2 запоминания положительных амплитуд сигнала с его первым входом соединен анод диода 11, а в блоке 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала - катод диода 11.

Блоки 4 и 5 обработки положительных и отрицательных полупериодов сигнала содержат последовательно соединенные диод 14, конденсатор 15, охваченный разрядным ключом 16, и резистор 17, однако в блоке 4 обработки положительных полупериодов сигнала с его первым входом соединен анод диода 14, а в блоке 5 обработки отрицательных полупериодов сигнала - катод диода 14.

Формирователи 9 и 10 отрицательных и положительных управляющих импульсов содержат усилитель-ограничитель 18, дифференциатор 19 и диод 20, однако в формирователе 9 отрицательных управляющих импульсов с его выходом соединен анод диода 20, а в формирователе 10 положительных управляющих импульсов - катод диода 20.

Блок 7 выделения большего из двух сигналов содержит диоды 21 и 22, а также резистор 23.

На фиг. 2 обозначено: U₁ - напряжение на выходе вибродатчика 1, U₂ - напряжение на выходе блока 2 запоминания положительных амплитуд сигнала, U₃ - напряжение на выходе блока 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала, U₄ - напряжение на выходе инвертирующего усилителя 8, U₅ - напряжение на выходе блока 4 обработки положительных полупериодов сигнала, U₆ и U₇ - соответственно напряжения на выходах усилителя-ограничителя 18 и дифференциатора 19, входящих в формирователь 9 отрицательных управляющих импульсов, U₈ - напряжение а выходе блока 5 обработки отрицательных полупериодов сигнала, U₉ и U₁₀ - соответственно напряжения на выходах усилителя-ограничителя 18 и дифференциатора 19, входящих в формирователь 10 положительных управляющих импульсов, U₁₁ - напряжение на выходе блока 7 выделения большего из двух сигналов, t - время.

Устройство для измерения параметров вибрации работает следующим образом.

Механические колебания, изменяющиеся, например, по гармоническому закону, преобразуются в электрический сигнал вибродатчиком 1 (фиг. 1), на выходе которого формируется напряжение U₁ (фиг. 2), пропорциональное, в зависимости от конструкции вибродатчика, виброперемещению, виброскорости или виброускорению, возникающим при колебаниях.

Напряжение U₁ поступает на первые входы блоков 2 и 3 запоминания положительных и отрицательных амплитуд сигнала. Поскольку в блоке 2 с его первым входом связан анод диода 11, а в блоке 3 - катод диода 11, на выходе блока 2 запоминания положительных амплитуд сигнала формируется напряжение U₂, максимальное значение которого равно амплитуде напряжения U₁ на интервалах его положительности, а на выходе блока 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала - напряжение U₃, максимальное значение которого равно амплитуде напряжения U₁ на интервалах его отрицательности.

Алгоритм формирования непрерывного знакопостоянного сигнала, пропорционального амплитудным значениям параметра вибрации, включает сохранение запомненного на выходе блока 2 положительного амплитудного значения напряжения U₁ до момента, когда напряжение U₁ достигает отрицательной амплитуды; сохранение запомненного на выходе блока 3 отрицательного амплитудного значения напряжения U₁ до момента, когда напряжение U₁ достигает положительной амплитуды, с одновременным инвертированием запомненного амплитудного значения напряжения; поочередный переход от запомненных положительных к инвертированным отрицательным амплитудным значениям напряжения U₁ и наоборот в моменты достижения напряжением U₁ амплитудных значений.

Поскольку поочередный переход от запомненных положительных к инвертированным отрицательным амплитудным значениям напряжения U₁ и, наоборот, происходит в моменты времени, при которых выходное напряжение вибродатчика принимает амплитудные значения, для практической реализации алгоритма необходимо выявление этих моментов времени. Для решения этой задачи в устройстве используются блоки 4 и 5 обработки положительных и отрицательных полупериодов сигнала. Принцип действия блоков 4 и 5 основан на том, что при питании цепи из последовательно соединенных конденсатора и резистора импульсным напряжением одного знака (в блоках 4 и 5 это обеспечивается благодаря диодам 14) ток в цепи прекращается при достижении на каждом импульсе максимального напряжения, т. е. при заряде конденсатора до максимального значения напряжения в импульсе (предполагается, что перед началом действия каждого импульса напряжения конденсатор каким-либо способом разряжается). При этом зарядный ток создает на резисторе 17 падение напряжения.

На выходе блока 4 обработки положительных полупериодов сигнала зарядный ток, протекая по резистору 17, создает напряжение U₅ в виде положительных импульсов. На выходе блока 5 обработки отрицательных полупериодов сигнала зарядный ток, протекая по резистору 17, создает напряжение U₈ в виде отрицательных импульсов.

Для получения сигнала, появляющегося в моменты времени, когда напряжение на выходе вибродатчика (напряжение U₁) достигает максимальных значений, напряжения U₅ и U₈ поступают соответственно на формирователь 9 отрицательных управляющих импульсов и формирователь 10 положительных управляющих импульсов. Принцип действия формирователей 9 и 10 основан на том, что импульсы U₅ и U₈ в усилителе-ограничителе 18 принимают прямоугольную форму (без изменения их длительности), после чего в дифференциаторе 19 осуществляется их дифференцирование. В результате этих операций на выходе дифференциатора 19, входящего в формирователь 9 отрицательных управляющих импульсов, появляется напряжение U₇, а на выходе дифференциатора 19, входящего в формирователь 10 положительных управляющих импульсов, - напряжение U₁₀. Отличительной особенностью этих напряжений является то, что передний фронт отрицательных импульсов в напряжении U₇ появляется на интервалах положительности напряжения U₁ в те моменты времени, когда это напряжение достигает амплитудных значений, а передний фронт положительных импульсов в напряжении U₁₀ появляется на интервалах отрицательности напряжения U₁ в те моменты времени, когда это напряжение достигает амплитудных значений.

Благодаря наличию диодов 20 отрицательные импульсы в напряжении U₇ проходят на выход формирователя 9 отрицательных управляющих импульсов, а положительные импульсы в напряжении U₁₀ - на выход формирователя 10 положительных управляющих импульсов.

Дальнейшую работу устройства целесообразно рассмотреть отдельно для каждого из трех возможных режимов изменения амплитуды сигнала на выходе вибродатчика 1 - уменьшения амплитуды сигнала, постоянства амплитуды сигнала и увеличения амплитуды сигнала (участки I, II, III на фиг. 2).

А. Работа устройства при уменьшении амплитуды выходного сигнала вибродатчика.

На интервале положительности напряжения U₁ в момент времени t₁ (фиг. 2) напряжение на выходе блока 2 запоминания положительных амплитуд сигнала (напряжение на конденсаторе 12) достигает амплитудного значения и далее (до поступления на второй вход блока 2 управляющего сигнала) остается неизменным. Постоянство напряжения обеспечивается тем, что разрядный ключ 13, шунтирующий конденсатор 12, закрыт, и тем, что разряд конденсатора 12 невозможен ни через диод 11, ни на высокое входное сопротивление неинвертирующего усилителя 6, через который выходной сигнал блока 2 запоминания положительных амплитуд сигнала поступает на первый вход блока 7 выделения большего из двух сигналов.

На интервале отрицательности напряжения U₁ в момент времени t₂ амплитудное значение принимает напряжение на выходе блока 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала, которое далее (до поступления на второй вход блока 3 управляющего сигнала) остается неизменным. Через инвертирующий усилитель 8 напряжение с выхода блока 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала поступает на второй вход блока 7 выделения большего из двух сигналов. Использование инвертирующего усилителя 8 обеспечивает появление на втором входе блока 7 выделения большего из двух сигналов напряжения U₄, имеющего такой же знак, как и напряжение на первом входе (оба напряжения положительны).

Для формирования непрерывного знакопостоянного сигнала, пропорционального амплитудным значениям параметра вибрации, в моменты времени, когда напряжение U₁ достигает амплитудных значений (т. е. в моменты времени t₂, t₃, t₄, t₅ и т. д. , кривая U₁), в устройстве осуществляется переход от запомненных положительных к инвертированным отрицательным амплитудным значениям напряжения U₁, и наоборот. Переход от запомненных инвертированных отрицательных к положительным амплитудным значениям напряжения U₁ необходим в связи с тем, что положительные и отрицательные амплитудные значения напряжения U₁ во времени чередуются.

Для перехода (первого на фиг. 2) от запомненных положительного к инвертированному отрицательному амплитудным значениям напряжения U₁ в момент времени t₂ с выхода формирователя 10 положительных управляющих импульсов на второй вход блока 2 запоминания положительных амплитуд сигнала (на управляющий вход разрядного ключа 13) подается короткий положительный импульс, имеющийся в напряжении U₁₀. До поступления этого импульса напряжение, поступающее на первый вход блока 7 выделения большего из двух сигналов, превышало напряжение U₄, поступающее на второй вход блока, и, следовательно, на выход блока 7 поступало напряжение с его первого входа. Появление на управляющем входе разрядного ключа 13, входящего в блок 2 запоминания положительных амплитуд сигнала, короткого импульса приводит к открытию разрядного ключа и быстрому снижению напряжения на выходе блока 2 до нулевого значения. По мере снижения напряжения на выходе блока 2 запоминания положительных амплитуд сигнала напряжение на первом входе блока 7 выделения большего из двух сигналов становится меньше, чем напряжение U₄ на его втором входе. На выход блока 7 начинает поступать напряжение с его второго входа, что эквивалентно переходу от запомненных положительному к инвертированному отрицательному амплитудным значениям напряжения U₁.

В соответствии с алгоритмом работы устройства напряжение U₄ должно поступать на выход блока 7 выделения большего из двух сигналов до появления очередной положительной амплитуды в напряжении U₁. Для перехода (первого на фиг. 2) от запомненных инвертированного отрицательного к положительному амплитудным значениям напряжения U₁ в момент времени t₃ с выхода формирователя 9 отрицательных управляющих импульсов на второй вход блока 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала подается короткий отрицательный импульс, имеющийся в напряжении U₇. Разрядный ключ 13, входящий в блок 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала, открывается и напряжение на выходе блока 3 быстро снижается до нулевого значения. По мере снижения напряжения U₄ напряжение на втором входе блока 7 выделения большего из двух сигналов становится меньше, чем напряжение на его первом входе. На выход блока 7 начинает поступать напряжение с его первого входа, что эквивалентно переходу от запомненных инвертированного отрицательного к положительному амплитудным значениям напряжения U₁.

На последующих интервалах времени (от t = t₃ до t = t₄, от t = t₄ до t = t₅) устройство работает аналогично описанному выше.

В итоге на выходе блока 7 выделения большего из двух сигналов, т. е. на выходе всего устройства, формируется непрерывное знакопостоянное напряжение U₁₁, пропорциональное амплитудным значениям параметра вибрации.

Поскольку блоки 4 и 5 обработки положительных и отрицательных полупериодов сигнала должны формировать последовательности импульсов, имеющиеся в них конденсаторы 15 должны периодически разряжаться. Поскольку блок 4 обработки положительных полупериодов сигнала работает на интервале положительности напряжения U₁, а блок 5 - на интервале отрицательности напряжения U₁, для открывания разрядных ключей 16, обеспечивающих разряд конденсаторов 15, используются сигналы, формируемые для управления разрядными ключами 13, установленными в блоках 2 и 3 запоминания положительных и отрицательных амплитуд сигнала. Для этого положительные импульсы в напряжении U₁₀ c выхода формирователя 10 положительных управляющих импульсов подаются на второй вход блока 4 обработки положительных полупериодов сигнала, а отрицательные импульсы в напряжении U₇ с выхода формирователя 9 отрицательных управляющих импульсов - на второй вход блока 5 обработки отрицательных полупериодов сигнала. Положительные импульсы в напряжении U₁₀ и отрицательные импульсы в напряжении U₇ подготавливают соответственно работу блоков 2 и 3 запоминания положительных и отрицательных амплитуд сигнала на очередных интервалах положительности и отрицательности напряжения U₁.

Б. Работа устройства при постоянстве амплитуды выходного сигнала вибродатчика.

В целом работа устройства при постоянстве амплитуды выходного сигнала вибродатчика аналогична работе устройства при уменьшении амплитуды. Особенностью рассматриваемого режима является лишь, то что запомненные положительные и инвертированные отрицательные амплитуды напряжения U₁ равны. Поэтому переход от запомненных положительного к инвертированному отрицательному амплитудным значениям напряжения U₁ и наоборот начинает осуществляться, когда сигнал на выходе блока 2 запоминания положительных амплитуд сигнала становится меньше сигнала на выходе блока 3 запоминания отрицательных амплитуд сигнала и наоборот (изменение запомненных значений сигналов на выходах блоков 2 и 3 происходит, как отмечено выше, при поступлении на их вторые входы управляющих импульсов с выходов блоков 9 и 10).

В рассматриваемом режиме напряжение на выходе блока 7 выделения большего из двух сигналов будет постоянным по уровню (фиг. 2).

В. Работа устройства при увеличении амплитуды выходного сигнала вибродатчика.

В целом работа устройства в данном режиме аналогична работе устройства в режиме, когда амплитуды выходного сигнала вибродатчика уменьшаются.

Отличительной особенностью рассматриваемого режима является то, что переход от запомненных положительного к инвертированному отрицательному амплитудным значениям напряжения U₁ и наоборот осуществляется не принудительным путем - при подаче управляющих сигналов на вторые входы блоков 2 и 3 запоминания положительных и отрицательных амплитуд сигнала, а естественным путем - при появлении на выходе одного из блоков запоминания амплитуд сигнала напряжения, превышающего напряжение на выходе другого блока. На фиг. 2 (участок III) видно, что указанное превышение возникает несколько ранее тех моментов времени, в которые на вторые входы блоков 2 и 3 запоминания сигналов поступают управляющие импульсы. Благодаря наличию блока 7 выделения большего их двух сигналов, поступление управляющих импульсов на вторые входы блоков 2 и 3 запоминания амплитуд сигнала не приводит к дополнительному изменению напряжения на выходе блока 7, поскольку он всегда пропускает лишь наибольший сигнал и не реагирует на изменения меньшего по уровню сигнала.

В рассматриваемом случае на выходе блока 7 выделения большего из двух сигналов формируется возрастающее (на участке III фиг. 2) напряжение U₁₁, которое пропорционально амплитудным значениям параметра вибрации.

Введение в устройство новых элементов и новых связей между ними приводят к его выгодному отличию от известных устройств, в частности, от прототипа. В предложенном устройстве сигнал на его выходе, пропорциональный амплитудным значениям параметра вибрации, устанавливается через время, равное половине периода измеряемого сигнала. Это эквивалентно достижению предельного быстродействия.

Одновременно повышается точность измерений, поскольку выходной сигнал устройства содержит информацию о всех, без исключения, амплитудах измеряемого сигнала. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 291105, кл. G 01 H 1/06, 1965.

2. Авторское свидетельство СССР N 949344, кл. G 01 H 1/06, 1982.

Использование: при измерении амплитудных значений параметров вибрации. Сущность: устройство содержит первый и второй амплитудные детекторы, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй блоки обработки импульсов, два усилителя и блок выделения большего из двух сигналов. На выходе устройства формируется сигнал, пропорциональный амплитудным значением параметра вибрации на каждом полупериоде измеряемого сигнала. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ , содеpжащее вибpодатчик, блок запоминания положительных амплитуд сигнала, блок обpаботки положительных полупеpиодов сигнала, фоpмиpователь положительных упpавляющих импульсов и неинвеpтиpующий усилитель, отличающееся тем, что, с целью повышения быстpодействия измеpений путем обеспечения дискpетизации измеpений чеpез вpемя, pавное половине пеpиода измеpяемого сигнала, оно снабжено блоком запоминания отpицательных амплитуд сигнала, блоком обpаботки отpицательных полупеpиодов сигнала, фоpмиpователем отpицательных упpавляющих импульсов, инвеpтиpующим усилителем и блоком выделения большего из двух сигналов, вибpодатчик соединен с пеpвыми входами блоков запоминания положительных и отpицательных амплитуд сигнала и пеpвыми входами блоков обpаботки положительных и отpицательных полупеpиодов сигнала, выход блока запоминания положительных амплитуд сигнала чеpез неинвеpтиpующий усилитель соединен с пеpвым входом блока выделения большего из двух сигналов, втоpой вход котоpого чеpез инвеpтиpующий усилитель связан с выходом блока запоминания отpицательных амплитуд сигнала, выход блока обpаботки положительных полупеpиодов сигнала чеpез фоpмиpователь отpицательных упpавляющих импульсов соединен с втоpыми входами блока запоминания отpицательных амплитуд сигнала и блока обpаботки отpицательных полупеpиодов сигнала, а выход блока обpаботки отpицательных полупеpиодов сигнала чеpез фоpмиpователь положительных упpавляющих импульсов - с втоpыми входами блока запоминания положительных амплитуд сигнала и блока обpаботки положительных полупеpиодов сигнала.