СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ СТРУННОГО ДАТЧИКА Российский патент 1997 года по МПК G01H13/00 

Изобретение может быть использовано, например, со струнными датчиками, имеющими импульсное возбуждение.

Способ состоит в том, что в датчике возбуждают колебания импульсом максимально допустимой амплитуды, затем производят по мере затухания колебаний ряд измерений частоты и запоминают результаты, а затем при обработке сопоставляют результаты и в качестве истинного значения принимают то, которое отличается от предыдущего меньше, чем на допустимую погрешность.

Струнные датчики для измерения деформаций и других неэлектрических величин широко распространены. Датчик представляет собой стальную струну, натянутую и закрепленную в корпусе. В центре струны на небольшом расстоянии от нее смонтирована катушка. Для возбуждения механических поперечных колебаний в струне в катушку подают импульс электрического тока, напряжение порядка 150 В, ток 1А, длительность 1 мсек. По окончании импульса колеблющаяся струна за счет остаточной намагниченности наводит в катушке напряжение порядка 10 мВ с частотой собственных резонансных колебаний струны. Амплитуда наведенного напряжения затухает во времени. Частота колебаний измеряется и посредством тарировочной зависимости связывается с деформацией струны.

Нужно отметить, что начальная амплитуда колебаний струны непостоянна и зависит от ряда факторов, например от величины остаточной намагниченности струны, зазора между катушкой и струной и других причин. Непостоянен и декремент затухания колебаний струны.

Из литературы (см. П. В. Новицкий и др. Цифровые приборы с частотными датчиками, Энергия, 1970, с. 149) известно, что с непостоянной по величине амплитудой колебаний связана существенная погрешность. Дело в том, что частота колебаний струны равна резонансной частоте только при бесконечно малой амплитуде колебаний. Это объясняется тем, что при колебаниях струны в условиях фиксированной (т.е. измеряемой) длины, отклонение струны в процессе колебаний приводит к появлению дополнительных напряжений в струне. В процессе измерений этот эффект проявляется как повышение измеренной частоты при повышении амплитуды колебаний.

Там же, на стр. 150 в качестве способа снижения этой погрешности рассматривается вопрос стабилизации амплитуды колебаний или уменьшения амплитуды до столь малой величины, при которой ее влияние становится меньше допустимой погрешности.

Авторы делают вывод о невозможности или крайней сложности стабилизации амплитуды. Попытки авторов этой работы уменьшить погрешности за счет снижения амплитуды колебаний до величины, когда погрешность становится незначительной, наталкиваются на принципиальную трудность. Дело в том, что при равных внешних условиях возбуждения колебаний в струне, фактически амплитуда механических колебаний существенно непостоянна и иногда может снизиться до того, что выходной сигнал станет слишком мал и частоту принятого сигнала нельзя будет точно измерить из-за влияния помех.

В авторском свидетельстве СССР N 823892, кл. G 01 H 3/06, 1979 г, принятом в качестве прототипа, рассмотрена и минимизирована погрешность измерения, также связанная с затухающим характером колебаний струнного датчика, но эта погрешность, возникающая не в датчике, а в частотомере. Рассматриваемую погрешность известное решение не затрагивает.

Предлагается способ измерений частоты затухающих колебаний струнного датчика с импульсным возбуждением, при реализации которого рассматриваемая составляющая погрешности минимизируется.

Предлагаемый способ основан на очевидном допущении о том, что по мере затухания амплитуды колебаний струны частота понижается и приближается к резонансной частоте струны.

Для подтверждения предлагаемого способа проведены эксперименты, в процессе которых варьировалась временная задержка между возбуждающим импульсом и началом измерения частоты (реализован цифровой, или счетчиковый способ измерения). Экспериментальные данные, т.е. измеренные значения частоты, приведены в таблице.

В эксперименте была задана большая, близкая к предельно допустимой амплитуда возбуждающего импульса, а измерение частоты начиналось через различные промежутки времени после подачи возбуждающего импульса (задержка).

Амплитуда колебаний струнного датчика не контролировалась, но по мере затухания колебаний уменьшалась по экспоненциальному закону. Таким образом, для каждого датчика измерена частота при нескольких значениях амплитуды колебаний струны.

Как видно из приведенных экспериментальных данных, по мере затухания колебаний частота уменьшается, но из-за разной начальной амплитуды и декремента затухания для каждого датчика индивидуальна.

Предлагается способ измерения частоты колебаний струнного датчика, состоящий в том, что возбуждают колебания в струне, используя импульс максимально допустимой амплитуды, а измерение частоты производится многократно по мере затухания колебаний, каждое измеренное значение запоминается, а после окончания цикла производится обработка результатов путем вычитания второго и первого, далее третьего и второго результатов и т.д. в процессе обработки каждая разность сопоставляется с заданной погрешностью измерения; процесс заканчивается при достижении условия, что разность не превышает заданного значения погрешности. Последнее измеренное значение отличается от значения резонансной частоты колебаний меньше, чем на заданное значение погрешности, и принимается в качестве резонансной частоты.

Использование: струнные датчики, имеющие импульсное возбуждение. Сущность изобретения: в датчике возбуждают колебания импульсом максимально допустимой амплитуды, производят по мере затухания колебаний ряд измерений частоты и запоминают результаты, а затем при обработке сопоставляют результаты и в качестве истинного значения принимают то, которое отличается от предыдущего меньше, чем на допустимую поверхность. 1 табл.

Способ измерения частоты резонансных колебаний струнного датчика, заключающийся в том, что импульсно возбуждают колебания струны датчика и регистрируют эти колебания, отличающийся тем, что возбуждение колебаний струны датчика осуществляют импульсом максимально допустимой амплитуды, регистрацию частоты колебаний струны датчика производят дискретно во времени n раз по мере затухания колебаний, сравнивают каждый из N_i результатов измерения с N_i - 1 результатом, сопоставляют значение полученной разности частот с заданным значением δ погрешности измерений, в качестве результата измерений используют значение частоты колебания, для которой справедливо неравенство
N_i-(N_i-1) ≅ δ.р