ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2003 года по МПК G01D5/243 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования измеряемого физического параметра в электрический сигнал.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрено устройство для измерения перемещений с частотным выходом [1]. Устройство содержит задающий генератор, выход которого подключен к первым входам двух смесителей, два полосных усилителя, входы которых подключены соответственно к выходам смесителей, блок выделения сигнала с разностной частотой, входы которого подключены к выходам полосных усилителей, а выход - к регистратору, управляемый фазовращатель, включенный между выходом первого полосного усилителя и вторым входом второго смесителя, датчик, подключенный к управляющему входу фазовращателя, а выход второго полосного усилителя подключен ко второму входу первого смесителя. Недостатком аналога [1] является низкая чувствительность, которая определяется добротностью резонансных цепей полосных усилителей.

Наиболее близким к изобретению аналогом является устройство для измерения перемещений с частотным выходом [2]. Устройство содержит задающий генератор, выход которого соединен с первыми входами двух смесителей, два полосных усилителя, входы которых подключены к выходам смесителей, а выходы - к вторым входам смесителей, блок выделения сигнала с разностной частотой, входы которого подключены к выходам полосных усилителей, а выход - к регистратору, датчик, подключенный к управляющему входу первого полосного усилителя. Основным недостатком прототипа является ограниченная чувствительность, которая определяется добротностью резонансных цепей полосных усилителей. Добротность не может быть высокой из-за включения в резонансные цепи датчика.

Цель изобретения - увеличение чувствительности параметрического измерительного преобразователя с частотным выходом при использовании низкодобротных резонансных цепей.

Техническим результатом, который может быть достигнут при использования изобретения, является измерение сверхмалых отклонений параметра датчика.

На чертеже представлена структурная схема параметрического измерительного преобразователя с частотным выходом.

Преобразователь содержит датчик 1, управляемый полосный усилитель 2, полосные усилители 3, 4, 5, 6, смесители 7, 8, 9, 10, опорный генератор 11, блок выделения сигнала с разностной частотой 12 и регистратор 13.

К управляющему входу управляемого полосного усилителя 2 подключен датчик 1. К первому входу смесителя 8 подключен выход управляемого полосного усилителя 2, а выход подключен к входу полосного усилителя 3. Выход смесителя 7 подключен к входу управляемого полосного усилителя 2. Выход опорного генератора 11 подключен ко вторым входам смесителей 7, 8. К первому входу блока выделения сигнала с разностной частотой 12 подключен выход управляемого полосного усилителя 2, а к выходу подключен регистратор 13. Оба входа смесителя 9 и вход полосного усилителя 4 подключены к выходу полосного усилителя 3. К выходу смесителя 9 подключен полосный усилитель 5. К входам смесителя 10 подключены выходы полосных усилителей 4 и 5, а к выходу смесителя подключен вход полосного усилителя 6, выход которого подключен к первому входу смесителя 7 и второму входу блока выделения сигнала с разностной частотой 12.

Устройство работает следующим образом.

Изменение измеряемой физической величины вызывает изменение значения выходного параметра датчика 1, который, в свою очередь, смещает по оси частот фазочастотную характеристику ϕ₁(ω₁) управляемого полосного усилителя 2. Резонансная частота ω₁₀ полосного усилителя 2 определяется по нулевому фазовому сдвигу гармонического сигнала. Если полосный усилитель 2 является фильтром второго порядка, то его фазочастотная характеристика описывается выражением

где Q₁ - добротность фильтра.

Полосные усилители 3, 4, 6 настроены на резонансную частоту ω₂₀, усилитель 4 многокаскадный. Фазочастотные характеристики усилителей 3, 6 и каскадов усилителя 4 имеют аналогичный вид:

Полосный усилитель 5 настроен на удвоенную частоту 2ω₂₀.

Полосные усилители 3, 4, 5, 6 и смесители 9, 10 в совокупности соответствуют эквивалентному полосному усилителю с резонансной частотой ω₂₀ и зеркальной относительно оси частот фазочастотной характеристикой

Покажем это на примере, когда добротности полосных усилителей 3, 5, 6 и каскадов полосного усилителя 4 одинаковые, а число каскадов равно четырем. Пусть частота ω₂ входного гармонического сигнала усилителя 3 отличается от его резонансной частоты ω₂₀. После прохождения сигнала через усилитель он приобретает дополнительный фазовый сдвиг ψ. После прохождения сигнала через четырехкаскадный усилитель 4, дополнительный фазовый сдвиг увеличивается до значения 5ψ. С помощью смесителя 9 происходит удвоение частоты и, соответственно, дополнительного фазового сдвига сигнала, поступающего с выхода усилителя 3. После фильтрации выходного сигнала смесителя 9 с помощью полосного усилителя 5, сигнал двойной частоты будет иметь дополнительный фазовый сдвиг 3ψ. С помощью смесителя 10 и полосного усилителя 6 выделяется сигнал разностной частоты и начальной фазы. Частота сигнала будет равна частоте входного сигнала, а дополнительный фазовый сдвиг, с учетом фазового сдвига в усилителе 6, будет равен -ψ, то есть знак дополнительного фазового сдвига стал противоположным по сравнению с обычным полосным усилителем при одной и той же расстройке.

При наличии сигнала опорного генератора с частотой ω₃, выполнении условий баланса амплитуд и баланса фаз, замкнутая петля из смесителей 7, 8, управляемого полосного усилителя 2 и эквивалентного полосного усилителя с зеркальной фазочастотной характеристикой является автоколебательной системой с комбинационным взаимодействием сигналов трех частот [3]. Частоты генерируемых сигналов определяются системой уравнений:

Решая (4) с использованием (1) и (3), получим:


С помощью блока 12 выделяется выходной сигнал с разностной частотой ω_В = ω₁-ω₂, который подается на регистратор.

Чувствительность значения частоты выходного сигнала к отклонению резонансной частоты первого полосного усилителя

Из (8) видно, что в предлагаемом изобретении при низкодобротных полосных усилителях можно получить чувствительность значений частот генерируемых сигналов к изменению контролируемого датчиком 1 физического параметра, стремящуюся к бесконечности. Регулирование чувствительности осуществляется изменением добротности полосного усилителя.

Предлагаемый преобразователь позволяет увеличить точность измерения сверхмалых отклонений контролируемого физического параметра.

Список источников для рассмотрения в ходе экспертизы
1. Шакурский В.К. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом. А.с. СССР 916963, кл. G 01 В 7/00, 1982.

2. Шакурский В.К., Моргунов Ю.И. Устройство для измерения перемещений с частотным выходом. А.с. СССР 783566, кл. G 01 В 7/00, 1980.

3. Уткин Г. М. Автоколебательные системы и волновые усилители. М.: Советское радио, 1978.

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования контролируемого физического параметра в электрический сигнал. Преобразователь представляет собой автоколебательную систему с комбинационным взаимодействием сигналов трех частот. Преобразователь включает опорный генератор и замкнутую петлю из двух смесителей, управляемого полосного усилителя и эквивалентного полосного усилителя с зеркальной относительно оси частот фазочастотной характеристикой. Управляющий вход управляемого полосного усилителя подключен к датчику. Эквивалентный полосный усилитель образован четырьмя полосными усилителями и двумя смесителями. Преобразователь содержит также блок выделения сигналов с разностной частотой. Входы блока выделения сигналов с разностной частотой подключены к выходам управляемого полосного усилителя и эквивалентного полосного усилителя. Выход блока выделения сигналов с разностной частотой подключен к регистратору. Преобразователь имеет высокую чувствительность к малым изменениям параметра датчика при использовании низкодобротных усилителей. 1 ил.

Параметрический измерительный преобразователь с частотным выходом, содержащий управляемый полосный усилитель, к управляющему входу которого подключен датчик, смеситель, к первому входу которого подключен выход управляемого полосного усилителя, а выход подключен к входу второго полосного усилителя, второй смеситель, выход которого подключен к входу управляемого полосного усилителя, блок выделения сигнала с разностной частотой, к первому входу которого подключен выход управляемого полосного усилителя, а выход подключен к регистратору, опорный генератор, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго смесителей, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, в него введены третий и четвертый смесители и третий, четвертый и пятый полосные усилители, причем оба входа третьего смесителя и вход третьего полосного усилителя подключены к выходу второго полосного усилителя, к выходу третьего смесителя подключен вход четвертого полосного усилителя, к входам четвертого смесителя подключены выходы третьего и четвертого полосных усилителей, а к его выходу подключен вход пятого полосного усилителя, выход которого подключен к первому входу второго смесителя и ко второму входу блока выделения сигнала с разностной частотой.