ОДНОКАНАЛЬНЫЙ ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНЫЙ ФАЗОМЕТР С БЛОКОМ УПРАВЛЕНИЯ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕМ Российский патент 2008 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к информационно-преобразовательной технике и может быть использовано как по прямому назначению, так и при реализации функциональных преобразователей, угломерных приборов и т.п.

Известен одноканальный инфранизкочастотный фазометр (авт. св. СССР №834591, кл. G01R 25/00, 1979), обеспечивающий измерение фазового сдвига синусоидальных сигналов.

Недостатком известного одноканального инфранизкочастотного фазометра является возможность возникновения ошибок за счет неоднозначности считывания результата.

Известен одноканальный инфранизкочастотный фазометр (авт. св. СССР №1337812 А1, кл. G01R 25/00, 1986), обеспечивающий измерение фазового сдвига синусоидальных сигналов и повышение точности измерения путем устранения неоднозначности считывания результата.

Недостатком известного одноканального инфранизкочастотного фазометра является возможность возникновения искажений результата измерений из-за наличия в составе устройства сложных в реализации нормализаторов амплитуды.

Наиболее близким к предлагаемому является одноканальный инфранизкочастотный фазометр (авт. св. СССР №1448300 А1, кл. G01R 25/00, 1988), содержащий первый и второй перемножители, первые входы которых соединены с первой входной клеммой фазометра, вторая входная клемма которого подключена к второму входу второго перемножителя непосредственно и к второму входу первого перемножителя через первый фазовращатель, блок деления, блок преобразования арктангенса, отсчетно-регистрирующий блок и блок управления, а также три ключа с памятью.

Известный одноканальный инфранизкочастотный фазометр обеспечивает повышение точности измерения фазового сдвига сигналов с разными амплитудами и исключает неоднозначность считывания результатов измерения.

Однако недостатком известного одноканального инфранизкочастотного фазометра является возможность возникновения ошибок при измерении фазового сдвига синусоидальных сигналов, значение которого находится в пределах от π/2 до 2π. Причиной этого является используемый метод измерения: при нахождении сдвига фаз ϕ_х ^* вначале определяют значение функции tgϕ_x ^*, а затем находят результат измерения как arctg(tgϕ_x ^*)=ϕх^*. При этом значение функции tgϕ_x ^* неоднозначно. Например, tgϕ_х ^*=1,732 при ϕ_х=π/3 и ϕ_х=4π/3, tgϕ_x ^*=-1,732 при ϕ_х=2π/3 и ϕ_х=5π/3.

Для устранения указанного недостатка необходимо обеспечить введение в результат измерения поправки π при π/2<ϕ_х≤3π/2 и поправки 2π при 3π/2<ϕ_х≤2π.

Кроме того, для исключения ошибок, возникающих при измерении фазового сдвига синусоидальных сигналов из-за погрешности фазовращателя, осуществляющего сдвиг фазы сигнала, в предлагаемое устройство введена цепь обратной связи, осуществляющая слежение за изменением номинального значения угла сдвига фазы фазоврашателя, компенсацию изменений и управляющую фазовращателем.

Задачей изобретения является повышение точности измерения за счет исключения неоднозначности определения сдвига фаз синусоидальных сигналов и за счет исключения погрешности фазовращателя опорного сигнала.

Достигается решение поставленной задачи тем, что в одноканальный инфранизкочастотный фазометр, содержащий блок деления, блок преобразования арктангенса, отсчетно-регистрирующий блок, блок управления, первый и второй перемножители, первые входы которых соединены с первой входной клеммой фазометра, вторая входная клемма которого подключена к второму входу второго перемножителя непосредственно и к второму входу первого перемножителя через первый фазовращатель, введены второй фазовращатель, третий и четвертый перемножители, блок вычитания, сумматор, блок управления фазовращателем, блок формирования значения поправки, коммутатор и блок определения значения поправки, выход которого соединен с первым входом блока управления, второй вход которого подключен ко второму входу второго перемножителя и к первому входу четвертого перемножителя, второй вход которого соединен с первым входом третьего перемножителя, выходом второго фазовращателя, вторым входом блока управления фазовращателем и с первым входом блока определения значения поправки, второй вход которого подключен ко входу второго фазовращателя, первому входу блока управления фазовращателем, выход которого соединен с управляющим входом второго фазовращателя и к первому входу первого перемножителя, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу четвертого перемножителя, а выход - к первому входу блока деления, выход которого соединен со входом блока преобразования арктангенса, а второй вход - с выходом сумматора, первый вход которого подключен к выходу второго перемножителя, а второй вход - к выходу третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фазовращателя, при этом выход блока преобразования арктангенса подключен к входу блока формирования значения поправки, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а выход - к входу отсчетно-регистрирующего блока.

Предлагаемый одноканальный инфранизкочастотный фазометр позволяет исключить неоднозначность определения сдвига фаз синусоидальных сигналов, позволяет исключить погрешности фазовращателя опорного сигнала при определении сдвига фаз синусоидальных сигналов и обеспечивает повышение точности измерения.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что предлагаемый одноканальный инфранизкочастотный фазометр включает в себя новые существенные признаки, изложенные в формуле изобретения. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна".

Так как требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которые в известной патентной и научной литературе на дату подачи заявки не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Одноканальный инфранизкочастотный фазометр содержит блок 2 вычитания, блок 3 деления, первый и второй фазовращатели 4 и 7, сумматор 6, блок 9 преобразования арктангенса, блок 10 управления фазовращателем, блок 12 формирования значения поправки, коммутатор 13, отсчетно-регистрирующий блок 14, блок 15 определения значения поправки, блок 16 управления, третий и четвертый перемножители 5 и 8, первый и второй перемножители 1 и 11, первые входы которых соединены с первой входной клеммой фазометра, вторая входная клемма которого подключена ко второму входу второго перемножителя 11 непосредственно и через первый фазовращатель 4 ко второму входу первого перемножителя 1 и первому входу третьего перемножителя 5, второй вход которого через второй (опорный) фазовращатель 7 соединен с первой входной клеммой фазометра, а непосредственно - со вторым входом блока 10 управления фазовращателем, первый вход которого соединен с первой входной клеммой фазометра, а выход - с управляющим входом второго фазовращателя 7, и с первым входом блока 15 определения значения поправки, второй вход которого соединен с первой входной клеммой фазометра, а выход - с первым входом блока 16 управления, второй вход которого подключен ко второму входу второго перемножителя 11 и к первому входу четвертого перемножителя 8, второй вход которого соединен со вторым входом третьего перемножителя 5, выход которого соединен со вторым входом сумматора 6, первый вход которого подключен к выходу второго перемножителя 11, а выход - со вторым входом блока 3 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 2 вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого перемножителя 1, а второй вход - с выходом четвертого перемножителя 8, при этом выход блока 3 деления соединен с входом блока 9 преобразования арктангенса, выход которого подключен к входу блока 12 формирования значения поправки, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами коммутатора 13, управляющий вход которого подключен к выходу блока 16 управления, а выход - к входу отсчетно-регистрирующего блока 14.

Устройство работает следующим образом.

Опорный сигнал U₁(t)=Um₁sin Ωt и измеряемый сигнал U₂(t)=Um₂sin( Ωt-ϕ_x) с одинаковой частотой Ω и неизвестным фазовым сдвигом ϕ_х подают соответственно на первый вход первого 1 и второй вход второго 11 перемножителей, причем эти сигналы могут иметь разную амплитуду. На первый вход второго перемножителя 11 подают опорный сигнал U₁(t), а на второй вход первого перемножителя 1 - сигнал

U₃(t)=Um₂cos( Ωt-ϕ_х)

с выхода первого фазовращателя 4, осуществляющего сдвиг фазы измеряемого сигнала U₂(t) на величину π/2.

Сигнал с выхода второго фазовращателя 7

U₄(t)=Um₁cos Ωt

подают на первый вход блока 15 определения значения поправки и на второй вход блока 10 управления фазовращателем. На первый вход блока 10 управления фазовращателем подают опорный сигнал U₁(t)=Um₁sin Ωt.

На выходе блока 10 управления фазовращателем формируется управляющее напряжение U_y, являющееся проинтегрированным на четном числе периодов произведением напряжений U₁(t) и U₄(t), умноженным на «2».

На выходах второго и первого перемножителей 11 и 1 получают соответственно сигналы

U₅(t)=Um₁Um₂sin Ωtsin( Ωt-ϕ_х);

U₆(t)=Um₁Um₂sin Ωtcos( Ωt-ϕ_х),

которые подают соответственно на первый вход сумматора 6 и первый вход блока 2 вычитания.

На второй вход сумматора 6 подают сигнал

U₇(t)=Um₁Um₂cos Ωtcos( Ωt-ϕ_х)

с выхода третьего перемножителя 5.

На второй вход блока 2 вычитания подают сигнал

U₈(t)=Um₁Um₂cos Ωtsin( Ωt-ϕ_x)

с выхода четвертого перемножителя 8.

С выхода блока 2 вычитания сигнал

U₉(t)=U₆(t)-U₈(t)=

=Um₁Um₂[sin Ωtcos( Ωt-ϕ_х)+cos Ωtsin( Ωt-ϕ_x)]=Um₁Um₂sinϕ_x

подают на первый вход блока 3 деления.

С выхода сумматора 6 сигнал

U₁₀(t)=U₅(t)+U₇(t)=

=Um₁Um₂[sin Ωtsin( Ωt-ϕ_х)+cos Ωtcos( Ωt-ϕ_x)]=Um₁Um₂cosϕ_x

подают соответственно на второй вход блока 3 деления.

Сигнал

с выхода блока 3 деления подают на блок 9 преобразования арктангенса, на выходе которого формируется сигнал

U₁₂(t)=arctg(tgϕ_x*)=ϕ_x*,

который подают на вход блока 12 формирования значения поправки.

Входной сигнал U₁₂(t) блока 12 формирования значения поправки поступает на первый выход этого блока, кроме того, блок 12 формирования значения поправки из входного сигнала U₁₂(t) формирует еще два сигнала

U₁₃(t)=π+ϕ_х*;

U₁₄(t)=2π+ϕ_x*,

которые поступают соответственно на второй и третий выходы этого блока.

Сигналы U₁₂(t), U₁₃(t), U₁₄(t) с первого, второго и третьего выходов блока 12 формирования значения поправки подают на соответствующие входы коммутатора 13. На управляющий вход коммутатора 13 подают сигнал U₁₅(t) с выхода блока 16 управления.

Управляющий сигнал U₁₅(t) формируют в блоке 16 управления с помощью блока 15 определения значения поправки. Для этого на второй и первый входы блока 15 определения значения поправки подают соответственно исходный опорный сигнал U₁(t) без сдвига фазы и опорный сигнал U₄(t) со сдвигом фазы на π/2.

На выходе блока 15 определения значения поправки получают сигнал U₁₆(t), принимающий одно из трех возможных значений 1, 2 или 3, в зависимости от текущего значения фазы ϕо= Ωt по mod 2π опорного сигнала U₁(t):

Этот сигнал U₁₆(t) подают на первый вход блока 16 управления, на второй вход которого поступает измеряемый сигнал U₂(t).

Блок 16 управления формирует управляющий сигнал

принимающий одно из трех возможных значений 1, 2 или 3 в зависимости от значения фазового сдвига ϕx измеряемого сигнала U₂(t) относительно опорного сигнала U₁(t).

В соответствие со значением 1, 2 или 3 управляющего сигнала U₁₅(t) на выход коммутатора 13 проходит один из его трех выходных сигналов U₁₂(t), U₁₃(t), U₁₄(t), в результате чего на выходе коммутатора 13 получают сигнал

Таким образом, одноканальный инфранизкочастотный фазометр по сравнению с известными позволяет повысить точности измерения за счет введения поправок в результат измерения, что позволяет исключить неоднозначность определения сдвига фаз синусоидальных сигналов и за счет исключения погрешности фазовращателя опорного сигнала.

Предлагаемый одноканальный инфранизкочастотный фазометр может быть реализован на известных функциональных элементах.

Возможные варианты исполнения блока 10 управления фазовращателем, блока 12 формирования значения поправки, блока 15 определения значения поправки и блока 16 управления представлены на фиг.1.

Блок 10 управления фазовращателем содержит перемножитель 19, интегратор 18, усилитель 17 с коэффициентом усиления «2».

Блок 12 формирования значения поправки содержит сумматоры 20 и 21, первые входы которых соединены с его входом и первым выходом, а вторые входы - с выходами соответственно блока 22 хранения значения «π» и блока 23 хранения значения «2π», при этом выходы сумматоров 20 и 21 являются соответственно вторым и третьим выходами блока 12 формирования значения поправки.

Блок 15 определения значения поправки содержит первый и второй фиксаторы 24 и 25 переходов через нуль, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока 15 определения значения поправки, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами перемножителя 26, выход которого соединен с первым входом сумматора 27, второй вход которого подключен к выходу второго фиксатора 25 переходов через нуль, а выход соединен через схему 28 деления на «2» с первым входом второго сумматора 29, второй вход которого соединен с выходом блока 30 хранения значения «2», а выход является выходом блока 15 определения значения поправки.

Блок 16 управления содержит соединенные последовательно компаратор 31, вход которого является вторым входом блока 16 управления, и ключ 32 с памятью, первый вход и выход которого являются соответственно первым входом и выходом блока 16 управления, а управляющий вход соединен с выходом компаратора 31.

Изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- предлагаемый одноканальный инфранизкочастотный фазометр предназначен для использования в промышленности, а именно в измерительной технике;

- для заявленного одноканального инфранизкочастотного фазометра в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".

При использовании предлагаемого одноканального инфранизкочастотного фазометра обеспечивается повышение точности измерения за счет исключения неоднозначности определения сдвига фаз синусоидальных сигналов и исключения погрешности фазовращателя опорного сигнала.

Предложенное изобретение относится к информационно-преобразовательной технике и может быть использовано при реализации функциональных преобразователей, угломерных приборов и т.п. Задачей изобретения является повышение точности измерения за счет исключения неоднозначности определения сдвига фаз синусоидальных сигналов и за счет исключения погрешности фазовращателя опорного сигнала. Предложенный одноканальный инфранизкочастотный фазометр содержит блок деления, блок преобразования арктангенса, отсчетно-регистрирующий блок, блок управления, первый - четвертый перемножители, первый - второй фазовращатели, блок вычитания, сумматор, блок управления фазовращателем, блок формирования значения поправки, коммутатор и блок определения значения поправки, соответствующим образом соединенные между собой. 1 ил.

Одноканальный инфранизкочастотный фазометр, содержащий блок деления, блок преобразования арктангенса, отсчетно-регистрирующий блок, блок управления, первый и второй перемножители, первые входы которых соединены с первой входной клеммой фазометра, вторая входная клемма которого подключена ко второму входу второго перемножителя непосредственно и ко второму входу первого перемножителя через первый фазовращатель, отличающийся тем, что введены второй фазовращатель, третий и четвертый перемножители, блок вычитания, сумматор, блок управления фазовращателем, блок формирования значения поправки, коммутатор и блок определения значения поправки, выход которого соединен с первым входом блока управления, второй вход которого подключен ко второму входу второго перемножителя и к первому входу четвертого перемножителя, второй вход которого соединен со вторым входом третьего перемножителя, выходом второго фазовращателя, вторым входом блока управления фазовращателем и с первым входом блока определения значения поправки, второй вход которого подключен ко входу второго фазовращателя, первому входу блока управления фазовращателем, выход которого соединен с управляющим входом второго фазовращателя, выход первого перемножителя соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу четвертого перемножителя, а выход - к первому входу блока деления, выход которого соединен со входом блока преобразования арктангенса, а второй вход - с выходом сумматора, первый вход которого подключен к выходу второго перемножителя, а второй вход - к выходу третьего перемножителя, первый вход которого соединен с выходом первого фазовращателя, при этом выход блока преобразования арктангенса подключен к входу блока формирования значения поправки, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а выход - к входу отсчетно-регистрирующего блока.