УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ КОЛЕБАНИЙ СТРУНЫ Российский патент 2019 года по МПК G01L1/10 

Устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться для возбуждения непрерывных колебаний струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой возбуждения в режиме свободных колебаний.

Известно устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны содержащее струнный преобразователь с одной электромагнитной катушкой, усилитель, детектор, фильтр низких частот, компаратор уровня, умножитель частоты с коэффициентом, умножения равным двум, первую и вторую схемы совпадения, генератор, коммутатор, усилитель-ограничитель (авт. св. №11545661).

Основным недостатком данного изобретения является нестабильность возбуждения колебаний струны при срабатывании компаратора в момент положительной полуволны наведенной в катушке датчика ЭДС ввиду уменьшения длительности импульса и сдвига его фазы. Синхронизация импульса возбуждения осуществляется по фронту наведенной ЭДС, которая сдвинута относительно колебаний струны на 1/4 периода колебаний струны, следовательно, возбуждение происходит со сдвигом фазы. Кроме того, амплитуда импульса возбуждения в устройстве остается постоянной на всем диапазоне изменения частоты колебания струны, что приводит к амплитудной погрешности измерения, так как амплитуда возбуждающего импульса должна удовлетворять следующему требованию:

где:

К - постоянный коэффициент, характеризующийся параметрами датчика;

ƒ - частота колебаний струны;

σ - относительная погрешность по частоте.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство по авт. св. на изобретение №1451751, содержащее генератор пускового импульса, струнный преобразователь с одной электромагнитной катушкой, усилитель с управляемым напряжением коэффициентом усиления, ждущий одновибратор с управляемой напряжением длительностью импульса, таймер, частотный детектор, блок выборки и хранения, блок корректировки длительности импульса возбуждения, первый и второй

перемножители аналоговых сигналов и блок корректировки амплитуды импульса.

Известное устройство не обеспечивает высокой стабильности колебания струны, что обуславливается дополнительными фазовыми сдвигами, вызванными неточным определением момента выработки импульса возбуждения и его прямоугольной формой, что провоцирует возбуждение высших гармоник и повышению погрешности измерения.

Задачей заявляемого технического решения является создание устройства, в котором отсутствуют приведенные выше недостатки.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны, состоящее из генератора пусковых импульсов, струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой, первого и второго перемножителей аналоговых сигналов, частотного детектора, блока выборки и хранения и ждущий одновибратор с управляемой напряжением длительностью импульса, снабжено коммутатором, генератором импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, усилителем, усилителем-ограничителем, первым и вторым ждущими мультивибраторами, схемой совпадения, амплитудным детектором, фильтром низких частот и компаратором. На фиг 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для возбуждения непрерывных колебаний струны, на фиг. 2 - временная диаграмма его работы.

Устройство содержит генератор (1) пусковых импульсов, струнный преобразователь (2), коммутатор (3), генератор (4) импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, первый Перемножитель (6) аналоговых сигналов и второй перемножитель (5) аналоговых сигналов, усилитель (7), усилитель-ограничитель (8), частотный детектор (9), блок (10) выборки и хранения, ждущий одновибратор с управляемой напряжением длительностью импульса (11), первый ждущий мультивибратор (12), схему (13) совпадения, второй ждущий мультивибратор (14), амплитудный детектор (15), фильтр (16) низких частот и компаратор (17).

Принцип работы устройства.

При включении питания генератор (1) пусковых импульсов вырабатывает короткий высоковольтный импульс прямоугольной формы положительной полярности длительностью 0,7 среднего значения периода колебаний струны струнного преобразователя в рабочем диапазоне, который поступает на первый вход коммутатора (3). Этим импульсом коммутатор (3) отключает вход усилителя (7) от электромагнитной катушки возбуждения струнного преобразователя (2). Этот же импульс возбуждает колебания

струны струнного преобразователя (2). После окончания действия пускового импульса коммутатор (3) подсоединяет электромагнитную катушку возбуждения струнного преобразователя (2) к входу усилителя (7). Свободные затухающие колебания струны с частотой ƒ (фиг. 2а) индуцируют в катушке струнного преобразователя (2) ЭДС той же частоты ƒ но сдвинутую по фазе на 1/4 периода Т_стр колебания струны (фиг. 2б). Индуцируемая в катушке струнного преобразователя (2) ЭДС через коммутатор (3) поступает на вход усилителя (7), с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя (8) и амплитудного детектора (15). Усилитель-ограничитель (8) преобразует синусоидальный сигнал с выхода усилителя (7) в прямоугольные импульсы той же частоты ƒ, которые поступают на вход частотного детектора (9) и первого ждущего мультивибратора (12). Для выделения огибающей затухающих колебаний сигнал (фиг. 2в) через амплитудный детектор (15) поступает на фильтр (16) низких частот, с выхода которого сигнал (фиг. 2г) поступает на вход компаратора уровня (17). В момент совпадения амплитуды сигнала затухающих колебаний до заданного на выходе компаратора (17) уровня Uк (фиг. 2г) вырабатывается короткий импульс положительной полярности (фиг. 2д), который поступает на вход второго ждущего мультивибратора (14), который по заднему фронту сигнала с выхода компаратора генерирует сигнал положительной полярности прямоугольной формы (фиг. 2е), длительность которого постоянна и задается на 5% больше максимально возможной длительности с рабочем диапазоне длительности периода колебания струны струнного преобразователя (2). Генерируемый вторым ждущим мультивибратором (14) импульс (фиг. 2е) поступает на первый вход схемы (13) совпадения и управляющий вход блока (10) выборки и хранения и переводит последний в режим хранения на время действия этого импульса. Во время действия управляющего импульса на входе блока (10) выборки и хранения амплитуда выходного сигнала блока (10) выборки и хранения остается равной амплитуде входного сигнала с выхода частотного детектора (9) в момент, предшествующий началу управляющего импульса. Амплитуда сигнала с выхода частотного детектора (9) пропорциональна частоте ƒ сигнала с выхода струнного преобразователя (2). По окончании действия управляющего импульса амплитуда выходного сигнала блока (10) выборки и хранения становится равной амплитуде входного сигнала с выхода частотного детектора (9).

С выхода усилителя-ограничителя (8) сигналы (фиг. 2ж) поступают на вход первого ждущего мультивибратора (12), который по переднему фронту этих сигналов генерирует короткие импульсы положительной

полярности прямоугольной формы (фиг. 2з) постоянной длительности, которые поступают на второй вход схемы (13) совпадения, на выходе которой формируется сигнал (фиг. 2и) положительной полярности длительностью, равной длительности сигнала (фиг. 2з) с выхода первого ждущего мультивибратора на интервале действия сигнала (фиг. 2е) с выхода второго ждущего мультивибратора (14). Сигнал с выхода схемы (13) совпадения поступает на вход управляемого напряжением ждущего одновибратора (11). Ждущий одновибратор с управляемой напряжением длительностью импульса (11), запущенный по переднему фронту сигнала с выхода схемы (13) совпадения, генерирует импульс (фиг. 2к) положительной полярности прямоугольной формы длительностью, обратно пропорциональной амплитуде напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода блока (10) выборки и хранения, и прямо пропорциональной периоду Т_стр, при этом коэффициент пропорциональности равен K=0,5Т_стр. Сигнал с выхода блока (10) выборки и хранения, амплитуда которого пропорциональна частоте ƒ сигнала с выхода струнного преобразователя (2), поступает на управляющий вход ждущего одновибратора с управляемой напряжением длительностью импульса (11), на первый и второй входы первого перемножителя (6) аналоговых сигналов и первый вход второго перемножителя (5) аналоговых сигналов, на второй вход которого поступает сигнал выхода первого перемножителя (6) аналоговых сигналов, амплитуда которого пропорциональна ƒ². На выходе второго перемножителя (5) аналоговых сигналов появляется сигнал, пропорциональный ƒ³, который поступает на управляющий вход генератора (4) импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, на вход которого поступает импульс (фиг. 2к) с выхода ждущего одновибратора с управляемой напряжением длительностью импульса (11). На выходе генератора (4) импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, формируется высоковольтный импульс положительной полярности (фиг. 2л) длительностью, равной длительности импульса (фиг. 2к) с выхода ждущего одновибратора с управляемой напряжением длительностью импульса (11), амплитудой пропорциональной величине и формой, соответствующей половине волны синусоиды.

Импульс (фиг. 2к) с выхода ждущего одновибратора с управляемой напряжением длительностью импульса (11) поступает на управляющий вход коммутатора (3), который на время действия этого импульса отключает вход усилителя (7) от электромагнитной катушки возбуждения струнного преобразователя (2) и подсоединяет ее к выходу генератора (4) импульсов

полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, высоковольтный импульс которого возбуждает колебания струны струнного преобразователя (2) (фиг. 2а) с частотой ƒ. После окончания действия импульса с выхода управляемого напряжением ждущего одновибратора (11) коммутатор (3) подсоединяет электромагнитную катушку возбуждения струнного преобразователя (2) к входу усилителя (7), после чего цикл повторяется, период которого равняется времени спада амплитуды затухающих колебаний до уровня U_K (фиг. 2г), заданного на компараторе (17). Коммутатор (3) работает следующим образом. Катушка струнного преобразователя (2) подключена к третьему входу коммутатора (3). Посредством коммутатора (3) катушка струнного преобразователя может подсоединяться или отсоединяться от входа усилителя (7). При отсутствии сигналов на управляющем, а также первом и втором входах коммутатора (3) катушка струнного преобразователя (2) подсоединена к входу усилителя (7). При появлении сигналов на управляющем или первом или втором входах коммутатора (3) катушка струнного преобразователя (2) отсоединяется от входа усилителя (7) на время действия этих импульсов и подсоединяется к первому или второму входу коммутатора (3). При этом импульсами с первого и второго входов коммутатора (3) возбуждаются свободные затухающие колебания струны струнного преобразователя (2).

Введением в устройство дополнительных блоков (коммутатора (3), генератора (4) импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, усилителя (7), усилителя-ограничителя (8), первого ждущего мультивибратора (12), схемы (13) совпадения, второго ждущего мультивибратора (14), амплитудного детектора (15), фильтра (16) низких частот и компаратора (17)) достигается: во-первых, пропорциональность длительности импульса возбуждения с коэффициентом пропорциональности K=0,5Т_стр; во-вторых, генерация очередного импульса возбуждения в момент максимума кинетической энергии колеблющейся струны струнного преобразователя (центр импульса возбуждения соответствует переходу струны через ноль при ее движении к катушке датчика), что обеспечивает «мягкое» возбуждение колебаний струны с минимальными фазовыми сдвигами; в-третьих, подавление высших гармоник за счет формы импульса возбуждения (в виде полуволны синусоиды); в-четвертых, обеспечение постоянства относительной погрешности струнного преобразователя по частоте в зависимости от амплитуды колебаний струны в виду обеспечения амплитуды возбуждающего импульса пропорционально величине

Сопоставительный анализ изобретения позволяет сделать вывод, что новым является, то, что в устройстве автоматически обеспечиваются оптимальные параметры импульсов возбуждения (длительность, форма, амплитуда, фаза и период следования). В устройстве заявлены не известные технические решения, идентичные совокупности признаков заявленного устройства, что определяет, по мнению заявителей, соответствие критерию «новизна». Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями в данной области техники позволяют сделать вывод о соответствии критерию изобретению «изобретательский уровень».

Изобретение позволяет повысить стабильность колебания струны за счет автоматического поддержания оптимальных параметров импульсов возбуждения колебаний струны струнного преобразователя (длительности, формы, амплитуды, фазы и период следования) и обеспечить постоянство относительной погрешности струнного преобразователя по частоте в зависимости от амплитуды колебаний струны.

Изобретение относится к области метрологии, в частности к устройствам возбуждения струнного преобразователя. Устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны состоит из генератора пусковых импульсов, струнного преобразователя, первого и второго перемножителей аналоговых сигналов, частотного детектора, блока выборки и хранения и управляемого напряжением ждущего одновибратора, коммутатора, генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, усилителя, усилителя-ограничителя, первого и второго ждущих мультивибраторов, схемы совпадения, амплитудного детектора, фильтра низких частот и компаратора. Технический результат – обеспечение высокой стабильности колебаний струны, уменьшение погрешности измерения. 2 ил.

Устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны, содержащее генератор пусковых импульсов, струнный преобразователь с одной электромагнитной катушкой, первый и второй перемножители аналоговых сигналов, частотный детектор, блок выборки и хранения и ждущий одновибратор с управляемой напряжением длительностью импульса, отличающееся тем, что введены коммутатор, генератор импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, усилитель, усилитель-ограничитель, первый и второй ждущие мультивибраторы, схема совпадения, амплитудный детектор, фильтр низких частот и компаратор, причем выход коммутатора соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входами усилителя-ограничителя и амплитудного детектора, выход амплитудного детектора соединен с входом фильтра низких частот, выход которого соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом второго ждущего мультивибратора, выход которого соединен с первым входом схемы совпадения и управляющим входом блока выборки и хранения, выход усилителя-ограничителя соединен с входом первого ждущего мультивибратора и входом частотного детектора, выход первого ждущего мультивибратора соединен со вторым входом схемы совпадения, а выход частотного детектора с входом блока выборки и хранения, выход схемы совпадения подсоединен к входу ждущего одновибратора с управляемой напряжением длительностью импульса, выход которого соединен с входом генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой и управляющим входом коммутатора, выход блока выборки и хранения соединен с управляющим входом ждущего одновибратора с управляемой напряжением длительностью импульса, первым и вторым входами первого перемножителя аналоговых сигналов и первым входом второго перемножителей аналоговых сигналов, выход которого соединен с управляющим входом генератор импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, ко второму входу второго перемножителей аналоговых сигналов подсоединен выход первого перемножителя аналоговых сигналов, при этом выход генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой соединен со вторым входом коммутатора, с первым входом которого соединен выход генератора пусковых импульсов, а с третьим входом катушка струнного преобразователя.