Устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны Российский патент 2020 года по МПК G01L1/10 

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться для возбуждения непрерывных колебаний струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой возбуждения в режиме свободных колебаний для отслеживания, в составе системы мониторинга, технического состояния конструкции здания или сооружения в процессе эксплуатации, позволяющее своевременно выявить превышение допустимых деформаций конструкции и предупреждать ее разрушение.

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 (по авторскому свидетельству на изобретение №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 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 патенту 2689283 РФ, содержащее генератор пусковых импульсов, струнный преобразователь, коммутатор, генератор импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, первый перемножитель аналоговых сигналов и второй перемножитель аналоговых сигналов, усилитель, усилитель-ограничитель, частотный детектор, блок выборки и хранения, управляемый напряжением ждущий одновибратор, первый ждущий мультивибратор, схему совпадения, второй ждущий мультивибратор, амплитудный детектор, фильтр низких частот и компаратор.

Известное устройство не обеспечивает высокой стабильности колебания струны и точности измерения частоты ее колебаний, что обуславливается неточным определением момента выработки импульса возбуждения из-за отсутствия учета влияния кабельной сети от коммутатора до струнного преобразователя, что провоцирует возбуждение высших гармоник и повышение 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, коммутатора, генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, первого перемножителя аналоговых сигналов и второго перемножителя аналоговых сигналов, усилителя, усилителя-ограничителя, частотного детектора, блока выборки и хранения, управляемого напряжением ждущего одновибратора, первого ждущего мультивибратора, схемы совпадения, второго ждущего мультивибратора, амплитудного детектора, фильтра низких частот и компаратора, снабжено блоком корректировки фазы импульса возбуждения.

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, управляемый напряжением ждущий одновибратор 11, первый ждущий мультивибратор 12, схему 13 совпадения, второй ждущий мультивибратор 14, амплитудный детектор 15, фильтр 16 низких частот, компаратор 17 и блок корректировки фазы импульса возбуждения 18.

Устройство работает следующим образом.

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 (на фиг. 2а показаны условно) индуцируют в катушке струнного преобразователя 2 ЭДС той же частоты ƒ, но сдвинутую по фазе на 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. Управляемый напряжением ждущий одновибратор 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_ст, при этом коэффициент пропорциональности равен К=0,5Т_ст. Сигнал с выхода блок 10 выборки и хранения, амплитуда которого пропорциональна частоте ƒ сигнала с выхода струнного преобразователя 2, поступает на управляющий вход управляемого напряжением ждущего одновибратора 11, последовательно соединенного с блоком корректировки фазы импульса возбуждения 18, 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 f². На выходе второго перемножителя 5 аналоговых сигналов появляется сигнал, пропорциональный f³, который поступает на управляющий вход генератора 4 импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, на вход которого поступает импульс (фиг. 2л) с выхода блоком корректировки фазы импульса. На выходе генератора 4 импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, формируется высоковольтный импульс положительной полярности (фиг. 2м) длительностью, равной длительности импульса (фиг. 2л) с выхода блока корректировки фазы импульса возбуждения 18, амплитудой пропорциональной величине и формой, соответствующей половине волны синусоиды. Импульс (фиг. 2л) с выхода блока корректировки фазы импульса возбуждения 18 поступает на второй 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 блока корректировки фазы импульса возбуждения 18 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_к (фиг. 2г), заданного на компараторе 17.

Необходимость введения в устройство блока корректировки фазы импульса возбуждения 18 обусловлена тем, что струнный преобразователь 2 и коммутатор 1 в реальных условиях измерения соединены кабелем, длина, емкость и сопротивление которого для каждой конкретной точки измерения существенно различаются, а также могут меняться в зависимости от условий эксплуатации. Кабельная сеть, обладающая емкостью и сопротивлением, представляет собой интегрирующую цепочку с определенной постоянной времени, формирующей сдвиг фазы электрического сигнала. Следовательно, для каждого конкретного струнного преобразователя до начала измерения (или в процессе его проведения) должен быть скомпенсирован начальный сдвиг фазы Δ (см. фиг. 2л), обусловленный параметрами кабельной сети между струнным преобразователем и коммутатором. Начальная установка фазы для каждого конкретного струнного преобразователя обеспечивается настройкой блока корректировки фазы импульса возбуждения 18 в ручном режиме, далее устройство поддерживает оптимальную фазу импульсов возбуждения автоматически.

Введением в устройство дополнительного блока корректировки фазы импульса возбуждения 18 достигается 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.

Сопоставительный анализ изобретения позволяет сделать вывод, что новым является, то, что в устройстве обеспечивается компенсация начального сдвига фазы импульсов возбуждения, обусловленного параметрами кабельной сети между струнным преобразователем и коммутатором. 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 и повысить точность измерения за счет компенсации начального сдвига фазы импульсов возбуждения, обусловленного параметрами кабельной сети между струнным преобразователем и коммутатором.

Использование: для возбуждения непрерывных колебаний струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой возбуждения в режиме свободных колебаний для отслеживания, в составе системы мониторинга, технического состояния конструкции здания или сооружения в процессе эксплуатации, позволяющее своевременно выявить превышение допустимых деформаций конструкции и предупреждать ее разрушение. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны состоит из генератора пусковых импульсов, струнного преобразователя, коммутатора, генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, первого перемножителя аналоговых сигналов и второго перемножителя аналоговых сигналов, усилителя, усилителя-ограничителя, частотного детектора, блока выборки и хранения, управляемого напряжением ждущего одновибратора, первого ждущего мультивибратора, схемы совпадения, второго ждущего мультивибратора, амплитудного детектора, фильтра низких частот, компаратора и блока корректировки фазы импульса возбуждения. Технический результат: обеспечение стабильности колебаний струны, повышение точности измерения частоты ее колебаний и постоянство относительной погрешности струнного преобразователя по частоте в зависимости от амплитуды колебаний струны. 2 ил.

Устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны, содержащее генератор пусковых импульсов, струнный преобразователь, коммутатор, генератор импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, первый перемножитель аналоговых сигналов и второй перемножитель аналоговых сигналов, усилитель, усилитель-ограничитель, частотный детектор, блок выборки и хранения, управляемый напряжением ждущий одновибратор, первый ждущий мультивибратор, схему совпадения, второй ждущий мультивибратор, амплитудный детектор, фильтр низких частот и компаратор, отличающееся тем, что с целью повышения стабильности колебания струны струнного преобразователя и повышения точности измерения его частоты за счет компенсации начального сдвига фазы, обусловленного параметрами кабельной сети между струнным преобразователем и коммутатором, в него введен блок корректировки фазы импульса возбуждения, причем к первому входу коммутатора подсоединен струнный преобразователь, второму входу выход генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, к первому управляющему входу коммутатора подсоединен выход генератора пусковых импульсов, а ко второму управляющему входу выход блока корректировки фазы импульса возбуждения, а к выходу коммутатора подсоединен вход усилителя; выход усилителя соединен с входом усилителя ограничителя и амплитудного детектора, выход которого соединен с входом фильтра низких частот, выход которого соединен с входом компаратора; выход компаратора соединен с входом второго ждущего мультивибратора; вход первого ждущего мультивибратора соединен с выходом усилителя-ограничителя, а выход со вторым входом схемы совпадения, первый вход которой соединен с выходом второго ждущего мультивибратора, выход которого подсоединен к управляющему входу блока выборки и хранения, выход которого соединен с управляющим входом управляемого напряжением одновибратора, 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; выход схемы совпадения соединен с входом управляемого ждущего одновибратора, выход которого соединен с входом блока корректировки фазы импульса возбуждения, выход которого соединен с входом генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой и вторым управляющим входом коммутатора, при этом выход частотного детектора подсоединен к входу блока выборки и хранения; выход усилителя ограничителя соединен с входом частотного детектора.