Цифровой измеритель энергии ударного импульса Советский патент 1983 года по МПК G01L3/00 G01R13/02 

Изобретение относится к силоизме рительной технике и может быть использовано для измерения энергии ударного импульса, действующего на различные конструкции и устройства, Известно устройство для измерения энергии ударного импульса, содержащее преобразователь удара в .электрический сигнал усилитель, ан Лргощфроврй преобразователь интегг рирущего типа, цифровой компаратор и регистратор . Недостатком данногб устройства является относительно низкая точность измерения, обусловленная временным и температурным дрейфом хара теристик преобразователя и усилителя. . . , Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является цифровой измеритель энергии ударного импульса, содержащий преобразователь удара в электрический сигнал подключенный через предварительный усилитель, фильтр и нормирущий усилитель к входам аналогоцифрового преобразователя и компаратора, к второму входу которого подключен ис точник опорного напряжения, а выход соединен с управляющими входами ана логоцйфрового преобразователя и формирователя импульсов сброса, счетчик импульсов и связанный с ним цифровой индикатор 2j. Недостатком известного устройства является снижение точности измерения вследствие влияния помех и дрейфа параметров измерительного тракта. Цель изобретения - повышение точ ности за счет уменьшения помех и дрейфа параметров измерительного тракта. . Указанная цель достигается тем, что в цифровой измеритель энергии ударного импульса, содержащий преоб разователь удара в электрический си нал, подключенный через предварительный усилитель, фильтр и нормирующий усилитель к входам.аналогоцифрового преобразователя и компара тора, к второму входу которого подключен источник опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входами аналогоцйфрового преббразователя и формирователя импульсов сброса, счётчик импульсов и связанный с ним цифровой индикатор, введе ны ,два элемента И, делитель частот триггер и элемент задержки, при -этом счетчик импульсов выполнен реверсивным, формирователь импульсов сброса снабжен запрещающим входом, а предварительный усилитель выполнен с перестраиваемым коэффициентом усиления и оборудован управляющим входом, который подключен к выходу элемента задержки, одному установочному входу триггера и к запрещающему входу формирователя импульсов сброса , выход которого подключен к входу элемента задержки, установочному входу счетчика импульсов и второму установочному входу триггера, выходы которого подключены соответственно к однимвходам элементов И, при этом выход первого элемента И подключен к суммирующему, а второго-к вычитающему входам счетчика импульсов, второй вход первого элемента И соединен с выходом анэлогоцифрового преобразователя и через .делитель частоты с вторым входом второго элемента И. На фиг. 1 приведена блок-схемапредлагаемого устройства; на фиг. 2 вариант выполнения суммирующего усилителя; на фиг. 3 - вариант выполнения аналогоцифр.6вого преобразс1вате- . ля интегрирующего типа. Цифровой измеритель энергии ударного импульса содержит элементы преобразователя 1 удара в электрический сигнал, подключенные к входам предварительного усилителя 2. Выход предварительного усилителя 2 через соединенные последовательно фильтр 3 и нормирующий усилитель k подключен к входу-аналогоцифровог.э преобразо- вателя (АЦП) 5 и к одному входу компаратора 6. Источник 7 опорного напряжения подключен к второму входу компаратора 6, выходом соединенного с управляющими входами АЦП 5 и формирователя 8 импульсов сброса. Выход АЦП 5 через один элемент И 9 подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 10, а также через соединенные последовательно делИтель 11 частоты и второй элемент И -12 к вычитающему входу реверсивного счетчика 10. Выход формирователя 8 импульсов сброса подключен к входу установки в нуль триггера 13, к установочному входу реверсивного счетчика 10 и через элемент 14 задержки к входу установки в единицу триггера 13 к запрещающему входу формирователя 8 импульсов сброса и к управЛякяцему сигналов помех, возникающих под воздействием температуры, вибраций,, при дрейфе усилителей 2 и , фильтра 3. После срабатываний компаратора 6 открывается ключ 2J и по переднему фронту выходного импульса компаратора 6 перебрасывается триггер 32, закрывая ключ 33 . Начинается процесс интегрирования ударного импульса. На выходе интегратора 2 нарастает напряжение пропорционально и,,-Ка-ь, где и - входное напряжение интегратора;Т - время интегрирования интегратора 2А. По окончании ударного, импульса компаратор 6 возвращается в исходное состояние, а задним фронтом его выходного импульсам через формирователь 31 заднего фронта перебрасывается триггер 28. Ключ 27 соединяет вход интегратора 24 и источника 2б напряжения. Начинается процесс обратного интегрирования. Одновременно триггер 28 разрешает прохождение счетнь Х им.пульсов генератора 30 опорной частоты через элемент И 29 на выход АЦП 5 При выходном напряжении интегратора 24 равным нулю элемент 25 сравнения своим выходным сигналом возвращает триггеры 28 и 32 в исходное состояние, ключ 27 закрывается, ключ 33 открывается, а элемент И 29 закрывает поступление импульсов на выход 5. . . Таким образом, число импульсов на выходе АЦП 5 пропорционально энер гии измеряемого Ударного импульса. За счет в(эемённого и температурного дрейфов преобразователей 1, предварительного усилителя 2, фильтра- 3 и нормирующего усилителя 4 число импульсов на выходе АЦП 5 определяется как Г, Nco-J(,)at, где Uy суммарное значение сигналоЪ помех. Выходной сигнал компаратора 6 одновременно с запуском АЦП 5 через формирователь 8 импульсов сброса заГ1ускает элемент 14 задержки и устанЙЕливает.по переднему фронту триггер 13 и реверсивный счетчик 10 в исходные состояния, при которых разрешаетЪя прохождение импульсов с выхода АЦП 5 через элемент И 9 на сум-мирующий вход реверсивного счетчика 10. В результате по окончании процесса интегрирования, в реверсивном счетчике 10 накапливается число импульсов, пропорциональное энергии измеряемого ударного импульса с-суммарным значением сигнала помех. : Если из реверсивного счетчика 10 вычесть число.импульсов, пропорцио нальное сигналу помех, то псзышает ся точность измерения. Этот процесс происходит в устройстве на втором этапе после формирования сигнала на выходе элемента 14 задержки, который , появляется после окончания переходных процессов в объекте изм1грения и имеет длительность, равную или большую длительности ударного импульса {время интегрирования сигнала помех). Импульс с выхода элемента 14 задержки устанавливает триггер нулевое состояние, при этом прохождение импульсов с выхода АЦП 5 на суммирующий вход реверсивного счетчика 10 запрещается элементом,И 9.и разрешается их прохождение на вычитающий вход через делитель 11 частоты и элемент И 12.Одновременно импульс с элемента 14 задержки поступает на запрещающий вход формирователя 8 импульсов сброса с целью предотвращения сброса реверсивного счетчика 10 в .исходное состояние при повторном запуске компаратора 6 и на управляющий вход предварительного усилителя 2, вследствие чего ключ 22 за- мыкается и коэффициент усиления увеличивается, например, в 10 раз. Сигнал помехи, усиленный в 10 раз, поступает через фильтр 3 и нормирующий усилитель 4 на вход АЦП 5 и компаратор 6.Выходной сигнал компаратора 6 вторично запускает АЦП 5 с выхода которого число импульсов, пропорциональное увеличенному значению помехи в десять раз, поступает на вычитающий, вход реверсивного счетчика 10 через делитель 11 частоты, коэффициент деления которого равен значению увеличения коэффициента усиления предварительного усилителя 2 (в данном случае десяти). В результате количество импульсов, записанное в реверсивном.счетчике 10.

31

входу предварительного усилителя 2. Триггер 13 единичным и нулевым выходами соединен с вторыми входами первогг элемента И 9 и второго элемента И 12 соответственно, к выходу реверсивного счетчика 10 подключен цифровой индикатор 15.

Предварительный усилитель 2 содержит суммирующие резисторы 1б.-1б, операционный, усилитель 17. резистор 18 отрицательной обратной связи, делитель напряжения отрицательной обратной связи на резисторах 19-21 и ключ 22.

АЦП 5 интегрирующего типа содержит ключ 2.3, подключенный входом к входу АЦП. 5, управляющим входом к управляющему, входу АЦП 5, а выходом через интегратор 2 к входу элемента 25 сравнения. Источник 26 опорного напряжения, имеющий знак противоположный входному напряжению АЦП, подключен через ключ 27 к входу интегратора 2k. Триггер 28 подклйчен к управляющему входу ключа 27 и к первому входу элемента И 29, второй вход которого подключен к выходу генера.тора 30 опорной частоты. Управляющий вход АЦП 5 через формирователь 31 заднего фронта подключен к входу установки в единицу триггера 28, входом установки в нуль подключенного к выходу элемента 25 сравнения. Выход, элемента И 29 является выходом АЦП 5. Входы установки в нуль и в единицу триггера 32 подключены к управляющему входу АЦП 5 и к выходу элемента 25 сравнения соответственно Выход триггера 32 подключен к управляющему входу ключа 33, включенного параллельно интегратору 24,

Устройство работает следующим образом.

При произведении механического удара на выходах элементов преобразователя 1 удара в электрический сигнал появляется импульсный электрический сигнал. Элементы преобразователя 1 удара в электрический сигнал сфазированы таким образом, что их сигналы суммируются предварительным усилителем 2. Изменением сопротивлений резисторов 1б, при необходимости, возможно либо выравнивание чувствительности элементов преобразователя 1, либо выполнение определенного соотношения их чувствительности в зависимости от места их установки на

16705.4

объекте, Измо.нением сопроти.вления резистора 18 регулируется общая чувствительность измерительного тракта. Выходное напряжение предварительного 5 усилителя 2 равно

Vt и;

и - Т

- R

-число элементов преобразогде п вателя 1;

-выходное напряжение i-ro элемента преобразователя 1 ,

-сопротивление 1-го суммиR:рующего резистора 16;

-сопротивление резистора 18

R

ОС отрицательной обратной свя зи;

-коэффициент отрицательной

К

ос обратной связи.

Коэффициент отрицательной обратной связи зависит от соотношения резисторов 19-21 и от состояния ключа 22. В случае, если ключ 22 разомкнут.

RIO -RZO- -RZI

к

°

де R

гО - 21

- сопротивления

-to резисторов 19, 20 и 21 соответственно. В случае, если ключ 22 замкнут.

К

R

ОС

го

Следовательно, в зависимости от сигнала управления предварительный усилитель.2 имеет два различных коэффициента усиления при неизменных входных сигналах,

В исходном состоянии сигнал управления равен О, ключ 22 разомкнут и усиление суммирующего усилителя 2 имеет меньшее из двух значение.

Далее импульсный сигнал фильтруется фильтром 3 для исключения высокочастотных составляющих, искажающих форму ударного импульса, и нормируется усилителем k до величины, необходимой для дальнейшей обработки си1- нала. Этот сигнал поступает на вход АЦП 5 и на первый вход компаратора 6, предназначенного для управления работой цифрового измерителя и повышения его помехоустойчивости. Выходное напряжение источника 7 опорного напряжения , подключенного к второму входу компаратора 6, выбирается несколько большим, чем усиленная сумма

7 10167058

и индицируемое регистраторо 4 15i п|эо- ратурный ивременный дрейфы хапорционально энергии -ударного импулы- рактеристикизмерительногб тракса несмотря на наличие помех и темпе- та.

Фиг. 2

--.-r-- . --v. ..,

1016705

ФигЗ