Цифровой измеритель затухания колебательных систем Советский патент 1983 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к измери;Тельной технике и предназначено преимущественно для использования в цифровых вибрационных вискозиметрах а также может-быть использовано в устройствах для измерения внутреннего трения материалов, в установках для измерения эквивалентных электрических паре№4етров пьезорезонаторов и других измерительных устройств, работа которых основана на изменении добротности Q или затухания :с) г 1/а электрических или электрмеханических колебательных систем.

Известно устройство для измерения добротности колебательных систем, основанное на том, что в исследуемой системе возбуждают свободные затухающие колебания и подсчитывают число циклов тих колебаний в течение интервала времени, необходимого для уменьшения амплитуды колебаний в заданное число раз ti

Однако применительно к использованию в вискозиметрах данное устройство имеет серьезные недостатки: во-первых, оно дает прямой отсчет добротности, в то время как измеряемой вязкости пропорционально прира.щение обратной величины - затухания; во-вторых при малых добротностях число регистрируемых импульсов очень мало (например, при счете за интервал, в течение которого амплитуда убывает вдвое, оно примерно равно 0,22Q) .

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения добротности струнных резонаторов, содержащее автогенератор, образованный соеди- ненными в кольцо выходным усилителем, цепью связи выходного усилителя с колебательной системой, колеба тельной системой, цепью связи колебательной системы с предварительньм усилителем, предварительным усилителем и двумя коммутируемыми звеньями, а также средства управления ко «мутацией фазосдвигающих звеньев и средства измерения разности длительностей периодов сигнала автогенератора 23.

Недостаток такого устройства заключается, в том, что оно не обеспечивает прямого отсчета добротности или затухания системы.

Целью изобретения является обеспечение прямого отсчета затухания колебательной системы.

Эта цель достигается теМ, что в цифровом измерителе затухания колебательных систем, содержащем автогенератор, оЬразованн1 й соединенными в кольцо выходным усилителем, цепью связи выходного усилителя с колебательной системой, колебательной системой, цепью связи колебательной

системы с предварительным усилителем предварительным усилителем и дв5мя коммутируемыми фазосдвигающими звеньями, а также средства управле ния коьдалутацией фазосдвигающих звеньев и средства измерения разности длительностей периодов сигнала автогенератора, средства управления кетлмутадией фазосдвигающих звеньев сост-оят из каскадно включенных формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом автогенератора, счетчика импульсов и первого и второго триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, а средства измерения длительностей периодов сигнала автогенератора состоят из умножителя частоты, вход которого соединен с инверсным выходом первого триггера, а выход - с первыми входами двух логических элементов И, выходы которых связаны соответственно с

И -1

входами

реверсивного счетчика импульсов с отсчетным устройством, третьего и четвертого триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, и устройства управления, причем вход третьего тригЬера соединен с инверсным выходом первого триггера, выход четвертого триггера связан со входом устройства управления и.со вторыми входами двух логических элементов И, выход устрой ства управления связан с третьими входами двух логических элементов jH, а четвертые входы логических элеМентов И соединены соответственно с прямым и инверсным выходами второго триггера.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма.

Устройство содержит автогенератор 1, выходной усилитель 2, цепь 3 связи выходного усилителя с колебательной системой, колебательную систему 4, цепь 5 связи колебательной системы с предварительным усилителем, предварительный усилитель б, фазосдвигающие звенья 7 и 8, коммутатор 9, формиррватель 10 импульсов, счетчик 11 импульсов, триггеры 12-15 умножитель частоты 16, логические элементы И 17,18, реверсивный счетчик 19 импульсов с отсчетным устройством, устройство 20 управления. 1 -

Автогенератор 1 образован соединенными в кольцо выходным усилителем 2., цепью связи 3, колебательной системой 4, цепью связи 5, предварительным усилителем 6 и фазосдвигающими звеньями 7,8 (предпочтительно вносящими равные по модулю и противоположные по знаку фазовые сдвиги), коммутируемыми коммутатором 91 ыход автогенератора (которым может быть, как показано на фиг. 1, выход предварительного-усилителя 6) соединен через формирователь импульсов 10, выход которого, в свою очередь, соединен со счетным входом триггера 12. Первый (прямой) выход триггера 12 соединен ео счетным входом триггера 13, вход которого соединен с управляющим входом коммутатора 9. Второй (инверсный) выход триггера 12 соединен с входами умножителя частоты 16 и делителя частоты на 4 на триггерах 14-15. Выходы элементов и 17, 18 соединены с входами +1 и -1 реверсивного счетчика импульсов 19; первые, вторые и третьи входы элементов И 17, 18 соединены с-выходом умножителя частоты 16, с выходом триггера 15 и с выходом устройства управления 20; четвертые входы соединены соответственно с пря мым и инверсным выходами триггера 13 Цифровой измеритель затухания работает следующим образом. В .автогенераторе i возникают автоколебания. Формирователь 10 формирует по .одному импульсу на ка;ждый цикл автоколебаний. Эти импульсы считаются счетчиком,11, триггерами 12 и 13. Выходной сигнал триггера 1 коммутирует фазосдвигающие звенья 7 в автогенераторе 1. На графиках иг. 2принято, что в состоянии 1 тригзгера 13 включено звено отстающего фазового сдвига, и.частота сигнала автогенератора 1 уменьшается. ) триггера 13 вклюв состоянии чено звено опережающего сдвига и частота сигнала автогенератора 1 возрастает. Как видно из графиков фиг. 2, несмотря на изменения частоты автогенератора 1, положительные фронты выходного сигнала тригге ра 12 расположены во времени равномерно. Этими равномерно следующими фронтами запускается умножитель чай тоты 16 с большим коэффициентом умножения (например, основанный на принципе фазовой автоподстройки управляемого генератора). Соединение логических элементов И 17, 18 с дру гими узлами прибора таково, что реверсивный счетчик 19 имеет импульсы умножителя частоты 16 на входе +1 в те моменты, когда в автогё нераторе 1 включено звено отстающего фазового сдвига, и частота сигнала автогенератора ум1еньшена, а на входе - в те моменты, когда в автогенераторе включено звено опережающего сдвига и частота увеличена. Благодаря этому число-импул сов, поступающих на вход +1, ок зывается больше числа импульсов, поступивших на вход , и в-.реверсивном счетчике 19 накаплйвае«ся некоторый отсчет. Для того, чтобы исключить влияние систематической неравномерности выходных импульсов. умножителя частоты, добавлен тригге 15, который находится в состоянии в течение двух периодов входного сигнала умножителя частоты 16. Как видно из графиков фиг. 2, в двух смежных периодах входного сигнала умножителя частоты 16 состояния автогенератора 1 с увеличенной и уменьшенной частотой выходного сигнала чередуются в противоположном порядке; это автоматически устраняет влияние систематической неравномерности. Функция устройств1а управления 20 заключается в том, чтобы обес 1ечить заданную периодичность измерений, пропуская некоторое число интервалов, в течение Которых триггер 15 находится в состоянии , и перед началом очередного измерения устанавливать счетчик 19 либо в состояние, О ., если необходимо измерять полное затухание колебательной системы 4, либо в состояние, дополнительное к отсчету при начашьном затухании, если требуется измерять приращение затухания по отношению к известному начальному затуханию колебательной системы 4. Найдем число импульсов N, накопленное реверсивным счетчиком 19 за время, равное удвоенному Лериоду входного сигнала умножителя частоты. Обозначим меньший период автоколебаний генератора 1, получающийся при включении того из фазосдвигающих элементов 7,8, который вносит опережающий фазовый сдвиг, Т , а больший период, получающийся при. внесении отстающего фазового сдвига обоздачим Т2. Пусть, кроме того, емкость (модуль счета)счетчика 11 будет п, а коэффициент умножения умножителя час.тоты 16 -. М.Тогда период входного сигнала умножителя частоты 16 в соответствии :С фиг, 2 составит п(Т-,+Т2),. а частота выходного сигнала умножителя частоты 16 будет равна М- . ..Выходной сигнал умножиnCS +T) теля частоты 16 поступает на вход +1 реверсивного счетчика 19 через элемент И 17 в течение двух интервалов длительностью пр nTj, и ia вход реверсивного счетчика 19 Через элемент И 18 в течение двух интервалов длительностью по пТ;. Таким образом, содержимое реверсивного счетчика 19 после окончания счета можно выразить как (2l.((VTJ Переходя от периодов сигнала генератора 1 Т.,, и Тд к со9тветствуюI/T и f2l/T2

щим частотам f

получим

2Al(l/f,-Vf,; 21({,{,.} :

Теперь можно связать частоты f я {f с фазовыми сдвигами и затухани,ем колебательной системы о(. l/Q.

Как известно, фазо-частотная характеристика колебательной системы, содержащей три однородных элемента (дёе реактивных и одну активную I проводимости,, соединенные параллельно, или два реактивных и одно активное сопротивления, соединенные последовательно) , может быть записана в виде.

.

фазовый сдвиг в колебательгденой системе; fg собственная частота системы с учетом присоединенных : реактивностей.

При включении такой колебательной системы в автогенератор, работающий в квазилинейном режиме, таким образом, чтобы выходной величиной цепи связи 3 и входной величиной цепи связи 5 были соответственно напряжение и ток: или сила и скорость (или иные аналогичные величины в зависимости вида колебательной системы) , частота автоколебаний совпадает с собственной частотой ф . Если же в кольцо автогенератора ввести звено, вносящее фазовый сдвиг V, частота автоколебаний изменится , чтобы было , ((0. Следовательно, в этом случае справедливо уравнение для частоты автоколебаний

-(

Отсюда

f .

Пусть теперь фазовые сдвиги, вносимые звеньями 7 и 8, будут f и t , причем для определенности 0,4U 2 I/V-,/ /42/.

Тогда ,

.с Подставив эти значения в выражение для N, получаем

Выбирая соответствующим образом /, всегда можно обеспечить требуемую степень близости второго сомножителя к единице, а выбором М - получить достаточно большое число импульсов-в реверсивном счетчике 19. Модуль счета и счетчика 16 не входит,

в окончательное выражение для N; его выбор производится исходя из того, чтобы частота выходных импульсов умножителя частоты 16, равная

М

не была слишком боль5п()

шОй, и,чтобы переходные процессы, возникающие в автогенераторе после коммутации фазосдвигающих звеньев, не влияли существенно на результат счета. При указанных условиях N прямо пропордиональнсг затуханию d l/Q. В описываемом приборе время, необходимое для получения отсчета, не превосходит нескольких секунд. Если учесть время, необходимое на погружение колебательной системы прибора в исследуемую среду, .то вискозиметр на базе описываемого цифрового измерителя затухания в 2-3 раза производительней известного базового

0 объекта. ,

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЗАТУХАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ, содержащий автогенератор, образованный со- : единенными в кольцо выходным усилителем, цепью связи выходного усилителя с колебательной системой, колебательной системой, цепью связи колебательной системы с предварительНЕА1 усилителем и двумя коммутируемыми фазосдвигающими звеньями, а также средства управления коммутацией фааосдвигеиоших звеньев и средства из- ; мерения разности длительностей периодов автогенератора, о т ли ч а ю-г ; щ и и с я тем, что, с целью обеспе.чения прямого отсчета затухания ко/лебаний исследуемой колебательной :системы, средства управления коммутацией фазосдвигающих звеньев состоят из каскадно включенных формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом автогенератора, счетчика импульсов и первого и второго триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, а средства измере:ния длительностей периодов сигнала автогенератора состоят из умножителя частоты, вход которого соединен с инверсным выходом первого триггера, а выход - спервыми входами двух логических элементов И, выходы которых связаны соответственно с входаi И -1 ми реверсивного счетчика импульсов с отсчетным уст(Я ройством, третьего и четвертого триггеров, включенных по схеме двоичного счетчика, и устройства управления, причем вход третьего триггера соединен с инверсным выходом первого триггера, выход четвертого триггера связан со входом устройства управления и со вторыми входами двух логических элементов И, выход устрой4 « ства управления связан с третьими входами двух логических элементов И, а четвертые входы логических элементов И соединены соответственно с прямьм к инверсным выходами второго триггера. to