Цифровой автоматический экстремальный мост переменного тока Советский патент 1984 года по МПК G01R17/10 

I10 Изобретение относится к электроиз мерительной технике, в частности к устройствам для цифрового измерения пассивных параметров цепей, на переменном токе. . Изобретение может быть использовано в различных измерительных преобразователях, .измерителях незлект-. рических величин, информационно-измерительных системах и устройствах автоматического управления. Известны цифровые экстремальные модуляционные мосты переменного тока, содержащие питающий генератор, мостовую измерительную цепь и систему автоматического уравновешивания Недостатком их является невысокое быстродействие. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой экстремальный квазимодуля1ЩОННЫЙ мос;т переменного тока, содержащий {прк уравновешивании по одному параметру последовательно соединенные питающий генератор, измерительную мостовую цепь с дискретно регулируемыми уравновеагивающими элементами, избирательньш усилитель, амплитудный детектор и экстремумдетектор, а также основной реверсивный счетчик и трехпозицирнный реверсивный счетчик модулятора, выходы которых подключены к ди.скретно регу.лируемым уравновешивающим элементам мостовой цепи, а входы - к выходам KONn yTaTOpa, вход которого соединен с тактовым генератором, Трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора имеет три состояния +1,0 и -J,, соответствующие изменению состояния мостовой цепи на +1,0 или -1 шаг дискретного изменения уравновешивающего параметра относительно его значения, заданного основный реверсивным счетчиком. Управляющий вход коммутатора связан через логический элемент совпадений с выходомэкстремум-детёктора и с выходом трех пози1 онного реве сивного счетчика модулятора. Входы управления реверсом основного реверсивного счетчика и трехпозиционного реверсивного счет чика модулятора подключены к выходу экстремум-детектора. К выходу основного реверсивного счетчика подключено также цифровое отсчетное устройство .Ло гический элемент совпадений управляв ет коммутатором таким образом, что рабочие импульсы проходят йа основНОЙ реверсивный счетчик только тогда, когда со впадают сигналы: либо +I трехпозиционного реверсивного счетчика модулятора и + управления реверсом, либо противоположные зна-. чения этих сигналов. Во всех остальных случаях импульсы проходят через коммутатор на трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора 2. Известный цифровой экстремальный мост обладает высокой точностью измерения и высоким быстродействием, однако существенным его недостатком является низкая помехоустойчивость по отношению к помехам, однородным по своей физической природе с измеряемой величиной. Такие помехи чаще всего проявляются в виде сразнительгно низкочастотных коле.баний измеряемой величины относительно ее среднего значения, которое должно быть измерено. К ним относятся, например, вибропомехи, сопровождающие измерение таких неэлектрических величин как масса,сила посредством упругих элементов, неоднородности потока жид кости или. газа при измерении параметров движения этих сред; пульсации контролируемого давления в трубопроводах работающих машин и т.д. Когда период колебаний помехи намного больше времени уравновешивания моста, происходит нормальное отслеживание изменений входной величины, благодаря чему возможна последующая обработ ка результатов измерения для вычисления среднего значения. Если же период колебаний помехи соизмерим со временем уравновешивания или меньше его, нормальное уравновешивание становится невозможным, цифровой мост ведает беспорядочно изменяющиеся результаты с большими погрешностями и пользоваться прибором становится практически невозможно. К такому же результату приводят и электрические помехи определенной категории, а именно те, которые модулируют сигнал неравновесия измерительной цепи вследствие нелинейности тракта усиления. Колебания помехи нельзя подавить в тракте усиления сигнала неравновесия моста, работающем на переменном токе несущей частоты, а при введении фильтра нижних частот после амплитудного детектора в выходном напряжении этого фильтра появляется постоянная составляющая, величина которой 3108 зависит от параметров помехи. Это происходит вследствие того, что на амплитудный детектор поступает сигна несущей частоты, модулированный помехой, т.е. их произведение. Амплитудный детектор, имеющий несимметрич ную о тносительно начала координат характеристику, выделяет абсолютную величину входного сигнала, т.е. прои ведение абсолютных величин сигнала и помехи. Таким образом, сигнал на выходе амплитудного детектора будет зависеть как от параметров полезного сигнала, так и от параметров помехи, которые нестабильны. Данное явление сделало бы невозможным получение достоверного результата измерения. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости цифрового автоматического экстремального моста к помег хам, однородным по физической природе с измеряемой величиной, а также расширени его области применения путем обеспечения возможности измерения средне.го значения колеблющихся величин. . I Указанная цель достигается тем что в цифровой автоматический экстрема ный мост переменного тока, содержащий последовательно соединенные пита ющий генератор, мостов.ую измерительную цепь с дискретно регулируемыми элементами, избирательньй усилитель и амплитудный детектор, основной реверсивный счетчик и трехпозиционный реверсивный счетчик модулятора выходы которых подключены к дискретно регулируемым уравновешивающим элементам мостовой измерительной цепи, а входы - к выходам коммутатора рабочих импульсов, вход управле ния которого соединен через логический элемент совпадений с выходами трехпозиционного реверсивного счетчика модулятора и с соединенными между собой входами управления ре.версом обоих реверсивных счетчиков, цифровое отсчетное устройство, подключенное к выходу основного реверсивного счетчика и тактовый генератор, введены дополнительный модуля тор и делитель частоты, входы которых подключены к тактовому генератору, а выходы соответственно - к мостовой измерительной цепи и входу коммутатора рабочих импульсов, а также разделительный конденсатор и последовательно соединенные фазочув ствительный детектор, фильтр нижних частот и дискриминатор полярности напряжения, причем первый, вход фазочувствительного детектора через разделительный конденсатор подключен к выходу амплитудного детектора, а второй (опорный) вход фазочувствительного детектора - к выходу тактог вого генератора, а выход дискриминатора полярности напряжения - к входу управления реверсом бсновного реверсивного счетчика импульсов. Благодаря введению дополнительного модулятора в сигнал неравновесия вводится информация о знаке отклонения равновесия в виде фазы огибающей этого сигнала по отношению к фазе напряжения тактового генератора. Эта информация выделяется фазочувствительным детектором. Таким образом, характеристика тракта мостовая цепь - выход фазочувствительного детектора в отличие от известного моста становится симметричной относительно начала координат передаточной характеристики. Это дает возможность отделить полезную информацию о направлении уравновешивания, заключенную в знаке постоянной соста вляющей от помехи, проявляющейся в виде переменной составляющей этого сигнала, с помощью фильтра нижних частот. Введение фильтра нижних частот позволяет также измерять среднее значение величин, что расширяет область применения моста. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого цифрового автоматического экстремального моста переменного тока. Устройство содержит последовательно соединентле питающий генератор 1, мостовую измерительную цепь 2 с дискретно регулируемыми элементами, избирательный усилитель 3, амплитудный детектор 4, разделительный конденсатор 5, фазочувствительный детектор 6, фильтр 7 нижних частот, дискриминатор 8 полярности .напряжения, основной реверсивный счетчик 9 импульсов, трехпозиционньш реверсивный счетчик 10 модулятора, коммутатор 11 рабочих импульсов, дополнительный модулятор 12, делитель 13 частоты, тактовый генератор 14, логический элемент 15 совпадений и цифровое отсчетное устройство 16. Выходы основного реверсивного счетчика 9 и трехпозициОнного ревер-i сивного счетчика 10 модулятора подключены к дискретно регулируемым . уравновешивающим элементам мостовой измерительной цепи 2, а . входы к выходам коммутатора 11 рабочих импульсов, вход управления которого соединен через логический элемент 5 совпадений с выходами трехпози- . ционного реверсивного счетчика 10 модулятора и с соединенными между с бой входами управления реверсом обо их реверсивных счетчиков. Цифровые отсчетное устройство 16 подключено выходу основного реверсивного счетчика 9, входы дополнительного модулятора 12 к делителя 13 частоты подключены к тактовому генератору 14, выходы соответственно - к мостовой измерительной цепи 2 и входу коммута тора 1I рабочих импульсов. Устройство работает следующим образом. С питающего генератора J на мосто вую измерительную цепь 2 поступает переменное напряжение. Сигнал неравновесия мостовой цепи 2 усиливается Избирательным усилителем 3 и поступает на a mлитyдный детектор 4. Такг товый генератор 14 вырабатывает импульсы напряжения тактовой частоты, управляющие работой дополнительного модулятора 12, который модулирует (периодически изменяет на небольшую величину) уравновешивающий параметр мостовой цепи 2. При этом в огибающей сигнала неравновесий мостовой цепи 2 появляется переменная составляющая тактовой частоты, фаза которо зависит от знака неравновесия. Амплитудный детектор 4 вьщеляет огибающую сигнала неравновесия, разделительный конденсатор 5 выделяет пере- MeHHjno составляющую этой огибающей, и с помощью фазочувствительного детектора б, опорным для которого является на1пряжение тактового генератора 14, выделяется достоянное напряжение, полярность которого однозначно определяет знак неравновесия мостовой цепи 2. В выходном сигнале фазочувствительного детектора 6, помимо постоянной составляющей, присут ствует переменная составляющая помег хи, которая вызвана .неинформативными колебаниями измеряемой величины. Эта помеха подавляется фильтром 7 нижних частот. Дискриминатор 8 поляр нести напряжения (например усилитель ограничитель, компаратор напряжений с нулевой уставкой и т.п.) в зависимости от полярности напряжения на выходе фильтра 7 нижних частот выдает на своем выходе один из двух логических сигналов, который устанавлй вает основной реверсивный счетчик 9 и трехпозиционный реверсивный счетчик 10 модулятора для счета в прямом или обратном направлении. Этот же сигнал реверса подается на логический элемент 15 совпадений. Рабочие импульсы, управляюпще уравновешиванием, поступают с выхода делителя 13 частоты через коммутатор I1 на основной реверсивный счетчик 9 либо на трехпозиционный реверсивный счетчик 10 модулятора. Коэффициент деления делителя 13 частоты выбирается из условия окончания переходного процесса в фильтре 7 нижних частот за время одного такта уравновешивания, Уравновешивание моста производится по следующему алгоритму. В начале уравновешивания основной реверсивный счетчик 9 и трехпозиционный реверсивный счетчик IО модулятора находятся в произвольных состояниях. Дискриминатор 8 полярности напряжения выдает йа шины реверса логический сигнал, соответствующий направлению движения к равновесию. Коммутатор 1I рабочих импульсов подключает при этом выход делителя 13 частоты на вход трехпозиционного реверсивного счетчика 10 модулятора, который под действием рабочих импульсов переходит в одно из своих крайних состояний (+1 или -1) в направлении движения к равновесию, если до этого он находился в нулевом или противоположном крайнем состоянии. Если после этого полярность напряжения на выходе фильтра 7 нижних частот не изменилась на .противоположную, то логический элемент 15 совпадений переключает посредством коммутатора 11 рабочие импульсы, с выхода делителя 13 частоты на вход основног го реверсивного счетчика-9, который начинает считать и переключать одновременно уравновешивающие элементы мостовой цепи 2, приближая мост к равновесию. При переходе через точку равновесия логический сигнал на выходе дискриминатора 8 полярности напряжения принимает противоположное значение, при этом логический элемент 15 совпадений переключает ком7108мутатор 11 на вход трехпозиционного реверсивного счетчика 10 модулятора и уравновешивающий элемент мостовой цепи 2 начинает изменяться по двум или трем соседним дискретным зиачениям в окрестности равновесия за счет возвратно-поступательных движений трехпозиционного реверсивно го счетчика10 модулятора, при этом состояние основного реверсивного счетчика 9 не изменяется и на цифровом отсчётном устройстве 16 индуцируется число, соответствукщее бли жайшему к равновесию значению уравно вешивающего параметра. При подекадно-следящем уравновеши вании цифрового моста целесообразно переключать коэффициент деления дели теля 13 частоты и постоянную времени фильтра 7 нижних частот в зависимоети от номера декады, при этом на более старших Декадах уравновешивание можно производить быстрее, тдк как влияние помех на этих декадах сказывается меньше. Это увеличит быстродействие многодекадного цифрового моста переменного тока. Преимуществом предлагаемого устройства является возможность работы с параметрическими (емкостными, индуктивными, резис.тивными и т.д. датчиками иеэлектрических величин при наличии неинформативных колебаний измеряемой велшчины (например, вибра-. ций груза при измерении веса) . Устранение указанного недостатка в предлагаембй устройстве позволяет расширить область применения цифровых экстремальных мостов переменного тока, использовать их преимущества (высокая чувствительность и точность при измерении незлектрических величин, благодаря чему значительно сокращается срок окупаемости затрат, на их изт готовление, а также повышается достоверность измерения при наличии вибропомех.

«ъ--

т

V4

52

г/