Мостовой измеритель с радиоимпульсным питанием Советский патент 1986 года по МПК G01R17/10 

12

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении различных электрических и неэлектрических величин.

Цель изобретения - повьшение точ- ности измерений при одновременном расширении функциональных возможностей мостового измерителя с радиоимпульс- HbiM питанием за счет исключения температурной погрешности и получения информации о температуре окружающей контролируемый объект среды.

На фиг . 1 представлена функлщо - нальная схема мостового измерителя с радиоимпульсным питанием; на фиг.2 эпюры, поясняющие принцип формирования последовательности радиоимпульсов ; на фиг, 3 - амплитудно-частотный спектр питающей измерительный мост радиоимпульсной последователь- .ности, а также амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики колебательной системы генератора ударного возбуждения.

Устройство содержит последовательно соединенные источник 1 сигнала, измерительный мост 2 с генератором 3 ударного возбуждения на питающем входе и усилитель 4 высокой частоты. К входу генератора 3 ударного возбуждения подключен выход генератора 5.коротких импульсов, который также связан с первьми входами первого 6 и второго 7 импульсных фазовых детекторов , выход генератора 3 ударного возбуждения дополнительно подкшочен к входу второго усилителя 8 высокой частоты, выход которого нагружен на второй вход второго импульсного фазового детектора 7, второй вход первого импульсного фазового детектора 6 подключен к выходу первого усилителя 4 высокой частоты, а выходы первого и второго импульсных фазовых детекторов 6 и 7 нагружены на управляющие входы первого А и второго 8 усилителей высокой частоты и на входы дифференгщального усилителя 9 постоянного fOKa, I

Выходы первого усилителя 4 высокой частоты и дифференциального усилителя 9 постоянного тока служат выходами устройства.

Мостовой измеритель с радиоимпуль ным питанием работает следующим образом.

Генератор, 5 коротких икпульсов является источником высокостабипьного

опорного сигнала в виде коротких видеоимпульсов с частотой следования 51 (фиг.2р). При воздействии этих видеоимпульсов на генератор 3 ударного возбуждения на выходе последнего формируется .радиоимпульсная последовательность с постоянными от импульса к импульсу начальными фазами радиоимпульсного высокочастотного заполнения (фиг , 2В частота которого «д определяется собственной резонансной частотой колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения (фиг.3&). Вследствие такой привязки начальных фаз радиоимпульсов к частоте следования Я коротких импульсов генератора 5 амплитудно-частотный спектр радиоимпульсной последовательности, получаемый на выходе генератора 3 ударного возбуждения, оказывается дискретным и не содержит спектральной составляющей с частотой СОд заполнения радиоимпульсов (фиг.За). Дискретные составляющие этого спектра при изменениях частоTI I QO изменяют только свою амплитуду, не изменяясь при этом по частоте. Аналитическая запись такого амплитудно-частотного спектра в виде тригонометрического ряда представляется как

S(t) 21 UttCos nSZt;

и-л - -

(О

Urf

Up-c Sin(cpo-ng)eZ2

TP (QO- пл ) .

где п 1,2,..., k

- длительность радиоимпульсов; амплитуда п-й спектральной составляющей;

2-

Si --частота следования радиоР импульсов;

йо- частота заполнения радиоимпульсов, равная собственной частоте генератора 3 ударного возбуждения;

Тр период радиоимпульсной последовательности;

Up- амплитуда радиоимпульсов.

В отличие от известного устройства, частота заполнения радисимпуль- сов в исходной (реперной) точке контролируемого пространства параметров x(t)«T (где x(t) - основная контролируемая физическая или электрическая величина; Т - температура окружающей контролируемый объект

среды) выбирается не равной частоте одной из дискретных частотных компонент, а определяется из соотношения

2il± lnill.. .- (п.

+ 0,5)П .

Таким образом, частота ь)д настройки колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения при значениях параметров x(t) и Т, равных начальным Xg(t) О и TQ, располагается на частотной оси со посредине между п-й и (п+1)-й дискретными компонентами амплитудно-частотного спектра (фиг.За) фадиоимпульсной последовательности (фиг;2), на которые и настраиваются колебательные системы усилителей 4 и 8 высокой частоты соответственно.

Для обеспечения одновременного точного измерения наряду с основным информационным параметром x(t) еще и температуры Т окружающей контролируемый объект среды необходимо источник 1 сигнала (датчик), измерительный мост 2 и генератор 3 ударного возбуждения выполнять в виде единого блока (измерительной головки) ,который должен быть установлен непосредственно н-а контролируемом объекте. В результате все три блока: источник 1 сигнала, измерительный мост 2 и генератор 3 ударного возбуждения находятся в одинаковых температурных условиях. При этом выходной сигнал источника 1 сигнала наряду со своими естественными изменениями также изменяется и при вариациях температуры окружающей контролируемый объект среды, т.е.

x(t) x4t)-t-K,(T-T),

где x (t) - чистый информационный

сигнал;

Тр - начальное значение температуры окружающей среды;

Кц - коэффициент температурной чувствительности сигнала x(t) к изменению температуры.

Поскольку разбалансировка моста 2 и появление на его выходе сигнала в виде .радиоимпульсной последовательности (фиг.25) обуславливаются не только появлением на информационном

10

входе ненулевого сигнала x(t) с выхода источника 1 сиг{€ала, но и воздействием на этот мост меняющейся температуры Т , то, воспользовавшись выражением (4), для амплитуды радиоимпульсов на выходе измерительного моста 2 можно записать

U(x(t), Т) Kjx (t) + К„(Т - Т)) + К, (Т - Т,),

(5)

где Кд, - чувствительность моста 2 к информационному сигналу;

.x(t), температурная чувствительность измерительного моста 2 к температуре Т.

В связи с тем, что с выхода моста 2 информационный сигнал поступает на вход первого усилителя 4 высокой частоты, который отфильтровьшает из дискретного частотного спектра радиоимпульсной последовательности единственную спектральную составляющую с частотой а Л (фиг. За), а амплитуда и этой спектральной составляющей.

определяемая из (2), также зависит от температуры Т вследствие изменений собственной частоты сОд колебательной системы генератора 3 ударно- го возбуждения (фиг.За), то для амплитуды п-й спектральной составляющей шформационного сигнала на выходе первого усилителя 4 высокой частоты получаем

35

)

+ KMT) (Т - Т )

+ Кр(Т - Т„), (6)

40

45

55

50

где Kygij - коэффициент усиления первого усилителя 4 высокой частоты на частоте пО; Кр - крутизна ската на линейном участке огибающей спектра радиош-шульсной последовательности на фиг.За,

В выражении (6) имеются две составляющие, определяющие зависимость амплитуды и ,, информационного сигнала от температуры Т на выходе первого усилителя 4 высокой частоты. Одна из этих составляющих (Кд, К|, + + К,.)(Т - TQ) определяет степень изменения амплитуды радиоимпульсов, а значит и амплитуды п-й информационной спектральной составляющей в спектре радиоимпульсиой последовательности на выходе измерительного моста 2, а другая - Кр„(Т - Т) непосредственно определяет изменение

амплитуды Ufl n-й информационной спектральной составляющей с частотой nS2 под воздействием температуры ТГ при неизменной амплитуде радиоимпульсов за счет расстройки колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения. Из анализа выражения (6) и вышеизложенного становится ясным, что полная независимость от температуры Т амплитуды U,, информационной составляющей спектра с частотой nS2 на выходе первого усилителя 4 может быть достигнута при равных по величине и разных по знаку коэффицн

К„г) и к

рп

т, е о в

VMTК

Л1т

-К

рп

(7)

Полученный на выходе первого усилителя 4 высокой частоты термокомпен,(

и

сированный сигнал амплитуды U

В результате для амплитуды п-й спект- 20 стоты пП поступает на первый выход

устройства

ральной составляющей радиоимпульсного спектра на выходе усилителя 4 высокой частоты получаем

и на второй вход первого импульсного фазового детектора 6, на первый вход которого поступает высо- костабильный частотный сигнал с выхода генератора 5 коротких импуль- сов с частотой следования импульсов Q , Поскольку частоты сигналов Uj., Cos (nQC4((j|) и Up Cosnt, поступающих на входы первого импульсного фазового детектора 6, кратны одна другой, то происходит их фазовая синхро низация, и на выходе детектора 6 устанавливается уровень сигнала постоянного тока, пропорциональный фазовому рассогласоваршю сигналов, поступающих на входы этого импульсного фа зового детектора. Это фазовое рассог ласование определяется двумя компоне тами: фазовым набегом Cf сигнала с частотой пО. в первом усилителе 4 высокой частоты при изменениях температуры окружающей среды и фазовым набегом q этой же компоненты ра- дио1- мпульсного спектра за счет ее фазовой модуляции под воздействием температуры Т в колебательной системе генератора 3 ударного возбулоде- ния.Из амплитудно-частотной и фазо- частотной характеристик этой колебательной системы (фиг.35) видно,что при росте температуры Т и соответствующем росте частоты со компонента дискретного спектра (фиг.За) с частотой nJ2 получает положительный фазовый набег ip , а компонента с частотой (tn-1) 57 получает равный по величине, но отрицательный фазовый набег (), причем крутизна такого преобразования температура - фаза

u;(t)K

авч И

(t).

(8)

Таким образом, для температурной- компенсации изменений уровня ампли- ,туды Up информационного сигнала на выходе первого усилителя 4 высокой частоты необходимо, зная крутизну преобразования К. измерительного моста 2, температурный дрейф Кд,,, этого моста и чувствительность К|. информационного сигнала x(t) источника 1 сигнала к изменениям температуры, подобрать величину коэффициента Кр, характеризующего крутизну ската ос новного лепестка огибающей спектра питающей мост 2 радиоимпульсной последовательности, согласно условию

(7).

При этом, поскольку при изменении частоты заполнения «о радиоимпульсов изменяются лишь амплитудные соотношения в спектре (фиг,За), а частоты дискретных составляющих остаются неизменными, знак коэффициента (фиг,3а) однозначно определяется выбором начальной частоты настройки Мд колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения (фиг,3). Так, при выборе значения частоты оЗд- (фиг,3) согласно соотношению (3), при положительном температурном ко

эффициенте чувствительности

-Iss..

ЗТ

кс)эффии(иент чувствительности Крп оказьшается отрицательным, а именно

со„

растет, амплитуда D.. п-й

спектральной составляющей падает (фиг.За). Величину этого коэффициента, которая определяется крутизной скатов основного лепестка огибающей спектра радиоимпульсной последовательности, нетрудно варьировать в очень широком диапазоне, изменяя коэффициент заполнения радиоимпульсной

Т последовательности К . В нет

р

больших пределах величину Кррможно также изменять, варьируя добротностью колебательной системы генератора 3 ударного возбулсдения.

I

Полученный на выходе первого усилителя 4 высокой частоты термокомпен,(

и

сированный сигнал амплитуды U

устройства

5

0

5

Q

5

0

5

и на второй вход первого импульсного фазового детектора 6, на первый вход которого поступает высо- костабильный частотный сигнал с выхода генератора 5 коротких импуль- сов с частотой следования импульсов Q , Поскольку частоты сигналов Uj., Cos (nQC4((j|) и Up Cosnt, поступающих на входы первого импульсного фазового детектора 6, кратны одна другой, то происходит их фазовая синхронизация, и на выходе детектора 6 устанавливается уровень сигнала постоянного тока, пропорциональный фазовому рассогласоваршю сигналов, поступающих на входы этого импульсного фазового детектора. Это фазовое рассогласование определяется двумя компонентами: фазовым набегом Cf сигнала с частотой пО. в первом усилителе 4 высокой частоты при изменениях температуры окружающей среды и фазовым набегом q этой же компоненты ра- дио1- мпульсного спектра за счет ее фазовой модуляции под воздействием температуры Т в колебательной систе ме генератора 3 ударного возбулоде- ния.Из амплитудно-частотной и фазо- частотной характеристик этой колебательной системы (фиг.35) видно,что при росте температуры Т и соответствующем росте частоты со компонента дискретного спектра (фиг.За) с частотой nJ2 получает положительный фазовый набег ip , а компонента с частотой (tn-1) 57 получает равный по величине, но отрицательный фазовый набег (), причем крутизна такого преобразования температура - фаза

равна крутизне

Ач.

9w

фазовой характеристики колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения вблизи частот и (п+1 )Ясоответст- венно (фиг.Зо, 8 ) .

Таким образом, считая, что крутизны .фазовой характеристики в точках О и 0(Фиг.35) равны Kq для сигнала с частотой nSl на выходе перво- го усилителя 4 высокой частоты с учетом всех фазовых набегов, получают

U,(t) и„ cos(nnt +Cfo,- - - -Т)),(9)

где СР(5 - температурный фазовый набег в усилителе 4.

Поскольку сигнал (9) поступает на второй вход первого импульсного фазового детектора 6, а на первый его вход поступает опорный сигнал UQI, (t) Up-CosSZt с нулевым фазовым сдвигом, на выходе детектора 6 полу- чают сигнал постоянного тока, уровень которого пропорционален фазовому рассогласованию сигнала (9) и опорного

Сд СА(ГО,СР (Т - ,

f

(10)

где Kj,tp. - крутизна характеристики преобразования фазового детектора 6о Выражение, аналогичное уравнению (10), нетрудно получить и дпя выход- ного напряжения U второго импульсного фазового детектора 7. Для этого следует учесть, что на его первый вход также поступает опорный сигнал

Ujj- cosSlt с нулевым фазовым сдвигом с выхода генератора 5 коротких импульсов, а на второй вход детектора 7 поступает сигнал вида

U2(t) Urn cos ((n+l)qt + + СУ„ - K,,(T - Т-)),

Cy

где СР|32 - температурный фазовый набег в усилителе 8;

амплитуда сигнала с частотой (п+1)Й,

так как второй усилитель 8 высокой частоты настроен не на частоту пи, как первый усилитель 4, а на следующую компоненту дискретного частотно- го спектра радиоимпульсной последовательности (1) именно с частотой (п+1 )Я.

s

О

5

n 5

0

Как видно из выражения (11), в отличие от частотной компоненты с частотой пи, данный сигнал получает при изменении температуры Т фазовый сдвиг противоположного знака (фиг.Зй, &). Если частота Ыд настройки колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения растет, то частотная компонента спектра (фиг.3 а) с частотой пл получает положительный фазовый набег, а компонента G частотой (n+I)S2 - отрицательный. Поэтому для выходного напряжения импульсного фазового детектора 7

2г

UHTA HfA ог - Т„)),(12)

2 где К,ф. - крутизна характеристики

преобразования детектора 7.

Подавая сигналы (10) и (12) на входы дифференциального усилителя постоянного тока 9, получают второй выходной сигнал предлагаемого устройства в виде

U,(t) , + К (Т - Т) - КифЛс „г К,, (Т - Tj к„, , (13)

где Kjjy - коэффициент передачи дифференциального усилителя 9 постоянного тока.

Чтобы обеспечить высокую точность измерения температуры Т необходимо усилители 4 и 8 высокой частоты, а также импульсные фазовые детекторы 6 и 7 выполнить идентичными по всем их характеристикам. В этом случае справедливы соотношения К л,

ИТА HfA и %, %2 во всем диапазоне температур, поэтому выражение (13) можно переписать в виде

U(t)2K

D4

)(14)

Таким образом, в мостовом измерителе с радиоимпульсным питанием в тяжелых температурных условиях не только удается скомпенсировать температурную погрешность и получить информацию в виде сигнала (8) о чистом информационном сигнале x (t), но и одновременно получить дополнительно информацию в виде сигнала (14) о температуре окружающей контролируемый объект среды.

912263

ормула изобретения

Мостовой измеритель с радиоимульсным питанием, содержашдсй послеовательно соединенные источник сиг- з нала, измерительный мост и усилитель высокой частоты, гене.ратор коротких импульсов, выход которого соединен соответственно с первыми входами генератора ударного возбуждения и им- Ю пульсного фазового детектора, второй вход которого соединен с вь(ходом усиителя высокой частоты и с выходом устройства, выход импульсного фазового детектора соединен соответст- 15 венно с вторым входом усилителя высокой частоты, а выход генератора ударного возбуждения соединен с вторым входом измерительного моста, отличающийся тем, что, 20 с целью повьшения точности измерений при одновременном расширении функциональных возможностей мостового измерителя с радиоимпульсным пи W/I

910

танием за счет исключения температурной погрешности и получения информации о температуре окружающей контролируемый объект среды, в него введены второй усилитель высокой, частоты, второй импульсньй фазовый детектор и дифференциальный усилитель постоянного тока, причем выход генератора коротких импульсов соединен с первым входом второго импульсного фазового детектора, второй вход ко- jToporo подключен к вькоду второго усилителя высокой частоты, вход которого соединен с выходом генератора ударного возбуждения, управляющий вход второго усилителя высокой частоты подключен к выходу второго импульсного фазового детектора, входы дифференциального усилителя постоянного тока соединены с выходами первого и второго импульсных фазовых детекторов, а выход дифференциального усилителя постоянного тока соединен с вторым выходом устройства.

Изобретение может быть использовано при измерении различных электрических и неэлектрических .величин. Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей измерителя. Устройство содержит источник 1 сигнала, измерительный мост 2 с генератором 3 ударного возбуждения, усилители 4 и 8 высокой частоты, генератор 5 коротких импульсов, импульсные фазовые детекторы 6 и 7 и дифференциальный усилитель 9 постоянного тока. Введение усилителя 8 высокой частоты, импульсного фазового детектора 7, дифференциального усилителя постоянного тока и образование новых связей позволяет исключить температурную norpeujHocTb и получить информацию о температуре окружающей контролируемый объект среды, 3 ил. ГО ISP Ф 00 со Фмг./

n/sj

я.

вниипи

Заказ 2125/42

Производств«-полиграфо пред-ej г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 7 28

Подписное