Феррозондовый измеритель направления Советский патент 1991 года по МПК G01C17/30 

сл

с

Изобретение относится к океанографическим измерениям. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния ошибок фазовой девиации. Устройство содержит феррозонд 2 с ортогональными сигнальными обмотками, избирательный усилитель 4, сумматор 10, цифровой измеритель фазы 12, генератор 1. переключатель 3, два блока выборки и хранения 6 и 7, два перемножителя 8 и 9. формирователь стартового импульса 13, счетчик периодов 14, линию задержки 15 и счетный триггер 16. 3 ил.

со ю

N

VI

Изобретение относится к области океанографических измерений.

Целью изобретения является повышение сочности за счет уменьшения влияния ошибок фазовой девиации.

На фиг. 1 представлена схема измерителя; на фиг. 2 и 3 - временные характеристики, поясняющие его работу.

Измеритель состоит из генератора 1, феррозонда 2 с ортогональными сигнальными обмотками, переключателя 3 сигнала на входе избирательного усилителя 4, переключателя 5 входов записи, второго и пер- ього устройств 6 и 7 выборки и хранения, второго и первого перемножителей 8 и 9, сумматора 10, фильтра 11 избирательного усилителя, цифрового измерителя 12 фазы, формирователя 13 стартоаого импульса, счетчика 14 периодов, линии 15 задержки, сметного триггера 16.

Первый выход генератора 1 подсоединен к обмотке возбуждения феррозонда 2, две сигнальные обмотки котооого подсоединены соответственно к двум входам переключателя 3, выход которого подсоединен к входу коммутируемого избирательного усилителя 4, выход которого подсоединен к двум входам устройств 6 и 7 выборки и хранения, выходы которых подсоединены к двум первым входам перемножителей 8 и 9, выходы которых подсоединены к входам сумматора 10, выход которого подсоединен к входу фильтра 11, выход которого подсоединен к входу остановки цифрового измерителя 12 фазы, вход запуска которого подсоединен к второму входу перемножителя 9 и первому выходу опорного сигнала генератора 1. а счетный вход подсоединен к выходу счетных импульсов генератора 1. Второй выход опорного сигнала генератора подсоединен к второму входу перемножителя 8, а выход удвоенной частоты возбуждающего сигнала, сдвинутого по фззе на л/2, подсоединен к сигнальному входу счетчика 14 периодов, вход запуска которого подсоединен к выходу формирователя 13 стартоаого импульса, а выход подсоединен к входу линии 15 задержки и входу переключателя 5, два выхода которого подсоединены к двум входам записи устройств 6 и 7 выборки и хранения, а управляющий -вход подсоединен к управляющему входу переключателя 3 и к выходу счетного триггера 16, вход которого подсоединен к выходу линии 15 задержки.

Измеритель работает следующим образом,

Прямоугольный сигнал частотой f i и фазой Q) поступает с первого выхода генератора 1 на обмотку возбуждения феррозонда 2. Две сигнальные обмотки феррозонда 2 с помощью переключателя 3 по очереди подключаются к входу коммутируемого избирательного усилителя 4 (КИУ). На выходе КИУ 4 по очереди образуются два сигнала

10

Ux (К + Д K)cos ф (2(t) t + V). 0) Uy (К + AK)sinp sin(2wt + V). (2)

где АК - изменение коэффициента К усиления КИУ;

ty- уход фазы относительно фазы 2 on

за счет изменения фазовой характеристики КИУ.

Амплитуды этих сигналов запоминаются устройствами 6 и 7 выборки и хранения {УВХ) с помощью переключателя 5, который

по очереди подключает к входам записи УВХ 6 и 7 импульс записи. Работой переключателей 3 и 5 управляет счетный триггер 16 (СТ). Когда на выходе СТ 16 - единица, то, например, только первая сигнальная обмотка феррозонда 2 подключена к входу КИУ 4, а амплитуда его выходного сигнала записывается в УВХ 6. Если на выходе СТ 16 - ноль, то только вторая сигнальная обмотка подключена х входу КИУ 4, а амплитуда записывается в УВХ 7. Время нахождения выходов СТ 16 в единичном или нулевом состоянии назовем периодом коммутации Тк. Таким образом, вход КИУ 4 подключается по очереди к сигнальным обмоткам на

время, равное Тк. Известно, что при коммутировании в КИУ 4 возникает переходный процесс, который характеризуется временем установления ТуСт. определяемым по формуле

Q

ТУст - 0,73

тГ

(3)

Если добротность Q КИУ 4 установить равной 100, а его резонансную частоту f0 1 кГц, то Туст 73 мс. Выберем Туст равным

ЮО мс или 100 периодам выходного сигнала КИУ 4. За это время на выходе КИУ 4 образуется установившийся колебательный процесс. Следовательно, можно установить ТУст Тк 100 мс. Введение Т« не

влияет на точность измерений, так как Т гораздо меньше, чем постоянная времени измерителя направления течения как механической системы, которая равна единицам секунд. Поэтому можно считать, что

положение измерителя в пространстве, в частности феррозонда, не изменится за несколько периодов Тк. Тк устанавливается счетчиком 14 периодов (СП). К его счетному входу подключен пятый выход

генератора 1 с фазой прямоугольного сигнала (2йЛ + я/2) и частотой 2f f0 , т.е.

период этого сигнала устанавливается разным периоду выходного сигнала КИУ 4. Поэтому через 100 мс при подсчете 100 импульсов на выходе СП 14 появляется короткий импульс, Период появления этого импульса равен Тк. Этот импульс, пройдя переключатель 5, записывает в УВХ 6 или 7 амплитудное значениз выходного сигнала КИУ 4. Так как сигнал на пятом выходе генератора 1 имеет фазу 2ол + я/2, а выходной сигнал КИУ 4 - фазу 2ал (из-за того, что феррозонд питается сигналами с фазой on), то импульс записи, сформированный по фронту сигнала с фазой (2ол + я/2), на временной оси соответствует амплитудному значению выходного сигнала КИУ 4. Импульс записи приходит в конце Тк и записывает амплитудное значение выходного сигнала КИУ 4, например, в УВХ 6. Теперь необходимо переключить вход КИУ 4 к другой сигнальной обмотке, а выход - к другому УВХ 7. Это делает тот же импульс записи, но прошедший линию 15 задержки (ЛЗ), СП 14 получает разрешение на начало счета от формирователя 13 стартового импульса (ФСИ).После прихода стартового импульса с выхода ФСМ 13 СП 14 выдает два импульса записи и снова приходит в режим ожидания, т.е. измеритель измеряет два находящихся рядом во времени значения Ux и Uy и переходит в режим ожидания. Это сделано для того, чтобы исключить влияние Тк на работу цифрового измерителя 12 фазы (ЦИФ). Рассмотрим это подробней при описании дальнейшей работы измерителя. В УВХ б и 7 записаны амплитуды сигналов КИУ 4 Ux и Uy согласно выражениям (1) и (2). Эти амплитуды с помощью перемножителей 8 и 9 перемножаются с прямоугольными сигналами с фазами Qt и ( Qt + я/2). На выходе этих перемножителей образуются прямоугольные сигналы с же фазами, но амплитудами, пропорциональными cosip и sin p.

Запоминание амплитудных значений обязательно, чтобы два сигнала, которые последовательно проходят через КИУ друг за другом, совместить во времени. Далее, чтобы сохранить алгоритм определения угла р, эти амплитудные значения с помощью перемножителей умножаются на два прямоугольных сигнала с амплитудой Е, частотой Q 2яР и фазами Од и ( Q t + 75 )

Здесь надо отметить, что частота Q не равна частоте 2ш. На выходах перемножителей образуются прямоугольные сигналы с

с/ / , д I/

фазой Qt и амплитудой

cosa

и Ux/ сфазой(Ог + к) и амплитудой

Е(КЧ-АК) .

(p, где М - нормирующий коэффициент перемножителей, Из этих выражений видно, что на выходах перемножителей получают два сигнала

U ха и U сдвинутые по фазе относительно друг друга на я/2. Этот сдвиг получен без помощи фазовращателей, как в прототипе, а с помощью двухфазного генератора, который вырабатывает два прямоугольных сигнала, сдвинутых по фазе относительно друг друга на я/2. Сигналы U ха и U Уу3 суммируются с помощью сумматора. С помощью избирательного усилителя из выходного сигнала сумматора

выделяем его первую гармонику. Тогда, на выходе избирательного усилителя образуется сигнал вида

25

.. „ 4ЕГК + ДК) trtf , . ... U21 - k ,., -cos(). (4)

яМ

Цифровой измеритель фазы измеряет разность фаз между сигналом U 2i и одним из прямоугольных сигналов двухфазного генератора, который выбирается опорным. Отсюда видно, что если ограничения на рост частоты счетных импульсов измерителя фазы существуют, то точность измерения фа

зы р можно повысить путем уменьшения частоты О..Таким образом, изобретение дает возможность увеличить точность измерения фазы путем уменьшения частоты Q при

фиксированной частоте счетных импульсов. Чем меньше частота F, тем больше период 1/F, тем больший временной интервал соответствует фазе р и тем меньше нужна частота счетных импульсов ЦИФ 12 для

измерения этой фазы р . Отсюда видно, что если не запускать СП 14 от ФСИ 13, то возможна ситуация, когда в УВХ 6 и 7 будут записываться значения амплитуд с частотой 1/Тк, и на выходе перемножителей

8 и 9 из-за очень низкой частоты F 1/Тк не будет успевать установиться колебание с этой частотой F.

При коммутировании КИУ 4 не возникнет самовозбуждения усилителя, так как

известно, что для стандартного операционно- го усилителя со скоростью нарастания 1 В/мкс максимально возможная f0 12,2 кГц. Известно, что существуют фильтры, в которых самовозбуждение в принципе невозможно. Частота fо 1 кГц, выбранная для описания

работы устройства, практически не отличается от рабочих частот стандартных феррозондов. Например, для ИД-3 f0 800 Гц, а для ИД-6 f0 2 кГц.

Рассмотрим фазовые ошибки, вносимые переключателями 3 и 5, СП 14, УВХ 6 и 7, СТ 16 и ЛЗ 15. Время задержки ЛЗ 15, время срабатывания СТ 16 и переключателей 3 и 5 совершенно не влияют на процесс и точность измерений. Фазовую.ошибку в измерение амплитуд сигналов Ux и Uy на выходе КИУ 4 (только амплитуды, а не направления) вносит только СП 14. Во-первых, он вырабатывает импульс записи с некоторой задержкой после прихода на его вход положительного фронта 100-го импульса (эта задержка равна десяткам наносекунд), во-вторых, длительность этого импульса является временем выборки ТВыб УВХ 6 и 7. Если период выходного сигнала КИУ 4 Т0 1 мс, а ТВыб 100 мкс, то конденсатор УВХ практически заряжается до значения, равного амплитудному. За Т0 1 мс фаза сигнала изменяется от 0 до 360°. Следовательно, за ТВыб 10 мкс фаза сигнала изменяется на 3,6°. Конденсатор запоминает значение сигнала, пропорциональное sin 93,6° 0,998 или 99,8% от амп- лигудного. Но здесь надо учесть два обстоятельства. За два Тк (200 мс) амплитуда выходного сигнала КИУ 4 изменяется незначительно, так как измеритель не может столь быстро сменять свое положение в пространстве, следовательно, конденсатор УВХ заряжается не от нуля, а от значения, уже близкого к измеряемому. В этом случае Твыб можно еще уменьшить. Твыб одно и то же для двух УВХ 6 и 7, к Отклонения измеренных значений сигналов от амплитудных значений можно отнести к погрешности КИУ 4, которая Не влияет на точность измерения направления течения.

Приведенные временные характеристики (фиг. 2 и 3) поясняют работу измерителя, С выхода генератора 1 снимается сигнал

с фазой L2wt + TJ, который представляет

собой прямоугольные импульсы, подсчитываемые СП 14. По переднему фронту 100-го импульса СП 14 формирует импульс записи. ЛЗ 15 задерживает этот импульс на время гз 40 мкс. Это время задержки выбрано произвольно, С помощью импульса записи, задержанного ЛЗ 15, вход КИУ 4 переключается от одной сигнальной обмотки к другой. При этом в КИУ 4 возникает переходный процесс, длящийся примерно 100 мс. Стартовый импульс запускает СП 14. Через 100 мс СП 14 выдает импульс записи. По этому импульсу заря

жается УВХ 6, Через 100 мс 14 выдает второй импульс записи. По этому импульсу заряжается УВХ 7, На фиг. 3 видно, что

2я если период -ту сигналов, перемножаемых

с сигналами УВХ, соизмерим с периодом импульсов записи, то сигналы с установившейся амплитудой на выходах перемножителей, а также избирательного усилителя

0 появятся не сразу, а через время, большее периода следования импульсов записи. Поэтому СП 14 после выдачи 2-го импульса записи переходит в режим ожидания до прихода стартового импульса. ФСИ 13

5 формирует кроме стартового импульса еще один. Поскольку время установления сигналов на выходе усилителя 11 известно, то по прошествии этого времени дополнительный импульс с выхода ФСИ 13

0 разрешает ЦИФ 12 измерение разности фаз. Только после измерения разности фаз ФСИ 13 вырабатывает стартовый импульс. Дополнительные выход ФСИ 13 и вход ЦИФ 12 на фиг. 1 не показаны.

5 Введение двухфазного генератора прямоугольных сигналов и перемножителей позволяет упросить конструкцию и настройку. Построенные на микросхемах, они практически не требуют настройки.

0 Применение КИУ позволяет исключить процесс настройки двух идентичных избирательных усилителей.

Формула изобретения

5 Феррозондовый измеритель направления, содержащий генератор, выход возбуждающего сигнала которого подключен к феррозонду с двумя ортогональными сигнальными обмотками, связанному с после0 довательно соединенными избирательным усилителем, сумматором и цифровым измерителем фазы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет умень- шения алиясия ошибок фазовой девиации,

5 он снабжен последовательно соединенными формирователем стартовых импульсов, счетчиком периодов, линией задержки, счетным триггером, переключателем входов записи, первым блоком выборки и хранения

0 и первым перемножителем, связь феррозонда с избирательным усилителем осуществлена через введенный переключатель, управляемый вход которого подключен к выходу счетного триггера, связь избиратель5 ного усилителя с сумматором осуществлена через введенные последовательно включенные второй блок выборки и хранения и второй перемножитель, связь сумматора с цифровым измерителем фазы осуществлена через введенный фильтр, генератор выполнем с дополнительными выходами, из которых выход удвоенной частоты возбуждающего сигнала подключен к соответствующему входу счетчика периодов, первый выход опорного сигнала подключен к соответствующему входу первого перемножителя и к входу запуска цифрового измерителя фазы, второй выход опорного сигнала соединен с

ZtoJt

Выла генер.1 2u)

Вых.б еенер. 1 (К

Л/х. КИУ4

п п п п п

99-ыйЮО-ый 1-ый 2-ой 3-ий

п п г

1 п п

I

Начат переходного процессу в КИУ

Г/77 Ю /5

ttfftfi. записи 1ц IffftKc

I

L- ///что переключения

Тз « 40мкс

соответствующим входом второго перемножителя, а выход счетных импульсов подключен к счетному входу цифрового измерителя фазы, причем выход счетчика периодов связан с соответствующим входом переключателя входов записи, а выход избирательного усилителя - с соответствующим входом первого блока выборки и хранения.

Фиг.2

Фие.3