Устройство для измерения относительного изменения напряжения Советский патент 1992 года по МПК G01R19/165 

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в блоках измерения потерь в диэлькометри- ческих анализаторах.

Известно устройство для измерения от- носительного изменения напряжений, реализованное в дизлькометре, содержащее аналоговый блок вычисления отношения двух напряжений, запоминающее устройство и вычитатель.

Устройство работает следующим образом.

В запоминающем устройстве запоминается напряжение Do. Выход запоминающего устройства соединен с первым входом вычитателя, на второй вход которого подается напряжение Ux (Ux Uo). Разность (Do - Ux) напряжений с вычитателя поступает на первый вход блока вычисления отношения двух напряжений, на второй вход кото- рого поступает напряжение Ux. На выходе блока вычисления отношения двух напряжений в результате присутствует напряжеUo-Ux

ние, равное отношению -пи

их

пропорциональное измеряемой проводимости QX, эквивалентной диэлектрическим потерям в исследуемом образце вещества.

Напряжения U0 и Ux поступают на вход устройства периодически от одного источ- ника, поэтому необходимо запоминающее устройство, вход которого с источником связан через переключатель, синхронизированный с появлением напряжений Uo и Ох.

Основным недостатком данного устрой- ства является низкая точность. Источниками погрешности являются утечки в сопротивлении изоляции аналогового ЗУ и коммутирующего ключа. Низкая точность вообще присуща устройствам, использую- щим обработку информации в аналоговой форме.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения относительных приращений аналоговых сигналов, предназначенное для использования в автоматическом дизлькометрическом влагомере.

Устройство содержит АЦП, преобразующий уровень входного сигнала в число им- пульсов, два реверсивных счетчика, счетчик, два ключа, элемент задержки, блок управления и блок цифровой регистрации. Устройство позволяет автоматически определять относительное «вменение убывающего сиг- мала к его исходному уровню.

Выход АЦП через первый ключ связан с входом прямого счета первого двоично-десятичного счетчика, выход переноса (переполнения) которого - с входами прямого счета второго реверсивного счетчика и счетчика, информационные выходы которого соединены с входами Установка второго реверсивного счета, выход переноса которого - через элемент задержки с входами обратного счета первого двоично-десятичного реверсивного счетчика и предварительной записи второго реверсивного счетчика, вход обратного счета которого через второй ключ соединен с выходом АЦП, причем выходы блока управления соединены с управляющими входами ключей, входами Сброс счетчика и второго реверсивного счетчика и входом Сброс первого реверсивного счетчика; информационные выходы которого соединены с входами блока цифровой регистрации.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно установив счетчики в ноль, устройство управления открывает ключ, при этом импульсы АЦП поступает на вход прямого счета первого двоично-десятичного реверсивного счетчика, выполняющего роль делителя частоты с числом десятичных разрядов к. 1/1мпульсы переполнения первого реверсивного счетчика поступают на вход счетчика и. вход прямого счета второго реверсивного счетчика.

Число разрядов счетчиков определяется требуемой точностью измерения. Например, если погрешность вычисления должна быть не выше 1%, то первый двоично-десятичный реверсивный счетчик должен иметь не менее двух десятичных разрядов (k -2), а емкость второго реверсивного и нереверсивного счетчиков должна позволять записывать соответствующее первому преобразуемому напряжению число

М Е () 100,

где Во - число импульсов, прошедшее через первый ключ;

R

Ј - целая часть отношения -т.

Время аналого-цифрового преобразователя входного сигнала, т.е. время, на которое открываются ключи, выбирается таким, чтобы второй реверсивный счетчик был максимально заполнен, но в то же время не переполнялся.

Затем блок управления, предварительно установив в нуль первый реверсивный счетчик, что соответствует записи в него числа 10k (100 при k 2), открывает второй ключ, через который импульсы АЦП, соответствующие меньшему из преобразуемых напряжений, поступают на вход обратного

счета второго реверсивного счетчика и вычитаются из его содержимого. При установлении в нуль второго реверсивного счетчика на его выходе появляется сигнал, подается на вход обратного счета первого реверсивного счетчика и на вход предварительной записи второго реверсивного счетчика. В результате осуществляется параллельная перезапись содержимого нереверсивного счетчика во второй реверсивный счетчик.

Таким образом, во второй части измерений второй реверсивный счетчик по отношению к первому реверсивному счетчику выполняет роль делителя частот с коэффициентом деления N. Общее число импульсов переполнения, получаемых при обратном счете второго реверсивного счетчика, равно

Ri-E (§)

где Bi - число импульсов, прошедшее через второй ключ, соответствующее числовому эквиваленту второго напряжения U(ti);

сВ|

Е - целая часть числа -гг .

Поэтому после окончания цикла измерения содержимое счетчика окажется равным

gi 100k-Ri.

что при к 2 с точностью до 1 % соответствует истинному значению относительного приращения сигнала на входе АЦП, определяемому по формуле

q.-Ц(toУ-и ft) . iop

9U (to)

где U(t) - исследуемый сигнал;

to ti - моменты времени, относительно которых осуществляется оценка величины изменения сигнала.

Результат измерения отображается с помощью блока цифровой регистрации.

Недостатки известного устройства для измерения относительного изменения аналогового сигнала состоят в его сложности (необходимо использовать два реверсивных счетчика), в невозможности его использования в резонансных измерителях диэлектрических параметров и измерителя полной проводимости, в которых необходимо измерять относительное изменение напряжения на LC-контуре после введения в емкостной датчик-ячейку, включенную в резонансный контур, исследуемого вещества. В этом случае вычисления должны осуществляться по формуле

Uo-Ux m

.9k,

где QX - постоянная,

UD - напряжение на контуре до введения исследуемого вещества;

Ux - напряжение на контуре после введения в ячейку вещества (Ux Uo, т.е. необходимо вычислять отношение абсолютного изменения напряжения к меньшему из 5 напряжений).

Цель изобретения - упрощение устройства для измерения относительного измене- ния напряжений при одновременном обеспечении возможности его использова0 ния в качестве цифрового блока измерения диэлектрических потерь в резонансных ди- элькометрах и расширение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что

5 устройство, содержащее преобразователь напряжения в частоту, два ключа, реверсивный счетчик, вход прямого счета которого через первый ключ соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, второй

0 счетчик, блок цифровой регистрации, элемент задержки и блок управления, первые два выхода которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, дополнительно введены две схемы ИЛИ, D5 триггер и включенный между третьим тактовым выходом блока управления и счетным входом второго счетчика третий ключ, управляющий вход которого и первый вход первой схемы ИЛИ соединены с выходом

0 D-триггера, вход синхронизации которого и второй вход первой схемы ИЛИ - с вторым выходом, блока управления, четвертый выход которого соединен с входами установки в ноль счетчиков и первым входом второй

5 схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом обратного переноса первого реверсивного счетчика, вход обратного счета которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту через второй

0 ключ, управляющий вход которого соединён с выходом первой схемы ИЛИ, а выход второй схемы ИЛИ - с входом сброса D-тригге- ра, выход которого через элемент задержки соединен с входом Запись блока цифро5 вой индикации, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами второго счетчика.

Блок управления устройства выполнен в виде двух М-входовых схем И, формирова0 теля импульса сброса, вход которого соединен с выходом первой схемы И, и последовательно включенных генератора тактовых импульсов и М Т-триггеров, причем первым выходом блока управления яв5 ляется выход первой схемы И, входы которой соединены с прямыми выходами первых М-1 Т-триггеров и инверсным выходом последнего Т-триггера, прямой выход которого соединён с входом второй схемы И, остальные входы которой соединены с

инверсными выходами остальных Т-тригге- ров, выход второй схемы И является вторым выходом блока управления, третьим выходом которого является дополнительный выход генератора тактовых импульсов, а число М Т-триггеров определяется по формуле

M . .ихмин

где - целая часть числа х;

Uo - значение максимального напряжения на входе устройства, относительно которого измеряются изменения напряжения;

Ux мин значение минимального напряжения на входе устройства.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для измерения относительного изменения напряжений; на фиг. 2 -принципиальная схема блока управления; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства: а - на выходе тактового генератора; в-е - на прямых выходах Т-триггеров; f - на первом выходе блока управления-сигнал, Открывающий вход прямого счета реверсивного счетчика; д- на втором выходе блока управления; h - на выходе D-триггера - на управляющем входе второго ключа; I - на управляющем входе первого ключа, открывающем вход обратного счета РС2.

Устройство содержит преобразователь 1 входного напряжения в частоту (ПНЧ), реверсивный счетчик, счетчик 3, ключи 4-6, D-триггер 7, схемы ИЛИ 8-9, блок 10 управления, блок 11 цифровой регистрации и элемент 12 задержки.

Входы прямого и обратного счета реверсивного счетчика 2 с выходом ННЧ-1 соединены соответственно через ключи 4 и 5, управляющие входы которых соответственно соединены с первым выходом блока 10 управления и выходом схемы ИЛИ 8.

Выход обратного переноса реверсивного счетчика 2 через схему ИЛИ 9 соединен с входом сброса D-триггера 7, вход синхронизации которого и первый вход счеты ИЛИ 8 соединены с вторым выходом блока 10 управления, третий тактовый выход которого через ключ 6 соединен со счетным входом счетчика 3. Четвертый выход блока 10 управления соединен с входами установки в ноль счетчиков и вторым входом схемы ИЛИ 9. Выход D-триггера 7 соединен с управляющим входом ключа 6, вторым входом схемы ИЛИ 8 и через элемент 12 задержки с входом Запись блока 11 цифровой регистрации, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика 3.

Блок 10 управления содержит две четы- рехвходовых схемы И 13 и 14, формирователь 15 импульсов сброса, вход которого соединен с выходом схемы И 13, и последовательно включенные генератор 16 тактовых импульсов и Т-триггеры 17-20. Первым выходом блока управления является выход схемы И 13, входы которой соединены с прямыми выходами Т-триггеров 17-19 и инверсным выходом Т-триггера 20, прямой выход которого соединен с входом схемы И 14, остальные входы которой соединены с инверсными выходами Т-триггеров 17-19. Вторым выходом блока управления является выход схемы И 14, третьим выходом -дополнительный выход генератора 16 тактовых импульсов, четвертым - выход формирователя 15 импульсов сброса.

В момент времени ti блок 15 по положительному перепаду напряжения, поступающего на его вход с выхода схемы И 13, формирует на выходе короткий (около 75 не) импульс, который с выхода 3 блока 10 поступает на входы Очистка счетчиков 2 и 3 и

через схему ИЛИ 9 на вход сброса D-триггера 7.

Одновременно высоким уровнем напряжения с выхода И 13 (выход 1 блока 10 управления), поступающим на управляющий

вход ключа 4, открывается вход прямого счета реверсивного счетчика 2.

В течение промежутка времени от ti до ta реверсивный счетчик 2 заполняется с входа прямого счета импульсами, частота котоРЫХ пропорциональна опорному напряжению Uo.

Длительность определяется временем нахождения в единичном состоянии триггера Т 17.

В момент времени t2 к входу преобразователя 1 напряжение-частота подключается источник напряжения (Ux Uo). Одновременно выход блока 1 переключается с входа прямого счета на вход обратного счета реверсивного счетчика 2. Выход блока 1 соединяется с входом обратного счета реверсивного счетчика 2 ключом 5, на управляющий вход которого через схему ИЛИ 8 с момента времени t2 no ta поступает высокий

уровень напряжения с выхода 2 блока 10 управления (выход схемы И 14).

В момент времени 1з задним фронтом напряжения с выхода схемы И 14 D-триггер 7 устанавливается в единичное состояние и

высокий уровень напряжения с его выхода, поступая через схему ИЛИ 8 на ключ И 5, оставляет открытым вход обратного счета реверсивного счетчика 2 и, поступая на управляющий вход ключа Кб, разрешает про

хождение импульсов с тактового генератора 16 в счетчик 3.

Таким образом на отрезке временй от ti до t2 реверсивный счётчик 2 заполняется с входа прямого счета импульсами, частота следования которых пропорциональна Uo, a с момента t2 - с входа обратного счета импульсами, частота следования которых пропорциональна Ux(Ux U0).

Поэтому, так как t2 - ti ° ta -12, к моменту времени ts в счетчике 2 останется записанным число импульсов, пропорциональное разности напряжений U0 - Ux. С этого момента времени (гз) начинает заполняться счетчик 3 импульсами с генератора 16 тактовых импульсов. Заполнение счетчика 3 продолжается до тех пор/пока содержимое реверсивного счетчика 2 не пройдет через ноль, при этом на выходе реверсивного счетчика 2 появляется импульс обратного переноса, поступающий через схему ИЛИ 9 на вход Сброс D-триггер 7, и низкий уровень напряжения на его выходе отключает вход счетчика 3 от выхода генератора тактовых импульсов.

Очевидно, время () заполнения счетчика 3 прямо пропорционально разности напряжений () числу импульсов, оставшихся в реверсивном счетчике 2 к моменту времени ta, и обратно пропорционально напряжению Ux (обратно пропорционально частоте следования импульсов, поступающих на вход обратного счета реверсивного счетчика 2, т.е.

„. Uo-Ux м

9k-DT N9 где коэффициент пропорциональности;

Ng -число импульсов, зафиксированное счетчиком 3 к моменту времени t4.

Определим, каким образом коэффици- ент пропорциональности связан с параметрами устройства.

Можно записать f0 SU0;(1)

fx SUx,(2)

где U0 и Ux - напряжения на входе блока ПНЧ Т;

fo и fx - соответствующие им частоты на выходе ПНЧ 1;

S - крутизна преобразования ПНЧ 1.

Число импульсов, прошедшее в ревер- сивный счетчик 2 с входа прямого счета, равно

N& f0(t2-ti),(3)

с входа обратного счета за отрезок

Nx fx(t3-t2).(4)

С учетом (1) и (2) и (3) и (4) можно определить число импульсов, оставшееся в счетчике 2 к моменту гз

N0-Nx S(U0-UxXt2-ti).(5)

Время () заполнения счетчика 3 определяется из

t4- ta

NQ-NX s(Uo-ux)(t2-ti)

su

(t2-tl).

(6)

А число Ng импульсов, прошедшее счетчик 2, равно

No

Uo - Ux 07

(t2-ti)frm.

(7)

5

0

0

5

0

5

0

5

0

где тгти - частота с выхода 3 тактового генератора 16, т.е.

Qk (t2 - ti) frm(8)

Очевидно, коэффициент пропорциональности дя равен отношению частот на выходе 3 генератора 16 тактовых импульсов и на входе Т-триггера 7. Это отношение частот можно выбрать таким образом, чтобы получать результат измерения непосредственно в значениях измеряемой проводимости.

Диапазон измерения относительного изменения напряжений ограничивается до- 5 пустимым временем (tn - ta} заполнения счетчика 3, которое зависит от количества включенных последовательно Т-триггеров. Для приведенного примера реализации устройства

(t4-t3H2(M-1)-1)(t2.-ti); . (9)

t4-t3

7.

С учетом (9) из (6) имеем

UQ UXMHH U - t3

2(M-D. -i. (10)

UXMHHt2 tl

Откуда находим число Т-триггеров, обеспечивающее требуемый диапазон измерений

0(м-1) Uo - Ux , , U0

Ux

M-1

+1

Uc

.

(11)

(12)

ХМИН

где Ux мин - значение минимального напряжения на входе устройства;

- целая часть числа X.

Предлагаемое устройство позволяет измерять относительное изменение убывающих напряжений, является более простым по сравнению с известным и обеспечивает более высокую точность измерения диэлектрических потерь в резонансных диэлько- метрических анализаторах, например в резонансных измерителях диэлектрической проницаемости типа ТАНГЕНС-2М и Ш2-5, основанных на методе прямого замещения. Принцип действия диэлькометров состоит в том, что к измерительному LC-контуру ди- элькометра поочередно подключаются заполненная исследуемым веществом

емкостная ячейка-датчик или градуированный конденсатор. При подключенной ячейке LC-контур настраивается в резонанс постоянно включенным в него конденсатором переменной емкости, а при подключении к LC-контуру вместо ячейки градуированного конденсатора изменением емкости этого конденсатора. После настройки диэлектрическую проницаемость вещества определяют по шкале градуированного конденсатора, а проводимость дх, эквивалентную диэлектрическим потерям в веществе - по относительному изменению напряжения на LC-контуре. Известно

- Л.

где Uo - напряжение на настроенном в резонанс контуре при незаполненной ячейке;

Ux - напряжение на настроенном в резонанс контуре после введения в ячейку исследуемого вещества;

gk - постоянная - собственная проводимость нагруженного контура, эквивалентная потерям в его элементах.

Из-за наличия активных потерь в веществе Ux Uo.

Был изготовлен макет предлагаемого устройства и испытан в диэлькометриче- ском анализаторе с положительными результатами.

Формула изобретен.ия 1. Устройство для измерения относительного изменения напряжения, содержащее преобразователь напряжение-частота, два ключа, реверсивный счетчик, счетчик, блок цифровой регистрации, элемент задержки, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, вход прямого счета реверсивного счетчика соединен с выходом первого ключа, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, о т л ичающеес я тем, что, с целью расширения диапазона измерений, дополнительно введены два логических элемента ИЛИ, Отригсер, третий ключ, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход третьего ключа соединен со счетным входом счетчика, вход сброса которого соединен с четвертым выходом блока управления, входом сброса реверсивного счетчика и первым входом второго элемента ИЛИ, вход преобразователя напряжение-частота является входом устройства, выход которого соединен с входом второго ключа, выход которого соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика, выход обратного переноса которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого

соединен с входом сброса D-триггера, вход записи которого соединен с вторым выходом блока управления и первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом D-триггера, управляющим входом третьего ключа и входом элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом блока цифровой регистрации, первый вход которого соединен с выходом счетчика, выход первого элемента ИЛИ

соединен с управляющим входом второго ключа.

2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что блок управления содержит два М-входовых элемента И, формирователь импульса сброса, генератор импульсов, первый вход которого соединен с входом последовательно соединенных М Т-тригге- ров, причем первым выходом блока управления является выход первого элемента И,

входы которого соединены с прямыми выходами первых М-1 Т-триггеров и инверсным выходом последнего Т-триггера. прямой выход которого соединен с сходом второго элемента И, остальные входы которого соединены с инверсными выходами остальных Т-триггеров, выход второго элемента И является вторым выходом блока управления, третьим выходом которого является второй выход генератора тактовых импульсов сбро- /

са соединен с выходом первого элемента И, а число М Т-триггеров определяется по формуле

Uc

,

4сМ тт- .

3ихмин

где - целая часть числа X;

Uo - значение максимального напряжения на входе устройства, относительно которого измеряется изменение напряжения; SO Ux мин - значение минимального напряжения на входе устройства.

- -о- .

Г/.

/ S6 g

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерителях диэлектрических характеристик. Цель изобретения - расширение диапазона измерений, которая достигается применением двух логических элементов ИЛИ 8, 9, D-триггера 7, ключа 6 за счет выбора числа разрядов счетчиков с учетом требуемой точности и количества Т-тригге- ров с учетом диапазона измеряемого напряжения. Устройство содержит также преобразователь 1 напряжение - частота, два ключа 4,5, реверсивный счетчик 2, счетчик 3, блок 11 цифровой регистрации, элемент 12 задержки, блок 10 управления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

-гч

.

(Ж

Г-/Г

j