Измерительный преобразователь Советский патент 1993 года по МПК G01R27/02 

00

о о со

00

00

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в различных измерительных системах с амплитудными датчиками.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор 1, первый формирователь 2 синусоидального сигнала, причем выход опорного генератора также соединен с первым входом ключа 3 и входом счетчика 4. Выход первого формирователя 2 синусоидального сигнала подключен к входу первого амплитудного датчика 5, а также к опорному каналу фазометра 6, измерительный вход которого подключен к выходу сумматора 7. Первый вход последнего соединен с выходом первого амплитудного датчика 5, а второй вход подключен к выходу второго амплитудного датчика 8, подключенного входом к выходу второго формирователя 21 синусоидального сигнала, вход которого соединен с выходом ключа 3. Управляющий вход последнего подключен к выходу триггера 9, вход которого соединен с выходом дешифратора 10, дешифрирующего выходной код счетчика 4.

Формирователи синусоидального сигнала представляют собой последовательное соединение счетчика Джонсона 11 и ЦАП 12, осуществляющего взвешенное суммирование выходного кода счетчика, что по- зволяет получить п-уровневую аппроксимацию синусоидального сигнала с частотой Fc Fo(2n), где п - количество разрядов счетчика Джонсона;

For частота сигнала опорного генератора.

Таким образом, на выходе первого формирователя 2 синусоидального сигнала имеет место сигнал U0 с частотой Fc и начальной фазой р0 ;

Do Sin (2 л Fct+ (р0)

ной сигнал последнего открывает ключ 3, разрешая прохождение последующих импульсов, начиная с (N+1)-ro с выхода опорного генератора 1 на вход второго

формирователя 2 синусоидального сигнала. Следовательно, на выходе последнего формируется сигнал Ui с частотой Fc, запаздывающий относительно сигнала на выходе первого формирователя синусоидального

сигнала на время ts.

С учетом вышесказанного колебание на выходе второго формирователя 2 синусоидального сигнала имеет вид

Ui Sin(2 n Fct+ р0(2л FcN)/For) (2)

Сигнал Uo с выхода первого формирователя 2 синусоидального сигнала поступает на вход амплитудного датчика 5, а с выхода

последнего на первый вход сумматора 7. Сигнал Ui с выхода второго формирователя 2 синусоидального сигнала поступает на вход амплитудного датчика 8, а с выхода последнего на второй вход сумматора 7.

Таким образом, на входах сумматора 7 присутствуют два колебания:

U2 KiSin(2 ttFct+ p0)

(3)

30 U3 K2Sin(2 Я Fct+. ро-(2 FcN/For ) (4)

где Ki, K2 - коэффициенты передачи амплитудных датчиков 5 и 8 соответственно. Из векторной диаграммы путем несложных математических операций над векторами можно получить, что начальная фаза сигнала, поступающего на измерительный вход фазометра 6 с выхода сумматора 7, равна

ipe ро+ arctg(KaSin( Д )/(Ki + K2Cos ( Ар,(5)

где Д -2;лг FcN/For.

Поскольку на вход опорного канала фазометра 6 поступает сигнал с начальной фазой р0 , то показания последнего составят

Использование: в контрольно-измерительной технике в различных измерительных системах с амплитудными датчиками. Сущность изобретения: в измерительный преобразователь, содержащий опорный генератор 1, фазометр 6, два амплитудных датчика 5,8, сумматор 7, выход которого подключен к информационному каналу фазометра 6, с целью повышения точности измерений введены два формирователя 2 синусоидального сигнала, счетчик 4, дешифратор 10, триггер 9 и ключ 3. Причем выход опорного генератора 1 соединен с входом счетчика 4 и входом первого формирователя 2 синусоидального сигнала, а выход последнего подключен к входу первого амплитудного датчика 5, а также к опорному входу фазометра 6, кроме того, выход опорного генератора 1 через ключ 3 соединен с входом второго формирователя 21 синусоидального сигнала, выход которого подключен к входу второго амплитудного датчика 8. Выход последнего подключен к первому входу сумматора 7, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного датчика 5, а выходы счетчика 7 соединены с входами дешифратора 10, выход которого подключен к входу триггера 9, кроме того, выход последнего соединен с входом ключа 3. 1 табл., 1 ил. ел С

Кроме того, импульсы с выхода опорного генератора 1 поступают на вход счетчика 4, а с его выходов на входы дешифратора 10. Пусть необходимо задержать сигнал на выходе формирователя 21 синусоидального сигнала на время ta NT0r, где Т0г 1 /For. Тогда вход S триггера 9 необходимо подключить к выводу N дешифратора. После прихода N импульсов уровень логической 1 с выхода дешифратора 10 переводит триггер 9 в единичное состояние (исходное состояние которого было нулевым), и выход50

б (р р0 - РЈ -arctg (K2 Sin ( Д )/(Ki + + K2Cos( AЈ))).(6)

В динамическом режиме измеряемое воздействие вызывает изменение коэффициентов передачи амплитудных датчиков 5 и 8. Колебания Do и 1Н формируются так же, как и при отсутствии информационного воздействия. Пусть коэффициент передачи амплитудных датчиков 5 и 8 при наличии воздействия соответственно K I, . Тогда

сигналы, поступающие на входы сумматора личины фазового раскрыва следует исполь- 7, можно записать в видезовать вероятностный анализ.

,Запишем выражение для среднего зна- u 2 KiSin(2 л Fct + р0 ); чения и дисперсии величины

5 и з К251п(2 я Fct+ ро 2 Л FcN/For),M Ар М М а (11)

тогда начальная фаза сигнала, поступа-D Ар D Ау а2 + D а ющего с выхода сумматора на измеритель- (12) ный вход фазометра 6, равна Ю

В устройстве-прототипе номинальное

рЈ ро+ arktg (К2 Sin ( Ь.ф )/Ki + Кг Cos значение фазового раскрыва Ау п опреде- ( Ду)).(7) ляется разностью фазовых сдвигов р фзт и

р ф32, приобретаемых сигналом при про- а показания фазометра 6 15 хождении через первое и второе фазовые

звенья соответственно. dtp -arctg (« 2 Sin ( )/(K i + CosДля фазового звена первого порядка

( Др))),(8) , х

р ф31 -2arctg( )(13)

Из последнего выражения следует, что 20

разность фаз колебаний, поступающих ф32 -2arctg ( а)Т2 ) (14) входы фазометра б, а следовательно, и его

показания зависят от коэффициентов пере- где т 1,2 - постоянные времени первого и дачи амплитудных датчиков, т.е. и от изме- второго фазовых звеньев соответственно, ряемого воздействия.25 С учетом вышесказанного,

Проведем сравнительный анализ предлагаемого устройства и устройства-прото-Д ф31 - ф32 2arctg ( ШТ2 )- 2arctg типа. Как в первом, так и во втором случае (), стабильность характеристики преобразования определяется стабильностью фазово- 30 го раскрыва, под которым понимают

величину фазового сдвига между сигнала- n Ri(1 + а м AT)Ci(1 + а С1 А Т) ; (16) ми, поступающими на входы амплитудных

датчиков или входы тензорезисторных мое-ra R2(1 + ал AT) С2(1 + а С1 А Т) (17) тов в заявляемом устройстве и устройстве- 35 прототипе. для нахождения температурного коэфВ первом приближении отклонение ве- фициента фазы продифференцируем выра- личины фазового раскрыва под воздействи- жение (15) с учетом уравнений (16) и (17): ем температуры окружающей среды

гы8гСг(йг2«|(,с11 aaR.Cttet.n-tctc.l UT-JO MuRzCif UtuR.c.)1

является функцией по крайней мере трех Qd(l4n переменных величин:

А(АТ) а ДТ,(9) тогда

где а -температурный коэффициент фазы; 5 j Гг M&tcj) гим.лшл(м&„- „-}} А - номинальное значение фазы;ылл гадмчс (4Ыгмг «,1мчсл AT - отклонение температуры от исходной, при которой производилась градуи- При этом дисперсию величины а п ровка. можно представить как Перепишем выражение (9) в виде ьи

(Ло( А / А-ПЛ I Л Т ,-лЧ KkK

А(АТ) (10) ,. ,„ г „ ;

(357tl1 K 4l35rlr( где Ау a - отклонение фазы при изменении температуры на один градус. где

В условиях массового производства ра- йвс.-ааУМлл 0иС диоаппаратуры А является случайной ( jRf(,--( величиной и, следовательно, для оценки ве- .

jet. gQR.-SaVfR j 2Q(,2.eoYlR| dc, (uu -u c (,) dc,, ) )-,

гы8гСг(йг2«|(,с11 aaR.Cttet.n-tctc.l UT-JO MuRzCif UtuR.c.)1

Q.CoR,C.

AtLn dotp 2оэЙ4Са

Uco R c J

UcoftRtcl

doln .

clo6C2.

202Л2

Перепишем выражение (20) в виде

4 Д3| IT

DC, г DCj If

В Л й рш йп Оип- Г + вегп +

Drtr, « TMn

Doic,

Л«Јс,

е

2uR1C,-2u1cX

(ttr totci1

гы8гсг-гц1с1«1/.. ,., v. в« -1П5мад 1Лр4 cab acoR.c.,

Scin - .г

ClvuzR C)

();

Ocan

гьз1 гС4-аиъс1я1

:S (uo«Rlc|)1 itali. ltaaRlc 2iaRiCtrira

гг

toRiC ci UcalR«c

2oR,Ј,c4c4 (a«(llcl

(в(.гг оЈсг1;

Q«(rir0, Q,

где TI , T2 определяются выражениями, аналогичными соотношениям (16), (17).

Продифференцировав выражение (22), получим.

jJjUb dlT

. («га4(Це ы8,с,(сбп,с,1 14(ы84ег 1(ы8,е,)г

10

Тогда

() ,1 .1 (M(tr.l t WCupjl)

ии М4ВДА с4

,lMltc,i

При этом дисперсию величины можно представить как

-м-ййм(ё)йьс,нйк

-1Э- ЧЭЧё;Ь

a

5

0

5

где

Ж, JE:,

dRj1

Jedi J1KH

ЖГ

Jd d«pi

j«H

J«(r4

d.6H

d«cl

jatj, dtfc,

(QC.-cj3C R ()1 lct- 4tic,)i MCjt-u clRl ()1 (-«)j

(oR.

(ТТпчТсТу5 1Лм+0 1

(| ш Щс1)г 1 г coRiC,

пыЧТсТ с coRtC С|+шгй1с1 ojR.c.

ыйгсг

«t«)j

л uaRlc|

ыИгСг сг

Для анализа примем, что в обоих устройствах используются резисторы и конденсаторы с 1%-ным разбросом номинального значения и 100%-ным разбросом температурного коэффициента, т.е.

DRii DR2 ЈCi DC2 10-/i . Р R3 d Cg

D Ctrl D Or2 D Oc1 D Qc2 Or1C& 0§2

номинальное значение фазового рас- крыва составляет 135°, а номинальные значения температурных коэффициентов -ari «r2 - 120 1/град, a d a С2 33 1/град.

Тогда согласно выражению (15) для устройства-прототипа

2arctg( а)Т2 ) -arctg( wri ) (27)

Учитывая, что постоянные времени т± и т 2 связаны соотношением

а 1/( r-i r2), перепишем выражение (27) в виде

2arctg( штг )-2arctg(1/ ШТ2 )) (28)

или

arctg( 0)Т2 -1/ ШГ2 ))/2 Дрп /2 (29)

Введя постановку Х 0)Т2 , представим выражение (29) в виде

Х2-1 -2tg( Др /2) О

Решение уравнения (30) имеет вид X tg( Apr, /2)+1/Cos( Дрп /2) или с учетом постановки

Sln() + 1 штг Cos(Apn/2)

Тогда

(affiffSff, «)

0

В предлагаемом устройстве согласно выражению (22)

2 #FcN/For+ arctg( шгч ) - arctg ( coTi ) (33)

При Fc/For 16, что соответствует использованию в формирователях синусоидального сигнала восьми разрядного счетчика Джонсона, N 6 Д# 135° соотношение (33) имеет вид

arctg( ШТ2 )-arctg ( wri ) 0 (34)

Следовательно, шт- Для определенности выберем

Г1 Г2 .1/(3 О) ).

(35)

рас- ноных

уст27)

т±

же(28)

29)

вим

20

25

30

35

30)

или

31

40

45

)

50

55

Результаты расчета по формулам (21), (31), (32) для прототипа и (26), (35) для предлагаемого устройства сведены в таблицу

Таким образом, из проведенного анализа следует, что использование предложенного устройства позволяет улучшить стабильность фазового раскрыва в 1,653 раза, и следовательно, повысить точность измерения физической величины.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь, содержащий опорный генератор, фазометр, два амплитудных датчика, сумматор, выход которого подключен к информационному каналу фазометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два формирователя си- нусоидального сигнала, счетчик, дешифратор, триггер и ключ, причем выход опорного генератора соединен с входом счетчика и входом первого формирователя синусоидального сигнала, а выход последнего подключен к входу первого амплитудного датчика, а также к опорному входу фазометра, кроме того, выход опорного генератора через ключ соединен с входом второго формирователя синусоидального сигнала, выход которого подключен к входу второго амплитудного датчика, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного датчика, а выходы счетчика соединены с входами дешифратора, выход которого подключен к входу триггера, выход последнего соединен с входом ключа.