Переносное устройство передачи единицы угла фазового сдвига Советский патент 1993 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике, в частности к средствам передачи размера единицы угла фазового сдвига (ЕУФС) от мер высшего разряда к мерам низшего разряда, аттестации и поверке высокоточных фазозадающих и фазо- измерительных устройств.

Целью изобретения является повышение точности измерения и задания УФС за целое число периодов, определяемое стандартным временным интервалом.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого переносного устройства передачи ЕУФС, где приняты следующие обозначения: 1 - формирователь сигналов; 2 - формирователь сигналов; 3 - источник напряжения смещения; 4 - блок предварительной обработки; 5 - коммутатор; 6- регистр управления;7-делительс переменным коэффициентом деления (ДПКД); 8 - цифроана- логовый преобразователь; 9 - фильтр

низкой частоты; 10 - аттенюатор; 11 - преобразователь сдвига фаз в интервалы времени; 12-блок кодирования; 13-генератор импульсов; 14 - время задающий блок; 15 - микро-ЭВМ.

Переносное устройство передачи ЕУФС содержит запараллеленные по каждому входу формирователи сигналов 1, 2, источник напряжения смещения 3, блок предварительной обработки 4, коммутатор 5, и последовательно соединенные регистр управления 6, делитель переменного коэффициента деления 7, цифроаналоговый преобразователь 8, фильтр низкой частоты 9, аттенюатор 10, выходы коммутаторов 5 и блоков предварительной обработки 4 соединены, соответственно, с входами преобразователя сдвига фаз в интервалы времени 11 и входами блока кодирования 12, связанного с генератором импульсов 13 времяза- дающим блоком 14 и микроЭВМ 15.

СО

с

Устройство работает следующим образом. В зависимости от передачи ЕУФС образцовому средству измерения (ОСИ) мере или измерителю угла фазового сдвига (УФС) аттестуемый прибор подключается соответ- ственно, к клеммам А, В или С, Д. В случае передачи ЕУФС мере на вход А поступает опорный сигнал с частотой F, на вход В измерительный сигнал с частотой F и фазовым сдвигом (р. Дополнительно, формиро- ватель входного сигнала 2 соединен с источником напряжения смещения 3 относительно входа формирователя сигнала (ФС) 1. Сдвиг потенциалов между входами компараторов этих ФС превышает макси- мальное напряжение шумов, действующих на входах на входах ФС. Это приводит к тому, что флуктуации фронтов импульсов на выходах коммутаторов не перекрываются во времени и соответствующие им импуль- сы привязки формируются для блока кодирования БК 12 дополнительно к информации с преобразователя сдвига фаз в интервалы времени 11. Интервал коррекции, необходимый для компенсации фазо- вой погрешности из-за используемого способа формирования входного сигнала определяется в блоке предварительной обработки 4. Одновременно сигналы с генератора импульсов 13 поступают на ДПКД 7 и в зависимости от заданного кода микро-ЭВМ 15 через регистр управляющего слова 6 устанавливается режим работы внутреннего калибратора фазы устройства - его рабочая частота и угол фазового сдвига. Далее сиг- налы ступенчатой формы поступают через цифроаналоговый преобразователь 8 (ЦАП) на фильтр низкой частоты 9 (ФНЧ) настраиваемый одинаковым для обоих каналов кодом от микроЭВМ 15 и в зависимости от требуемой амплитуды устанавливается от микроЭВМ 15 коэффициент деления аттенюатора 10.

В первом такте измерения, определяемым микроЭВМ 15, через коммутатор5 про- ходит импульсный спорный сигнал и поступает на вход преобразователя сдвига фаз в интервал времени 11 (ПФВ). Во 2-ом такте через коммутатор 5 на вход ПФВ 11 поступает импульсный сигнал с делителя частоты 7, имеющего переменный коэффициент деления (ДПКД), режим которого от микроЭВМ 15 задан через регистр управления (РУ). Затем сигнал калибратора фазы устройства поступает на суммирующий ЦАП 8 и далее через ФНЧ 9 и аттенюатор 10 на выходе прибора С, аналогично и для выхода Д. С помощью ПФВ 11 формируются эквивалентные временные интервалы, которые затем в блоке кодирования 13 заполняются

счетными импульсами частот от генератора импульсов 13. Времязадающий блок 14 формирует время измерения, равное целому числу периодов сигнала и определяемое из условия т.Изм 1изм0/ТхТ+ +Д , где Т - период сигнала, тизм0 базовое время измерения, Тизм0/Т - целая часть отношения тИзм0/Т. На частотах свыше F 1/tn3M0 время измерения в диапазоне частот изменяется в пределах Тизмо изм измо+ДТ, а в области частот .изм0 оно определяется периодом сигнала. Из-за этого исключается погрешность за счет некратности времени измерения и периода сигнала, свойственная измерителям с постоянным временем измерения. За время измерения в блоке кодирования 12

п 1 формируются коды №,( 2 tyii)/to и код

I ™ I

для интервалов времени с блока предварип 1

тельной обработки AN( Д1ЕСм)Л0, а

i 1

во время задающем блоке 14 формируется

п 1

код NT( 2 Tii)/t0. Эти коды вводятся в

- 1

микроЭВМ 15, выполняющая в вычислительном процессе суммирование и деление кодов (Ny+ AN)/NT и их умножение на масштабный множитель 360. Результаты вычислений соответствуют заданному калибратором фазы и измеряемому сдвигу фаз B360°(Ny+AN)/NT.

Введение новых преобразователей и связей в предлагаемое устройство обуславливает возможность как измерения угла фазового сдвига, так и его формирование, что позволяет передавать ЕУФС не только мере, но и измерителю, а также вести потак- тный контроль за цифровым фазовращателем калибратора, необходимый ввиду характерных для него сбоев, проводить самокалибровки устройства, увеличивая точность передачи ЕУФС в случае работы в условиях сильных электромагнитных полей, сложных климатических условиях.

Оценим степень повышения точности предлагаемого переносного устройства передачи ЕУФС:

1) значительное изменение климатических условий, электромагнитных полей за время аттестации средств измерений УФС требует для сохранения высокой точности уменьшения дополнительных погрешностей устройства.

Например, в устройстве прототипе температурный коэффициент кварцевого генератора 10 и при изменении температуры

на 30°. В полевых условиях за рабочий день t0 4-35° (на частотах долей герца аттестация проводится в течение 8 ч) относительное смещение частоты квантования равно 3010 , в то время как допустимо лишь , т.е. точность измерения интервала времени эквивалентного уменьшится в 15 раз. Следовательно, за столь длительное время наблюдения в этих условиях необходимо проведение самокалибровки прибора.

2) двухуровневое формирование позволяет устранить составляющую погрешности, обусловленную влиянием шумов сгш. Даже при оптимальном квантовании, обеспечивающем максимальную разрешающую способность фазометра при времени измерения с и мкВ ,004°, т.е. устранение этой составляющей погрешности увеличивает точность прибора в 1,5 раза.

а V о - & V (0.005)2 - (0,004)2 0,003 при относительно невысоком уровне шумов. В условиях эксплуатации 1)ш достигает величин на несколько порядков больших и, следовательно, ошустраняемая в предполагаемом устройстве, повысит точность устройства на порядок.

На нашем предприятии был изготовлен макет предлагаемого переносного устройства передачи ЕУФС. Схемы преобразователей, определяющих высокие метрологические характеристики - блоки формирователей сигналов ДПКД, функциональных ЦАП, преобразователей сдвига фаз в интервалы времени построены на счетчиках 1533ИЕ7 и триггерах этой серии, компараторы 597СА2, м/с 572 ПА1А. В микроЭВМ использован микропроцессор 1821ВМ85, ОЗУ и ПЗУ соответственно, построены на м/с537РУ10и573Ф96.

Испытания макета показали прецизионную точность передачи ЕУФС образцовым СИ 0,002°-0,01F в диапазоне частот 10 -2-10 Гц, как в лабораторных условиях. так и в условиях сильных полей и жесткой климатики. Т.о., по сравнению с прототипом являющимся образцом лучшей техники для передачи ЕУФС в настоящее время, предполагаемое устройство позволяет сократить число этапов аттестации и уменьшает дополнительную погрешность за счет автоматического введения режима самокалибровки, а также исключить основную составляющую погрешность ош и тем самым

увеличивает в 2 раза точность устройства в лабораторных условиях и в 14 раз в реальных условиях эксплуатации, сохраняя малый вес и габариты, необходимые для переносного устройства.

Формула изобретения Переносное устройство передачи единицы угла фазового сдвига, содержащее

преобразователь сдвига фаз в интервалы времени, генератор импульсов, времязада- ющий блок, блок кодирования и микроЭВМ, первый и второй выходы которой соединены соответственно с первыми входами блока

кодирования и времязадающего блока, а первые и вторые входы микроЭВМ подключены соответственно к выходам этих блоков, второй вход блока кодирования соединен с вторым выходом времязадающего блока, третий вход - с выходом преоб- разователя сдвига фаз в интервалы времени, а четвертый совместно с вторым входом времязадающего блока соединен с выходом генератора импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и задания угла фазового сдвига за целое число периодов, определяемое стандартным временным интервалом, в него введены два канала,

каждый из которых снабжен запараллелен- ными по каждому входу двумя формирователями сигналов, источником напряжения смещения, блоком предварительной обработки, коммутатором и последовательно соединенными регистром управления, делителем переменного коэффициента деления, цифроаналоговым преобразователем, фильтром низкой частоты и аттенюатором, при этом регистр управления, аттенюатор,

источник напряжения смещения, коммутатор и фильтр низкой частоты подключены к выходу микроЭВМ, соединенному с источником напряжения смещения, выход второго формирователя входного сигнала

соединен с первым входом блока предварительной обработки, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя сигналов, третьим входом времязадающего блока и первым входом коммутатора,

второй вход которого соединен с выходом делителя с переменным коэффициентом деления, связанного вторым входом с входом генератора импульсов, причем выходы коммутаторов и блоков предварительной обработки соединены соответственно с первым и вторым входами преобразователя сдвига фаз в интервалы времени и пятым и шестым входами блока кодирования.

А

Использование: фазоизмерительная техника, передача размера единицы угла фазового сдвига от мер высшего разряда к мерам низшего разряда, аттестации и поверке высокоточных фазозадающих и фазо- измерительных устройств. Сущность изобретения: устройство содержит 2 формирователя сигналов (1, 2), 1 источник напряжения смещения (3), 1 блок предварительной обработки (4), 1 коммутатор (5), 1 регистр управления (6), 1 делитель с переменным коэффициентом деления (7), 1 ЦАЛ (8), 1 фильтр низкой частоты (9), 1 аттенюатор (10), 1 преобразователь сдвига фаз в интервал времени (11), 1 блок кодирования (12), 1 генератор импульсов (13), 1 времязадающий блок (14), 1 микроЭВМ (15). 1 ил.