ЦИФРОВОЙ ВИБРОМЕТР Советский патент 1973 года по МПК G01H11/06 G01R23/167 

1 .

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано нрн построении переносных виброизмерительных приборов с цифровым отсчетом, а также соответствующих узлов систем телеметрии и централизованного контроля.

Известны виброизмерительвые приборы, содержащие пьезоэлектрический акселерометр, у которых регистрация мгновенного значения вибросмещения происходит путем двойного интегрирования аналогового сигнала, пропорционального виброускорению. Достоинством этих приборов является возможность измерения вибраций на более низких частотах по сравнению с обычными виброметрами с индукционными акселерометрами.

Однако при современном состоянии измерительной техники аналоговый выходной сигнал и аналоговый способ обработки информации в подобных виброметрах следует рассматривать как недостаток. Например, если проектируется информационно-измерительная система, у которой все измеряемые параметры преобразуются в частоту или цифровой код, то естественно потребовать, чтобы и выходной сигнал виброметра был представлен либо в частоте, либо в коде. Простое присоединение преобразователя напряжения в частоту либо аналого-цифрового преобразователя к выходу амплитудного выпрямителя малоцелесообразно, так как приводит к суммированию погрешностей аналоговой и цифровой частей прибора и не зстраняет необходимости применения высококачественных УПТ и интегрирующих

конденсаторов, большого ослабления сигнала, невозможности интегрирования в бесконечном времени, большого ностоянного времени измерения, относительно больших погрешностей измерения, присущих аналоговой части.

Цель изобретения заключается в том, чтобы создать виброметр, в котором все операции сигналом, в том числе и двойное интегрирование, производились бы в частотноимпульсной либо цифровой форме. Это достигается те.м, что вместо аналоговых интеграторов .применяются интеграторы частотноимпульсных сигналов, в качестве которых используются следящие частотомеры. На чертеже показана структурная блоксхема предлагаемого цифрового виброметра.

Виброметр содержит датчик (в частном

случае пьезоэлектрический акселерометр) /;

преобразователь напряжения в частоту

(ПНЧ) 2; интегратор, состоящий из блока 3

вычитания частот, реверсивного счетчнка 4, преобразователя код-частота (КПЧ) 5 и делителя 6 частоты; интегратор, состоящий из реверсивного счетчика 4, преобразователя код-частота (КПЧ) 5 и делителя 6 частоты.

и кварцевый генератор 7.

Выход датчика соединен с входом ПНЧ, выход которого через блок вычитания частот подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 4. К вычитающему входу последнего через блок вычитания частот и делитель 6 частоты подключен ПКЧ 5, который подсоединен одним входом к кварцевому генератору, а другим к единичным выходам счетчика 4. Выходной сигнал первого интегратора, снимаемый с выхода делителя частоты, поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Вычитающий вход счетчика 4 через делитель 6 частоты подключен к выходу ПКЧ 5, который одним входом соединен с кварцевым генератором, а другим - с единичными выходами счетчика 4.

Сигнал с выхода ПНЧ имеет переменную составляющую f, пропорциональную измеряемому сигналу, и постоянную составляющую f, несущую частоту ЧИМ-сигнала, т. е. fnjjq г f -bf. Для разделения составляющих /ПНЧ применяется известная схема следящего частотомера.

Как известно, реакция следящего частомера на скачкообразное изменение частоты представляет собой экспоненту с постоянной вре ...

мени , где AN- изменение показаД/

НИИ реверсивного счетчика при изменении частоты ,на Af. Это позволяет использовать принцип следящего частотомера в качестве частотно-цифрового аналога У С-цепочки для интегрирования частотного сигнала при произвольном законе изменения измеряемой величины.

Уравнение следящего частотомера (без учета квантования)

t , Л (/вх - fo.c) d, но так как Т, то

оЛ|,с

1 i fo.c - -(fBTi - fo.c)df,

р что совпадает с уравнением С-интегратора

.с)/. О

Принцип следящего частотомера заключается в том, что при подаче на его вход измеряемой частоты с наложенной переменной помехой он отрабатывает постоянную составляющую и медленные изменения частоты, отфильтровывая переменную помеху.

При использовании следящего частотомера в качестве частотного интегратора его задача Прямо противоположна.

Он должен интегрировать в непрерывном масщтабе . переменный входной сигнал

,dt,

что достигается выбором соответствующей постоянной времени частотомера, путем введения в цепь обратной связи делителя частоты, в результате чего foc С fex и, кроме того, f - f

/ос - /вх

Таким образом, при достаточно большой постоянной времени замкнутого контура интегратора в схеме происходит непрерывная коррекция постоянной составляющей входной частоты.

Передаточная функция следящего частотомера

Ц7Л/) . F{P)1 + ТР

т1

где 1 постоянная времени передачи,

тп

а /п и «. - коэффициенты передачи ПКЧ 5 и делителя 6 частоты соответственно. Ее можно записать так же, как

-() т. е. передаточная функция следящего частотомера есть передаточная функция последовательно соединенных разделительной цепочки и идеального интегратора. Аналоговым эквивалентом разделительной цепочки является обычная разделительная ./ С-цепь.

Второй интегратор построен аналогично, цепь вычитания частот на его входе не нужна, так как выходные импульсы первого интегратора и импульсы обратной связи foe, получаются от одного и того же задающего генератора.

Более того, оба ПКЧ могут быть выполнены на основе одного и того же счетчика с двумя наборами ключей на выходах.

В зависимости от конкретного применения виброметра выходными параметрами его могут быть коды и N-2 либо частотно-импульсные сигналы /ВЫХ1 и /вых, .

Л, -г ср (V) ср ( adt

о /

Ux. () {adt d

N b(a;v) b({adt b(l), о У

U. f (а; t) f (О i Y/f

0 /

где a, V, I -параметры вибропроцесса.

С точки зрения точностных характеристик предлагаемое устройство в основном имеет две погрешности: погрешность от дискретности выходного сигнал а интегратора и методическую погрешность.

Приближенный расчет цены импульса, поступающего на реверсивный счетчик первого интегратора, можно произвести, пренебрегая

частотой обратной связи, так как для правильного интегрирования она должна быть малой по сравнению с входной частотой. Тогда, если переменная составляющая входной частоты меняется по закону.

fex COS 2, где fa, максимальная девиация частоты ПНЧ, Q - частота измеряемого вибропроцесса, код в счетчике 4 колеблется по закону

,&{пШ

Sin Qt

Q

Отсюда амплитуда переменной составляющей кода в счетчике 4

Д7 1 /в: Vl.,,, --

И2я f

С

Аналогично для второго интегратора

Л 2„акс-Ч()

Следовательно, частотный диапазон данного виброметра ограничен -сверху при определенной заданной погрешности дискретности

8д. (F) и f до„ 9 (Зд.доп)

макс

Оптимальный частотный диапазон вибраций, полученный теоретическим и экспериментальным путем для данного прибора, лежит в пределах единиц долей герца до сотен герц.

Методическая погрешность бм, возникающая вследствие введения обратных связей в интеграторах, определяется по формулам

risT

™ 1

где / , постоявная времени перво7П,«,

го интегратора.

+

т т1

8м.

20

где Т

постоянная времени второго

«а/га

интегратора.

Соответствующим подбором можно довести методическую погрешность в указанном диапазоне частот до величин порядка 0,1-0,3%.

Предмет изобретения

1.Цифровой виброметр, содержащий датчик, преобразователь напряжение-частота, кварцевый генератор и два последовательно

соединенных интегратора, отличающийся тем, что, с челью повышения его точности и расширения класса решаемых задач, выход датчика через преобразователь напрял ение-частота подключен к входу первого интегратора,

второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора и входом второго интегратора.

2.Виброметр по п. 1, отличающийся тем, что первый интегратор содержит блок вычитания частот, один вход которого подключен к первому входу интегратора, другой - к выходу делителя частоты, а выходы - к суммирующему и вычитающему входам .реверсивного счетчика, единичные выходы которого через преобразователь код-частота подсоединены к входу Делителя частоты и выходу первого интегратора, раздельный вход преобразователя код-частота подключен к второму

входу первого интегратора.