Квантовый преобразователь тока в частоту с автоматическим выбором поддиапазона Советский патент 1977 года по МПК H03K13/20 

1

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в квантовых преобразователях для автоматизированных систем контроля н управления.

Известны квантовые преобразователи тока в частоту, содержащие магнитную систему, предназначенную для преобразования входного тока в индукцию магнитного поля, квантовый частотный датчик, выполняющий преобразование индукции .магнитного поля в частоту, усилитель сигнала датчика, осуществляющий положительную обратную связь, и генератор возбуждення спектральной лампы датчпка 1.

Однако они имеют значительные погрещиости преобразовапия, вызываемые нелинейностью характеристик намагничивания магнитных экранов.

Известен квантовый иреобразователь тока в частоту, в котором для расщирения диапазона преобразуемых токов и уменьщения ногрещности преобразования осуществляется разбиение всего диапазона выходных сигналов на несколько поддиапазонов и автоматическн выбирается нужный поддиапазон при каждом преобразовании входного тока. Это устройство содержит блок выбора поддиапазона и коммутатор, а магнитная система имеет несколько самостоятельных, электрически независимых обмоток (секций), каждая из которых с помощью коммутатора может быть подключена к входу преобразователя 2.

Недостатком указанного Зстройства является изменение крутизны градуировочиой характеристики и его входного сонротивлення при переключении поддиапазонов, так как при смене поддиапазонов вход преобразователя иереключается на различные об.мотки магнитной системы, отлпчающпеся постоянной преобразования «ток-индукция и активным соиротивле0нием.

С целью обеснечения постоянства коэффициента преобразования и входного сопротивления преобразователя на всех поддианазопах

5 входного тока, а также нсключення погреннюсти преобразовання от нестабильности нсточ1П1ка стабилизированного тока в квантовый преобразователь тока в частоту с антоматнческим выбором поддиапазона, содержании магнитный экран, генератор возбуледення, соединенный с нервым входом квантового частотного датчика, выход которого соединен с усилителем, подключенным к второму входу квантового частотного датчика и входу блока выбора поддиаиазоиа, выход последнего соединен с одним из входов коммутатора, а выходы коммутатора соединены с входами секций многосекционной магнитной системы, введен источннк стабилизированного тока, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, а входная клемма квантового преобразователя соединена с входом отдельной секции многосекционной магнитной системы, кроме того, он содержит второй квантовый частотный датчик со вторым усилителем, многосекционной магнитной системой и магнитным экраном, причем выход генератора возбуждения соединен с первым входом второго квантового частотного датчика, выход которого соединен с входом второго усилителя, а выход второго усилителя соединен с вторым входом второго квантового частотного датчика, выход второй многосекционной магнитной системы соединен с выходом источника стабилизированного тока. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - дифференциальная схема квантового преобразователя с автоматическим выбором поддиапазона. Квантовый частотный датчик 1 своим первым входом соединен с выходом генератора 2 возбуждения, вторым входом - с выходом усилителя 3, а вход последнего соединен с выходом датчика 1. Один из входов многосекционной магнитной системы 4 соединен с входом квантового преобразователя, а остальные ее входы - с соответствующими выходами коммутатора 5, один вход которого соединен с выходом блока 6 выбора поддиапазонов, а другой - с выходом источника 7 стабилизированного тока. Вход блока 6 соединен с выходом усилителя 3. Квантовый датчик 1 установлен внутри магнитной системы 4 и вместе с нею помещен в магнитный экран 8. Кроме того, устройство содержит дополнительный квантовый частотный датчик 9, первый вход которого соединен с выходом генератора 2, второй вход - с выходом усилителя 10, а выход - с входом усилителя 10. Датчик 9 установлен внутри магнитной системы 11, соединенной своим входом с выходом источника тока и вместе с ней помещен в магнитный экран 12. Квантовый преобразователь работает следующим образом. В исходном положении генератор 2 возбуждения спектральной лампы датчика обеспечивает его оптическую накачку, а усилитель 3 в цепи иоложительной обратной связи датчика создает условия для автогенераторного режима его работы. Коммутатор в исходном положении подключает выход источника 7 стабилизированного тока к одной или нескольким обмоткам магнитной системы 4, обеспечивая этим создание опорного магнитного поля с индукцией Boib при этом датчик 1 генерирует с частотой /вых где /С - коэффициент преобразования квантового датчика, зависящий от типа его рабочего вещества. При рабочем диапазоне изменения индукции от Bmin до Вшах, который определяется с учетом ограничений на погрешности от нелинейности и гистерезиса, вносимые магнитным экраном, и на значения динамического диапазонаД -Smax/ min, В исходном положении выполняется условие Don OmlnПри иодаче на вход преобразователя тока /вх последний, протекая по сигнальной обмотке магнитной системы 4, создает в зоне квантового датчика 1 индукцию Вс, пропорциональную величине входного сигнала BD GO/BX где GO - постоянная сигнальной обмотка магнитной системы. В результате этого датчик 1 начинает генерировать с частотой /аых, пропорциональной суммарной индукции В /вых KB К(Воп Ч BC). По значению этой частоты блок 6 определяет номер V поддиапазона и выдает соответствующий ему сигнал на коммутатор 5, происходит переключение опорных обмоток магнитной системы, при этом выполняется соотнощение Втт С BOH BO Вшах. Значение индукции БОН в каждом поддиапазоне зависит от закона разбиения всего диапазона входных сигналов на поддиапазоны, от взаимной ориентации начального опорного сигнального нолей и от номера поддиапазона. В частности, при равномерном разбиении, когда задаются неизменные значения Bmin и jSmax, ограничивающие диапазон изменения магнитных полей в зоне датчика независимо от величипы входного сигнала, и ири одинаковом направлении начального опорного и сигнального полей значение Вон определяется по формуле Воп ()Bo, где So Smax - Smin; N - номер поддиапазона. Таким образом, по значению частоты /вых на выходе преобразователя и номеру Л, формируемому блоком 6 выбора поддиапазонов, можно определить значение тока /вх на входе преобразователя. В частности, ири указанном выше варианте 4х- Л/вых-/о(). - - Величина /о является паспортной характеристикой преобразователя и всегда может быть уточнена перед началом его работы, например, по значению /вых в исходном положении {т. е. при /вх О и Л 1) в соответствии с выражением f /ВЫХ Ток по формуле (1) определяется специальным вычислительпым устройством, входящим в состав автоматизированных систем контроля, в которых целесообразно использовать предложенный преобразователь. Значение выражения f(q- N) в формуле (1) может быть сформировано непосредственно в блоке 6, что позволяет при рациональном выборе величины Ki и q значительно упростить реализацию вычислительных операций по определению /вхДля исключения погрешности, связанной с нестабильностью тока источника 7, и для снижения требований к его стабильности квантовый преобразователь выполнен по дифференциальной схеме, изображенной на фиг. 2. В этом случае в зоне квантового датчика 9, возбуждаемого генератором 2, с помощью магнитной системы И, обтекаемой током от источника 7, создается постоянное магнитное поле, равное по величине начальному опорному полю в зоне датчика 1, т. е. равное , при этом датчик 9 генерирует с частотой /д, по которой при каледом преобразовании входного тока /вх можно корректировать значение /о, так как fo--,.(2) Ток /вх В таком устройстве определяется формуле 7fC I вх A 1 / вых - / д которая получается из формулы (1) при подстановке в нее значения /о в соответствии с формулой (2). Как н в первом варианте устройства, значение коэффициента, определяев формуле (3), момого выражением жет быть сформировано в блоке 6 выбора поддиапазонов. Таким образом, предложенное устройство в отличие от известных, позволяет осуществлять преобразование входных токов в широком диапазоне их изменения при постоянстве входного сопротивления и крутизны градуировочной характеристики устройства и с сохранением высокой точности преобразования. Это упрощает согласование преобразователя с объектом контроля и с устройствами обработки частотной информации. Формула изобретения 1. Квантовый преобразователь тока в частоту с автоматическим выбором поддиапазона, содержащий магнитный экран, генератор возбуждения, соединенный с первым входом квантового частотного датчика, выход которого соединен с усилителем, подключенным ко второму входу квантового частотного датчика и к входу блока выбора поддиапазона, выход которого соединен с одним из входов коммутатора, а выходы коммутатора соединены с входами секций многосекционной магнитной системы, отличающийся тем, что, с целью обеспечения постоянства коэффициента преобразования и входного сопротивления преобразователя на всех поддиапазонах входиого тока, в него введен источник стабилизированного тока, выход которого соединен со вторым входом коммутатора, а входная клемма квантового преобразователя соединена с входом отдельной секции многосекционной магнитной системы. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью исключения ногрешности преобразования от нестабильности источника стабилизированного тока, он содержит второй квантовый частотный датчик с вторым усилителем, многосекционной магнитной снстемой и магнитным экраном, причем выход генератора возбуждения соединен с первым входом второго квантового частотного датчика, выход которого соединен со входом второго усилителя, а выход второго усилителя соединен со вторым входом второго квантового частотного датчика, выход второй многосекционной магнитной системы соединен с выходом источника стабилизированного тока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.В. Б. Кудрявцев и др. «Прецизионные частотные преобразователи автоматизированных систем контроля и управления, М., Энергия, 1974 г., стр. 82-84. 2.Авторское свидетельство N° 462284, М. Кл.2 Н ОЗК 13/20, 09.11.72 (протопип).

11

Вши