Автоматический мостовой измеритель Советский патент 1980 года по МПК G01R17/10 

Изобретение касается, автоматики и измерительной техники и предназначено для использования в тензометрических установках.

Известны автоматические мостовые измерители, содержащие резонансные усилители, в обратную связь одного из которых включен измерительный мост, и автогенераторы, управлякайИё режимом работы указа:нных усилителей 1 .

Их недостатком является то, что они не позволяют сочетать высокую чувствительность с высоким быстродействием устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является автоматический мостовой измеритель, содержащий мост, первый и второй автогенераторы, первый и второй резонансные усилители, амплитудный детектор, переключатель, фат зовый детектор, исполнительный элемент, причем одна диагональ моста подключена ко входу первого резонансного усилителя, выход которого подключен через амплитудный детектор ко входу второго резонансного усилителя и через переключатель - ко второй диагонали моста, выход первого автогенератора подключен ко вторс у входу переклк чатеЛя и ко входу фазового детектора, к другому входу которого подключен выход второго резонансного усилителя, а выход Фазового детектора подключен ко входу исполнительного, элемента 2.

Недостаткбм егр.является то, что

0 он обладает высокой чувствительное-: тью, но не позволяет, при использовании в тензометрических установках реализовать достаточно высокое быстродействие/ так как повышение послед5него связано с необходимостью увеличения частоты автогенератора. В тензометрических системах резисторытензодатчики, включаемые в мост, разрешаются на объектах, удаленных от

0 измерительного устройства. Электрическое соединениедостигается посредством проводной связи. При этом собственное активное и реактивное сопротивление проводов, а также сопро5тивление, вносимое за счет паразитной магнитной и электрической связи, являются причиной дополнительного разбаланса моста. Указанные параметры достаточно нестабильны и их деста0

билизируюшеё излияние возрастает при увеличении частота напряжения питагошёгб мбста, КрЪйё ,йй Miipe pocта частоты питаюшеиго напряжения, Затрудняется балансировка и возрастает паразитная связь мез ДУвходом и выходом моста, не зависящая от раббалаяса. Влияние перечисленных факторов ПРИВОДИТ/ при яоёСтатбчйО ВЫСОКОЙ частоте питающего напряжения к устойчивому самовозбуждению и нарушению работы устройства, отсюда возможность реализации высокой чувствитёльнсютя устройства - прототипа только при достаточно низкой частоте питанмаего напряжения, что и опредёляет инерционность устройства как измерительного прибора.

Цель H3o6peTeHft1 - повьппение быстродействия при высокой чу вствительности устройства. -

Для этого Вавтоматический мостовой измеритель, содержащий мост, два автогенератора, два резонансных усилИтеля, амплитудный детектор и исполнительный элемент, причем выход первого автогенератора подключен к первому входу первого резойан сного усилителя, а выход амплитудного дётектора соединен Со входом isторого резонансного усилителя, введены ист эчник напряжения, умножитель частоты, пять суммирующих устройств, три прерывателя, причем выход второго автогенератора подключен к первым входам первого су1 1мирующёго устройства, первого и второго прерывателей и ко входу умножителя частоты,источ ник напряжения подключен к одной ни диагоналей моста, другая диагональ которого подключена ко в торому вхбду первого суммирующего устройства, выход первого суМмируййёгб стройства подключен к первому входу третьего прерывателя, выход кбторогоподключен ко.второму входу первого резбнансного усилителя, первый выход по следнего подключен к первому входу сУт йлйруюшёГО устройства, ВТо-ррйвУход первого резонансного усилителя подклйЧен к первым вхоДаМ рётьего и четвертого суммирующих устройств, вторые входьт второго-ЖТрёть его суммирующих устройств подключены к первому выходу УМНожиTe|t3f Шепоты, второй выход которого

TiOjttKJifeJiieM ко второму входу четвертогосуммирую1аего устройства, выход вТорог о суммирующего устройства подключен ко второму входу первого прерывателя, выход третьего суммирующего устройства подключен ко йтброму

входу йторЬгб прерывателя, .выходы пербрго и второго прерывателей подключены, сротрветственно, к первому и второму входам пятого суммирующего устройства, выход которого под-г ключей ко второму- входу третьезго

прерывателя, а выход четвертого суммирующего устройства подключен ко входу амплитудного детектора, выход второго резонансного усилителя соединен со входом исполнительного эл емёнта.

На фиг. 1 показана электрическая схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 эпюры напряжения, поясняющие работу предлагаемого устройства . . Устройство содержит: 1 - источник напряжения, 2 - мост, 3 - первое суммирующее устройство, 4 - третий прерыватель, 5 - первый резонансный усилитель, 6 - второе суммируюшее устройство, 7 - первый пре;рыватель, 8 - пятое суммирующее устройство, 9 - первый автогенератор

10- третье суммирующее устройство,

11- второй прерыватель, 12 - умножитель vчacтoты, 13 - четвертое суммирующёё Устройство, 14 - второй автогенератор, 15 -т- амплитудный детектор, 16 - второй резонансный усилитель, 17 г- исполнительный элемент.

На Фиг. 2 приняты обозначения:,.. . иЗа. напряжение на выходе суммирую:iwero устройства 3. До момента Ъц :мост 2 сбалансирован. В момент скачком разба.лансируется, напряжение .в Измерительной диаго;наЛи принимает значение ДЕ. U12 - - Iнапряжение на первом выходе умножите|ля частоты 12. U4o - напряжение на выходе прерывателя 4 при входном напряжений равном ОЗа. U3j - напряжение на выходе суммирующего устройства 3. До момента tM мост сбалансиррван. В момент t мост скачком разбалаНсируетсл, причем напряжение в измерительной диагонали принимает значение -АЁ. U4J -напряжение на выходе прерывателя 4 при входном напрялсении равном .

I -Л- ..: /

; Устройство работает следующим образом. :, , ..;, . .., - , .

Ггрмрническое колебательное напряжение с Частотой f поступает с выхода автогенератора 14 на первые входы с5т 1ирующего устройства 3 и прерывателей7, 11, а также на вход уШржКт ля частоты 12. В схеме умнозрителя формируйтся колебания с часттой 2f, поступаняцие с первого выхода у1«1ножителя на вторые входы суммируюгяих устройств б, 10. На втором выходе умножителя формируется колебательное напряжение частоты 2f, отстающее по фазе на /4 относительно напряжения на первом выходе. Второй выход умножителя подключен ко второму входу суммирующего устройства 13, Фаза колебаний на первом выходе умножителя соответствует уелоВИЮ, по которому экстремальные значения положительных полуволн часто.ты 2f поочередно соответствуют значениям фазы t/4 и выходного напряжения частоты С автогенератора 14. Резонансный усилитель 5 настроен на частоту 2f; Колебательное напряжение с первого выхода усилителя 5, опережающее по фазе входное напряжение/ поступающее с выхода прерывателя 4, на угол 4ч , подключено к первому входу суммирующего устройства 6. Колебательное напряжение со второго выхода усилителя 5, отстающее по фазе относительно входного напряжения на угол /4 подключено к первым входам суммирующих устройстй 10, 13. При отсутствий выходного напряжения усилит1еля 5 входное напряжение суммирующих устройств б, 10, 13 определяется только колебаниями, подводимыми от умножител)ч 12. Поэтетиу с выходов устройств 6, 10 на вторые входы прерывателей 7, 11 поступает колёба,.тельное напряжение синфазное с напряжением на первом выходе умножителя 12. Прерыватель 7 замыкается, подключая второй вход к выходу, при поступлении на первый вход положительной полуволны колебательного напряжения частоты f автогенератора 14. Прерыватель И замыкает второй вход с выходом при поступлении на первый вход отрицательной полуволны колебательного напряжения. При поочередной коммутаций прерывателей, подсоединенных ко входам суммирующего устройства 8, на выходе последнего выделяется колебательное напряжение синфазное с напряжением на выходе умножителя 12. Положительные полуволны указанного напряжения г поступающего на второй вход прерывателя 4, соответствуют замыканий первогЬ входа прерывателя с выхоДом. Заданный угол отсечки коммутируемого тока достаточно мал, поэтому напряжение на выходе прерывателя имеет вид последовательности видеоимпульсов, длительность которых мала, по сравнению с периодом повторения управляющего напряжения, а амплитуда и полярность определяютсямгновенными значениями коммутируемого напряжения, поступающего на первый вход прерывателя с выхода суммирующего устройства 5. Выходное напряжение устройства 3 определяется суммой гармонического напряжения частоты f автогене- ратора 14 и постоянного напряжения, снимаемого с измерительной диагонали моста 2, к питающей диагЬНали которого подключен источник напряжения 1. При балансе моста напряжение в его измерительной диагонали отсутствует и к первому входу прерывателя 4 приложено только колебательное напряжение, поступающее через суммирующее устройство 3 от автогенератора 14. Ери этом сигнал на втором входе резонансного усилителя 5, подключенном к выходу прерывателя 14, имеет вид последовательности разнополярных импульсов одинаковой амплитуды и длительности. Интервал времени между двумя последовательными разнополярными импульсами равен 4--. гг .Частотный спектр рассматриваемо последовательности импульсов не содержит составляющий с частотой 2f. Поэтому выходное

напряжение усилителя 5 отсутствует. Колебательное напряжение со второго выхода умножителя 12 через суммирующее устройство 13 подается на вход амплитудного детектора 15, где преобразуется в пбстЬяннЪе напряжение ,

Последнее не пропускается колебательной системой усилителя 16, настроенного на частоту F f. Поэтому управляющий вход исполнительного элемента 17 обесточен. Пусть знак

разбаланса моста 2.соответствует появлению на втором входе суммирующего устройства 3 напряжения положительной полярности. При этом уровень импульсов положительной полярности

на втором входе усилителя 5 возрастает, а импульсов отрицательной полярности - уменьшится. В спектре сигнала появится составляющая частота 2f, синфазная с напр1яжёнием той

же частоты на первом выходе умножителя 12. Нормально запертый усилитель 5 периодически с частотой F открывается импульсами авто -ёнератора 9, йыход которого подключен к первому

входу усилителя. При открытом усилителе на выходе устройства б после суммирования выделится напряжение опережающее, а на выходе устройства 10 - отстакяаее, по фазе относительно напряжения на первом выходе умножителя. Но выходное напряжение устрой.ства б подается через прерыватель 7 и суммирующее устройство 8 на второй вход прерывателя 4 в течение положи-; тельных полуволн выходного напряжения автогенератора 14, подключенного Через суммирующее устройство Зк первому управляющему входу прерывателя 4. Поэтому .опережение , получаемое на выходе устройства 6, соответствует возрастанию мгновенного

зяачения положительного коммутирующего напряжения в момент коммутации и, следовательно, воз)астанию уровня положительных импульсов на втором

входе усилителя 5. Отставание по фазе, получаемое на выходе устройства 10, соответствует уменьшению мгновенного значения отрицательного коммутируемого напряжения в момент коммутации и уменьшению уровня отрицательных импульсовна втором входе усилителя 5. Увеличение амплитуды Гармоники с частотой 2f входного напряжения усилителя вызывает еще большее опережение по фазе на .выходе

устройства б и отставание по фазе

на выходе устройства 10, В результате, возникает процесс нарастания выходного Напряжения усилителя 5. одновременно возрастает напряжение на выходе суммирующего устройства 13, поскольку напряжение на первом и втором входах последнего синфазны в момент возникновения разбаланса моста. После окончания выходного импульса автогенератора 9 усилитель 5 запирается и колебания на его выходе затухают до уровня шумовых компонент.

Далее вышеописанный цикл повторяется..

На выходе амплитудного детектора 15. выделяется пилообразное напряжение с.частотой Р. Возрастание напряжения соответствует импульсам автогенератора 9, а спад - паузе между ними. Первая гармоника с. частотой F указанного напряжеййЯусиливается блоком 16. Выходное напряжение усилителя 1ё поступает на управляющий вход исполнительного элемента 17. Пусть знак разбаланса моста 2 соответствует появлению на ВТО. входе суммирующего устройства 3 напряжения отрицательной полярности. При этом уровень импульсов отрицатель,ной полярности на втором входе усилителя 5 возрастает, а импульсов положительной полярности - уменьшится. В спектре входного сигнала появится составляющая частота 2f, противофазная с напряжением той же частоты на первом выходе умножителя 12, При открытом усилителя на выходе устройства б после суммирования выделитс.я напряжение отстающее, а на выходе устройства 10 - опережающее, .по фазе относительно напряжения на

первом выходе умножителя. Возникает процесс нарастания выходного напряжения усилителя 5 и.одновременного убывания напряжения на выходе суммируюшего устройства 13, поскольку напряжения на первом и втором входах последнего противофазны в момент .возникновения разбаланса моста. ria выходе амплитудного детектора 15 выделяется пилообразное напряжение с частотой F. Уменьшение напряжения соотйетствует импульсам автогенер атора 9, а возрастание - паузе между ними. Первая гармоника с частотой F указанного напряжетая усиливается блоком 16. Выз одноё нап1:)яженйе усили-.еля 16 поступает на управляющий вход исполнительного элемента 17.

Таким образом, при балансе измерительного моста уровень управляющего сигнала, поступающего на вход исполнительного элемента, близок к нулевому. При разбалансе .на вход исполнительного элемента поступает переменное напряжение, уровень которого характеризует степень разбаланса, а фаза..- его знак.

Предложенное устройство обеспечивает значительно более высокое быстродействие при не менее высокой чувствительности.

Действительно, чувствительность к сравниваемых устройств определяется произведением коэффициента усиления двух взаимно расстроенных резонансных усилителей и, при оптимальном выборе параметров схемы, приблизительно, одинакова.

Быстродействие сравниваемых устройств определяется максимально допустимым значением частоты оконечного усилителя. По принципу действия сравниваемых устройств, эта частота должна быть меньше частоты

предварительного усилителя. Выходное напряжение последнего используется в устройстве-прототипе для питания измерительного моста. Увеличение

0 резонансной частоты предварительного усилителя в устройстве-прототипе ограничено требованием устойчивой работы при возрастании паразитной обратной связи между входом и выходом

5 моста и нестабильных сопротивлений, вносимых в мостовую схему. В предлагаемом устройстве мост балансируется на частоте специального источника напряжения, которая может быть

достаточно низкой либо нулевой (постоянное напряжение). Поэтому дестабилизирующее влияние вышеперечисленных факторов достаточно мало и может быть обеспечена высокая чувствительность к разбалансу - независимо от

5 рабочих частот усилительной части

схемы. Последние выбираются предель-. но высокими (предел определяется только конструктивными соображениями) . отсюда - высокое быстродействие

0 предлагаемого устройства.

Формула изобретения

Автоматический мостовой измеритель, содержащий мост, два автогенератора, два резонансных усилителя, амплитудный детектор и исполнительный элемент, причем выход первого автогенератора подключен к первому входу первого резонансного усилителя„ а выход амплитудного детектора соединен со,входом второго резонансного усилителя, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия при высокой чувствительности устройства, в него введены источник напряжения, умножитель частоты, пять суммирующих устройств, три прерывателя, причем выход второго

автогенерато эа подключен к первым

входам первого суммирующего Устройства первого и второго прерывателей и ко входу умножителя частоты, источник напряжения подключен к одной из

диагоналей моста, другая диагональ

которого подключена ко второму входу первого суммирующего устройства, выход первого суммирующего устройства подключен к первому входу третьег прерывателя, выход которого подключе ко второму входу первого резонансног усилителя, первый выход последнего подключен к первому вхбду второго суммирующего устройства, второй выход первого резонансного ycилитe lя подключен к первым входам третьего и четвертого суммирующих устройств, вторые входы второго и третьего суммирующих устройств подключены к первому выходу умножителя частоты, второй выход которого подключен ко второму входу четйертого суммирующего устройства, выход второго суммирующего устройства подключен ко второму входу первого прерывателя, выход третьего суммирующего устройства

подключен ко второму входу второго прерывателя, выходы первого и второго прерывателей подключены, соответственно, к первому и второму входам пятого суммирующего устройства, выход которого подключен ко второму входу третьего прерывателя, а выход Четвертого суммирующего устройства подключен ко входу амплитудного детектора, выход второго резонансного усилителя соединен со йходом исполнительного элемента.

. Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе : 1. Авторское свидетельство СССР

№4175578, кл/2 G 01 R 35/00, 1974. 2. Авторское свидетельство СССР

по з.аявке № 2307086/21 от 30.12.75.

Кл. 2 G 01 R 17/10, по которой решение d выдаче: авторского сви 5етельства.

( . -J f:ч-..-:

-. Л - / - Д- - -/- - V

fl

-4f и it 5.

П

иг,г -/