Интегратор напряжения Советский патент 1982 года по МПК G06G7/186 

(54) ИНТЕГРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испогаьзовано для измерения магнитных характеристик эпектромагнитов эг1ектро(|жзических установок.

Наиболее широко интеграторы напряжения применяются Д1Ю измерения изменяющихся и переменных магнитных полей электромагнитов, причем в качестве первичных преобразователей при измере - ,о ниях используются индукционные катушки. В результате таких измерений снимаются характеристики связи напряженности магнитного поля от тока питания электромагнита, определяется э(}х})ективная длина ts магнита, проводится гармонический анализ магнитного.поля.

При массовых испытаниях электромагнитов для электрофизических установок, jo например протонных кольцевых ускорителей, предъявляются довольно жесткие требования к идентичности магнитов по их магнитным характеристикам.

Так, при кагшбровке магнитов протонного синхротрона ИФВЭ требовалось измерять напряженность магнитного поля с относительной погрешностью Ю при длительности цикла 5 с и скорости нарастания поля 30 кА/МС.

В настояшее время требование повышения энергии ускоренных частиц и успехи в области создания сверхпроводников привели к использованию в кольцевых протонных синхротронах электромагнитов с обмотками из сверхпроводящего матери-

ала,

Это, в свою очередь, наложило определенные требования на аппаратуру измерения магнитных характеристик, так как увеличилась напряженность магнитного поля, значительно удлинился цикл магнит кого поля, уменьшилась величина зазора, уменьшились скорости нарастания и спада магнитного поля, увеличилось количество магнитов.

Современные интеграторы напряжения Для измерения магнитных характеристик электромагнитов электрофизических установок должны характеризоваться высокой чувствительностью, широким динами ческим диапазоном по входу, высокой точ ностью и большим временем интегрирования, а также иметь средства преобразова ния результата измерений в цифровую фор му с целью автоматизации результатов измерений. Известны интеграторы напряжения с представлением результата в цифровой форме, построенные по методу преобразования напряжения в частоту. Такие интеграторы могут использоваться для интегрирования длительных процессов и позволяют получать текущее значение интеграла в цифровой форме tlj. Однако данные интеграторы обладают недостаточ№1м динамическим диапазоном по входу и не обеспечивают необходимой точности. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности явпяется интегратор, использующийся для проведения массовых измерений магнитных характеристик электромагнитов суперпротонного син хротрона ЦЕРН, построенный по методу двутактного интегрирования, , Работа Данного интегратора построена так, что в первом такте происходит интегрирование входного сигнала в течение фиксированного интервала времени, определяемого кодом, установленным в реверсивном счетчике. В течение второго такта интегрирующая емкость разряжается от источника опорного напряжения и происходит преобразование в цифровой код интеграла входного сигнала 2. Такой интегратор обладает высокой точностью интегрирования и больщим вход ным динамическим диапазоном, но не позволяет получать несколько дискретных значений интеграла входной величины в течение одного цикла изменения магнитного поля, так как на время второго такта вход интегратора отключается от индукционной катущки. Очевидно, что тре-бование получения нескольких, дискретных значений интеграла входнбй функции без потери информации можно удовлетворить путем включения второго двутактного интегратора, причем их работу синхронизировать таким образом, чтобы такт ин тегрирования входного сигнала одного интегратора совпадал.по времени с тактом преобразования измеренной величины в цифровой код другого интегратора. Однако такое устройство будет иметь накапливающуюся во времени ошибку, связанную .с дискретным характером преобразования. Цель изобретения - повышение точности интегрирования и информативности интегратора и расширение динамического диапазона входного сигнала при большой чувствительности. Поставленная цепь достигается тем, . что в интегратор напряжения, содержащий последовательно соединенные интегрирующий усилитель, и схему сравнения, выход которой подключен к первому входу блока формирования импульсов управления, первый выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, включенного между информационным входом интегратора напряжения и входом интегрирующего усилителя, соединенным через второй ключ с входом опорного уровня интегратора напряжения, и генератор эталонной частоты, выход которого через третий ключ соединен с выходом реверсивного счетчика, введены второй интегрирующий усилитель, вторая схема сравнения, два дополнительных ключа, два триггера и элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами .триггеров, а выход .подключен к управляющему входу третье- .го ключа, вход второго интегрирующего усилителя через первый и второй дополнительные ключи подключен соответственно к информационному входу и входу опорного напряжения интегратора, выход второго интегрирующего усилителя соединен со входом второй схемы сравнения, выход которой подключен ко второму входу блока формирования сигнала управления, второй выход которого подключен к управляющему входу первого дополнительного ключа, управляющие входы второго основного и второго дополнительного ключей соединены с выходом соответствующего триггера, синхронизирующий вход каждого триггера подключен к выходу генератора эталонной частоты, а информационные входы . триггеров соединены соответственно с третьим и четвертым выходами блока формирования импульсов управления. На фиг. 1 дана, электрическая схема интегратора напряжения; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы; на фиг.З схема блока формирования импульсов.управления (вариант). Интегратор напряжения (фиг. 1) содержит ключи 1 и 2, дополнительные ключи 3 и 4, интегрирующие усилите пи 5 и 6, схемы 7 и 8 сравнения, блок 9 фор;мирования импульсов управления, шины

10 и 11 задания времени интггрирования, триггеры 12 и 13, генератор 14 эталонной частоты, кпюч 15, реверсивный счетчик 16 и эпемент ИЛИ 17.

Блок 9 формирования импульсов управпения (фиг. 3) содержит управляющий -триггер 18, входы которого 5шпяются шинами задания времени интегриро.вания, а выход подключен к первым входам элементов И 19 и 20, вторые входы которых соединены с выходом мультивибратора 21. Выходы элементов И 19 и 20 являются первым и вторым выходами блока 9 формирования импульсов управления и через дифференцирующие цепи 22 и

23подключены к R-входам R 5-триггеров

24к 25, -входы которых являются входами блока формирования импульсов управления. Выходы R5 -триггеров 24 и 25 через элемента И 26 и 27, вторые входы которых подключены к выходу мультивибратора 21, соединены с третьим и четвертым выходами блока формирования импульсов.управления.

I .

Интегратор работает следующим образом.

С поступлением на вход блока 9 формирования сигналов по щине 10 запускающего импульса блок 9 формирует на своих выходах управляющие сигналы, замыкая ключ 2 и подключая интегрирущий усилитель 5 к информационному входу интегратора, ключи 1, 3, 4 и 15 разомкнуты. В течение времени первого такта происходит интегрирование входного сигна ла интегрирующим усилителем 5. По окончании времени первого такта в момент времени t/j размыкается ключ 2 и замыкается ключ 3, подключая ко Екоду интегратора интегрирующий усилитель 6, одновременно на информационном входе триггера 12 появляется управляющее напряжение и по первому импульсу с выхода ;генератора 14 эталонной частоты в момент времени триггер устанавливается в единичное состояние, замыкаются ключи 1 и 15 и ёмкость интегрирующего усилителя начинает разряжаться от источника опорного напряжения в течение времени второго такта. В течение этого же. времени импульсы от генератора эталонной частоты через ключ 15 поступают в счетчик 16. Как только выходное .напряжение интегрирующего усипитепя 5 достигнет нулевого -значения (-Ьг.). срабатывает схема 7 сравнен11я и через блок 9 устанавливает на информационном входе триггера 12 нулевое управляющее напряжение, триггер переключается в нулевое состояние ( 4.л) с приходом первого импульса от генератора 14 эталонной частоты и размыкает ключи 1 и 15. Таким образом, к моменту времени (t,) в счетчике 16 сформирован код, пропорциональный интегралу входного сигнала. Аналогично первому каналу интегрирования, образованному ключами 1 и 2, интегрирующим усилителем 5 и схемой 7 сравнения, работает второй канал, состояций из ключей 3 и 4, интегрирующего усилителя 6 и схемы 8 сравнения, причем интегрирование входного напряжения производится поперменно интегрирующими усилителями 5 и 6, также попеременно происходит преобразование их выходного напряжения в цифровой код.

В отличие от традиционного метода двутактного интегрирования,при котором от цикла к циклу происходит накапливание ошибки (фиг. 2а), в предлагаемом инте граторе за счет синхронизации момента размыкания ключей 1 и 4 импульсами генератора 14 эталонной частоты, интегрирование опорного напряжения во втором такте продолжается до первого (после срабатывания схемы сравнения) импупьса генератора эталонной частоты (фиг.2б-). При этом интегрирование входного сигнала в следуЪщем цикле начинается не с нулевого напряжения, а с некоторого начального напряжения йО,а истинное время второго такта Т равно измеренному времени отпичие от традиционного метода, где они различаются на величину S)Таким образом, в предлагаемом инте граторе установлена погрещность исходного метода, заключающаяся в накапливании ошибки от цикла к циклу интегрирования, и погрешность, связанная с дискретностью преобразования, не превышает единицы младшего разряда независимо от количества циклов интегрирования.

Предлагаемый интегратор особенно успешно может быть использован в тех случаях, когда необходимо измерить форму кривой входного сигнала (например, индукции магнитного поля), получив ряд цифровых значений, соответствующих различным точкам кривой, следующих с определенным временнь1м интервалом. В этом случае при использовании обычного двутактного интегратора каждое измерение позволяет получить лишь одно значение исследуемой функции, для получёния последующих значений требуется повторить цикл магнитного попя, что обыч7 извесгными 9 но сопряжено трудно-, сгями. применение предлагаемого интегратора поэволяет резко сократить затраты времени на измерение магнитных харак теристик магнитов электрофизических установок и автоматизировать этот процесс С использованием ЭВМ. КоличестЬо магПитов в со: рёменных электрофизических установках достигает многих сотен (для проектируемого ускорительно-накопи тельйсйго ксалпдекса УНК это число превышает 4ООО) и их калибровка с использованием традиционных методов требует больших затрат времени. Кроме того, использование предлагаемого интегратора позволяет существенно снизить расход электроэнергии на питание магнитов в.процессе измерения, так как снятие характеристики магнита производится за один цикл магнитного ПОЛЯ, в отличие От исходного метода, где для этого требуется несколько циклов. Формула изобр е т е н и я Интегратор напряжения, содержащий последовательно соединенные интегрирующий усилитель и схему сравнения, вы ход которой подключен к первому входу блока формирования импульсов управления первый выход которого соединен с управпяюшим входом первого ключа, включенного между информационным входом интегратора и входом интегрирующего усилителя, соединенным через второй ключ с входом опорного напряжения интегратора, и генератор эталонной частоты, выход которого через третий ключ I соединен с выходом реверсивного счетчи3 .ка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности интегрирования и информативности интегратора и расширения динамического диапазона входного сигнала при большой чувствительности, в него введены второй интегрирующий усилитель, вторая схема сравнения, два дополните пьнь1х ключа, два триггера и элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами триггеров, а выход подключен к управляюшему входу третьего ключа, вход второго интегрирующего усилителя через первый и второй Дополнительные кпючи подключен соответственно к информационному входу и вхоДу опорного напряжения интегратора, выход второго интегрирующего усилителя соединен со входом второй схемы сравнения, выход которой подключен к второму ходу блока формирования сигнала управления, второй выход которого подключен к управляющему входу первого дополнительного ключа, управляющие входы второго основного и второго Допрганительного ключей соединены с выходом соответст- вуюшего триггера, синхронизирующий вход Каждого триггера подключен к выходу генератора эталонной частоты, а информациониые входы триггеров соединены соответственно с треиъим и четвертым выходами блока формирования импульсов управления. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3783392, кл. 328-127, опубпик. 1974. 2. Литвуд Р. Быстродействующий интегратор для магнитных измерений. интегратор для магнитных измерений. PS/5M/ Mote 77-2. Технический отчет ЦЕРН, 1977 (прототип).

SJ

1

(TJ S).

1

« «

4

CM

I

t .U Еш I I I %W7., Вшодд SfO/fSf poSofWfl ctxfx f . триггера f2 выхода блока (fx ffuрошиесишАО yapsfSAetfu дыход m/fueeepa/ dbffOfff fftWCt oopms)Ooa//i/9 tvtMi tffyafoA BvxaSlSAOfi gjppffupoSoffo сшнала yap.