книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

проксимации изменение времени переходного процесса и статической

точности прибора лежит в допустимых пределах.

Проведенные в ЛПИ имени М. И. Калинина экспериментальные исследования макета компаратора показали следующие результаты: чувствительность 1 мсек/в, погрешность порядка 0,2%, предел изме­

рения 100 в, время установления показаний 2 сек.

Приборы с ШИМ при линейных входном и обратном преобразова­ телях удобно выполнять с двухполярным импульсным делителем на­

пряжения (рис. 13-6). Выходное напряжение Ux усилителя в цепи К посредством широтно-импульсиого модулятора ШИМ, например уп­

равляемого одновибратора, запускаемого с постоянной тактовой ча-

JO m цепи К) Ох

связи (для уменьшения влияния длительности переключения ключа К г)

и пропускает в течение положительного полупериода этого сигнала

импульсы от того же генератора который через делитель частоты

Д г запускает ШИМ. Таким образом, если коэффициент деления Д г

равен N t, то для числа импульсов в пачке Nx (с точностью до дискрет­ ности) справедлива пропорция N JN X= \ I T N-

Следовательно, средняя частота импульсов на выходе ключа /С3

U = N XU = N ^ .

Таким образом, измеряемая вёличииа может быть представлена

отрезком времени тл., числом импульсов Nx, средней частотой /ср и

относительной длительностью (фазой) <р/2я = тJ T N. Из этих величин

методически правильно подвергать дальнейшим преобразованиям Nx или <р, так как остальные величины зависят не только от отношения J / I N, но и от частоты /0. Однако число импульсов в пачке Nx обычно

мало, так как частота пачек fv является несущей частотой системы и не может быть выбрана малой. Поэтому приходится пропускать на вход

счетчика не одну, а некоторое число N 2 пачек, определяемое коэффи­ циентом деления делителя Д 2 (рис. 13-6). При этом цифровая часть прибора приобретает вид фазометра с постоянным измерительным временем [36 ] с той лишь разницей, что число пачек на входе счетчика всегда целое.

Для уменьшения погрешности от дискретности числа Nx целесо­

образно вводить дополнительную модуляцию длительности хх перио­

дическим сигналом частоты, кратной /vWiW2= 1!ТСЧ, с тем, чтобы сред­ нее значение этого сигнала за время Тсч было равно нулю. С этой

целью удобно вводить помеху промышленной частоты и выбирать

время Гсч кратным ее периоду.

Примером прибора такого типа является цифровой манометр с не­

уплотненным поршнем и магнитоэлектрическим обратным преобра­ зователем, разработанный в ЛПИ имени М. И. Калинина [298, 299]. В этом приборе /0 = 256 кгц, Nt= 2е, JV2 = 210. Манометр имеет пре­ дел измерения 300 m /м2; чувствительность 10 имп!(кн/м2), порог чувст­

вительности 0,1 кн/м2\ абсолютная погрешность в нормальных усло­

виях не превышает 0,3 кн/м2 (0,1%), дрейф нуля составляет 0,1% за

сутки.

По подобной же схеме был выполнен цифровой компаратор для

измерения мощности на основе компаратора типа Ф-13 с электродина­

мическим входным и магнитоэлектрическим обратным преобразовате­ лями [303]. Погрешность компаратора порядка 0,1%.

13-3. Цифровые приборы уравновешивания интегрального значения измеряемой величины

Общая структура прибора уравновешивания интегральных зна­

чений измеряемой и образцовой величин представлена на рис. 13-7.

Величина Х ± через ключ K i поступает на интегратор И в течение времени хх, пока выходной сигнал интегратора не достигнет уровня дискриминации. При достижении уровня дискриминации U0 импульс поступает на формирователь времени ФВ, и на задаваемое формиро­ вателем время rN выключается ключ К х и включается ключ Кг В те­

чение времени rN на вход интегратора поступает величина Х2, обрат­

ная по знаку X t и уменьшающая выходной сигнал интегратора. По

истечении времени xN на вход интегратора снова подается величина X v

и процесс повторяется. Если одна из величин известна, например, X i = XN, то время хх пропорционально Х г — Хах, т. е.

Приближенно можно оценить максимальную погрешность от из­

менения постоянной интегрирования формулой

^ ^6/Х.

У дых.инт

Рис. 13-9. Временная диаграмма при изменении постоянной интегрирования

Более существенной является погрешность от дрейфа нуля интег­

ратора:

где АХ — приведенный ко входу прибора дрейф нуля интегратора.

ти

Если по-прежнему считать J X2dt = пХ2т;У, то эту погрешность

о

можно выразить упрощенной формулой

Приборы уравновешивания интегральных значений образуют це­

лую группу приборов, имеющих различные структурные схемы и раз­ личные функциональные связи между измеряемой и выходной вели­ чинами в зависимости от того, чему равны величины и Х 2 или по

существу действия прибора каким выбрано время интегрирования

измеряемой и образцовой величин. Однако обязательными звеньями

структурной схемы любого прибора уравновешивания интегральных

значений являются интегратор и ключи, переключающие входные

величины интегратора.

Возможные варианты реализации структурных схем представлены в табл. 13-4. Линейные зависимости Квых = К Х вх обведены в таб­

лице жирными линиями.

Первые шесть типов приборов работают только при входном воз­

действии одной полярности, и к ним требуется переключатель поляр­ ности.

В том случае, если выходная величина прибора зависит от времени

оно должно быть заданным и дискриминатор имеет один уровень

нулю.

Впримечании к таблице указаны известные в литературе приборы,

воснове которых лежат описываемые закономерности. Вольтметр

фирмы «Солартрон» имеет структурную схему, представленную на рис. 13-10 [307].

Втечение времени тх на вход интегрирующего усилителя ИУ по­ дается напряжение UX9 и ключ К3 в это время закрыт. Когда выход­ ной сигнал интегрирующего усилителя достигает уровня дискрими­

натора UQ, открывается ключ Ki и через него проходит импульс с

генератора, открывая на время = 1 /kfN ключ К3 и подключая источ­

ник стабилизированного напряжения Ст^ ко входу И У. Таким обра­

зом, на вход интегрирующего усилителя в течение времени %х посту­

пает сигнал Uх, а в течение времени — сигнал Ux — UN. Как видно

из табл. 13-4 (V-7), выходная частота преобразователя в этом случае

пропорциональна входному напряжению Vх, а именно:

Для измерения частоты fx импульсы, открывающие ключ К3> по­

ступают на счетчик импульсов СИ через ключ /С2. Время измерения задается делителем частоты ДЧ, имеющим емкость N0.

Временная диаграмма преобразователя представлена на рис. 13-11. Импульсы генератора Г N, проходящие через ключ Kv отмечены штри­

ховкой. Очевидно, что в схеме прибора, так же как и в приборе с ча­

стотно-импульсной модуляцией (см. рис. 13-3), должны быть преду­ смотрены логические связи, не позволяющие проходить через ключ К г

импульсам а, б, в, которые уже действуют на его входе к моменту по-

Рис. 13-11. Временная диаграмма

явления сигнала с дискриминатора. Поскольку частота генератора и выходная частота преобразователя напряжения в частоту не синхро­ низированы, наблюдается неравномерность (низкочастотные колеба­ ния) периода ТХ9 с которым следуют импульсы.

Максимальный сигнал на выходе интегрирующего усилителя бу­ дет, очевидно, при максимальном входном напряжении, причем в наи­ более неблагоприятном случае (рис. 13-11) время интегрирования после достижения выходным напряжением уровня дискриминации может составлять еще At = 1jfN. Таким образом, линейный диапазон

интегрирующего усилителя должен превышать уровень дискримина-

Структурную схему рис. 13-7 можно с небольшими изменениями использовать также и для измерения действующих значений пере­ менных токов, напряжений и мощности [3001.

Цифровой интегрирующий акселерометр [308] построен по струк­

турной схеме рис. 13-12.

На переуспокоенный маятник длиной I и массой пг действует раз­

ность измеряемой силы F^ — mx" и силы уравновешивания F{Jl =

= Роп/р, пропорциональной среднему току / р в неподвижных катуш­

ках. При очень сильном демпфировании можно пренебречь моментом инерции маятника и моментом, возникающим от действия силы тя­ жести при отклонении маятника, по сравнению с моментом успокое­

ния Му = Р 1 ^ ~ . Такое звено может быть с достаточным приближе­

Перемещение маятника воспринимается преобразователем неравно­ весия, например емкостным, питаемым от генератора Г г. Сигнал этого преобразователя после усиления и выпрямления подается на триггер

Шмитта ТШ, который имеет релейную характеристику. Триггер ТШ

Рис. 13-12. Структурная схема цифрового интегрирующего акселерометра

переключает ключи Кг и К 2 по достижении маятником двух крайних положений — Ô и + 6 по угловому перемещению. Таким образом,

прибор имеет два уровня дискриминации по перемещению.

Триггер Тг опрокидывается первым тактовым импульсом, посту­

пающим с генератора Г г после перехода триггера Шмитта из одного состояния в другое, и управляет ключом Кя, переключающим направ­ ление стабилизированного тока I N в катушке обратного преобразо­

вателя.

При отсутствии входной силы система находится в режиме автоко­

лебаний с периодом T0—4bP/FN, где FN= $ onIN (пока предполагается,

что частота тактовых импульсов много выше частоты автоколебаний). При действии входной силы скорость движения маятника в одну сто­

рону увеличивается, в другую — уменьшается, и один и тот же путь

2S проходится за разное время: тх и т2. Период колебаний маятника

определяется формулой

1

P N + f *

\Р