книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

Поскольку триггер Т г синхронизирован генератором тактовых

импульсов, то импульсы тока, поступающие от стабилизатора, и, следовательно, импульсы уравновешивающей силы, действующие

во время и т2, можно разбить на элементарные порции, длитель­

ность которых равна периоду тактового импульса. Очевидно, что если

сила, действующая на вход прибора, такова, что ее интегральное зна­ чение за время хг + т2 не может быть уравновешено целым числом элементарных порций, то число этих порций в периоде автоколебаний

будет изменяться. Для пояснения этого обстоятельства на рис. 13-13

представлена диаграмма сигналов при частоте тактовых импульсов {/г,

Рис. 13-13. Временная диаграмма интегрирующего акселерометра с тактовыми импульсами

сравнимой с частотой автоколебаний, и входной силе, для уравнове­

шивания которой требуется дробное число импульсов. Из диаграммы видно, что при этом на относительно высокочастотные колебания ма­ ятника накладываются еще колебания низкой частоты.

Как следует из описания принципа действия, в приборе интеграль­ ное значение входной силы Рх за время хг + т2 уравновешивается интегральным же значением образцовой силы FN за время х{ — т2.

Из табл. 13-4 (XI-9) видно, что в этом случае входной величине про­

подаются на реверсивный счетчик импульсов РСИ, на шины направ­ ления счета которого сигнал подается с триггера ТА. Таким образом, счетчик накапливает разность средних частот положительных и от­

рицательных элементарных порций. Показания реверсивного счет­ чика за время tx

и пропорциональны интегралу ускорения, действующего на маятник,

т. е. скорости объекта. Выходной характеристикой прибора является

количество импульсов на единицу скорости.

При действии на вход прибора весьма малого ускорения и измере­

нии малой скорости импульс регистрируется счетчиком один раз за

несколько периодов автоколебаний.

В работе [309] приводятся технические характеристики макета велосиметра, построенного по структурной схеме, аналогичной схеме

рис. 13-12. В качестве датчика в приборе использован акселерометр

«Доннер 4310». При входном ускорении до + 0,5 g велосиметр имеет

чувствительность от 6 мм/сек на импульс до 0,30 м/сек на импульс, при входном ускорении до + 50 g его чувствительность может изме­

няться от 0,6 м/сек на импульс до 30 м/сек на импульс. Предел изме­

рения по ускорению зависит от тока стабилизатора. Изменение чувст­

вительности производится изменением частоты генератора тактовых импульсов, которая регулируется в пределах 10 — 1000 гц.

13-4. Интегрирующие приборы уравновешивания с индукционными токовихревыми преобразователями (вращающимся магнитным полем]

На рис. 13-14 представлена принципиальная конструкция датчика уравновешивания, используемого в приборах для измерения ускоре­

ния и скорости в системах инерциальной навигации [311 ] (интегрирую­

щий акселерометр).

Рис. 13-14. Принцип конструкции интегрирующего ак­ селерометра

При действии ускорения х’х маятник, образованный массой маг­

нита 1 и подвеса 2, отклоняется, и усиленный сигнал преобразователя

недокомпенсации 3 (например, емкостного) подается на двигатель. Двигатель со скоростью © вращает металлический диск, расположен­ ный в зазоре постоянного магнита с индукцией В. Силы, возникающие

в индукционном преобразователе между постоянным магнитом и то­

ками, наведенными в диске, возвращают маятник в положение равно­

ликвидации момента, обусловленного аэродинамическими силами,

вызывающими погрешность линейности, между диском и магнитом

располагают тонкий «ветровой» экран 4. Выходной величиной датчика

является скорость двигателя. Скорость вращения преобразуется в ча­ стоту импульсов напряжения и из­ меряется частотомером или счетчи­ ком. Показания частотомера про­ порциональны измеряемому уско­

рению, показания счетчика — ско­

рости.

та и проводимости материала. Эти

величины весьма стабильны во времени, но зависят от температуры.

Дальнейшим развитием описанного устройства является цифровой

интегрирующий прибор для измерения тока, напряжения или мощ­

ности и их интегралов (счетчиков ампер-часов, вольт-часов и энергии [301, 306]. Этот прибор (рис. 13-15) отличается от прибора по схеме

рис. 13-14 только тем, что в нем применен первичный преобразова­ тель (ПП), линейно преобразующий электрическую величину во вра­ щающий момент Мх9 а вместо диска вращается магнит. Для измере­

ния тока или напряжения применяется магнитоэлектрический ПП, а

для измерения мощности — электродинамический или ферродинами-

ческий. Принцип действия прибора ясен из рисунка. Скорость враще­ ния магнита (частота /) пропорциональна измеряемой величине, а

показания счетчика — интегралу измеряемой величины. Цифровой

дважды интегрирующий акселерометр, описанный в книге [294], схематически изображен на рис. 13-16. Принцип действия, положенный

в основу прибора, использовался значительно ранее в указателях вертикали [304].

Разбалансированный эксцентричным грузом т и действующий,

как маятник, статор двигателя С укреплен на опорах с малым тре­ нием, позволяющим ему отклоняться относительно нулевого положе­

рению объекта. Усиленное напряжение подается на статор двигателя.

Ротор двигателя Р с короткозамкнутыми витками типа «беличья клетка» должен обладать малым моментом успокоения. Угловое уско­

преобразователя легко преобразуется в частоту и может быть изме­ рена частотомером и счетчиком. Показания частотомера пропорцио­

нальны скорости объекта, показания счетчика — пути, пройденному

объектом.

ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ДАТЧИКОВ

14-1. Обзор специальных применений

Благодаря сочетанию дискретных и непрерывных свойств частот­

ного сигнала [317] частотные датчики удобно использовать в раз­ личных специализированных аналого-цифровых устройствах.

Цифровое интегрирование путем непрерывного счета выходных импульсов частотного датчика находит применение для измерения импульса силы при испытаниях ракетного двигателя [345], для вы­

работки команды на отсечку двигателя ракеты при достижении оп-

ределенного значения интегралом ее продольного ускорения [309]. для определения площади пиков при хроматографическом анализе

1341 ], для измерения магнитной индукции при испытаниях ферромаг­

нитных материалов [342], в сельском хозяйстве для определения сро­ ков полива исходя из дозы солнечной радиации, полученной расте­

нием [338], для построения счетчиков электроэнергии, количества

электричества, расхода жидкостей [340] и газов [351 ] и т. д. (см. также гл. 12, 13).

В г. Харькове разработаны универсальные частотно-цифровые

интеграторы [317], предназначенные для работы в частотно-ферроди- иамической системе элементов [318] и рассчитанные на широкое при­ менение в промышленности при измерениях расходов веществ, элек­ троэнергии и т. д.

Рис. 14-1. Структурная схема вольтметра с интегри рованием и уравновешиванием

Усреднение помех путем интегрирования измеряемой величины за период помехи широко применяется при построении цифровых вольт­

метров с преобразованием напряжения в частоту (см. гл. 13). Не­ сколько более сложным случаем является использование того же метода в вольтметре дискретного уравновешивания [346]. В этом при­ боре первые три знака отсчета получаются, как в обычном интегри­ рующем вольтметре, с помощью преобразователя напряжения в частоту. Затем результат преобразуется в постоянное уравновешиваю­ щее напряжение, и следующие два знака получаются снова преобра­

зованием в частоту, но уже разности между измеряемым и уравнове­ шивающим напряжениями (рис. 14-1). При этом сохраняется свойство усреднения сетевых помех, присущее интегрирующим вольтметрам,

и обеспечивается более высокая точность, свойственная приборам дискретного уравновешивания.

Измерение переменных напряжений — задача, прямо противопо­ ложная усреднению помех, тем не менее она столь же успешно ре­ шается с помощью частотных датчиков. Цепь строится так, чтобы ин­

тегралы входной величины за каждый полупериод складывались ариф­ метически. Известно несколько способов осуществления такой цепи. В ЛПИ имени М. И. Калинина предложен метод измерения с использо­ ванием двух дифференциально включенных управляемых генераторов и обычного незнакочувствительного смесителя, выделяющего разиост-

ную частоту [319, 320]. Эта частота усредняется путем счета либо в течение целого периода входного напряжения, либо в течение по­

стоянного интервала времени, многократно превышающего период

входного сигнала (рис. 14-2). В последнем случае результат счета не­

зависимо от частоты сигнала приблизительно пропорционален его среднему (точнее, средневыпрямленному) значению, в первом случае результат представляет собой точное до погрешности квантования

среднее значение, умноженное на длительность периода входного

сигнала.

Первый вариант более пригоден для низких и инфранизких ча­ стот, второй — для более высоких. В совокупности оба варианта

перекрывают диапазон от долей герца до десятков килогерц. Более подробно свойства приборов этого типа рассмотрены в § 14-2.

Рис. 14-2. Структурные схемы вольтметров переменного тока с усреднением разности частот генераторов: а — за период входного сигнала; б — за несколько периодов входного сигнала

В Азербайджанском институте нефти и химии имени М. Азизбе-

кова предложен несколько иной метод. Здесь требуется лишь один

управляемый генератор и реверсивный счетчик, который работает на

сложение в один полупериод и на вычитание в другой полупериод входного сигнала [334]. Переключение счетчика производится уст­ ройством управления реверсом (типа амплитудного дискриминатора). Достоинством такого устройства является возможность фазочувстви­ тельной работы при управлении реверсом счетчика от независимого источника напряжения той же частоты, что и измеряемое.

Еще один вариант прибора для измерения переменных напряже­ ний описан в статье [339]. В нем используется нереверсивный счетчик и только один «двусторонний» преобразователь напряжения в частоту,

выходная частота которого линейно возрастает при отклонении вход­

ного напряжения в любую сторону от нуля.

Структурная схема «двустороннего» преобразователя показана на

рис. 14-3. По существу это есть интегратор с принудительным возвра­

том (см. § 1-3), построенный так, что цепь возврата срабатывает при

нарастании на конденсаторе как положительного, так и отрицатель­

ного напряжения, когда это напряжение достигает определенного уровня, в данном случае ± 100 мв. Выходным сигналом преобразо­

вателя являются продифференцированные импульсы возврата, по­

лярность которых зависит от полярности входного напряжения, по­ этому «двусторонний» преобразователь может одновременно выпол­ нять и функции дискриминатора для выявления полупериодов вход­ ного сигнала.

Счетчик усредняет выходную частоту «двустороннего» преобразо­

вателя в течение целого периода входного сигнала (при этом поляр­ ность выходных импульсов преобразователя не учитывается) или за

любой полупериод. В упомянутой статье [339] приведена полная

схема преобразователя, который дает выходную частоту 1000 гц при входном напряжении 5 в и обеспечивает погрешность менее ± 1%.

Следует заметить, что идея измерения переменной величины пу­

тем усреднения соответствующей ей частоты за период (или половину

Рис. 14-3. Структурная схема «двустороннего» преобразова­ теля

Ус1 и Ус2 — усилители со смещением

периода) полезного сигнала по существу не нова: она была предло­

жена ранее для измерения девиации частоты ЧМ-колебаний [337, 343]. Аналогичная техника применялась при исследовании динами­ ческих свойств самих частотных датчиков [323, 333].

Частотно-фазовые и частотно-цифровые узлы астатических систем

пока мало распространены, но безусловно перспективны. Дело в том,

что сочетание двух дифференциально включенных преобразователей напряжения в частоту с фазовым демодулятором или реверсивным

счетчиком импульсов представляет собой едва ли не единственный,

если не считать химических интеграторов, пример чисто интегрирую­ щего звена без вращающихся частей. Такие звенья могут применяться для замены двигателей в маломощных астатических системах регули­

рования. Один из немногих примеров использования частотно-фазо­ вого звена описан в американском патенте [347]. Предлагаемый опе­ рационный усилитель содержит управляемый генератор, генератор

постоянной частоты и фазовый демодулятор, преобразующий разность

фаз выходных сигналов этих генераторов в постоянное напряжение,

которое и является выходным напряжением усилителя. Благодаря

бесконечно большому коэффициенту усиления на нулевой частоте

такой усилитель должен хорошо работать при низких частотах вход­ ного сигнала» Охватывая его различными обратными связями, можно

осуществить масштабный усилитель или ЯС-интегратор.

Частотно-цифровое интегрирующее звено содержит вместо фазо­ вого демодулятора реверсивный счетчик с цепью вычитания частот (см» гл. 10) на входе и преобразователем код—аналог на выходе. Его

достоинством по сравнению с частотно-фазовым звеном является по­

тенциально более высокая точность, недостатком — квантование вы­ ходной величины по уровню. Последнее можно устранить, комбини­

руя счетчик с фазовым демодулятором, пилообразная характеристика

которого заполняет ступеньки в характеристике цифрового звена

[321]. Для точного согласования масштабов этих характеристик ре­

комендуется использовать преобразователь код—аналог с двумя оди­

наковыми весовыми сопротивлениями младшего разряда, одно из

которых обычно не коммутируется, и коммутировать это сопротивле­ ние триггером, выполняющим роль фазового демодулятора.

Частотные нуль-органы строятся как сочетание двух генераторов,

один из которых (или оба при дифференциальном включении) управ­

ляется разностью сравниваемых величин, и зиакочувствителыюй цепи вычитания частот (см. § 10-1). В зависимости от знака разности

сравниваемых величин выходные импульсы появляются либо на од­

ном, либо на другом выходе цепи вычитания частот. Такие нуль-ор­

ганы могут использоваться для сравнения как электрических, так и

неэлектрических величин в различных устройствах автоматики и из­

мерительной техники.

Известны случаи использования нуль-органов с частотной моду­

ляцией в аналоговых устройствах. Так, в статье [344] описан нулевой дифференциальный манометр, в котором сильфон, являющийся чувст­

вительным элементом, перемещает пластину емкостного преобразо­ вателя, включенного в контур генератора. Нулевой отсчет произво­ дится по нулевому значению разностной частоты управляемого и

опорного генераторов. В американском патенте [348] предложена сле­ дящая система с частотным нуль-органом из двух генераторов с двумя

емкостными преобразователями в контурах, отработка производится двигателем до полного исчезновения разностной частоты генераторов. Однако наиболее полно достоинства частотных нуль-органов выяв­ ляются в цифровых системах.

В ЛПИ имени М. И. Калинина предложены цифровые приборы

нуль-орган включается в обычную цепь следящего дискретного урав­

новешивания, состоящую из реверсивного счетчика импульсов с от-

счетным устройством и преобразователя код—аналог. Получившаяся

структура представляет собой по существу частотно-цифровое интег­

рирующее звено, охваченное жесткой обратной связью. Такие при­ боры имеют ряд интересных свойств, характерных как для аналого­

вых, так и для цифровых систем. Более подробно они рассмотрены в § 14-3.

Моделирование процессов в нервных клетках, с одной стороны, помогает понять механизм их работы и, с другой стороны, является

предпосылкой возможного использования биологических принципов

в устройствах измерительной и вычислительной техники. Можно счи­ тать установленным, что реальный нейрон имеет как непрерывные,

так и дискретные свойства, причем механизм обработки информации

всамой клетке является непрерывным, а дискретный механизм ис­ пользуется в основном для помехоустойчивой передачи информации

частотно-импульсной модуляцией на относительно большие расстоя­

ния [332].

Типичная модель нейрона и синапса (соединения между нейро­

нами) [322, 335] состоит из резистивного сумматора, фильтра и ре­ лаксационного управляемого по ча­

стоте генератора.

Одиночный экспоненциальный им­ пульс, действующий на один из вхо­ дов модели нейрона, может вызвать,

взависимости от настройки цепи, ге­

лением информации очень немногочисленны из-за больших матема­ тических трудностей [326, 349].

Регулирование скоростей вращения с помощью частотно-цифровых

и частотно-фазовых устройств применяется тогда, когда более простые аналоговые регуляторы не обеспечивают необходимой точности. Ча­ стотные регуляторы обладают тремя достоинствами: возможностью точного и стабильного задания уставок с помощью кварцевых гене­

раторов с регулируемыми делителями частоты, возможностью точного

измерения регулируемой скорости и удобством осуществления ин­ тегрального регулирования, обеспечивающего отсутствие статических погрешностей. Структурная схема частотно-цифровой системы регу­ лирования скорости [350] показана на рис. 14-4. Данная система яв­

ляется астатической, так как в цепи имеется частотно-цифровое ин­

тегрирующее звено.

Частотно-фазовые системы регулирования строятся аналогичным

образом, но оказываются проще частотно-цифровых, так как не тре­

буют цепи вычитания частот, счетчика и преобразователя код — ана­

лог. Вместо всех этих звеньев используется фазовый демодулятор,

который может быть построен по типу фазовых компараторов умно­ жителей с обратной связью (см. § 11-3), на основе генератора пилооб­

разного напряжения с диодным или транзисторным ключом и запоми­

нающей емкостью. Возможен также вариант фазового демодулятора с двумя поочередно работающими генераторами пилообразного напря­ жения, емкости которых по очереди выполняют функцию памяти

[312]. При достаточно высокочастотном датчике (например, на ос­

нове магнитного барабана [313]) такие системы поддерживают по­ стоянной не только среднюю скорость вращения, но и мгновенную

скорость в течение одного оборота, а также позволяют измерять коле­

бания мгновенной скорости регулируемого объекта по выходному сигналу фазового демодулятора [314]. В отличие от ранее описанной

частотно-цифровой системы регулирования средней скорости здесь

требуется строгая равномерность следования импульсов, частота

которых соответствует уставке. По этой причине вместо управляемых

делителей частоты для задания уставки целесообразно использовать декадные синтезаторы частоты, дающие большой набор образцовых

частот, получаемых из одной исходной частоты с помощью умножите­

лей, делителей и смесителей.

Перемножение частоты на длительность, число или напряжение

находит применение в приборах для косвенных измерений, например

предназначенных для измерения мощности на валу двигателя или

электрической мощности. Такие измеряемые величины рассматриваются

как произведения двух более простых величин, в данном случае мо­

мента и скорости вращения, или напряжения и тока. Соответствующий цифровой прибор должен содержать два преобразователя, которые

преобразуют один сомножитель в частоту, а другой — в длительность отрезков времени, число импульсов или напряжения, которые затем и умножаются на частоту.

Перемножение частоты на длительность производится путем одно­ кратного или периодически повторяющегося заполнения отрезков времени, имеющих данную длительность, импульсами данной частоты.

Принцип действия ваттметра этого типа описан более подробно в

§ 14-2 (см. также [36], гл. 24).

Перемножение частоты на число импульсов может быть выполнено с помощью устройства, которое в ответ на каждый импульс частотно-

модулированного сигнала генерирует столько импульсов, сколько

содержится во втором сомножителе. Выходной величиной такого пе­ ремножающего устройства является средняя частота неравномерно следующих импульсов. Примером подобного устройства может слу­

жить измеритель мощности на валу [324]. Датчик этого прибора пред­ ставляет собой фотоэлектрический торсиометр, состоящий из двух

дисков, закрепленных на упругом участке вала. В одном из дисков

прорезаны узкие радиальные щели, а в другом — более широкие пря­

моугольные отверстия. Свет от осветителя на фотоэлемент попадает

в том случае, если щель одного диска становится против отверстия

на другом диске. Шаг щелей несколько отличается от шага отверстий,

так что в зависимости от величины крутящего момента открывается