книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот
..pdfПредложенные нами схемы автоматических ЦТО и ЦТЧ вы годно отличаются от выпущенных за рубежом и отечественных промышленных тахометров типа ЧК-3-29, Ф-482 и Ф-487 своими метрологическими и техническими характеристиками. Эти преиму щества сохранятся и в одиопредельных тахометрах.
Однако известные ЦТ не могут измерять низкие скорости вра щения, так как не обеспечивают требуемого быстродействия, кото рое, как было показано в первой главе, резко падает с уменьше нием скорости. Потребность в выпуске таких приборов ощущается
Рис. 4-11. Функциональная схема одиопредельного ЦТП.
все более остро. По данным Киевского института автоматики диа* пазон подлежащих измерению скоростей современных мощных станов непрерывной прокатки не превышает 150—600 об/мин,, а измерения должны выполняться с приведенной погрешностью не более ±0,1% при времени измерения 0,1—0,01 сек. Такие ЦТ не обходимы как при настройке клетей этих станов и контроле за их скоростью, так и при прокатке, испытаниях различных инерциаль ных систем, систем астронавигации и др.
Развернутая схема разработанного для низкооборотных уст ройств и механизмов ЦТП, который по-новому решает задачу из мерения скоростей малооборотиых двигателей и механизмов, по казана на рис. 4-11. Такой ЦТП предназначен для измерения угло вых скоростей в диапазоне до 250 об/мин за интервал времени, ■равный одному или нескольким периодам Тх импульсов ДУС, и представления результата измерения непосредственно в «об/мин» с приведенной погрешностью ±0,1%. В ЦТП измеряется один или несколько периодов ТХ1 а после этого в течение небольшого фик сированного промежутка времени полученное число Ыъ преобра зуется в число Na, пропорциональное скорости вращения, которое воспроизводится ЦОУ во время очередного квантования времен ного интервала. Преобразование Nb~+Na проходит с помощью де лителя частоты с цифровой обратной связью (рис. 3-18). Рассмот-
‘рим однопредельный вариант ЦТП, в котором в течение одного временного интервала, кратного Тх, осуществляется квантование его значения, а в течение следующего — преобразование Nb-+Na и воспроизведение результата. ЦОУ выполнено трехдекадным, а оба счетчика — вычитающий ВМСИ и счетчик делителя с цифро вой обратной связью МСИ — четырехдекадными. При их построе нии использованы соответственно коды 1—2—1—5 и 1—2—4—2. Частота следования импульса тактового генератора (ГТЧ) равна •4000 гцу а на выходе его делителя ДТЧ — 400 гц. ОМВ содержит ГОЧ и делитель ДОЧ. Частота ГОЧ равна 12 кгц, а коэффициент деления ДОЧ — 720. ЦТП работает в режиме периодических изме рений. Импульсы ЛУС после формирования с выхода F поступают на вход управляющего устройства Д либо непосредственно, -либо после деления их частоты делителем ДЧ для уменьшения погреш ности выделения периода Тх. Блок Д управления работой ЦТП выдает по-прежнему ряд сдвинутых во времени управляющих им пульсов, но разделительные временные интервалы между ними, в отличие от рассмотренных выше, различны и значительны. Первый импульс сбрасывает ВМСИ; второй — открывает схему /Л на вхо де ВМСИ и удерживает ее открытой в течение всего квантуемого временного интервала; третий — устанавливает триггеры МСИ в исходное нулевое положение и включает триггеры ДОЧ; четвер тый включает Из, благодаря чему на входе И2 появляется отпи рающий потенциал, существующий в течение нормируемого отрезка времени, определяемого значениями частоты ГОЧ и коэффициента деления ДОЧ; а пятый — выдает результат измерения. Квантова ние временного интервала, кратного ТХ, производится импульсами с частотой следования 400 гц, которые снимаются с выхода ДТЧ. При этом в ВМСИ фиксируется число Noc, определяемое уравне нием (3.78)
Noe = i О4— N i, |
|
Затем начинается преобразование |
С открытием схемы # 3 |
первый импульс ГОЧ переводит триггеры ДОЧ из единичного ис ходного состояния в нулевое. Управляемая последним триггером ДОЧ схема И2 открывается и импульсы ГТЧ с частотой следовавания 4000 гц поступают на вход делителя частоты с цифровой обратной связью. Время, в течение которого происходит это преоб разование, нормировано и равно 0,06 сек. В соответствии с форму лой (3.82) в счетчике МСИ будет зафиксировано следующее число:
i ^ g e i
(4.30)
ю
которое численно равно измеряемой скорости вращения в об/мин. После окончания преобразования Nb-*-Na импульс с выхода ДОЧ запускает схему блока управления Д и, появляющийся на выходе 5 импульс, включает ЦОУ для воспроизведения полученного ре зультата. С поступлением следующего импульса ДУС весь цикл измерения повторяется.
Другой путь повышения быстродействия ЦТЧ и ЦТО, а также ЦТП — применение специальных ДУС, способных обеспечить за каждый оборот формирование значительно большего числа им пульсов ро, обладающих почти прямоугольной формой с практи
чески неизменной амплитудой.
Новый тип такого датчика, основанного на эффекте Баркгаузена, который преобразует угловое перемещение в последовательность импульсов *, вызванных скачками Баркгаузена, состоит из следующих основных элементов: постоянного магнита или электромагнита, протяженного ферромагнетита в виде кольцевой ленты и одной или двух катушек -индуктивности. Протяженный ферромагнетик, обладающий доменной структурой, представляет собой квантованный естествен ным образом носитель, перемещение которого индуктирует в катушке импульсы э. д. с. В диапазоне скоростей 0,01—3 об/мин зависимость между частотой сле дования индуцируемых импульсов и угловой скоростью — линейная. Подавая на вход ЦТЧ после их значительного усиления (до 10е), можно обеспечить
измерение скорости |
вращения |
с высокой точностью и малым временем преобра- |
|
л |
ДУС |
* |
1000 гц |
зования. Описанный |
обеспечивает чувствительность — ------ при диаметре |
||
|
|
|
об/мин |
120 мм и высоте вместе с валом 30 мм.
Предложенные ранее авторами два оригинальных оптико-механических ДУС,
увеличивающих ро в |
значительно |
более широком диапазоне скоростей враще |
ния **, обеспечивают |
умножение |
частоты следования импульсов, формируемых |
ими. В одном из них для увеличения ро использован метод нониуса, при реали
зации которого к основной считывающей |
фотоголовке добавлены нонпусные |
в составе автономных источников света и |
фотоприемников. Конструктивно ро |
тор ДУС выполнен в виде полого непрозрачного цилиндра, имеющего на поверх ности m радиальных щелей с угловым интервалом Аа, a статор — в виде ста нины с концентрическим пазом, с одной стороны которого расположены источ ники света, а с другой — фотодиоды. В станине также расположен шарикопод шипник оси ротора, приводимого во вращение осью исследуемого вала. Вра щаясь в пазе статора, ротор периодически прерывает световой поток одного из (/г+1) светящихся тел, благодаря чему на выходе схемы формирования ДУС образуется унитарная последовательность импульсов, число которых за каждый оборот ротора — р о = т -л . Очередность прерывания светового потока и получе ние равномерной последовательности обеспечивается тем, что основная и нониусные головки расположены на станине статора друг относительно друга на угло вом интервале а ', равном
где Л=1, 2, 3 ,... — некоторый коэффициент, определяющий разнос между го ловками ДУС. При диаметре ротора 125 мм удалось получить т = 6 0 и л =10, благодаря чему ро= 600. Так как значение ро кратно шести, то этот датчик мо жет работать в комплекте с серийными цифровыми частотомерами и обеспечить получение результата измерения в об/мин. В другом ДУС, являющимся одно временно. преобразователем «угол—код», для увеличения ро использован метод кодирования углового перемещения двоичным циклическим кодом. Конструк тивно ротор датчика представляет собой //-разрядный кодирующий диск е про*- зрачными участками на каждой из п концентрических окружностей. При вращении такого ротора между фотосчитывающими головками прерываются све-
* Л о м а е в Г. В., М е р з л я к о в Ю. М. Тахогенератор с частотно-импульс
ным датчиком, основанном |
на эффекте Баркгаузена. — |
«Приборы и системы |
|
управления», 1971, |
К° 5. |
|
|
** Ж и г а л о |
О. 3., K i p i a n a i t i М. В. Електромехашчш помножувач1-дат- |
||
чики частотн для |
цифрових |
тахометров. Програма XXVII |
науково-техшчло! кон- |
ференцп, Львш, 1970.
товые потоки, падающие на фотодиоды, а на выходе формирователя вследствие этого образуется унитарная последовательность импульсов, число которых на каждый оборот равно ро=2п—1. В настоящее время возможно получение ро= = 131071, так как промышленность выпускает семнадпатиразрядные преобразо ватели «угол—код».
Другая отличительная особенность ДУС, выгодно отличающая их от индук тивных ДУС, — независимость амплитуды формируемых -импульсов от скорости вращения. Благодаря этому в случае их применения можно обеспечить реверси
рование |
валов мощных приводов |
(например, |
судовых |
механизмов ледоколов |
и других |
подобных объектов) при |
практически |
нулевой |
скорости вращения. |
4.2. Вторичные цифровые приборы для частотно-временных измерений
Полученные при разработке ЦТ результаты были использованы для решения важной и общей задачи — разработки семейства уз коцелевых и универсальных вторичных цифровых приборов и пре
образователей (ВЦП) для работы в комплекте с различными ти пами частотных датчиков (ЧД), обладающих линейной характе ристикой преобразования. Простейшие ВЦП, измеряя частоту на выходе ЧД, способны воспроизводить на ЦОУ результаты измере ния непосредственно в единицах измеряемой величины х в широ ком диапазоне ее возможных значений в единицах отклонения Ах от заданного значения х3. Более сложные двухканальные ВЦП,
измеряя одновременно частоты |
двух ЧД, |
способны обеспечить |
|
воспроизведение результата не только в единицах Х\ или |
Дх1# но |
||
и в единицах отношений двух |
измеряемых |
величин Xi/xz, |
относи |
тельной разности между ними, а в случае необходимости — в про центах, промилле и сотых долях процента. Отличительные особен ности первых ВЦП — оригинальные способы обеспечения прямой пропорциональности между N и х ; воспроизведение результатов измерения в единицах х или Ах; измерение частоты с большей точ ностью, чем с помощью четырех знаков отсчета на ЦОУ и внут ренней ОМВ; преобразование двоично-десятичных кодов, приня тых при построении декад МСИ, в десятичный код и др. Схемы таких ВЦП были простыми, вследствие чего они имели себестои мость значительно меньшую, чем себестоимости промышлен ных ЦЧ.
Простейший ВЦП, структурная схема которого показана на рис. 4-12, основан на квантовании значения частоты fx на выходе ЧД за нормированный отрезок 7ц, длительность которого опреде ляется fx и может изменяться в широких пределах для получения именованного в единицах х результата измерения, и на вычитании из полученного числа N начального значения fo частоты ЧД, соот ветствующего нулевому значению х.
Прибор содержит F; |
М С И |
в составе четырех счетных декад СД1—СД4 |
|
с декадными |
задающими |
переключателями 3iV,-, дешифраторами ДШ и лампа |
|
ми цифровой |
индикации; |
ОМВ; |
УДЧ в составе четырех декадных делителей |
ДЧ^—ДЧК с переключателями 3Тщ для задания 7V, устройств логического сло жения и умножения сигналов; устройств автоматического управления в составе управляющего триггера УТг, входящего в состав трех последовательно включен ных ОДновибраторов. Блок задержки запускает и подготавливает к очередному измерению В Ц П . При этом его первый мультивибратор устанавливает требуе мые значения коэффициентов деления частоты ДЧ\—ДУ4 для получения расчет ного значения Т к и записывает в М С И число, пропорциональное начальному значению частоты, впоследствии автоматически вычитаемое из полученного о ре зультате квантования значения частоты /*, а после своего возвращения в исход ное состояние записывает по одной единице в М С И и УДЧ; второй — вклю чает УТг, благодаря чему начинается процесс квантования, а третий мультивиб ратор, который запускается триггером УТг после его возвращения в исходное состояние импульсом переноса на выходе ДЧ, включает ЦОУ и обеспечивает воспроизведение полученного результата измерения. Период релаксации третьего мультивибратора может изменяться, вследствие чего время индикации будет ре гулироваться в пределах от 0,5 до 2 сек. Если переключатель П i установлен в положение «Периодические измерения», то после возвращения в исходное со
стояние |
последнего |
мультивибратора |
начинается очередной процесс измерения |
||||||
|
О М В |
упрощена |
и состоит только |
из одного симметричного мультивибратора |
|||||
с мостовыми время-задающими импульсными элементами |
И М Э . Частота на |
вы |
|||||||
ходе |
О М В может |
устанавливаться вручную |
равной |
10, |
100, 1000 и |
10000 |
гц. |
||
так |
как |
в схеме предусмотрено четыре группы |
по два |
И М Э в каждой, |
переклю |
чающиеся отдельным переключателем. Чтобы обеспечить требуемую стабильность частоты в И М Э , используют слюдяные, фторопластовые конденсаторы и конден саторы типа С СГ, точные манганиновые и регулируемые резисторы, а также предварительно отобранные кремниевые диоды и транзисторы. Более высокоточ
ные измерения возможны при работе |
с внешней О М В . |
На рис. 4-13 показана |
принципиальная схема использованной |
О М В с транзисторным ключом Иг, кото |
|
рый по одному входу управляется с помощью УТг, а по |
другому — мультивиб |
|
ратором через эмиттерный повторитель. |
|
|
Пропорциональность N и х обеспечивают ЗА/^ подобные описан
ным переключателям ЦТ (рис. 4-8). Перед началом измерения с помощью 3N0i—ЗМ)4 в МСИ автоматически записывается расчетное значение числа в обратном коде, пропорциональное f0. Впоследст-
Рис. 4-13. Принципиальная схема образцовой меры времени.
вии оно должно быть исключено из результата измерения, а если не сделать этого, то показание ВЦП будет равно
П '=/зс7'к= {/о+ kx) Тк=По+кхТк, |
(4.32) |
где k — коэффициент пропорциональности ЧД; N0 — показание ВЦП, пропорциональное нулевому значению х. Если же использо вать имеющиеся задающие переключатели ЗА^ то перед измере нием триггеры МСИ устанавливаются в положение, определяемое
числом No в обратном коде N0, равном
No= 10*— А 'о = 10*— (1 0 W * o + lO W a o + lO W a t f + Л Г ю ) =
= (9—Л^4о).103+ (9—N30) 102+ (9—Afeo) 10+9—Л^10+ 1.
Последняя единица записывается автоматически перед началом измерения, что исключает погрешность, возникающую при пере ходе от обратного к прямому коду. После окончания измерения,
исходя из равенства (4.32), к числу N0 будет добавлено число N'. Поэтому показание ЦВП такое:
N - N Q+ N ' = N 0+No+kxTK= W + kxTK.
Так как подача на вход МСИ 104 импульсов равносильна его пере
воду в исходное состояние «0000», то теперь вместо равенства (4.32) получим
N=kxTK.
Получение результата в единицах х непосредственно в данном ВЦП по-прежнему обеспечивается выбором Тк, расчетное значение которого задается переключателями УДЧ и ОМВ. Декадные пере ключатели ЗТ1(г аналогичны ЗЛГог, потому что при построении ДЧ и СД применен один и тот же код 1—2—4—8. Расчетное значение определяется из характеристики преобразования ЧД. В самом об щем случае, когда характеристика преобразования ЧД имеет вид
|
С |
С |
fx = f° + |
p X ИЛИ = |
|
время квантования должно |
, |
О |
быть равно |
или кратно - , то есть |
Значение Тк, вычисленное с требуемым числом знаков, коди руется в двоично-десятичной системе счисления с помощью ЗГк* установкой их ручек в положение Ищ, определяемое значением соответствующего t-ro разряда Тк, а переключателей ОМВ — в одно из четырех положений. Перед началом каждого измерения в УДЧ
записывается значение NiK в обратном коде Niu, а затем на вход подаются импульсы ОМВ, следующие с периодом Т, равным 0,1; 0,01; 0,001 и 0,0001 сек. Через время Тк, равное
TK= T (N in+ N 2K-I0l+ N 3ir 102+W4K- 103):+ T,
на выходе ДЧГ, появится импульс переноса, который выключит УТг. Предварительная запись в УДЧ одного импульса перед на чалом измерения при помощи первого мультивибратора задержки Д уменьшает погрешность задания Тк на величину Т. Увеличение числа ДЧ и УДЧ с четырех, по числу декад в МСИ, до пяти позво ляет пренебречь погрешностью задания интервала квантования.
В ЦОУ по-прежнему использован поразрядный, а не динамический способ индикации, так как число знаков отсчета ВЦП не более четырех. Однако для упрощения ЦОУ и уменьшения стоимости ВЦП в нем применены оригинальные дешифраторы, хорошо зарекомендовавшие себя на практике. Схемы диодно-кон тактных оптимальных ДШ для цифровыделяющих газоразрядных индикаторов с одним анодом (например, ИН-2, ИН-12 и др.) и с двумя анодами (ИИ-4) и индикаторами, у которых цифрозыделение осуществляется с помощью светя щихся тел (проекционные, индикаторы с подсветкой в торец) показаны на рис. 4-44. Эти схемы оптимальны, так как требуют для ‘реализации минимального числа элементов и только по одному переключающему контакту от каждого реле.
-2206 |
|
Оптимальность |
верхней |
схемы |
||||||||
|
достигнута впервые |
благодаря |
ис |
|||||||||
|
пользованию полярных качеств то |
|||||||||||
|
ка |
[55]. |
Максимально |
|
упростить |
|||||||
|
схему и исключить из нее лампоч |
|||||||||||
|
ки |
накаливания |
|
позволяет |
приме |
|||||||
|
нение |
лазерных |
|
диодов, |
работаю |
|||||||
|
щих в импульсах режима, вместо |
|||||||||||
|
имеющихся разделительных. |
|
|
|
||||||||
|
|
Оптимальность |
двух |
нижннх |
||||||||
|
схем достигнута |
также |
впервые |
|||||||||
|
шунтированием |
тех |
ячеек газораз |
|||||||||
|
рядных |
индикаторов, |
|
которые |
||||||||
|
должны быть выключеш»1*. Приме |
|||||||||||
|
нение индикатора ИН-4 более |
|||||||||||
|
предпочтительно, так как не толь |
|||||||||||
|
ко |
упрощается |
схема |
(4 |
диода |
н |
||||||
|
8 резисторов), но и уменьшается |
|||||||||||
|
потребляемая |
мощность |
(всегда |
|||||||||
|
образуется не более одной шунти |
|||||||||||
|
рующей цепочки). |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Схемы экономичных дешифра |
||||||||||
|
торов, |
‘разработанных |
также |
для |
||||||||
|
ВЦП, |
но |
выполненных |
полностью |
||||||||
|
на |
бесконтактных |
элементах, |
по |
||||||||
|
казаны |
па рис. 4-15—4-19. |
Схема |
|||||||||
|
4-15 получена упрощением класси |
|||||||||||
|
ческой: |
методом |
замены |
диодной |
||||||||
|
матрицы |
матрицей |
резисторов |
и |
||||||||
|
упразднения эмнттерных |
повтори |
||||||||||
|
телей |
на |
входе |
транзисторных |
||||||||
|
ключей |
индикатора. Использование |
||||||||||
|
в ней индикатора ИН-4 и инверс |
|||||||||||
|
ных цепей (рис. 4-14) позволило, |
|||||||||||
|
сократить до семи число транзис |
|||||||||||
|
торных |
ключей |
(рис. 4-16). В схе |
|||||||||
h i t |
ме этого ДШ работает только од- |
|||||||||||
на половина лампы — та, которая |
||||||||||||
|
не закорочена открытыми транзис |
|||||||||||
|
торами Т\ и Г2. Поэтому из двух |
|||||||||||
|
ячеек |
индикатора |
(четной |
и |
не |
|||||||
|
четной), подключенных к Тз—Тт, |
|||||||||||
|
будет |
светиться |
|
только |
одна, |
K O J |
||||||
41торая принадлежит включенной |
||||||||||||
|
половине лампы. Из пяти комму |
|||||||||||
|
тирующих ключей Т$—Тп будет |
|||||||||||
|
открыт только тот, потенциал ба |
|||||||||||
|
зы которого больше Е% На базах |
|||||||||||
|
остальных ключей он будет всег |
|||||||||||
|
да меньше этой величины. Такое |
|||||||||||
|
состояние |
обеспечивается |
с |
по |
||||||||
п |
мощью |
матрицы |
резисторов |
оди- |
||||||||
накового |
сопротивления |
и |
|
трех |
Рис. 4-14. Принципиальные схемы опти мальных днодно-контактных дешифраторов.
* |
Б а л я с И. Н., К « Р и а и а- |
||
к и Н. |
В. |
Синтез |
оптимальных |
схем |
контактных |
дешифраторов |
|
цифровых |
индикаторов типа ИИ |
для приборов с образцовой мерой времени. — «Контрольно-измери
тельная техника», 1966, № 3.
разрядных триггеров МСИ или РД. В исходном состоянии, например, таким клк>- чом будет Гд, потому что все три резистора, подключенные к его базе, заземлены. Базы остальных транзисторов подключены либо к источнику коллекторного пи тания через резистор матрицы, либо к делителям этого напряжения, которые образуются резисторами матрицы. Поэтому на базах этих транзисторов будет отрицательный потенциал, меньший чем — Ег.
Рис. 4-15. Схема бесконтактного дешифратора для газо |
|
|
разрядных индикаторов с одним анодом. |
|
|
Дешифратор, схема которого показана на рис. |
4-17, отличается тем, |
что |
в нем использованы оптронные элементы (светящееся |
телофото резистор |
ФС), |
обеспечивающие полное разделение управляющих и исполнительных цепей ДШ. Схема получена непосредственно из схемы на рис. 4-14 заменой контактных клю
чей бесконтактными Схема на рис. 4-18, упрощена благодаря использованию вентильных свойств
лазерных диодов, диодно-фоторезисторных оптронов. Для ее построения доста
точно семи оптронов |
ОП1—ОП7. Преобразование числа, |
записанного в СД в* |
|
* Б а л я с |
И. Н., |
К и р и а н а к и Н. В. Пересчетная декада с цифровой ин |
|
дикацией. Авт. |
свидетельство № 347926. — «Бюлл. ИТЗ», |
Ns 24, 1972. |
коде 1—2—4—2, в его изображение осуществляется так. В исходном положе нии, когда разрядные триггеры СД выключены, воспроизводится цифра «О», так Как ток, достаточный для свечения лазерных диодов, протекает только через диоды оптронов ОП2 и ОПЗ. Вследствие этого сопротивление фоторезисторов уменьшается на несколько порядков по сравнению с сопротивлением неосвещен ных фото резисторов. Через остальные ток не протекает, потому что или их ано ды и катоды подключены к эквипотенциальным точкам СД, или к аноду при ложено отрицательное напряжение. Если © СД будут записаны числа, 0-100, 0010,
Рис. 4-16. Схема бесконтактного дешифратора для газо разрядных индикаторов с двумя анодами.
0111, то ИН-4 будет воспроизводить числа, 2, 4, 8, так как ОПЗ будет выключено, а включенным окажется ОП4 или ОП5, или ОП7. Поэтому напряжение, доста точное для /возникновения тлеющего разряда, будет приложено ос аноду четных катодов индикатора и к одному из катодов 2, 4, 8. Если будет записано число 0110, то включается ОП6 и светится цифра «6». В случае, когда будет записано нечетное число, триггер Тгi включен. Поэтому в этом случае включен ОП1, а, следовательно, воспроизводится цифра 1, 3, 5, 9 или 7.
Используя в обеих схемах оптроны с фотодинисторами и фототиристорами, можно обеспечить запоминание воспроизводимого числа на время очередного квантования до считывания нового значения.