Мостовой измеритель с радиоимпульсным питанием

 

Изобретение может быть использовано при измерении различных электрических и неэлектрических .величин. Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей измерителя. Устройство содержит источник 1 сигнала, измерительный мост 2 с генератором 3 ударного возбуждения, усилители 4 и 8 высокой частоты, генератор 5 коротких импульсов, импульсные фазовые детекторы 6 и 7 и дифференциальный усилитель 9 постоянного тока. Введение усилителя 8 высокой частоты, импульсного фазового детектора 7, дифференциального усилителя постоянного тока и образование новых связей позволяет исключить температурную norpeujHocTb и получить информацию о температуре окружающей контролируемый объект среды, 3 ил. ГО ISP Ф 00 со Фмг./

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5D G 01 R 17 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н двто сном г свидеткльстау сРиг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3806707/24-21 (22) 29.10.84 (46) 23,04.86.Бюл . - 15 (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им.Н.Е,Жуковского (72) В.Я .Баржин, Е .А.Милькевич и А.Е.Сычев (53) 621 . 31 7. 733 (088. 8) (56) Автометрия, 1969, №- 1, с. 99-101.

Авторское свидетельство СССР

¹ 905869, кл. G 01 R 17/10, 1980. (54) МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ С РАДИ01ИПУЛЬСНЫМ ПИТАНИЕМ (57) Изобретение может быть использовано при измерении различных электрических и неэлектрических . величин °

Цель изобретения — повышение точнос„„SU„„3226319 А ти измерений и расширение функциональных возможностей измерителя. Устройство содержит источник 1 сигнала, измерительный мост 2 с генератором 3 ударного возбуждения, усилители 4 и 8 высокой частоты, генератор 5 коротких импульсов, импульсные фазовые детекторы 6 и 7 и дифференциальный усилитель 9 постоянного тока. Введение усилителя 8 высокой частоты, импульсного фазового детектора 7, дифференциального усилителя постоянного тока и образование новых связей позволяет исключить температурную погрешность и получить информацию о температуре окружающей контролируемый объект среды, 3 ил.

12263) 9

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэовано при измерении различных электрических и неэлектрических величин.

Цель изобретения - повышение точ- 5 ности измерений при одновременном расширении функциональных возможностей мостового измерителя с радиоимпульснЬ>м питанием эа счет исключения температурной погрешности и получения информации о температуре окружающей контролируемый объект среды.

На фиг, 1 представлена функциональная схема мостового измерителя с радиоимпульсным питанием; на фиг.2- 15 эпюры, поясняющие принцип формирования последовательности радиоимпульсов; на фиг, 3 — амплитудно-частотный спектр питающей измерительный мост радиоимпульсной последователь- >О ,ности, а также амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики колебательной системы генератора ударного возбуждения.

Устройство содержит последовательно соединенные источник 1 сигнала, измерительный мост 2 с генератором 3 ударного возбуждения на питающем входе и усилитель 4 высокой частоты, К входу генератора 3 ударного возбуждения подключен выход генератора 5.коротких импульсов, который также связан с первыми входами первого 6 и второго 7 импульсных фазовых детекторов, выход генератора 3 ударного возбуждения дополнительно подкл>очен к входу второго усилителя 8 высокой частоты, выход которого нагружен на второй вход второго импульсного фазового детектора 7, второй вход пер- >п вого импульсного фазового детектора 6 подключен к выходу первого усилителя 4 высокой частоты, а выходы первого и второго импульсных фазовых детекторов 6 и 7 нагружены на управляющие входы первого 4 и второго 8 усилителей высокой частоты и на входы дифференциального усилителя 9 постоянного >ока.

Выходы первого усилителя 4 высокой частоты и дифференциального усилителя 9 постоянного тока служат выходами устройства.

Мостовой измеритель с радиоимпульсным питанием работает следующим образом.

Генератор 5 коротких импульсов является источником высокостабипьного опорного сигнала в виде коротких видеоимпульсов с частотой следования

Я (фиг.2р) . При воздействии этих видеоимпульсов на генератор 3 ударного возбуждения на выходе последнего формируется,радиоимпульсная последовательность с постоянными от импульса к импульсу начальными фазами радиоимпульсного высокочастотного saполнения (фиг.23) частота которого

ы, определяется собственной резонансной частотой колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения (фиг,3о). Вследствие такой привязки начальных фаэ радиоимпульсов к частоте следования и коротких импульсов генератора 5 амплитудно-частотный спектр радиоим ульсной последовательности, получаемый на выходе генератора 3 ударного возбуждения, оказывается дискретным и не содержит спектральной составляющей с частотой 63 заполнения рациоимпульсов (фиг.3о).

Дискретные составляющие этого спектра при изменениях частоты Ю,> изменяют только свою амплитуду, не изменяясь при этом по частоте, Аналитическая запись такого амплитудно-частотного спектра в виде тригонометрическогс ряда представляется как

S(t) = с U Cos nest;

»-.a

Up Sin (а,-па) .! 2

U. — в а °

Т (а - пЛ),/2 (2), где п =: 1,2,..., — длительность радиоимпульсов;

U — амплитуда и-й спектральной и составля>ощей;

2л

g= — — — - частота следования радиоТ импульсов;

Я вЂ” частота заполнения радиоимпульсов, равная собственной частоте генератора 3 ударного Возбуждения;

Т вЂ” период радиоимпульсной посР ледовательности;

U — амплитуда радиоимпульсов.

В отличие от известного устройства, частота заполнения радиоимпульсов э исходной (реперной) точке контролируемого пространства параметров

x(t} ° Т (где x(t) — основная контролируемая физическая или электрическая величина; Т " температура окружающей контролируемый объект и и + (и+1 Я о

2 (n +

+ 0,5)й . (3) (4) 45

55

3 .12263 среды) выбирается не равной частоте одной из дискретных частотных компонент, а определяется из соотношения

Таким образом, частота М настройки колебательной системы генерато- 10 ра 3 ударного возбуждения при значениях параметров x(t) и Т, равных начальным х (С) = О и То, располагается на частотной оси со посредине между и-й и (и+1)-й дискретными компонентами амплитудно-частотного спектра (фиг,3о) .радиоимпульсной последовательности (фиг;2о), на которые и настраиваются колебательные системы усилителей 4 и 8 высокой частоты соответственно.

Для обеспечения одновременного точного измерения наряду с осиовным информационным параметром х(t) еще и температуры Т окружающей контролируемый объект среды необходимо источник 1 сигнала (датчик), измери тельный мост 2 и генератор 3 ударного возбуждения выполнять в виде единого блока (измерительной головки),который должен быть установлен непосредственно на контролируемом объекте, В результате все три блока: источник 1 сигнала, измерительный мост 2 и генератор 3 ударного возбуждения находятся в одинаковых темпера35 турных условиях. При этом выходной сигнал источника 1 сигнала наряду со своими естественными изменениями также изменяется и при вариациях температуры окружающей контролируемый

40 объект среды, т.е.

x(t)= х (t)+K„(T-T ), где х (t) — "чистый" информационный сигнал;

Т вЂ” начальное значение температуры окружающей средыэ

К„ — коэффициент температурной чувствительности сигнала x(t) к изменению температуры.

Поскольку разбалансировка моста 2 и появление на его выходе сигнала в виде .радиоимпульсной последовательности (фиг.2S) обуславливаются не только появлением на информационном входе ненулевого сигнала x(t) с выхода источника 1 сигнала, но и воздействием на этот мост меняющейся температуры T то, воспользовавшись выражением (4), дпя амплитуды радиоимпульсов на выходе измерительного моста 2 можно записать

U(x(t), Т) = К (х (t) + K„(Ò вЂ” Т )) +К, (Т вЂ” Тб)э (5) где К„ — чувствительность моста 2 к информационному сигналу;

x(t), К, — температурная чувствительность измерительного моста 2 к температуре Т.

В связи с тем, что с выхода моста 2 информационный сигнал поступает на вход первого усилителя 4 высокой частоты, который отфильтровывает из дискретного частотного спектра радиоимпульсной последовательности единственную спектральную составляющую с частотой п ? (фиг.3a), а амплитуда

U„ этой спектральной составляющей, определяемая из (2), также зависит от температуры 1 вследствие изменений собственной частоты (колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения (фиг.3a), то для амплитуды п-й спектральной составляющей информационного сигнала на выходе первого усилителя 4 высокой частоты получаем и цццц () (К иКИ

+ Кит)(Т То) + К и(Т вЂ” То). где K>«, — коэффициент усиления первого усилителя 4 высокой частоты на частоте nQ; К „ — крутизна ската на линейном участке огибающей спектра радиоимпульсной последовательности на фиг,3а,В выражении (6) имеются две составляющие „определяющие зависимость

1 амплитуды U» èíôoðìàöèîííîãо сигнала от температуры T на выходе первого усилителя 4 высокой частоты, Одна из этих составляющих (К ° К„„+

+ К„ ) (Т вЂ” T ) определяет степень изменения амплитуды радиоимпульсов, а значит и амплитуды и-й инфор мационной спектральной составляющей в спектре радиоимпульсной последовательности на выходе измерительного моста 2, а другая — К „(Т вЂ” То) непосредственно определяет изменение (7) КцК ит К мт

В результате для амплитуды и-й спект- 20 ральной составляющей радиоимпульсного спектра на выходе усилителя 4 высокой частоты получаем

U„(t) =К„K ° х () . (8) 25

Таким образом, для температурной. компенсации изменений уровня амплиl туды U информационного сигнала на выходе первого усилителя 4 высокой частоты необходимо, зная крутизну преобразования К измерительного моста 2, температурный дрейф К„тэтаго моста и чувствительность К„ информационного сигнала х(t) источника

35 сигнала к изменениям температуры, подобрать величину коэффициента К характеризующего крутизну ската основного лепестка огибающей спектра питающей мост 2 радиоимпульсной последовательности, согласно условию (7) °

При этом, поскольку при изменении частоты заполнения яо радиоимпульсов изменяются лишь амплитудные соот45 ношения в спектре (фиг.За), а частоты дискретных составляющих остаются неизменными, знак коэффициента (фиг.Зо) .однозначно определяется выбором начальной частоты настройки

Мо колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения {фиг.39), Так, при выборе значения частоты чд(фиг.З) согласно соотношению (3), при положительном температурном ко-.

55 эффициенте чувствительности

3Т коэффициент чувствительности K „ оказывается отрицательным, а именно, 5 12263 амплитуды U n-й информационной спектральной составляющей с частотой п52 под воздействием температуры ТГ при неизменной амплитуде радиоимпульсов за счет расстройки колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения. Из анализа выражения (6) и вышеизложенного становится ясным, что полная независимость от темпера1 туры Т амплитуды Б„ информацион- 10 ной составляющей спектра с частотой пЯ на выходе первого усилителя 4 может быть достигнута при равных по

Величине и разных по знаку коэффициентах (K„K»+ Кмт) и Кро т e. в 15 случае, когда

19 если у растет,, амплитуда U n-й спектральной составляющей падает (фиг.За) . Величину этого коэффициента, которая определяется крутизной скатов основного лепестка огибающей спектра радиоимпульснай последовательности, нетрудно варьировать в очень широком диапазоне, изменяя коэффициент заполнения радиаимпульсной последовательности К = ---. В нет, больших пределах величину К бумажно также изменять, варьируя добротностью колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения. !

Полученный на выходе первого усилителя 4 высокой частоты термокомпен/ сированный сигнал амплитуды U u частоты пО поступает на первый выход устройства и на второй вход первого импульсного фазового детектора 6, на первый вход которого поступает высокастабильный частотный сигнал с выхода генератора 5 коротких импуль-, сов с частотой следования импульсов 2 . Поскольку частоты сигналов

UÄ Cos (nQt p ) и П Cosset, поступающих на входы первого импульсного фазового детектора 6, кратны одна другой, та происходит их фазовая синхронизация, и на выходе детектора 6 устанавливается уровень сигнала постояннога тока, пропорциональный фазово/ му рассогласованию сигналов, поступающих на входы этого импульсного фазового детектора. Это фазовое рассогласование определяется двумя компонентами: фазавым набегом C1o(сигнала с частотой ng, в первом усилителе 4 высокой частоты при изменениях температуры окружающей среды и фазовым набегом (f этой же компоненты рат диаимпульсного спектра за счет ее фазовои мсдуляции под воздействием температуры Т в колебательной систе-. ме генератора 3 ударного возбуждения.Иэ амплитудна-частотной и фазочастотной характеристик этой колебательной системы {фиг,З ) видно,что при росте температуры 1 и соответствующем росте частоты 63 компонента дискретного спектра (фиг.За) с частотой пр получает положительный фазовый набег (р„, а компонента с частотой (и+1) Q получает равный IIQ величине, но отрицательный фазовый набег (- Ч"), причем крутизна такого преобразования температура — фаза

1226319

15 (12) а равна крутизне — — -- фазовой ха86) рактеристики колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения вблизи частот пЯ и (и+1)Ясоответственно (фиг.3о, о ) .

Таким образом, считая, что крутизны фаэовой характеристики в точках 0 и 0 (фиг.3S) равны К для сигнала с частотой п52 на выходе первого усилителя 4 высокой частоты с учетом всех фазовых набегов, получают

U,(t) = U„ cos(ngt +(g + К, (Т—

To))9 (9) где ф„ - температурный фазовый набег в усилителе 4.

Поскольку сигнал (9) поступает на второй вход первого импульсного фазового детектора 6, а на первый

его вход поступает опорный сигнал

U ц (t) U« Cosset с нулевым фазовым сдвигом, на выходе детектора 6 получают сигнал постоянного тока, уровень которого пропорционален фаэовому рассогласованию сигнала (9) и опорного! 1 п„щ = к„ „(ц„+ к„(т

- т,)), (10) где К„ — крутизна характеристики преобразования фазового детектора 6.

Выражение, аналогичное уравнению (10), нетрудно получить и для выходного напряжения U„ второго импульсного фазового детектора 7. Для этого следует учесть, что на его первый вход также поступает опорный сигнал

U cosset с нулевым фазовым сдвигом

Щ с выхода генератора 5 коротких импульсов, а на второй вход детектора 7 поступает сигнал вида

U<(t) — У, cos ((n+1)gt +

+ р„- к (т — т,) ), (11) где Ч" — температурный фазовый набег в усилителе 8;

Us - амплитуда сигнала с частотой (и+1)аэ так как второй усилитель 8 высокой частоты настроен не на частоту пй, как первый усилитель 4, а на следующую компоненту дискретного частотно- 55 го спектра радиоимпульсной последовательности (1) именно с частотой (n+ 1)52.

Как видно нз выражения (11), в отличие от частотной компоненты с частотой па данный сигнал получает при изменении температуры Т фазовый сдвиг противоположного знака (фиг.34, о). Если частота G3О настройки колебательной системы генератора 3 ударного возбуждения растет, то частотная компонента спектра (фиг.3 а) с частотой ng. получает положительный фазовый набег, а компонента с частотой (п+1)52 — отрицательный, Поэтому для выходного напряжения импульсного фазового детектора 7 2 2

Б„, К„„(с1 К(Т

Т )), 2 где К вЂ” крутизна характеристики преобразования детектора 7.

Подавая сигналы (10) и (12) на входы дифференциального усилителя постоянного тока 9, получают второй выходной сигнал предлагаемого устройства в виде

1 () = (К„(q„+ К (Т вЂ” Т, ) где К и,„ — коэффициент передачи дифференцйального усилителя 9 постоянного тока, Чтобы обеспечить высокую точность измерения температуры Т необходимо усилители 4 и 8 высокой частоты, а также импульсные фазовые детекторы

6 и 7 выполнить идентичными по всем их характеристикам. В этом случае

I справедливы соотношения К

К р и (p (Bo Всем диа паэойе температур, поэтому выражение (13) можно переписать в виде и (с)=2к „ к к,(т-т ). (14) Таким образом, в мостовом измерителе с радиоимпульсным питанием в тяжелых температурных условиях не только удается скомпенсировать температурную погрешность и получить информацию в виде сигнала (8) о "чистом" информационном сигнале х (t) но и одновременно получить дополнительно информацию в виде сигнала (14) о температуре окружающей контролируемый объект среды.

1226319

1и-2)л (и IN

Заказ 2125/42

Тираж 728

Подписное

Производств.-полиграф. пред-е г„ Ужгород, ул. Проектная, 4

Формула изобретения

Мостовой измеритель с радиоимпульсным питанием, содержащий последовательно соединенные источник сигнала, измерительный мост и усилитель высокой частоты, генератор коротких импульсов, выход которого соединен соответственно с первыми входами генератора ударного возбуждения и им- 10 пульсного фазового детектора, второй вход которого соединен с вь1ходом усилителя высокой частоты и с выходом устройства, выход импульсного фазового детектора соединен соответст- 15 венно с вторым входом усилителя высокой частоты, а выход генератора ударного возбуждения соединен с вторья входом измерительного моста„ отличающийся тем, что, 20, с целью повьппения точности измерений при одновременном расширении функциональных возможностей мостово- . го измерителя с радиоимпульсным пи<ЯП1 танием за счет исключения температурной погрешности и получения информации о температуре окружающей контролируемый объект среды, в него введены второй усилитель высокой.частоты, второй импульсный фазовый детектор и дифференциальный усилитель постоянного тока, причем выход генератора коротких импульсов соединен с первым входом второго импульсного фазового детектора, второй вход которого подключен к выходу второго усилителя высокой частоты, вход которого соединен с выходом генератора ударного возбуждения, управляющий вход второго усилителя высокой частоты подключен к выходу второго импульсного фазового детектора, входы дифференциального усилителя постоянного тока соединены с выходами первого и второго импульсных фазовых детекторов, а выход дифференциальноTо усилителя постоянного тока соединен с вторым выходом устройства.