Многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровней вибрации, шума, пульсации давления при спектральном анализе сигналов. Цель изобретения - повышение информативности с одновременным упрощением устройства. Устройство содержит входные шины 1-8, повторители 9-16 напряжения, управляемые усилители 18 и 24, фильтры 17 и 23, детекторы 20 и 26 среднеквадратических значений с фильтрами нижних частот, регистратор 22 информации, шину 45 опорного напряжения. Введение аналогового мультиплексора 28, счетчиков 29 и 30, двух компараторов 31 и 32 напряжения, резистивного делителя 33, аналоговых ключей 36, 37, 38, элемента И 39, элементов ИЛИИ 40 и 41, генератора 42 периодических импульсов, формирователя 43 импульсов, цифроаналогового преобразователя 44 позволяет упростить управление устройством за счет автоматического выбора коэффициента усиления, уменьшить число выходов устройства, что упрощает реализацию регистратора информации и повышает информативность устройства. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения интегральных параметров, преобразованных в электрический сигнал вибрации, шума, пульсации при спектральном анализе случайных сигналов. Цель изобретения - повышение информативности устройства при одновременном его упрощении. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы его работы. Устройство (см. фиг. 1) содержит восемь (n = 8) входных шин (подключенных к вибродатчикам) 1-8, каждая из которых подключена ко входу соответствующего неинвертирующего повторителя 9-16 напряжения. Выход первого повторителя 9 через первый фильтр 17 подключен к входу первого усилителя 18 с регулируемым коэффициентом усиления, выполненного с входами 19 управления коэффициентом усиления. Выход усилителя 18 подключен к входу первого детектора 20 среднеквадратических значений, выход которого подключен к первому входу 21 регистратора 22 информации. Выход второго фильтра 23 подключен к входу второго усилителя 24, выполненного с входами 25 управления коэффициентом усиления. Выход усилителя 24 подключен к входу второго детектора 26 среднеквадратических значений, выход которого подключен к второму входу 27 регистратора 22 информации. Устройство содержит также аналоговый мультиплексор 28, два счетчика 29 и 30, два дифференциальных компаратора 31, 32 напряжения, резистивный делитель 33, выполненный на последовательно соединенных резисторах 34, 35, первый, второй, третий аналоговые ключи 36, 37, 38 с V-входами управления, элемент И 39, два элемента ИЛИ 40, 41, генератор 42 стабильных периодических импульсов (меандра), формирователь 43 коротких импульсов по фронту, цифроаналоговый преобразователь 44. Крайние выводы резистивного делителя 33 подключены между шиной 45 опорного напряжения (Е_о) и выходом ключа 37, а средний вывод соединен с инвертирующими входами компараторов 31, 32, неинвертирующие входы которых подключены соответственно к выходам детекторов 20, 26 среднеквадратических значений. Ключи 36, 38 подключены соответственно параллельно конденсаторам 46, 47 фильтров нижних частот детекторов 20 и 26. Вход ключа 37 подключен к общей шине, а управляющий вход - к выходу элемента И 39 и счетному входу счетчика 29, инверсный выход последнего разряда которого подключен к первому входу элемента И 39. Второй вход элемента И 39 подключен к выходу элемента ИЛИ 40, управляющему V-входу ключа 36 и через элемент ИЛИ 41 к управляющему входу ключа 38. Выходы элемента ИЛИ 40 подключены к выходам компараторов 31, 32. Прямые выходы разрядов счетчика 29 подключены к входам 19, 25. Второй вход элемента ИЛИ 41 подключен к выходу формирователя 43, вход которого подключен к выходу генератора 42. Входы А₀, А₁, А₂ управления мультиплексора 28 подключены к соответствующим выходам 2^о, 2¹, 2² разрядов счетчика 30, счетный С-вход которого подключен к выходу генератора 42, установочный R-вход объединен с R-входом счетчика 29 и подключен к шине 48 сброса в нуль устройства. Выход мультиплексора 28 подключен к входу фильтра 23, первый Х1 информационный вход - к выходу повторителя 10, второй Х2 информационный вход - к выходу повторителя 9, а третий и последующие Х3-Х8 информационные входы подключены к выходам третьего и последующих повторителей 11-16. Прямые выходы разрядов 2⁰, 2¹ счетчика 29 и прямой выход старшего разряда 2² счетчика 30 подключены к цифровым (кодовым) входам цифроаналогового преобразователя 44, аналоговый выход которого подключен к третьему входу 49 регистратора информации. Детекторы 20, 26 среднеквадратических значений содержат соответственно функциональные преобразователи 50, 51 с подключенными к ним конденсаторами 46, 47 фильтров нижних частот. Работа устройства основана на усилении и последующем измерении среднеквадратического значения электрических сигналов переменного тока, снимаемых с вибродатчиков, подключенных к шинам 1-8 устройства. С помощью устройства можно измерять уровень вибрации восемью вибродатчиками с выдачей ее параметров всего на три выходных шины, чем и повышена информативность. Повторители напряжения 9-16 с выходным сопротивлением порядка 10⁷ Ом служат для согласования высокоомного выходного сопротивления вибродатчика с усилительным трактом. Включение полосового фильтра в измерительный тракт позволяет уменьшить полосу пропускания тракта и производить анализ уровня вибрации в определенной полосе частот. Детекторы 20, 26 имеют равную постоянную времени на 0,1 с. Величина постоянной времени выбирается из условия минимизации погрешности измерения СКЗ стационарного случайного процесса в полосе частот полосового фильтра. Сигналы с детекторов 50,51 регистрируются на носителе регистратора 22 информации оперативной памяти, бумаге, ленте и дp. При этом обеспечивается автоматический выбор диапазона измерений (т.е. коэффициента усиления) и номера вибродатчика с индикацией этих факторов как в линии передачи самого СКЗ сигнала в нормальном режиме, чем также повышается информативность, так и с помощью дополнительной линии связи в аварийном режиме (при "разрывах" информации). В исходном состоянии счетчики 29, 30 сброшены в нуль одиночным импульсом по шине 48 установки нуля, при этом код на счетчике 30 равен 000, вследствие чего в мультиплексоре открыт канал Х1 и сигнал переменного тока с входной шины 2 через повторитель 10, канал мультиплексора 28 Х1-Х, фильтр 23, усилитель 24 поступает в детектор 26 среднеквадратических значений, где вычисляется его среднеквадратическое значение (см. U₂₇ на фиг. 2 и 3). Мгновенное (см. А) и среднеквадратическое значения входных сигналов на шинах 1-8 представлены на фиг. 2 и 3 (см. U_1-8(скз)). Так как на счетчике 29 тоже нулевой код 000, то коэффициент передачи (К_и) управляемых усилителей 18, 24 максимален и равен 2. Сигнал переменного тока с входной шины 1 через повторитель 9, фильтр 17 и усилитель 18 поступает в детектор 20 среднеквадратических значений, где вычисляется его среднеквадратическое значение (см. U₂ на фиг. 2, 3). На фиг. 2 и 3 (см. U_1-8(скз)) представлены не мгновенные значения сигналов переменного тока на входных шинах 1-8, а их среднеквадратические значения, для наглядности показан один период мгновенных значений сигнала с амплитудой А. На фиг. 2 и 3 отражены два предельных случая сигналов на входных шинах. На фиг. 2 - на шине 1 (и в детекторе 20) максимальное текущее значение СКЗ сигнала, на фиг. 3 - на шине 2 (и в детекторе 26) максимальное текущее значение СКЗ сигнала. В первом случае выбор коэффициента усиления будет определяться детектором 20, во втором - выбор коэффициента усиления устройства будет определяться детектором 26. На входе 21 регистратора 22 (см. U₂₁) наблюдается непрерывное значение СКЗ обработанного переменного входного сигнала. На входе 27 регистратора 22 (см. U₂₇) с последовательно подключаемых входных шин 2-1-3-4-5-6-7-8 наблюдается по очереди значения СКЗ соответствующих обработанных переменных входных сигналов. Эти значения СКЗ (см. U₁)₂) меньше истинных значений (см. (U₁)₁) на диаграмме U₂₇ для сигнала с шины 1, за счет большого времени окончания переходного процесса на выходе детектора 26. Относительная погрешность вычисления СКЗ при последовательном опросе шин определяется величиной δ = , она постоянна не только для первого (с шины 1), но и для всех последующих сигналов (с шин 2-1-3-4-5-6-7-8) и может быть учтена после снятия показаний с регистратора информации. Генератор 42 периодических импульсов переключает двоичный счетчик 30 (см. сигналы 2⁰ СТ2, 2¹ СТ2, 2² СТ2 на фиг. 2, 3), по фронту импульсов генератора 42 формируются короткие импульсы формирователем 43 (см. U₄₃). Через элемент ИЛИ 41 эти импульсы открывают на короткое время ключ 38 для мгновенного разряда конденсатора 47 фильтра нижних частот детектора 26 среднеквадратических значений при подключении мультиплексора 28 к очередной входной шине 1-8, т.е. вычисление СКЗ для сигнала с очередной шины 1-8 всегда начинается с нулевого уровня, это способствует постоянству значений относительной погрешности независимо от уровня сигналов на шинах 1-8. При наличии перегрузок (см. Е₀ на диаграмме U₂₇ или U₂₁) на выходах детекторов 20 или 26, срабатывает в единицу компаратор 31 или 32 и переводит счетчик 29 в следующее состояние (см. 2⁰ СТ1, 2¹ СТ1 на фиг. 2, 3, отражающие состояния выходов двухразрядного двоичного счетчика 29), уменьшая в два раза коэффициент усиления К_u усилителей 18 и 24. При этом единицей по V-входам открываются аналоговые ключи 36 и 38 и производится быстрый разряд конденсатора 46 или 47 до уровня Е₀/2, по достижении которого компараторы 31 или 32 вновь возвращаются в состояние логического нуля по выходу, а ключи 36 и 38 закрываются. Этим обеспечивается не только автоматический выбор диапазона измерений, но и быстрое установление показаний на обоих детекторах среднеквадратического значения, соответствующих одинаковому новому коэффициенту усиления управляемых усилителей 18, 24. Верхнее пороговое напряжение дифференциальных компараторов 31, 32 определяется напряжением Е₀ на шине 45 опорного напряжения, так как внутреннее сопротивление закрытого ключа 37 стремится к бесконечности. Величина напряжения Е₀/2 вдвое меньше величины Е₀ и определяется дискретностью изменения коэффициента усиления (К_u) управляемого усилителя 18 и 24, равной в данном случае двойке. = где R 34, R 35 - сопротивления резисторов 34 и 35; r - внутреннее сопротивление открытого ключа 37 (десятки Ом). Ключи 36, 38 имеют одинаковое внутреннее сопротивление в открытом состоянии, конденсаторы 46 и 47 - равные емкости, поэтому постоянные времени их при разряде очень малы и равны. Это ведет к тому, что при разряде одного из них с напряжения Е₀ до Е₀/2 другой разряжается до величины половины находящегося на нем к этому моменту напряжения (см. 2 (U₁)₁ и (U₁)₁, а также 2(U₁)₃ и (U₁)₃ на фиг. 3). При переполнении счетчика 29 нулем с инверсного выхода его постоянного разряда запирается элемент И 39, счетчик 29 блокируется от переполнения, а ключ 37 - от последующих отпираний. Теперь при перегрузке детекторов 20, 26 компараторы 31, 32 вызывают срабатывание только ключей 36, 38, вследствие чего на выходе детекторов фиксируется напряжение, с высокой точностью близкое к Е₀, так как чувствительность компараторов высока. Тем самым обеспечивается режим ограничения сигналов на уровне Е₀. Цифровой код с выходов счетчика 29 и старшего разряда счетчика 30 поступает в цифроаналоговый преобразователь 44, обеспечивая распознавание коэффициента усиления и номера входной шины (см. U₄₉) даже при аварийных разрывах информации на входах 21, 27 регистратора 22 информации.

Формула изобретения

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее n входных шин, каждая из которых подключена к входу соответствующего повторителя напряжения, выход первого повторителя напряжения через последовательно соединенные первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к входу первого детектора среднеквадратических значений, выполненного с фильтром нижних частот, выход этого детектора подключен к первому входу регистратора информации, второй фильтр, выход которого через второй усилитель с регулируемым коэффициентом подключен к входу второго детектора среднеквадратических значений, выполненного с фильтром низких частот, выход этого детектора подключен к второму входу регистратора информации, шину опорного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности при одновременном упрощении устройства, в него введены аналоговый мультиплексор, два счетчика, два дифференциальных компаратора напряжения, резистивный делитель, три аналоговых ключа, элемент И, два элемента ИЛИ, генератор периодических импульсов, формирователь импульсов и цифроаналоговый преобразователь, крайние выводы резистивного делителя подключены между шиной опорного напряжения и выходом второго аналогового ключа, а средний вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, неинвертирующие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго детекторов среднеквадратических значений, первый и третий аналоговые ключи подключены параллельно фильтрам нижних частот соответственно первого и второго детекторов среднеквадратических значений, вход второго аналогового ключа подключен к общей шине, а управляющий вход - к выходу элемента И и счетному входу первого счетчика, инверсный выход последнего разряда которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, управляющему входу первого аналогового ключа и через второй элемент ИЛИ - к управляющему входу третьего аналогового ключа, первый и второй входы первого элемента ИЛИ подключены к выходам первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, прямые выходы разрядов первого счетчика подключены к входам управления первого и второго усилителей с регулируемым коэффицентом усиления, второй вход второго элемента ИЛИ подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу генератора периодических импульсов, входы управления аналогового мультиплексора подключены к выходам одноименных разрядов второго счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора периодических импульсов, установочный R-вход объединен с R-входом первого счетчика и подключен к шине сброса в нуль устройства, выход аналогового мультиплексора подключен к входу второго фильтра, первый информационный вход аналогового мультиплексора подключен к выходу второго повторителя напряжения, второй информационный вход - к выходу повторителя напряжения, третий и последующие информационные входы - к выходам одноименных повторителей напряжения, прямые выходы разрядов первого счетчика и прямой выход старшего разряда второго счетчика подключены к соответствующим цифровым входам цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к третьему входу регистратора информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.12.2007

Извещение опубликовано: 10.10.2009        БИ: 28/2009

---