Феррозондовый измеритель направления

 

Изобретение относится к океанографическим измерениям. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния ошибок фазовой девиации. Устройство содержит феррозонд 2 с ортогональными сигнальными обмотками , избирательный усилитель 4, сумматор 10, цифровой измеритель фазы 12, генератор 1. переключатель 3, два блока выборки и хранения 6 и 7, два перемножителя 8 и 9. формирователь стартового импульса 13, счетчик периодов 14, линию задержки 15 и счетный триггер 16. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1643947 А1

s 6 01 С 17/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4647879/10 (22) 01.01,89 (46) 23.04.91. Бюл. hh 15 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) И.В.Кузьмин, В.В.Бахарев, Н,С,Кузьмина и Л.И.Фурсова (53) 528.521.6.538.74 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1348648, кл. G 01 С 17/30, 26.05.86.

Трубы Ленинградского гидрометеорологического института. 1978, вып. 65, с. 75 — 80. (54) ФЕРРОЗОНДОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЪ

НАПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к океанографическим измерениям. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния ошибок фазовой девиации. Устройство содержит феррозонд

2 с ортогональными сигнальными обмотками, избирательный усилитель 4, сумматор

10, цифровой измеритель фазы 12, генератор 1, переключатель 3, два блока выборки и хранения 6 и 7, два перемножителя 8 и 9, формирователь стартового импульса 13, счетчик периодов 14, линию задержки 15 и счетный триггер 16. 3 ил.

1643947

Изобретение относится к области океанографических измерений, Целью изобретения является повышение гочности за счет уменьшения влияния ошибок фазовой девиации, 5

На фиг. 1 представлена схема измерителя, на фиг. 2 и 3 — временные характеристики, поясняющие его работу, Измеритель состоит из генератора 1, ферроэонда 2 с ортогональными сигнальны- 10 ми обмотками, переключателя 3 сигнала на входе избирательного усилителя 4, переключателя 5 входов записи, второго и первого устройств 6 и 7 выборки и хранения, второго и первого перемно>кителей 8 и 9, 15 сумматора 10, фильтра 11 избирательного усилителя, цифрового измерителя 12 фазы, формирователя 13 стартового импульса, с етчика 14 периодов, линии 15 задержки, счетного триггера 16. 20

Первый выход генератора 1 подсоединен к обмотке возбуждения феррозонда 2, две сигнальные обмотки которого подсоединены соответственно к двум входам переключателя 3, выход которого подсоединен к входу 25 коммутируемого избирательного усилителя 4, выход которого подсоединен к двум входам устройств 6 и 7 выборки и хранения, выходы которых подсоединены к двум первым входам перемножителей 8 и 9, выходы ко- 30 торых подсоединены к входам сумматора

10, выход которого подсоединен к входу фильтра 11, выход которого подсоединен к . входу остановки цифрового измерителя 12 фазы, вход запуска которого подсоединен к 35 второму входу перемножителя 9 и первому выходу опорного сигнала генератора 1, а счетный вход подсоединен к выходу счетных импульсов генератора 1. Второй выход опорного сигнала генератора подсоединен 40 к второму входу перемножителя 8, а выход удвоенной частоты возбуждающего сигнала, сдвинутого по фазе на л/2, подсоединен к сигнальному входу счетчика 14 периодов, вход запуска которого подсоединен к выхо- 45 ду формирователя 13 стартового импульса, а выход подсоединен к входу линии 15 задержки и входу переключателя 5, два выхо- . да которого подсоединены к двум входам записи устройств 6 и 7 выборки и хранения, 50 управляющий вход подсоединен к управляющему входу переключателя 3 и к выходу счетного триггера 16, вход которого подсоединен к выходу линии 15 задержки, Измеритель работает следующим обра- 55 эом.

Прямоугольный сигнал частотой f > и фазой 2йФ в поступает с первого выхода генератора 1 на обмотку возбуждения феррозонда 2. Две сигнальные обмотки феррозонда 2 с помощью переключателя 3 по очереди подключаются к входу коммутируемого избирательного усилителя 4 (КИУ). На выходе КИУ 4 по очереди образуются два сигнала

О» - (К+ h,K)cos p sin(2Nt+ ф), (1)

Uy= (K+ hK}sio p sin(2et + ф), (2) где hK — изменение коэффициента К усиления КИУ, ф- уход фазы относительно фазы 2 вт за счет изменения фазовой характеристики

КИУ, Амплитуды этих сигналов запоминаются устройствами 6 и 7 выборки и хранения (УВХ) с помощью переключателя 5, который по очереди подключает к входам записи

УВХ би 7 импульс записи. Работой переключателей 3 и 5 управляет счетный триггер 16 (СТ). Когда на выходе СТ 16 — единица, то, например, только первая сигнальная обмотка феррозонда 2 подключена к входу КИУ 4, а амплитуда его выходного сигнала записывается в УВХ 6. Если на выходе СТ16 — ноль, то только вторая сигнальная обмотка подключена к входу КИУ 4, а амплитуда записывается в УВХ 7. Время нахождения выходов СТ 16 в единичном или нулевом состоянии назовем периодом коммутации

Т». Таким образом, вход КИУ 4 подключается по очереди к сигнальным обмоткам на время, равное Т». Известно, что при коммутировании в КИУ 4 возникает переходный процесс, который характеризуется временем установления Tycho, определяемым по формуле

Туст = 0,73 —, О (3)

fo

Если добротность Q КИУ 4 установить равной 100, а его резонансную частоту fp =

= 1 кГц, то Ty<> = 73 мс. Выберем Тус> равным

100 мс или 100 периодам выходного сигнала КИУ 4. За это время на выходе КИУ 4 образуется установившимся колебательный процесс. Следовательно, можно установить Ty< = Т» = 100 мс. Введение Т» не влияет на точность измерений, так как Т» гораздо меньше. чем постоянная времени измерителя направления течения как механической системы, которая равна единицам секунд. Поэтому можно считать, что положение измерителя в пространстве, в частности ферроэонда, не изменится за несколько периодов Т„. Т„устанавливается счетчиком 14 периодов (СП). К его счетному входу подключен пятый выход

",643947 генератора 1 с фазой прямоугольного сигнаN ла (2ам + л/2) и частотой 2, = то = —, т.е.

X период этого сигнала устанавливается равным периоду выходного сигнала КИУ 4.

Поэтому через 100 мс при подсчете 100 импульсов на выходе СП 14 появляется короткий импульс, Период появления этого импульса равен Тк. Этот импульс, пройдя переключатель 5, записывает в УВХ 6 или 7 амплитудное значение выходного сигнала

КИУ 4. Так как сигнал на пятом выходе генератора 1 имеет фазу 2ал+ л/2, а выходной сигнал КИУ 4 — фазу 2оп (из-за того, что феррозонд питается сигналами с фазой cut), то импульс записи, сформированный по фронту сигнала с фазой (2ал + л/2), на временной оси соответствует амплитудному значению выходного сигнала КИУ 4. Импульс записи приходит в конце Т и записывает амплитудное значение выходного сигнала КИУ 4, например, в УВХ 6. Таперь необходимо переключить вход КИУ 4 к другой сигнальной обмотке, а выход — к другому

УВХ 7. Это делает тот же импульс записи, но прошедший линию 15 задержки (ЛЗ). СП 14 получает разрешение на начало счета от формирователя 13 стартового импульса (ФСИ).После прихода стартового импульса с выхода ФСМ 13 СП 14 выдает два импульса записи и -нова приходит в режим ожидания, т.е. измеритель измеряет два находящихся рядом во времени значения

Ох и Uy и переходит в режим ожидания. Это сделано для того, чтобы исключить влияние

Тк на работу цифрового измерителя 12 фазы (ЦИФ). Рассмотрим это подробней при описании дальнейшей работы измерителя. В

УВХ 6 и 7 записаны амплитуды сигналов

КИУ 4 0х и Оу согласно выражениям (1) и (2).

Эти амплитуды с помощью перемножителей 8 и 9 перемножаются с прямоугольными сигналами с фазами Qt и (Qt+ л/2).

На выходе этих перемножителей образуются прямоугольные сигналы с этими же фазами, но амплитудами, пропорциональными созе u sIA p.

Запоминание амплитудных значений обязательно, чтобы два сигнала, которые последовательно проходят через КИУ друг за другом, совместить во времени. Далее, чтобы сохранить алгоритм определения угла р, эти амплитудные значения с помощью перемножителей умножаются на два пря30

50 моугольных сигнала с амплитудой Е, час- 55

X татой 0= 2 и фазами Qt и (Й т + — ).

Здесь надо отметить, что частота Q не равна частоте 2в. На выходах перемножителей образуются прямоугольные сигналы U>a с

Е К+ЛК фазоЙ и и амплитудоЙ "

M соза

Л и U>P с фазой (Qt+ — ) и амплитудой

Е К+ЛК з1пр где M — нормирующий коэффициент перемножителей, Из этих выражений видно, что на выходах перемножителей получают два сигнала

U>a и 0ф. сдвинутые по фазе относительно друг друга на л/2. Этот сдвиг получен без помощи фазовращателей, как в прототипе, а с помощью двухфазного генератора, который вырабатывает два прямоугольных сигнала, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 7г/2. Сигналы

Оха и О уР суммируются с помощью сумматора, С помощью избирательного усилителя из выходного сигнала сумматора выделяем его первую гармонику, Тогда. на выходе избирательного усилителя образуется сигнал вида

U g; — — — — — соя (Q t + rp ) . (4)

Цифровой измеритель фазы измеряет разность фаз между сигналом U g и одним из прямоугольных сигналов двухфазного ге- . нератора, который выбирается опорным.

Отсюда видно, что если ограничения на рост частоты счетных импульсов измерителя фазы существуют, то точность измерения фазы р можно повысить путем уменьшения частоты Q.Таким образом, изобретение дает возможность увеличить точность измерения фазы путем уменьшения частоты Q npu фиксированной частоте счетных импульсов.

Чем меньше частота F, тем больше период

1/F, тем больший временной интервал соответствует фазе р и тем меньше нужна частота счетных импульсов ЦИФ 12 для измерения этой фазы р, Отсюда видно, что если не запускать СП 14 от ФСИ 13, то возможна ситуация, когда в УВХ 6 и 7 будут записываться значения амплитуд с частотой 1/Тк, и на выходе перемножителей

8 и 9 из-за очень низкой частоты F 1/Тк не будет успевать установиться колебание с

Этой чаСтотой F.

При коммутировании КИУ 4 не возникнет самовозбуждения усилителя, так как известно, что для стандартного операционного усилителя со скоростью нарастания 1 В/мкс максимально возможная fo = 12,2 кГц, Известно, что существуют фильтры, в которых самовозбуждение в принципе невозможно, Частота fo = 1 кГц, выбранная для описания

1643947 работы устройства, практически не отличается от рабочих частот стандартных ферроэондов, Например, для ИД-3 fp = 800 Гц, а для ИД-6 fp = 2 кГц, Рассмотрим фазовые ошибки, вносимые переключателями 3 и 5, СП 14, УВХ 6 и

7, СТ 16 и ЛЗ 15. Время задержки ЛЗ 15, время срабатывания CT 16 и переключателей 3 и 5 совершенно не влияют на процесс. и точность измерений. Фазовую ошибку в измерение амплитуд сигналов 0» u Uy на выходе КИУ 4 (только амплитуды, а не наи ра влени я) вносит только СП 14, Во-первых, он вырабатывает импульс записи с некоторой задержкой после прихода на его вход положительного фронта 100-го импульса (эта задержка равна десяткам наносекунд), во-вторых, длительность этого импульса является временем выборки Т«о

УВХ 6 и 7, Если период выходного сигнала

КИУ 4 Tp = 1 мс, а Тала = 100 мкс, то конденсатор УВХ практически заряжается до значения, равного амплитудному. За То =

= 1 мс фаза сигнала изменяется от 0 до

360 . Следовательно, за Т«ь = 10 мкс фаза сигнала изменяется на 3,6О. Конденсатор запоминает значение сигнала, пропорциональное sin 93,6 = 0,998 или 99,8% от амплитудного. Но здесь надо учесть два обстоятельства. За два Т» (200 мс) амплитуда выходного сигнала KNY 4 изменяется незначительно, так как измеритель не может столь быстро сменять свое положение в пространстве, следовательно, конденсатор

YBX заряжается не от нуля, а от значения, уже близкого к измеряемому. В этом случае

Т«ь можно еще уменьшить. Т«е одно и то же для двух УВХ 6 и 7, и отклонения измеренных значений сигналов от амплитудных значений можно отнести к погрешности КИУ

4, которая не влияет на точность измерения направления течения.

Приведенные временные характеристики (фиг. 2 и 3) поясняют работу измерителя, С выхода генератора 1 снимается сигнал

Л с фазой 2см + —, который представляет

2 собой прямоугольные импульсы, подсчитываемые СП 14. По переднему фронту

100-го импульса СП 14 формирует импульс записи. ЛЗ 15 задерживает этот импульс на время тз = 40 мкс. Это время задержки выбрано произвольно, С помощью импульса записи, задержанного ЛЗ 15, вход КИУ

4 переключается от одной сигнальной обмотки к другой. При этом в КИУ 4 возникает переходный процесс, длящийся примерно 100 мс. Стартовый импульс запускает СП 14. Через 100 мс СП 14 выдает импульс записи. По этому импульсу заря50

5

30 жается УВХ 6, Через 100 мс 14 выдает второй импульс записи. По этому импульсу заряжается УВХ 7, На фиг, 3 видно, что

2л если период - -1- сигналов, перемножаемых с сигналами УВХ, соизмерим с периодом импульсов записи, то сигналы с установившейся амплитудой на выходах перемножителей, а также избирательного усилителя появятся не сразу, а через время, большее периода следования импульсов записи, Поэтому СП 14 после выдачи 2-ro импульса записи переходит в режим ожидания до прихода стартового импульса. ФСИ 13 формирует кроме стартового импульса еще один..Поскольку время установления сигналов на выходе усилителя 11 известно, то по прошествии этого времени дополнительный импульс с выхода ФСИ 13 разрешает ЦИФ 12 измерение разности фаз. Только после измерения разности фаз

ФСИ 13 вырабатывает стартовый импульс.

Дополнительные выход ФСИ 13 и вход ЦИФ

12 на фиг. 1 не показаны, Введение двухфазного генератора прямоугольных сигналов и перемножителей позволяет упросить конструкцию и настройку. Построенные на микросхемах, они практически не требуют настройки.

Применение КИУ позволяет исключить Ilp0цесс настройки двух идентичных избирательных усилителей.

Формула изобретения

Феррозондовый измеритель направления, содержащий генератор, выход возбуждающего сигнала которого подключен к феррозонду с двумя ортогональными сигнальными обмотками, связанному с последовательно соединенными избирательным усилителем, сумматором и цифровым измерителем фазы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности эа счет уменьшения влияния ошибок фазовой девиации, он снабжен последовательно соединенными формирователем стартовых импульсов, счетчиком периодов, линией задержки, счетным триггером, переключателем входов записи, первым блоком выборки и хранения и первым.перемножителем, связь ферроэонда с избирательным усилителем осуществлена через введенный переключатель, управляемый вход которого подключен к выходу счетного триггера, связь избирательного усилителя с сумматором осуществлена через введенные последовательно включенные второй блок выборки и хранения и второй перемножитель, связь сумматора с цифровым измерителем фазы осуществлена через введенный фильтр, генератор выпол1643947

Вьа.б вещи 1.аЧ

8blx ФИУМЕ дюж. Сд 14

Вие.2 нен с дополнительными выходами, из которых выход удвоенной частоты возбуждающего сигнала подключен к соответствующему входу счетчика периодов, первый выход опорного сигнала подключен к соответству- 5 ющему входу первого перемножителя и к входу запуска цифрового измерителя фазы, второй выход опорного сигнала соединен с

2@И дых а геиер.

z t»

2 соответствующим входом второго перемножителя, а выход счетных импульсов подключен к счетному входу цифрового измерителя фазы, причем выход счетчика периодов связан с соответствующим входом переключателя входов записи, а выход избирательного усилителя — с соответствующим входом первого блока выборки и хранения.

1643947 дым. УЯХ6 дьв. У8Х 7

Редактор О. Юрковецкая

Заказ 1233 Тираж 315 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 йа. переюажитею 8 дых. лереяю жителя 9

Составитель В, Сараханов

Техред М.Моргентал Корректор M. Самборская