Способ измерения сопротивления потерь в элементах колебательных систем и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к области электрических и магнитных измерений резонансными методами и может использоваться для бесконтактного измерения электропроводности, определения уровня радиации, а включение в схему устройства, реализующего способ, электромеханических преобразователей позволяет измерять различные характеристики исследуемой среды, определяющие возникновение потерь в механических колебательных системах (например, вязкость). Сущность способа: в колебательной системе устанавливают стационарный автоколебательный режим за счет регулирования коэффициента передачи усилителя, по значению которого определяют сопротивление потерь. Сущность устройства: устройство состоит из колебательного контура 1, выход которого подключен ко входу буферного усилителя 2, выход буферного усилителя 2 соединен со входом усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 3, образуя цепь положительной обратной связи, выход буферного усилителя 2 соединен также с амплитудным детектором 4, вход амплитудного детектора соединен с первым входом устройства сравнения 5, второй вход устройства сравнения 5 подключен к управляющему входу реверсивного счетчика 7, к счетному входу реверсивного счетчика 7 подключен генератор прямоугольных импульсов 8, выход реверсивного счетчика 7 связан с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 3. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электрических и магнитных измерений резонансными методами и может использоваться для бесконтактного измерения электропроводности, определения уровня радиации, а включение в схему устройства, реализующего способ, электромеханических преобразователей позволяет измерять различные характеристики исследуемой среды, определяющие возникновение потерь в механических колебательных системах (например, вязкость).

Известен способ измерения параметров контролируемых веществ, реализованный в виде устройства, состоящего из включенного в качестве датчика генератора с резонансным контуром, амплитудного детектора, линеаризующего и логарифмирующего звеньев, включенных в цепь положительной обратной связи. Выходным сигналом данного устройства является напряжение на выходе амплитудного детектора, которое пропорционально потерям, возникающим в колебательном контуре. Однако точность измеряемых этим устройством величин недостаточно высока /1/.

Известен также способ измерения добротности, реализованный в виде устройства, содержащего датчик в виде колебательного контура, фазосдвигающую цепочку, нелинейный элемент, необходимый для поддержания автоколебаний, усилитель с изменяемым коэффициентом передачи, источником опорного напряжения, устройство сравнения, определяющее разность между амплитудой опорного напряжения и амплитудой колебаний на выходе контура, выдающее сигнал для регулирования коэффициента передачи усилителя, а также делитель напряжения и блок, определяющий отношение напряжений на входе и выходе колебательного контура /2/.

Недостатком рассмотренного способа является невысокая точность измерения вследствие того, что колебательный контур дополнительно нагружен делителем напряжения и блоком расчета отношения напряжения, т.к. это приводит к увеличению потерь в колебательном контуре и искажает истинное значение выходного сигнала.

Наиболее близким аналогом к изобретению является способ и устройство для автоматического измерения параметров радиотехнических элементов, в том числе и сопротивления потерь /3/. Известное устройство содержит генератор импульсов, источник опорного напряжения и реверсивный счетчик и позволяет установить колебательный режим в контролируемом радиотехническом контуре.

Недостатком известного технического решения является низкая точность.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение повышение точности измерения потерь в элементах колебательных систем за счет линеаризации системы и разгрузки колебательного звена.

Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения сопротивления потерь в элементах колебательных систем, по которому в колебательном звене устанавливают стационарный автоколебательный режим за счет регулирования коэффициента передачи усилителя, по значению которого определяют сопротивление потерь.

Указанный технический результат достигается также тем, что предлагается устройство, реализующее способ, состоящее из колебательного контура, буферного усилителя, усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, источника опорного напряжения, устройства сравнения, амплитудного детектора, генератора прямоугольных импульсов и реверсивного счетчика, причем выход усилителя с регулируемым коэффициентом передачи соединен со входом колебательного контура, выход которого подключен ко входу буферного усилителя, выход буферного усилителя соединен со входом усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, образуя цепь положительной обратной связи, выход буферного усилителя соединен также с амплитудным детектором, выход амплитудного детектора соединен с первым входом устройства сравнения, второй вход устройства сравнения связан с источником опорного напряжения, выход устройства сравнения подключен к управляющему входу реверсивного счетчика, к счетному входу реверсивного счетчика подключен генератор прямоугольных импульсов, выход реверсивного счетчика связан с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом передачи.

Для того, чтобы пояснить суть предлагаемого способа, рассмотрим условия возникновения автоколебаний в колебательной системе.

Любая колебательная система в общем случае может быть представлена в виде функциональной схемы, показанной на фиг.1. Она состоит из колебательного звена 1, связанного со входом усилителя 2 через буферный элемент 3 и с выходом этого же усилителя через буферный элемент 4.

Передаточная функция разомкнутой системы записывается в виде: φ_p(P) = K_у·K₀₁·W_к(P)·K₀₂, (1) где K_y- коэффициент передачи усилителя 2; K₀₁, K₀₂ коэффициенты передачи буферных элементов 3 и 4; W_к(p) передаточная функция колебательного звена.

где K_k коэффициент передачи колебательного звена; T₀, T постоянные времени реактивных элементов, входящих в колебательное звено /3/.

Передаточная функция замкнутой колебательной системы при положительной обратной связи может быть представлена в виде:
Для получения устойчивых колебаний на выходе автоколебательной системы необходимо выполнение двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд.

Условие баланса амплитуд определяется формулой:
T·p-K_к·K_у ·K₀₁·K₀₂·T·p=0
Отсюда: 1=K_к·K _y ·K₀₁·K₀₂

Если в качестве колебательного звена мы будем использовать последовательный колебательный контур, то его коэффициент передачи будет определяться как

где
R_п суммарное сопротивление потерь, возникающих в колебательном контуре.

Как видно из (7), коэффициент передачи электрического колебательного контура обратно пропорционален сопротивлению потерь, возникающих в колебательном контуре. Тогда из формул (6) и (7) можно определить величину сопротивления потерь:
R_п=K_y·K ₀₁ ·K₀₂
Из (8) выведем зависимость коэффициента передачи усилителя от сопротивления потерь:

Отсюда следует, что при изменении сопротивления потерь для поддержания устойчивых автоколебаний необходимо регулировать коэффициент передачи усилителя в соответствии с (9). Изменение коэффициента передачи достигается с помощью включения в колебательную систему усилителя, коэффициент передачи которого является регулируемым. По значению коэффициента передачи усилителя с регулируемым коэффициентом можно рассчитать по (8) сопротивление потерь.

Точность измерения потерь определяется точностью регулирования коэффициента передачи усилителя 2.

Данный способ может быть реализован с использованием общеизвестных технических средств.

Стационарность автоколебаний в электрической колебательной системе поддерживается постоянством амплитуды колебаний на выходе колебательного звена. Величина амплитуды может выбираться любой из диапазона значений, при которых только возможна автогенерация колебаний в данной колебательной системе. Благодаря этому можно не поддерживать какое-либо определенное значение амплитуды, а лишь отслеживать ее изменение при установившемся режиме работы (например, с помощью дифференцирующего звена).

Так как в цепь положительной обратной связи усилителя с переменным коэффициентом усиления включено колебательное звено, имеющее резонансные свойства, то условия возникновения колебания выполняются только на одной частоте. Ее значение зависит от характеристик элементов, образующих колебательное звено, а также от амплитудно-частотной характеристики усилителя с переменным коэффициентом передачи.

Для регулирования коэффициента передачи усилителя могут использоваться высокоточные устройства, метрологические характеристики которых хорошо известны. В роли таких устройств могут выступать, например, многоразрядные цифро-аналоговые преобразователи.

При применении цифрового управления усилителем с регулируемым коэффициентом передачи значительно упрощается процесс получения выходной величины, т.к. ею в данном случае является цифровой код. При этом точность определения сопротивления потерь будет определяться количеством разрядов выходного двоичного кода.

На основе вышеизложенного способа можно реализовать устройство, блок-схема которого изображена на фиг. 2, состоящая из колебательного контура 1, выход которого подключен ко входу буферного усилителя 2, выход буферного усилителя 2 соединен со входом усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 3, образуя цепь положительной обратной связи, вход буферного усилителя 2 соединен также с амплитудным детектором 4, выход амплитудного детектора соединен с первым входом устройства сравнения 5, второй вход устройства сравнения связан с источником опорного напряжения 6, выход устройства сравнения 5 подключен к управляющему входу реверсивного счетчика 7, к счетному входу реверсивного счетчика 7 подключен генератор прямоугольных импульсов 8, выход реверсивного счетчика 7 связан с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 3.

В устройстве отсутствует второй буферный элемент, при этом коэффициент передачи K2 принимается равным единице. Предложенное устройство, несмотря на отсутствие второго буферного элемента, обеспечивает генерацию автоколебаний на выходе колебательной системы за счет корректного выполнения условий баланса фаз и баланса амплитуд.

Выходным параметром данного устройства является двоичный код на выходе реверсивного счетчика 7.

Автогенераторный измеритель сопротивления потерь работает следующим образом.

При внесении датчика в виде колебательного контура в исследуемую среду в колебательном контуре 1 увеличиваются потери, что приводит к снижению амплитуды колебаний на выходе буферного усилителя 2, которая после детектирования амплитудным детектором 4 сравнивается в устройстве сравнения 5 с опорным напряжением, вырабатываемым источником опорного напряжения 6. В результате этого сравнения на реверсивный счетчик 7 подается управляющий сигнал, переключающий его на прямой счет импульсов, поступающих с генератора прямоугольных импульсов 8. Двоичный код с выхода реверсивного счетчика 7, подаваемый на управляющий вход усилителя 3, приводит к увеличению его коэффициента усиления. Увеличение коэффициента усиления приводит к нарастанию амплитуды колебаний на выходе буферного усилителя 2. Если амплитуда колебаний не достигла значения, заданного источником опорного напряжения, будет продолжаться дальнейшее увеличение двоичного кода на выходе реверсивного счетчика 7 и, следовательно, увеличение коэффициента передачи усилителя 3. В тот момент, когда амплитуда колебаний на выходе буферного усилителя 2 превысит значение, задаваемое источником опорного напряжения, устройство сравнения 5 выдает управляющий сигнал, переключающий реверсивный счетчик 7 на счет в обратном направлении.

таким образом, амплитуда колебаний на выходе буферного усилителя 2 будет поддерживаться постоянной с погрешностью, величина которой определяется точностью регулирования значения коэффициента передачи усилителя, осуществляемого при устойчивом режиме работы автогенератора изменением младшего разряда двоичного кода на выходе реверсивного счетчика 7 на единицу. Постоянство амплитуды, в свою очередь, является условием поддержания в колебательной системе устойчивых гармонических автоколебаний.

Формула изобретения

1. Способ измерения сопротивления потерь в элементах колебательных систем, включающий установку колебательного режима, отличающийся тем, что в колебательном звене устанавливают стационарный автоколебательный режим за счет регулировки коэффициента передачи усилителя, по которому определяют сопротивление потерь.

2. Устройство для измерения сопротивления потерь в элементах колебательных систем, содержащее генератор импульсов, источник опорных напряжений и реверсивный счетчик, отличающееся тем, что дополнительно введены буферный усилитель, устройство сравнения, амплитудный детектор и усилитель с регулируемым коэфициентом передачи, выход которого соединен с входом колебательного контура, выход которого подключен к входу буферного усилителя, выход которого соединен с первым входом усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, образуя цепь положительной обратной связи, и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход устройства сравнения подключен к управляющему входу реверсивного счетчика, к счетному входу которого подключен генератор импульсов, выполненный в виде генератора прямоугольных импульсов, выход реверсивного счетчика связан с вторым входом, являющимся управляющим, усилителя с регулируемым коэффициентом передачи.

РИСУНКИ

Рисунок 1