Цифровой измерительный преобразователь индуктивного типа с повышенным быстродействием

Авторы патента:

G01R27/02 - для измерения активного, реактивного и полного сопротивления или других производных от них характеристик, двухполюсника, например постоянной времени (для измерения только фазового угла G01R 25/00)

Владельцы патента RU 2521761:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. Цифровой измерительный преобразователь индуктивного типа, включающий в себя микроконтроллер, подключенный к блоку формирования импульсов, выход которого подключен к входам усилителей тока измерительного и опорного плеч преобразователя, выходы усилителей подключены к LC-контурам измерительного и опорного плеч преобразователя. При этом LC-контуры измерительного и опорного плеч преобразователя подключены к первым входам компараторов обоих плеч соответственно, вторые входы которых соединены с общей шиной, выходы компараторов подключены к цифровым входам микроконтроллера. Технический результат заключается в повышении быстродействия измерительного преобразователя. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля технологических процессов, осуществляющих измерения механических и магнитных величин с помощью датчиков индуктивного типа.

В настоящее время промышленностью выпускается множество датчиков со встроенным микроконтроллером, которые называются «умными» датчиками (Джексон Р.Г. Новейшие датчики. - М.: Техносфера, 2007). В таких датчиках микроконтроллер в измерительной цепи обычно находится после блока предварительной аналоговой обработки сигнала и аналого-цифрового преобразователя. Он осуществляет линеаризацию передаточной функции, компенсирует влияние дестабилизирующих факторов и т.д. Наличие аналогового блока между первичным преобразователем и микроконтроллером может вызвать дополнительную погрешность измерений. Подключение микроконтроллера непосредственно к выходу первичного преобразователя и оцифровка сигнала на ранней стадии его обработки позволяет уменьшить погрешность аналогового блока или скомпенсировать ее, используя для этого цифровые методы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа цифровой преобразователь параметров датчиков индуктивного типа (патент РФ №2421741, БИ №17, 2011). Данный преобразователь содержит блок формирования импульсов, выход которого подключен к входам усилителей тока измерительного и опорного плеч устройства, а выходы усилителей подключены к LC-контурам чувствительных элементов измерительного и опорного плеч и к входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера. Для преобразования частоты колебаний в выходной сигнал использован микроконтроллер, преобразующий переменное напряжение на LC-контуре чувствительного элемента в цифровой код, с последующим вычислением спектра и определением частоты основной гармоники.

Недостатком прототипа является то, что для формирования выборки из оцифрованных значений переменного напряжения и последующего вычисления его спектра необходимо произвести N аналого-цифровых преобразований напряжения (N - объем выборки), продолжительность которых составляет существенную часть от общего времени однократного измерения.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в сокращении времени аналого-цифрового преобразования напряжения на LC-контуре чувствительного элемента и повышении быстродействия измерительного преобразователя.

Технический результат достигается тем, что, измерительный преобразователь содержит блок формирования импульсов; усилители тока измерительного и опорного плеч преобразователя, выходы которых подключены к чувствительным элементам измерительного и опорного плеч преобразователя; микроконтроллер, осуществляющий аналого-цифровое преобразование напряжения и вычисление частоты основной гармоники.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены диаграммы напряжений и спектры сигналов, а на фиг.2 - структурная схема преобразователя. В отличие от прототипа напряжение U₁ с LC-контура чувствительного элемента преобразователя (фиг.1а) поступает в микроконтроллер не непосредственно, а через компаратор, преобразующий колебательный процесс в LC-контуре в периодический цифровой сигнал U₂ (фиг.1б), представляющий собой чередующиеся высокий и низкий логические уровни. Поступающие в микроконтроллер сигналы с обоих плеч преобразователя оцифровываются через равные промежутки времени путем опроса состояния соответствующих выводов микроконтроллера без участия встроенных в него аналого-цифровых преобразователей. Это существенно сокращает процедуру преобразования напряжения в цифровой код и формирования выборки из результатов аналого-цифрового преобразования. Сформированная таким образом выборка, элементы которой имеют только два значения - ноль или один, подвергается дискретному преобразованию Фурье и затем вычисляется частота основной гармоники, однозначно связанная с индуктивностью преобразователя. На фиг.1в изображена зависимость спектральной плотности S₂ цифрового сигнала от частоты. Значения частот основных гармоник цифрового сигнала U₂ и исходного сигнала U₁, спектральная плотность S₁ которого показана на фиг.1г, совпадают.

Блок формирования импульсов 1 реализован на микроконтроллере. Выход блока 1 подключен к входам усилителей 2 и 3 тока; выходы усилителей 2 и 3 тока подключены соответственно к LC-контурам чувствительных элементов 4 и 5, а также к входам компараторов 6 и 7; выходы компараторов 6 и 7 подключены к выводам микроконтроллера 8.

Заявляемое изобретение, как и прототип, использует одинаковый принцип действия, основанный на возбуждении кратковременным импульсом тока колебательных процессов в измерительном и опорном плечах устройства и преобразовании разности частот основных гармоник в выходной сигнал преобразователя. В отличие от прототипа LC-контуры измерительного и опорного плеч преобразователя подключают к первым входам компараторов 6 и 7 обоих плеч соответственно, вторые входы которых соединяют с общей шиной, выходы компараторов 6 и 7 подключают к выводам микроконтроллера 8, который, периодически опрашивая состояния этих выводов, преобразует напряжения с выходов обоих компараторов 6 и 7 в цифровой код, формирует выборку из оцифрованных таким образом значений и вычисляет частоты основных гармоник напряжений на LC-контурах измерительного и опорного плеч, однозначно связанные с параметрами преобразователя.

Преобразователь функционирует следующим образом. Электрический импульс с выхода блока 1 формирования импульсов, пройдя через усилитель 2 тока, возбуждает в измерительном плече преобразователя колебательный процесс, напряжение U₁ которого представлено на фиг.1а, его частота зависит от индуктивности измерительной катушки преобразователя, изменяющейся под воздействием измеряемой физической величины. Такой же импульс с выхода усилителя 3 тока возбуждает в опорном плече преобразователя аналогичный колебательный процесс, частота которого фиксирована. Напряжение U₁ подают на первый вход компаратора 6, второй вход которого подключат к общей шине, в результате на выходе компаратора 6 возникает напряжение U₂, показанное на фиг.1б. Аналогичное по форме напряжение возникает на выходе компаратора 7. Напряжения с выходов компараторов 6 и 7 поступают на цифровые входы микроконтроллера 8, который, периодически опрашивая состояния этих выводов, преобразует цифровые сигналы с выходов компараторов в код и формирует две выборки из результатов преобразований для измерительного и опорного плеч преобразователя. Затем микроконтроллер производит Фурье-преобразование и вычисляет спектры цифрового сигнала (фиг.1в) для измерительного и опорного плеч преобразователя. После этого процесс преобразования измеряемой физической величины, начинающийся с генерации электрического импульса с выхода блока 1 формирования импульсов, повторяется.

Цифровой измерительный преобразователь индуктивного типа, включающий в себя микроконтроллер, подключенный к блоку формирования импульсов, выход которого подключен к входам усилителей тока измерительного и опорного плеч преобразователя, выходы усилителей подключены к LC-контурам измерительного и опорного плеч преобразователя, отличающийся тем, что LC-контуры измерительного и опорного плеч преобразователя подключены к первым входам компараторов обоих плеч соответственно, вторые входы которых соединены с общей шиной, выходы компараторов подключены к цифровым входам микроконтроллера.

Изобретение относится к области систем обработки информации и может быть использовано при функциональном контроле и диагностировании трехфазных линий электропередачи (ЛЭП) трехпроводного исполнения на основе ее Г-образной схемы замещения полнофазного исполнения.

Способ для измерения импеданса во многих точках объекта и устройство для его осуществления // 2510032

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для высокоэффективного контроля объектов, в качестве информативного параметра которых используют электрический импеданс. Способ включает определение глубины пропитки объекта расположением измерительных электродов в виде овальной формы с числом 2n на участке объекта, измерение импедансов между всеми ближайшими соседними измерительными электродами в первой серии, импедансов между всеми измерительными электродами во второй серии с отличием на единицу, сравнение результатов, по которым судят о глубине пропитки.

Цифровой способ преобразования параметров индуктивных датчиков с использованием временной инверсии сигнала // 2507522

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в возбуждении кратковременным электрическим импульсом в LC-контурах измерительного и опорного плеч датчика колебательных сигналов и аналого-цифровом преобразовании их в числовые массивы данных, временной инверсии путем переиндексации элементов массивов, осуществлении Фурье-преобразования полученных в результате инверсии сигналов и определении действительных Re U(f) и мнимых Im U(f) трансформантов сигналов на частоте, наиболее близкой к частоте основной гармоники, что позволяет вычислить начальные фазы колебаний сигналов для измерительного и опорного плеч датчика, разность которых однозначно связана с изменением параметров датчика.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста // 2506599

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин резистивными датчиками.

Устройство для измерения сопротивления электрической изоляции // 2501027

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для профилактических испытаний изоляции крупных электрических машин и аппаратов, имеющих большую постоянную времени.

Измеритель параметров двухполюсных rlc цепей // 2499269

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к области измерения параметров объектов, имеющих схемы замещения в виде многоэлементных пассивных двухполюсников.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления с управляемой чувствительностью // 2491558

Устройство для контроля качества электрической изоляции // 2490652

Устройство для контроля качества электрической изоляции // 2483312

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для профилактических испытаний изоляции электрических машин и аппаратов. .

Мостовой преобразователь сопротивления пленок // 2478214

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для эффективного контроля напыления тонких металлических пленок. .

Способ определения укрупненных вторичных параметров трехпроводной линии электропередачи методом восьмиполюсника // 2521784

Способ относится к области функционального контроля и диагностики трехфазных линий электропередачи трехпроводного исполнения на основании теории многополюсников. Способ заключается в замещении трехпроводной линии электропередачи восьмиполюсником, в экспериментальном определении его коэффициентов, в вычислении укрупненных вторичных параметров этой линии электропередачи. Коэффициенты восьмиполюсника определяются в результате выполнения шести опытов. В результате аналитической обработки экспериментальных данных определяются постоянные распространения результирующих падающих и отраженных волн электромагнитного поля в каждом линейном проводе, укрупненные собственные и взаимные волновые сопротивления, фазовые скорости падающих и отраженных волн электромагнитного поля в каждом линейном проводе. Технический результат заключается в повышении точности контроля и диагностики трехфазных линий электропередачи трехпроводного исполнения. 3 ил.

Способ определения первичных и обобщенных вторичных параметров однородного участка трехпроводной линии электропередачи методом восьмиполюсника // 2522829

Способ определения первичных и обобщенных вторичных параметров однородного участка трехпроводной линии электропередачи методом восьмиполюсника относится к области контроля и диагностики трехфазных линий электропередачи трехпроводного исполнения на основании многополюсников. Способ заключается в замещении однородного участка трехпроводной линии электропередачи восьмиполюсником, в экспериментальном определении его коэффициентов, в вычислении первичных и вторичных параметров этого участка. Коэффициенты восьмиполюсника определяются в результате выполнения двух опытов холостого хода и двух опытов короткого замыкания в полнофазном и неполнофазном режимах. В результате аналитической обработки экспериментальных данных определяются постоянная распространения результирующей волны электромагнитного поля, обобщенные собственные и взаимные волновые сопротивления, фазовая скорость, активные сопротивления, собственные и взаимные индуктивности линейных проводов. Технический результат заключается в повышении точности определения первичных и обобщенных вторичных параметров однородного участка трехпроводной линии электропередачи. 3 ил.

Способ определения первичных параметров однородного участка трехпроводной линии электропередачи // 2522836

Способ определения первичных параметров однородного участка трехпроводной линии электропередачи относится к области функционального контроля и диагностики трехфазных линий электропередачи трехпроводного исполнения на основе ее Г-образной схемы замещения полнофазного исполнения. Способ заключается в экспериментальном определении изображений действующих значений входных и выходных фазных напряжений и токов на комплексной плоскости и в последующем вычислении первичных параметров однородного участка трехпроводной линии электропередачи. Входные и выходные напряжения и токи определяются из серии экспериментов из четырех опытов и являются исходными данными для вычисления активных сопротивлений и индуктивностей линейных проводов, активных проводимостей и емкостей между проводами, а также между проводами и «землей». Технический результат заключается в повышении точности определения первичных параметров однородного участка трехпроводной линии электропередачи. 2 ил.

Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов // 2528588

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов. Устройство содержит источник импульсного тока, в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора (ПСТ) подключен однополупериодный выпрямитель, к которому через резисторный ограничитель тока заряда подключен накопитель энергии, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки ПСТ. К резисторному ограничителю тока заряда подключен первый электрод коммутатора. Первичная обмотка ПСТ подключена к промышленному источнику напряжения переменного тока. Через контактные клеммы тестируемый шунт подключен ко второму электроду коммутатора и второму выводу вторичной обмотки ПСТ. Эталонный трансформатор тока (ЭТТ) размещен между тестируемым шунтом и контактными клеммами. Блок регистрации и обработки сигнала содержит первый АЦП, к которому подключен первый блок быстрого преобразования Фурье (ББПФ). Второй АЦП соединен со вторым ББПФ. Вычислительное устройство, первый ББПФ, блок функционального преобразования и дисплей связаны через общую шину данных. Первый АЦП подключен к выходу тестируемого шунта, а второй АЦП соединен с выходом ЭТТ. В блоке регистрации и обработки сигнала к первому ББПФ подключен первый блок умножения, а ко второму ББПФ подключен второй блок умножения, соединенный с первым блоком функционального преобразования. В первом блоке определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей третий ББПФ соединен с третьим блоком умножения. Четвертый ББПФ соединен со вторым блоком функционального преобразования, который соединен с третьим блоком умножения, который соединен с первым блоком умножения. Во втором блоке определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей пятый ББПФ соединен с четвертым блоком умножения. Шестой ББПФ соединен с третьим блоком функционального преобразования, который соединен с четвертым блоком умножения, который соединен со вторым блоком умножения. Первый блок функционального преобразования сигнала, первый блок умножения, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ББПФ связаны через общую шину данных. Технический результат заключается в снижении влияния погрешности квантования АЦП при определении АЧХ И ФЧХ токовых шунтов. 2 ил.

Устройство контроля аккумуляторной батареи // 2531062

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к контролю выходного напряжения и сопротивления изоляции аккумуляторных батарей. Устройство контроля аккумуляторной батареи содержит аккумуляторную батарею, преобразователь постоянного напряжения, выполненный по схеме автогенератора с трансформаторной обратной связью, источник тока, сдвоенный транзисторный оптрон, операционный усилитель, два резистора и дополнительный индикатор, причем величина сопротивления R первого резистора установлена равной R=E/2J, где E - номинальное напряжение аккумуляторной батареи J - величина тока, вырабатываемого источником тока. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем контроля изоляции шин питания аккумулятора на корпус, измерения выходного напряжения аккумулятора и полной гальванической развязкой индикаторов от шин питания и корпуса аккумулятора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство и способ измерения внутреннего сопротивления для пакетированной батареи // 2536780

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи. Устройство измерения внутреннего сопротивления для пакетированной батареи включает в себя компонент источника питания переменного тока для подачи переменного тока на батарею, состоящую из множества пакетированных элементов генерирования энергии, посредством подключения к объекту измерения. Компонент регулирования переменного тока для регулирования переменного тока таким образом, чтобы разность потенциалов переменного тока положительного электрода, которая представляет собой разность потенциалов, полученную посредством вычитания потенциала на среднем участке из потенциала на участке, подключенном к нагрузочному устройству на положительной стороне объекта измерения, совпадала с разностью потенциалов переменного тока отрицательного электрода, которая представляет собой разность потенциалов, полученную посредством вычитания потенциала на среднем участке из потенциала на участке, подключенном к нагрузочному устройству на отрицательной стороне объекта измерения. Компонент вычисления сопротивления для вычисления сопротивления батареи на основе регулируемого переменного тока и разности потенциалов переменного тока. Технический результат заключается в возможности измерения внутреннего сопротивления батареи без нагрузки. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 21 ил.

Мостовой измеритель параметров двухполюсников // 2541423

Изобретение относится к метрологии. Измеритель содержит генератор, мост, нуль-детектор. Генератор содержит формирователи импульсов, синхронизатор, коммутатор, усилитель мощности. Первая ветвь моста содержит объект измерения и одиночный резистор, общий вывод которых образует первый выход моста. Вторая ветвь моста ветвь моста содержит одиночный резистор и многоэлементный уравновешивающий двухполюсник. В измеритель введен дополнительный конденсатор и изменено включение элементов мостовой цепи. Во второй ветви мостовой цепи дополнительный конденсатор включен параллельно имеющейся индуктивной катушке, параллельно этой же индуктивной катушке включен имеющийся третий резистор, свободный вывод первого резистора подключен к первому выходу генератора импульсов, общий вывод первого резистора и индуктивной катушки образует второй вывод выхода мостовой цепи, который соединяется со вторым выводом первого (дифференциального) входа нуль-индикатора, в двухполюснике объекта измерения первой ветви мостовой цепи свободный вывод второго резистора соединен с общим выводом имеющейся индуктивной катушки и первого резистора. Технический результат - повышение точности. 1 ил.

Способ экспериментального определения сопротивлений обмоток трансформаторов // 2544889

Изобретение относится к области энергетики, а именно к измерению параметров обмоток трансформаторов. Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что измерение параметров трехфазных двухобмоточных трансформаторов при коротком замыкании производится вначале при схеме соединения первичной обмотки в треугольник, а затем - в звезду. Далее по измеренным значениям мощности трех фаз, средних линейных значениях напряжения и тока короткого замыкания определяют по формулам полное сопротивление короткого замыкания, а также значения активного и реактивного сопротивления к.з., кроме того фазные значения сопротивления первичной обмотки трансформаторов определяют также по формулам. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности работы трансформаторов путем получения информации о их состоянии. 2 ил.

Способ измерения дифференциального сопротивления нелинейного двухполюсника с температурозависимой вольтамперной характеристикой // 2545090

Изобретение относится к технике измерения электрических параметров нелинейных элементов цепей с температурозависимой вольт-амперной характеристикой, в частности полупроводниковых приборов, и может быть использовано на выходном и входном контроле их качества. Подают на контролируемый двухполюсник последовательность коротких импульсов тока большой скважности с изменяющейся амплитудой и измеряют амплитуды импульсов напряжения на контролируемом двухполюснике. При этом амплитуду импульсов тока изменяют по гармоническому закону с заданной частотой Ω со средней амплитудой Iи и глубиной модуляции М. На частоте модуляции Ω измеряют амплитуду Um огибающей импульсного напряжения на контролируемом двухполюснике и дифференциальное сопротивление рассчитывают по формуле R д и ф | I и = U m / M I и . Технический результат заключается в повышении точности измерения дифференциального сопротивления нелинейного двухполюсника с температурозависимой вольт-амперной характеристикой. 3 ил.

Измеритель параметров двухполюсников // 2548594

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике, управлению и промышленной электронике. Измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов, четырехполюсник с двухполюсником объекта измерения и двухполюсником с уравновешивающими элементами, неинвертирующий повторитель напряжения, инвертирующей первый усилитель с коэффициентом усиления, равным двум, первый двухвходовой аналоговый сумматор, на один из входов которого подается сигнал с выхода генератора импульсов, а на другой вход - с выхода первого инвертирующего усилителя, с выхода сумматора сигнал усиливается вторым усилителем и подается на входы двух схем выборки и хранения, сигналы с выхода каждой из двух схем выборки и хранения поступают соответственно на два входа второго двухвходового аналогового сумматора, сигнал со второго сумматора усиливается третьим усилителем и через разделительный конденсатор подается на нуль-индикатор. Также имеется блок управления, с которого поступают сигналы синхронизации на генератор импульсов и нуль-индикатор, а также сигналы управления на обе схемы выборки и хранения. В двухполюснике с уравновешивающими элементами имеются два ключа и два управляемых ключа, на управляющие входы которых через переключатель подаются управляющие сигналы с блока управления. Новым в измерителе параметров двухполюсников является введение трех дополнительных резисторов, трех дополнительных конденсаторов, двух управляемых ключей, двух ключей, одного переключателя, двух усилителей, двух схем выборки и хранения, одного двухвходового аналогового сумматора, блока управления и изменение включения блоков схемы. Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет уменьшения составляющей погрешности измерения от неточного уравновешивания нулевой измерительной цепи. 1 ил.