Róznicowy miernik czestotliwosci Przedmiotem wynalazku jest róznicowy miernik czestotliwosci do pomiaru róznicy dwóch zblizonych czestotliwosci dwu sygnalów elektrycznych. W szczególnosci wynalazek nadaje sie do róznicowego pomiaru dwóch, bardzo bliskich czestotliwosci, dwóch sygnalów elektrycznych wychodzacych na przyklad z dwóch oscylatorów o jadrowym rezo¬ nansie magnetycznym, przy czym kazdy z tych oscylatorów stanowi glówna aktywna czesc magne¬ tometru, to jest urzadzenia przeznaczonego do po¬ miaru natezenia pola magnetycznego. Wynalazek pozwala wiec na pomiar róznicy indukcji pól mag¬ netycznych.Wiadomo, ze magnetometr jadrowy do pomiaru indukcji magnetycznej wykorzystuje zjawisko ja¬ drowego rezonansu magnetycznego. Czestotliwosc rezonansowa, przy której nastepuje pobór energii z pola magnetycznego wskuetk przejscia protonu na wyzszy poziom energetyczny jest proporcjonalna do wartosci indukcji magnetycznej. Miara mierzo¬ nego pola magnetycznego jest czestotliwosc rezo¬ nansowa, przy której urzadzenie pobiera maksi¬ mum mocy.Pomiar pola magnetycznego, lub róznicy indukcji pól magnetycznych sprowadza sie wówczas do po¬ miaru czestotliwosci sygnalu elektrycznego i rózni¬ cy czestotliwosci istniejacej miedzy dwoma sygna¬ lami elektrycznymi. Poniewaz magnetometry sa naj¬ czesciej umieszczane nia pokladzie samolotów, ko- 2 nieczne jest skompensowanie wytworzonego przez samolot zaklócajacego pola magnetycznego. Metoda samoczynnej kompensacji! zaklócajacego pola pole¬ ga na pomiarze róznicy indukcji pól magnetycz- 5 nych miedzy dwoma glowicami umieszczonymi wzdluz osi samolotu. Metoda sprowadza sie wiec do pomiaru róznicy dwóch czestotliwosci sygnalów elektrycznych przez dwa oscylatory o jadrowym re¬ zonansie magnetycznym. Ten róznicowy pomiar 10 musi byc w pelni odtwarzalny niezaleznie od war¬ tosci calkowitego pola magnetycznego. Musi on równiez posiadac krótki czas reagowania, aby, na przyklad, pozwolic na kompensacje szybkich zjawisk przejsciowych. Dwa oscylatory jadro- 15 we sa umieszczone w polu magnetycznym, którego indukcja zmienia sie w granicach 22.000 do 70.000 gamma to jest nano-tesli, co dla oscylatora proto¬ nowego odpowiada czestotliwosciom zawartym w pasmie 1000 do 3000 Hz. 20 Znane mierniki czestotliwosci pozwalaja na róz¬ nicowy pomiar bezposredni przez nakladanie dwóch czestotliwosci sygnalów wychodzacych z dwóch oscylatorów. Mierniki te odznaczaja sie jednak dlu¬ gim czasem pomiaru. Jezeli bowiem róznica mie- 25 dzy dwoma czestotliwoscilami wynosi 1/100 Hz, de¬ tekcja jednego okresu wymaga 100 sekund. W tak dlugim czasie moga nastapic zmiany czestotliowosci i pomiar róznicowy jest niescisly. Nie sa wówczas wykrywalne zmiany czestotliwosci i nie dziala kom- 30 pensacja automatyczna. 8078880 788 3 Celem wynalazku jest opracowanie róznicowego miernika czestotliwosci, który bylby pozbawiony powyzszych wad oraz odpowiadal lepiej wymaga¬ niom praktyki niz dotychczas stosowane przyrzady.Zadaniem technicznym jest róznicowy miernik cze- 5 stotliwosci, który pozwalalby na precyzyjny, szybki i czuly pomiar czestotliwosci sygnalów elektrycz¬ nych, przy czym miernik ten zapewnialby pomiar w bardzo szerokim zakresie czestotliwosci w obec¬ nosci sygnalów zaklócajacych. 10 Zadanie to rozwiazane zostalo dzieki wynalazko¬ wi, którym jest róznicowy miernik czestotliwosci przeznaczony zwlaszcza do pomiaru róznicy dwóch malo rózniacych sie czestotliwosci Ft i F2, których wartosci moga sie zmieniac w czasie pomiaru, w szczególnosci róznicy czestotliwosci dwu sygnalów 15 nadawanych z magnetometru jadrowego wyposazo¬ nego dla kazdego sygnalu, w tor tworzenia róznicy kazdej zmierzonej czestotliwosci i czestotliwosci od¬ niesienia, przy czym tor ten zawiera generator syg¬ nalów odniesienia o czestotliwosci fRl lub fR2, która jest wyzsza od odpowiadajacej jej pomiarowej cze¬ stotliwosci F lub F oraz powielacz czestotliwosci i filtr dolnoprzepustowy dla przepuszczenia nizszej, z dwóch czestotliwosci fRl — F± lub fR2 — Fg wy¬ chodzacej z powielacza. Oba tory zmiany czesto- M tliwosci lacza sie we wspólny tor zawierajacy mnoznik czestotliwosci fRl — F± i fR2 — F2 pocho¬ dzacych z dwóch torów oraz filtr dolnoprzepusto¬ wy do selekcji nizszej czestotliwosci (F1 — fRl) — — (F2 — fR2) a ponadto zespoly do pomiaru tej ni- 30 skiej czestotliwosci. Powielacze zastosowane w ukla¬ dzie sa korzystnie powielaczami elekronowymi.Najkorzystniej jest gdy dla pomiaru nizszej czesto¬ tliwosci róznicowy miernik czestotliwosci zawiera generator sygnalów prostokatnych o okreslonym czasie trwania i amplitudzie okreslonej kazdorazo¬ wo, gdy amplituda sygnalu o nizszej czestotliwosci dochodzil do zera oraz integrator sygnalów prosto¬ katnych, aby uzyskac z nich srednia wartosc, która 4fl jest proporcjonalna do wartosci czestotliwosci (Fi—fRi) - (F2-fR2).Róznicowy miernik czestotliwosci moze byc w szczególnosci wlaczony do ukladu kompensujacego zaklócajacego pola magnetyczne w urzadzeniu za- 45 instalowanym szczególnie w samolocie.Róznicowy miernik czestotliwosci, wedlug wyna¬ lazku wspólpracuje wówczas z dwoma oscylatorami o sprzezeniu spinu i mierzy róznice indukcji pól magnetycznych, których dzialaniom poddane sa 50 dwa oscylatory o czasie reagowania bardzo krót¬ kim, wielokrotnie krótszym niz przy stosowaniu jednej tylko czestotliwosci odniesienia.Zakres pomiaru, który mozna wykonac za po¬ moca róznicowego miernika wedlug wynalazku od- 55 powiada róznicom czestotliwosci sygnalów dopro¬ wadzonych do jego wejscia zawartych miedzy 0 i kilkudziesiecioma Hz. Gzas reagowania miernika wynosi okolo jednej sekundy, ale zmienia sie on w zaleznosci od zastosowanych elementów elektro- ^ riicznych oraz od wartosci wybranych pasm prze¬ puszczania, szczególnie pasma zastosowanego w ukladzie integratora. Maksymalna zdolnosc roz¬ dzielcza, która mozna uzyskac wynosi 1/5000 Hz.Czestosciomierz róznicowy, bedacy przedmiotem «5 4 wynalazku mimo, ze przeznaczony jest zwlaszcza do róznicowego pomiaru zblizonych czestotliwosci sygnalów elektrycznych, pozwala przy wykorzysta¬ niu tylko jednego ze swych dwóch wejsc, a wiec tylko jednego z dwóch torów na wykonanie po¬ miaru absolutnego czestotliwosci sygnalu elektrycz¬ nego.Róznicowy miernik czestotliwosci wedlug wyna¬ lazku nie ogranicza sie do jednej wersji wykona¬ nia. Opisany czastosciomierz jest przystosowany w szczególnosci do pomiaru pola magnetycznego przez wykorzystanie zjawiska jadrowego rezonansu mag¬ netycznego. Moze on byc stosowany równiez do po¬ miarów róznicy dwóch zblizonych czestotliwosci.Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy róznicowego mier¬ nika, czestotliwosci, fig. 2, — schemat powielacza stosowanego w kazdym z dwóch torów miernika czestotliwosci z fig. 1, fig. 3 — schemat trzeciego mnoznika czestotliwosci, zapewniajacego trzecia zmiane czestotliwosci, fig. 4 — schemat blokowy generatora impulsów kalibrowanych stosowanych w róznicowym mierniku czestotliwosci z fig. 1.Sygnaly sinusoidalne o czestotliwosciach F A F wychodzace z dwóch oscylatorów o jadrowym rezo¬ nansie magnetycznym sa podawane na wejscia 1 i 2 dwóch identycznych torów 3 i 4, z których kazdy zawiera mieszacz skladajacy sole z powiela¬ cza 5 lub 6 polaczonego z filtrem dolnoprzepusto- wym 7 lub 8.Sygnaly odniesienia o czestotliwosciach fRl i fR2 pochodzace z generatorów 5' i 6' wchodza kazdy do jednego powielacza 5 i 6. Sygnaly odniesienia fRl i1 fR2 uzyskuje sie przez wybór harmonicznych tej samej czestotliwosci nosnej, mozna je jednak równiez uzyskac przez dzielenie czestotliwosci no¬ snej. W tym przypadku czestotliwosc nosna wybiera sie mozliwie najnizsza, to jest taka, ze jej war¬ tosc jest najmniejsza wspólna wielokrotna wszyst¬ kich czestotliwosci odniesienia fR, które zamierza sie uzyskac. Kazdy zespól stanowiacy powielacz 5 lub 6 polaczony z filtrem dolnoprzepustowym 7 lub 8, daje na wyjsciu sygnal, którego czestotli¬ wosc jest równa róznicy czestotliwosci sygnalów wprowadzanych na wejscia powielacza, to znaczy fRl — F± dla toru 3, oraz fR2—Fg dla toru 4.Mnoznik 9 tworzy iloczym sygnalów wychodza¬ cych z torów 3 i 4 posiadajacych czestotliwosc równa fRl — F± oraz fR2 — Fg , filtr dolnioprzepu- stowy 10 polaczony z mnoznikiem 9 na swym wyj¬ sciu daje sygnaly, których czestotliwosc jest równa róznicy czestotliwosci sygnalów wprowadzonych na dwa wejscia mnoznika 9. Czestotliwosc ta jest rów¬ na Af + AF, gdzie Af równa sie fR2 — fRl a AF równa sie F± — F2.Generator 11, 'który sklada sile z multiwibratora jednostabilnego okresowo uruchomionego sygnalem o czestotliwosci' AF + AF oraz z selektora mecha¬ nicznego neutronów, kalibrujacego napiecie wyjscio¬ we, daje impulsy kalibrowane zarówno odnosnie ich trwania jak i ich amplitudy, przy czestotliwosci równej AF + Af. Generator 11 posiada dwa wyjscia Q ii' Q, na wyjsciu Q, daje on impuls o ksztalcie prostokatnym o kalibrowanym czasie trwania oraz5 amplitudzie a na wyjsciu Q jego uzupelnienie, kaz¬ dorazowo, gdy amplituda sygnalu wejsciowego o czestotliwosci Af + AF dochodzi do zera. Srednia wartosc tych impulsów o ksztalcie prostokatnym jest wówczas proporcjonalna do czestotliwosci AF + Af która zamierza sie mierzyc, czyli czesto¬ tliwosci AF + oonst. Te srednia wartosc uzyskuje sie na dwóch wyjsciach integratora 12.Fig. 2 przedstawia szczególowy schemat powiela¬ cza 5 lub 6, przedstawionego na fig. 1, sygnal sinu¬ soidalny o czestotliwosci F± lub F2 wychodzacy z jednego z oscylatorów o jadrowym rezonansie magnetycznym jest wprowadzony na wejscie 13 ma baze tranzystora n-p-n 14. Tranzystor ten w pola¬ czeniu z dwoma tranzystorami 15 i 16 stanowi uklad przesuwnilka fazowego to jest uklad dopasowania impedancji, co pozwala na uzyskanie na zaciskach rezystorów 17 i 18 sygnalów o przesunieciu fazo¬ wym n i identycznej amplitudzie. Sygnaly odnie¬ sienia o ksztalcie prostokatnym d o czestotliwosci fR to jest fRl dla toru pierwszego oraz fR2 dla toru drugiego sa wprowadzone poprzez wejscia 19 i 20 do tranzystorów polowych 21 i 22. Emitery tranzy¬ storów 21 i 22 sa polaczone z masa a ich kolek¬ tory z rezystorami 17 lub 18. Dzieki temu, uzy¬ skuje sie obciecie sygnalu sinusoidalnego doprowa¬ dzonego na wejscie 13 przez sygnal prostokatny doprowadzony do wejsc 19 i 20. Tranzystory polo¬ we 21 i 22 odcinaja sygnaly, które w dwóch gale¬ ziach ukladu sa przesuniete wzgledem siebie o Jt.Teobciete sygnaly sumuja sie w rezystorach 23 i 24 i sa doprowadzone do zacisków rezystora 25. Ozna¬ czenia +5V dl —5V wskazuja, ze napiecie polary¬ zacji w tych punktach wynosi +5 Volt lub —5 Volt.Uklad ten wykonuje mnozenie sygnalów sinusoidal¬ nych przylozonych do wejscia 13 przez sygnaly o ksztalcie prostokatnym przylozone do wejsc 19 i 20. Rozkladajac sygnal o ksztalcie prostokatnym w szereg Fouriera, widzi sie, ze sygnal odbierany na wejsciu 26 bedzie mial ksztalt: 4 11 siln co t * - (sin toRt +-sin 3coR* + -sin 5coRt...) gdzie co oraz coR oznaczaja pulsacje sygnalu o cze¬ stotliwosci F i sygnalu o czestotliwosci odniesie¬ nia fR.Na wyjsciu uzyskuje sie wiec sygnal skladajacy sie z czestotliwosci o pulsacjach: (coR — co), (co + coR), (3coR — co), (3coR + co), itd...Dazy sie do pozostawienia tylko jednego sygnalu posiadajacego pulsacje (coR — co). Nalezy wiec wy¬ eliminowac wszystkie pozostale pulsacje, co uzy¬ skuje sie za pomoca filtrów dolnoprzepustowych 7 i 8. Czestotliwosc graniczna tych filtrów musi byc nizsza od najnizszej czestotliwosci, o pulsacji1 innej niz (coR — co) wystepujacej na wejsciu, to znaczy od (coR-Hco). Nalezy ponadto uwzglednic, ze obcie¬ cie utworzone przez powielacz 5 i 6 nie jest jednak calkowite i ze na ich wyjsciach pozostaje skladowa o pulsacji co. Czestotliwosc graniczna filtrów dolno¬ przepustowych musi byc wiec tak dobrana, by pul- sacja byla nizsza od co. Dobiera sie coR wieksze od co, aby przesunac czestotliwosc odniesienia poza pasmo przenoszenia filtra. 788 6 Sygnaly e± i e2 wprowadzone do dwóch wejsc 27 i 28 przedstawionego na filg. 3 powielacza 9, sa sinusoidalne, maja wiec czestotliwosci równe fRl — F± na jednym wejsciu i fR2 — Fg na drugim. 5 Sygnal e± dziala na tranzystor n^p-n 29 napiecio¬ wo, podczas gdy sygnal e2 dziala na tranzystor n-p-n 30 pradowo. Prad kolektora w tranzystorze 29 jest proporcjonalny do iloczynów sygnalów e± i eg. do zacisku 31 jest przylozone napiecie polaryza- 10 cji E.Filtr dolnoprzepustowy 10 podlaczony do wyjscia mnoznika 9 daje na wyjsciu sygnaly o czestotli¬ wosci Af + AF. 'Filtry domoprzepustowe 7, 8 i 10 stosowane w ukladzie moga byc znanego typu. !5 Z wyjscia filtru dolnoprzepustowego 10, sygnaly podawane sa do wejscia 32 przedstawionego na fig. 4, generatora impulsów 11 kalibrowanego za¬ równo pod wzgledem ampliitury jak i czasu trwa¬ nia. Generator ten moze byc przyrównany do obwo- 20 du jednostabilnego o zlozonym ukladzie. Sygnaly które na wejsciu sa niemal sinusoidalne, sa za po¬ moca obwodu 33, który zmienia ksztalt impulsów, przetwarzane na sygnaly o ksztalcie prostokatnym.Impulsy o ksztalcie prostokatnym posiadaja czesto- 25 tliwosc podwójna w stosunku do sygnalów wpro¬ wadzanych na wejscia obwodu 33, co pozwala na zdwojenie czulosci pomiaru. Nastepnie impulsy o ksztalcie prostokatnym sa doprowadzane do wej¬ scia przerzutnika 34, który steruje otwieraniem 30 przerzutnika 35 z opóznieniem ustalonym przez ob¬ wód 36. Zespoly przedstawione jako prostokaty 35, 37 i 38 symbolizuja tor zliczania asynchronicznego, przy czym obwód 37 obejmuje zespól pietnastu przerzutndków, a obwód 38 stanowi ostatni prze- 35 rzutnik toru zliczania. Oscylator wysokiej czesto¬ tliwosci 39 jest dolaczony do toru zliczania asyn¬ chronicznego przez jedno z wejsc przerzutnikiai 35.Na poczatku wszystkie przerzutniki sa w stanie zablokowanym. Gdy impuls prostokatny wychodza- 40 cy z obwodu zmiany ksztaltu impulsów 33, wchodzi do przerzutnika sterujacego 34, to sygnal wycho¬ dzacy z niego powoduje zadzialanie przerzutnika 35.Impulsy zegarowe wychodzace z oscylatora 39 prze¬ chodza wzdluz linii zliczania asynchronicznego, 45 przy czym poszczególne przerzutniki dzialaja jeden po drugim. Gdy ostatni przerzutnik 38 zmienia swój stan, limpuls zostaje przekazany, za posrednic¬ twem generatora impulsów 40, do przerzutnika ste¬ rujacego 34. Przerzutnik sterujacy 34 wysyla wów- 50 czas sygnal na skutek którego poszczególne prze¬ rzutniki przechodza ze stanu przewodzenia w stan zablokowania. Czas trwania sygnalu prostokatnego wychodzacego z ostatniego przerzutnika jest doklad¬ nie okreslony, poniewaz jest on równy Vi 2n*T0 55 gdzie n oznacza ilosc przerzutników w zespolach 35, 37 i 38, a TQ okres ilmpulsów wytwarzanych w oscylatorze 39. Do kalibrowania amplitudy im¬ pulsów prostokatnych stosuje sie obwód 41 stano¬ wiacy selektor mechaniczny neutronów, w którym 60 napiecie odniesienia stabilizowane jest przez diode Zenera. Na wyjsciu Q obwodu 41 uzyskuje sie wów¬ czas limpulsy o doskonale kalibrowanej amplitudzie i czasie trwania. Wyjscie Q jest wyjsciem emitu¬ jacym impulsy uzupelniajace impulsy wychodzace 65 z wyjscia Q.f 80788 Integrator 12 daje srednia wartosc impulsów pro¬ stokatnych Q i a, wartosc ta jest proporcjonalna do wartosci czestotliwosci Af+iAF. Integrator 12 na swym wyjsciu daje wiec napiecie, które jest proporcjonalne do róznicy czestotliwosci AF, która zamierza sie mierzyc powiekszonej o wartosc sta¬ la Af. Integrator 12 stanowi dwa tory dokladnie symetryczne, tor normalny i tor uzupelniajacy, przy czym sklada sie zasadniczo z filtru dolnoprzepusto- wego w którym wybrana bardzo niilska czestotliwosc graniczna pozwala odciac maksimum szumu, ale przedluza czas reagowania, w praktyce wybiera sie wiec, kompromis miedzy dopuszczalnym poziomem szumów na wyjsciu i zadanym czasem reagowania.Czestotliwosci fRl i fR2 sygnalów o ksztalcie pro¬ stokatnym, wprowadzanych do powielaczy 5 i 6 sa kolejnymi wielokrotnosciami tej samej czestotli¬ wosci FR, mozna wiec napisac: *ri = (n + 1) FR oraz fR2 =nFR CzejstoMiwosici fRl di fR2 ozystouje sie przez wy¬ dzielenie dwóch nastepujacych po sobie harmo¬ nicznych czestotliwosci FR.W szczególnym przypadku uzyoila róznicowego miernika czestotliwosci, do pomiaru dwóch zblizo¬ nych czestotliwosci F± i Fg, sygnalów elektrycz¬ nych wychodzacych z dwóch oscylatorów o jadro¬ wym rezonansie magnetycznym, wartosci czestotli¬ wosci F± i F2 sa zawarte w przedziale 1000 Hz i 3000 Hz, co odpowiada polu magnetycznemu o in¬ dukcji 22 000 gamma do 70 000 gamma, dla oscy¬ latora protonowego.Znane czestotliwosci fRl i fR2 sa wieksze niz cze¬ stotliwosci Ft i F2. Aby pokryc caly zakres czesto¬ tliwosci wybrano trzy pary znanych czestotliwosci fR o wartosciach zblizonych do 1700 Hz, 2400 Hz i 3100 Hz. Wartosc kazdej pary czestotliwosci sa oddalone od siebie o 42,576 Hz, co odpowiada 1000 gamma. Wartosc Af wynosi wiec 42,576 Hz.Czestotliwosci graniczne filtrów dolnoprzepusto- wych 7, 8 oraz 10 wynosza 750 Hz, (750 + 42,5) Hz, oraz 65 Hz. Czestotliwosc F0 oscylatora 39 równa jest 11 MHz.Wartosci wskazane dla czestotliwosci odniesienia fRl i fR2 jak równiez wartosc czestotliwosci F oscylatora 39 i czestotliwosci graniczne filtrów dol- noprzepustowych 7, 8 i 10 sa podane jedynie ty¬ tulem przykladu. Wartosci te moga byc zmienione w zaleznosci od wartosci czestotliwosci F*t i Fg sygnalów doprowadzonych do wejsc czestosciomie- rza. PL PL