SU1005127A1 - Дифференциально-трансформаторный преобразователь аналог-код - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании информационноуправляющих комплексов повышенной точности, имеющих в своем составе дифференциально-трансформаторные датчики. .

Известен дифференциально-трансформаторный! преобразователь, содержащий датчик, источник переменного напряжения повышенной частоты несинусоидальной формы и блок преобразования [1J.

Недостатком преобразователя является низкая точность преобразования, обусловленная несинусоидальностью источника питания. Кроме того, при питании датчиков несинусоидальными током происходит смещение положения нуля на шкале прибора и требуется дополнительная регулировка датчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является дифференциально-трансформаторный преобразователь, содержащий блок питания, формирующий прямоугольные импульсы, интегрирующий усилитель и блок преобразования. Преобразователь имеет низкую точность, обуслов ленную несинусоидальной формой тока. :Кроме того, изменение длины линии связи между датчиком и преобразова’телем приводит к изменению формы выходного напряжения, что требует увеличения постоянной воемени фильтра на выходе преобразователя, которая и определяет быстродействие данного Ιθ преобразователя Г2 ].

Цепь изобретения - повышение точ ности .

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные преобразователь напряжение - ток, дифференциально-трансформаторный датчик и выпрямитель, введены^функциональный цифро-аналоговый преобразователь, аналого-цифро20 вой преобразователь двойного инте-г грирования и синтезатор частот, при этом выход функционального цифро-аналогового преобразователя соединен с входом преобразователя напряжение ток, выход выпрямителя соединен с . входом аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования, а цифровые и управляющие входы, функционального цифро-аналогового преобра_ зователя, выпрямителя и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими выходами синтезатора частот,.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства;на фиг.2 схема выпрямителя; на фиг. 3 -схема аналого-цифрового преобразователя. 5

Устройство содержит функциональный цифро-аналоговый преобразователь 1, преобразователь 2 напряжение ток, дифференцйально-трансформаторный датчик 3, выпрямитель 4, анало- 10 го-цифровой преобразователь 5 двойного интегрирования, синтезатор 6 частот.

Устройство работает следующим образом. 15

Синхронизация всех узлов в уст ройстве осуществляется синтезатором частот, в котором осуществлена временная привязка всех сигналов к частоте питающей сети, для чего используется схема автоподстройки частоты задающего генератора. В схеме синтезатора б частот имеется делитель частоты, который выдает ряд частот: 56. кГц для подачи на цифровой вход ЦАП 1$ 50 Гц с фазовым сдвигом, обеспечивающим совпадение фронтов управляющих импульсов с нулем синусоидального напряжения в выходной обмотке датчика для управления выпрямителем 4, и 25 Гц для •запуска аналого-цифрового преобразователя 5 двойного интегрирования.

При поступлении на цифровой вход, функционального цифро-аналогового преобразователя 1 импульсов от синтезатора 6 частот на выходе образуется высокостабильное ступенчатое напряжение с синусоидальной огибающей , которое подается на вход преобразователя 2 напряжение - ток, выходной ток которого поступает в первичную обмотку дифференциальнотрансформаторного датчика 3, выход ное напряжение датчика, пропорцио нальное измеряемому параметру, по- 45 дается на аналоговый вход выпрямителя 4 , а на управляющий вход выпрямителя 4 поступают импульсы с частотой 50 Гц от синтезатора б частот.

Принципиальная схема выпрямите- зд ля 4 (фиг. 2) содержит четыре аналоговых ключа 7-10, выполненных на одной микросхеме и усилитель для управления ключами на транзисторах 11 и 12.

Управляющие.импульсы отрицатель- __ ной полярности, поступая на вход ³³ усилителя* на транзисторах 11 и 12, отпирают оба транзистора, и на затворах ключей 7 и 10 появляется на пряжение, открывающее ключи, при этом ключи 8 и 9 закрываются, так ^0 как напряжение на коллекторе транзистора 11 и затворах ключей 8 и 9 становится близким к нулю. В паузе между импульсами транзисторы 11 и запираются, что приводит к от- 65 крыванию ключей 8 и 9 и закрыванию ключей 7 и 10. Цри включении ключей 8 и 9 входные клеммы соединяются с выходными клеммами, а при включении ключей 7 и 10 входные клеммы соединяются с выходными клеммами.. Поскольку фронты управляющих импульсов синхронизированы с моментом перехода через ноль синусоидального напряжения с выхода датчика, то на выходе выпрямителя получается однополярное напряжение, которое подается на вход аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования.

Структурная, схема (фиг.З) типового аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования сотоит из аналоговых ключей 13-15, операционного усилителя 16, интегрирующей цепочки -17 в цепи обратной связи операционного усилителя 16,компаратора 18, одновибратора 19, двух триггеров 20 и 21, счетчика 22 и источника тактовой частоты, в качестве которого используется синтезатор 6 частот.

В данном преобразователе совершаются два такта интегрирования:входного напряжения ϋχ и эталонного напря-. жения - Ug.. В исходном состоянии триггеры 20 и 21 находятся в состоянии ноль, ключ 15, управляющий инверсным выходом триггера 21, замкнут, и на выходе операционного усилителя 16 будет потенциал, близкий к нулю. Счетный выход счетчика 22 заперт сигналом Ноль прямого выхода триггера 21, и счетчик хранит результат предыдущего преобразования. Счетчик 22 устанавливается в состояние ноль сигналом пуск, который задерживается одновибратором 19 и поступает на S-вход триггера 21, устанавливая его в состояние единица. .Это приводит к размыканию ключа 15 и отпиранию счетного входа счетчика 22, который начинает подсчитывать импульсы от синтезатора 6 с тактовой частотой.

Интегратор на операционном усилителе начинает интегрировать напряжение U·^, поступающее с выхода коммутатора через замкнутый ключ 14,управляемый инверсным выходом триггера 20. Интегрирование происходит с постоянной времени = R« С_ии продолжается до переполнения счетчика 22.Импульс переноса счетчика 22 устанавливает триггер 20 в единицу, размыкая тем самым ключ 14 и замыкая ключ 13. На вход интегратора подается эталон- . ное напряжение*,-и_э. В этот момент времени4;= Т< - на выходе интегратора установится напряжение (Т₄) = -и_к В- . (1) с о.

Эталонное напряжение -U. _э имеет противоположную полярность по отно шению к U*, и выходное напряжение интегратора начнет изменяться· в обратную сторону. Когда выходное напряжение интегратора станет равным нулю, компаратор 18 срабатывает и его выходной сигнал устанавливает 5 оба триггера в состояние ноль. Схема“приходит в исходное состояние .

Счетчик 22 к концу второго такта подсчитывает η импульсов, при этом Ю η = Τχ· £{ , где Т₂- длительность второго такта интегрирования, Так как иа(Т_г) = 0, то .

-“Χ· < * ^νΛ· « > ⁽²> ¹⁵ откуда . ^п = ^Тг ^fT⁼ uf. ' ⁽³⁾ 20

т.е. код в счетчике пропорционален входному сигналу. Из формулы (3) следует, что на результате преобразования не сказывается значение тактовой частоты генератора f_T и мед- 25 1ленное изменение ее во время преобразования Т™ = Т, + Т_х.

Результат преобразования не зависит также от постоянной времени . 'интегрирования , если она не из- 30 ^меняется в процессе интегрирования. Аналого-цифровой преобразователь двойу ного интегрирования обладает способностью подавлять внешние помехи, причем максимальное значение коэф- 35 фициента подавления помех ^го получается, когда длительность первого такта интегрирования равна или кратна целому числу периодов частоты помехи.

Поскольку устройство будет эксплуа-тироваться на промышленных предприятиях, то наибольшие помехи будут вызываться цепями с частотой 50 Гц или кратными ей. Поэтому длительность первого такта интегрирования выбрана равной периоду частоты сети. Синтеза- 45 тор автоматически обеспечивает его равенство при изменении частоты сети.

Высокие метрологические характеристики устройства получаются за счет питания первичных обмоток дифферен- 50 циально-трансформаторных датчиков от преобразователя напряжение - ток, на вход которого подается высокостабильное синусоидальное напряжение от функционального цифро-аналогового пре- 55 образователя. Класс точности таких преобразователей·, выполненных в интегральном иополнении, составляет

0,05-0,1. Большой коэффициент усиления в преобразователе напряжение ток исключает влияние сопротивления линии связи при изменении ее длины.

Применение синхронного выпрямителя для выпрямления переменного напряжения с вторичной обмотки датчика и схемы аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования, в котором длительность первого такта интегрирования синхронизована при помощи синтезатора частот с частотой сети переменного тока, для преобразования амплитуды выходного сигнала датчика в код, позволяет существенно повысить быстродействие преобразователя по сравнению с известными.

Предложенное устройство разработано для информационно-измерительной сис· темы, входящей в состав АСУ ТП компрессорных станций магистральных газопроводов. Система рассчитана на обслуживание 1200 датчиков, из которых треть могут составлять· дифференциально-трансформаторные датчики (в зависимости от типов и ^исла газоперекачивающих агрегатов).

Claims (2)

1. соответствующими выходами синтезатора частот,. На фиг. 1 представлена функциональна  схема устройства;на фиг.. 2 схема выпр мител ; на фиг. S -схема аналого-цифрового преобразовател Устройство содержит функциональ ный цифро-аналоговый преобразовател 1, преобразователь 2 напр жение ток , дифференциально-трансформаторный датчик 3, выпр митель 4, аналого-цифровой преобразователь 5 двойного интегриройан-и , синтезатор 6 частот. Устройство работает следующим об разом. Синхронизаци  всех узлов в устройстве осуществл етс  синтезатором б частот, в котором осуществлена временна  прив зка всех сигналов к частоте питающей сети, дл  чего используетс  схема автоподстройки час тоты задающего генератора. В схемесинтезатора 6 -частот имеетс  делитель частоты, который выдает р д частот: 50, кГц дл  подачи на цифровой вход ЦАП Ij 50 Гц с фазовым сдвигом, обеспечивающим совпадение фронтов управл ющих импульсов с нулем синусоидального напр жени  в вы ходной обмотке датчика дл  управлени  выпр мителем 4, и 25 Гц дл  запуска аналого-цифрового преобразо вател  5 двойного интегрировани . При поступлении на цифровой вход функционального цифро-аналогового преобразовател  1 иlvшyльcoв от синтезатора 6 частот на выходе образуетс  высокостабильное ступенчатое напр жение с синусоидальной огибаю|щей , которое подаетс  на вход преоб разовател  2 напр жение - ток, выходной ток которого поступает в первичную обмотку дифференцисшьнотрансформаторного датчика 3, выходное напр жение датчика, пропорциональное измер емому параметру, подаетс  на аналоговый вход выпр мите л  4 , а на управл ющий вход выпр ми тел  4 поступают импульсы с частото 50 Гц от синтезатора 6 частот. Принципиальна  схема выпр мител  4 (фиг. 2) содержит четыре анало говых ключа 7-10, выполненных на одн микросхеме и усилитель дл  управлени  ключами .на транзисторах 11 и 12 Управл ющие.импульсы отрицательной пол рности, поступа  на вход усилител - на. транзисторах 11 и 12, отпирают оба транзистора, и на затворах ключей 7 и 10 по вл етс  напр жение , открывающее ключи, при этом ключи 8 и 9 закрываютс , так как напр жение на коллекторе транзи тора 11 и затворах ключей 8 и 9 ста новитс  близким к нулю. В паузе между импульсами транзисторы 11 и 12 запираютс , что приводит к открыванию ключей 8 и 9 и закрыванию ключей 7 и 10. Дри включении, ключей 8 и 9 входные клеммы соедин ютс  с выходными клеммами, а при включении ключей 7 и 10 входные клеммы соедин ютс  с выходными клеммами.. Поскольку фронты управл ющих импульсов синхронизированы с моментом перехода через ноль синусоидального напр жени  с выхода датчика, то на выходе выпр мител  получаетс  однопол рное напр жение, которое подаетс  на вход аналого-цифрового преобразовател  двойного интегрировани . Структурна , схема (Фиг.З) типо«. вого аналого-цифрового преобразовател  двойного интегрировани  сотоит из аналоговых ключей 13-15, операционного усилител  16, интегрирующей цепочки 17 в цепи обратной св зи операционного усилител  16,компаратора 18, од.новибратора 19, двух триггеров 20 и 21, счетчика 22 и источника тактовой частоты, в качестве которого используетс  синтезатор 6 частот. В данном преобразователе совершаютс  два такта интегрировани :входного напр жени  П и эталонного напр -. жени  - Ug.. В исходном состо нии триггеры 20 и 21 наход тс  в состо нии ноль, ключ 15, управл ющий инверсным выходом триггера 21, замкнут, и на выходе операционного усилител  16 будет потенциал, близкий к нулю. Счетный выход счетчика 22 заперт сигналом Ноль пр мого выхода триггера 21, и .счетчик хранит результат предыдущего преобразовани . Счетчик 22 устанавливаетс  в состо ние ноль сигналом -пуск, который задерживаетс  оцновибратором 19 и поступает на S-вход триггера 21, устанавлива  его в состо ние единица. .Это приводит к размыканию ключа 15 и отпиранию счетного входа счетчика 22, который начинает подсчитывать импульсы от синтезатора 6 с тактовой частотой. Интегратор на операционном усилителе начинает интегрировать напр жение Uy, поступающее с выхода коммутатора через замкнутый ключ 14,управл емый инверсным выходом триггера 20. Интегрирование происходит с посто нной времени tu Rj, Сци продолжаетс  до переполнени  счетчика 22.Импульс переноса счетчика 22 устанавливает триггер 20 в единицу, размыка  тем самым ключ-14 и замыка  ключ 13. На вход интегратора подаетс  эталон- . ное напр жение -и. В этот момент времени4; Т - -г- на выходе интегратора установитс  напр жение и, (Т,) -и,;11 . Эталонное напр жение -U имеет противоположную пол рность по отношению к U;(, и выходное напр жение интегратора начнет измен тьс  в обратную сторону. Когда выходное напр жение интегратора станет равным нулю, компаратор 18 срабатывает и его выходной сигнал устанавливает оба триггера в состо ние ноль. Схема приходит в исходное состо ние . Счетчик 22 к концу второго такта подсчитывает п импульсов, при этом п Та.- , где длительность вто рого такта интегрировани . Так как UtLCTj.) О, то -II .эТ. « и V- :гг откуда V4 и; т.е. код в сче гчике пропорционален входному сигналу. Из формулы (3) следует, что на результате преобразовани  не сказываетс  значение так товой частоты генератора и медленное изменение ее во врем  преобразовани  Х Т,. Результат преобразовани  не зависит также от посто нной времени . .интегрировани  t, если она не из мен етс  в процессе интегрировани . Аналого-цифровой преобразователь дв ного интегрировани  обладает способ ностью подавл ть внешние помехи, причем максимальное значение коэффициента подавлени  помех К, по чаетс , когда длительность первого та интегрировани  равна или кратна целому числу периодов частоты помех Поскольку устройство будет экспл тироватьс  на промышленных предпри  ти х, то наибольшие помехи будут вы зыватьс  цеп ми с частотой 50 Гц -ил кратными ей. Поэтому длительность п вого такта интегрировани  выбрана р ной периоду частоты сети. Синтезатор автоматически обеспечивает его равенство при изменении частоты сет Высокие метрологические характеристики устройства получаютс  за сч питани  первичных обмоток дифференциально-трансформаторнык датчиков о преобразовател  напр жение - ток, н вход которого подаетс  высокостабил ное синусоидальное напр жение от функционального цифро-ангшогового пр образовател . Класс точности таких преобразователей) выполненных в интегральном иополнении, составл ет 0,05-0,1. Большой коэффициент усилени  в преобразователе напр жение -ток исключает вли ние сопротивлени  линии св зи при изменении ее длины. Применение синхронного выпр мител  дл  выпр млени  переменного напр жени  с вторичной обмотки датчика и схемы ансшого-цифрового преобразовател  двойного интегрировани , в котором длительность первого такта интегрировани  синхронизована при помощи синтезатора частот с частотой сети переменного тока, дл  преобразовани  амплитуды выходного сигнала датчика в код, позвол ет существенно повысить быстродействие преобразовател  по сравнению с известными. Предложенное устройство разрйботано дл  информационно-измерительной системы , вход щей в состав АСУ ТП компрессорных станций магистральных газопроводов . Система рассчитана на обслуживание 1200 датчиков, из которых треть могут составл ть, дифференциально-трансформаторные датчики (в зависимости от типов и шсла газоперекачивающих агрегатов). Формула изобретени  Дифференциально-трансформаторный преобразователь аналог - код, содержащий последовательно соединенные преобразователь напр жение - ток, дифференциально-трансформаторный датчик и выпр митель, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности в него введены функциональный цифро-аналоговый преобразователь , аналого-цифровой преобразователь двойного интегрировани  и синтезатор частот, при этом выход функционального цифро-аналогового преобразовател  соединен с входом преобазовател  напр жение - ток, выход выпр мител  соединен с входом аналогоцифрового преобразовател  двойного интегрировани , а цифровые и управл ющие входы функционального цифроаналогового преобразовател , выпр -: мител  и аналого-цифрового преобразовател  соединены с соответствующими выходами синтезатора частот. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 206357, кл. G 08 С 9/04, 1966.
2. 2.Авторское свидетельство СССР № 732665, кл. G 01 D 5/14,1978..