SU1718133A1 - Устройство дл измерени относительного изменени напр жени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в измерител х диэлектрических характеристик . Цель изобретени  - расширение диапазона измерений, котора  достигаетс  применением двух логических элементов ИЛИ 8, 9, D-триггера 7, ключа 6 за счет выбора числа разр дов счетчиков с учетом требуемой точности и количества Т-тригге- ров с учетом диапазона измер емого напр жени . Устройство содержит также преобразователь 1 напр жение - частота, два ключа 4,5, реверсивный счетчик 2, счетчик 3, блок 11 цифровой регистрации, элемент 12 задержки, блок 10 управлени . 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Фиг.1

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в блоках измерени  потерь в диэлькометри- ческих анализаторах.

Известно устройство дл  измерени  от- носительного изменени  напр жений, реализованное в дизлькометре, содержащее аналоговый блок вычислени  отношени  двух напр жений, запоминающее устройство и вычитатель.

Устройство работает следующим образом .

В запоминающем устройстве запоминаетс  напр жение Do. Выход запоминающего устройства соединен с первым входом вычитател , на второй вход которого подаетс  напр жение Ux (Ux Uo). Разность (Do - Ux) напр жений с вычитател  поступает на первый вход блока вычислени  отношени  двух напр жений, на второй вход кото- рого поступает напр жение Ux. На выходе блока вычислени  отношени  двух напр жений в результате присутствует напр жеUo-Ux

ние, равное отношению -пи

их

пропорциональное измер емой проводимости QX, эквивалентной диэлектрическим потер м в исследуемом образце вещества.

Напр жени  U0 и Ux поступают на вход устройства периодически от одного источ- ника, поэтому необходимо запоминающее устройство, вход которого с источником св зан через переключатель, синхронизированный с по влением напр жений Uo и Ох.

Основным недостатком данного устрой- ства  вл етс  низка  точность. Источниками погрешности  вл ютс  утечки в сопротивлении изол ции аналогового ЗУ и коммутирующего ключа. Низка  точность вообще присуща устройствам, использую- щим обработку информации в аналоговой форме.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  относительных приращений аналоговых сигналов, предназначенное дл  использовани  в автоматическом дизлькометрическом влагомере .

Устройство содержит АЦП, преобразующий уровень входного сигнала в число им- пульсов, два реверсивных счетчика, счетчик, два ключа, элемент задержки, блок управлени  и блок цифровой регистрации. Устройство позвол ет автоматически определ ть относительное «вменение убывающего сиг- мала к его исходному уровню.

Выход АЦП через первый ключ св зан с входом пр мого счета первого двоично-дес тичного счетчика, выход переноса (переполнени ) которого - с входами пр мого счета второго реверсивного счетчика и счетчика , информационные выходы которого соединены с входами Установка второго реверсивного счета, выход переноса которого - через элемент задержки с входами обратного счета первого двоично-дес тичного реверсивного счетчика и предварительной записи второго реверсивного счетчика, вход обратного счета которого через второй ключ соединен с выходом АЦП, причем выходы блока управлени  соединены с управл ющими входами ключей, входами Сброс счетчика и второго реверсивного счетчика и входом Сброс первого реверсивного счетчика; информационные выходы которого соединены с входами блока цифровой регистрации.

Устройство работает следующим образом .

Предварительно установив счетчики в ноль, устройство управлени  открывает ключ, при этом импульсы АЦП поступает на вход пр мого счета первого двоично-дес тичного реверсивного счетчика, выполн ющего роль делител  частоты с числом дес тичных разр дов к. 1/1мпульсы переполнени  первого реверсивного счетчика поступают на вход счетчика и. вход пр мого счета второго реверсивного счетчика.

Число разр дов счетчиков определ етс  требуемой точностью измерени . Например , если погрешность вычислени  должна быть не выше 1%, то первый двоично-дес тичный реверсивный счетчик должен иметь не менее двух дес тичных разр дов (k -2), а емкость второго реверсивного и нереверсивного счетчиков должна позвол ть записывать соответствующее первому преобразуемому напр жению число

М Е () 100,

где Во - число импульсов, прошедшее через первый ключ;

R

Ј - цела  часть отношени  -т.

Врем  аналого-цифрового преобразовател  входного сигнала, т.е. врем , на которое открываютс  ключи, выбираетс  таким, чтобы второй реверсивный счетчик был максимально заполнен, но в то же врем  не переполн лс .

Затем блок управлени , предварительно установив в нуль первый реверсивный счетчик, что соответствует записи в него числа 10k (100 при k 2), открывает второй ключ, через который импульсы АЦП, соответствующие меньшему из преобразуемых напр жений, поступают на вход обратного

счета второго реверсивного счетчика и вычитаютс  из его содержимого. При установлении в нуль второго реверсивного счетчика на его выходе по вл етс  сигнал, подаетс  на вход обратного счета первого реверсивного счетчика и на вход предварительной записи второго реверсивного счетчика. В результате осуществл етс  параллельна  перезапись содержимого нереверсивного счетчика во второй реверсивный счетчик.

Таким образом, во второй части измерений второй реверсивный счетчик по отношению к первому реверсивному счетчику выполн ет роль делител  частот с коэффициентом делени  N. Общее число импульсов переполнени , получаемых при обратном счете второго реверсивного счетчика, равно

Ri-E (§)

где Bi - число импульсов, прошедшее через второй ключ, соответствующее числовому эквиваленту второго напр жени  U(ti);

сВ|

Е - цела  часть числа -гг .

Поэтому после окончани  цикла измерени  содержимое счетчика окажетс  равным

gi 100k-Ri.

что при к 2 с точностью до 1 % соответствует истинному значению относительного приращени  сигнала на входе АЦП, определ емому по формуле

q.-Ц(toУ-и ft) . iop

9U (to)

где U(t) - исследуемый сигнал;

to ti - моменты времени, относительно которых осуществл етс  оценка величины изменени  сигнала.

Результат измерени  отображаетс  с помощью блока цифровой регистрации.

Недостатки известного устройства дл  измерени  относительного изменени  аналогового сигнала состо т в его сложности (необходимо использовать два реверсивных счетчика), в невозможности его использовани  в резонансных измерител х диэлектрических параметров и измерител  полной проводимости, в которых необходимо измер ть относительное изменение напр жени  на LC-контуре после введени  в емкостной датчик- чейку, включенную в резонансный контур, исследуемого вещества. В этом случае вычислени  должны осуществл тьс  по формуле

Uo-Ux m

.9k,

где QX - посто нна ,

UD - напр жение на контуре до введени  исследуемого вещества;

Ux - напр жение на контуре после введени  в  чейку вещества (Ux Uo, т.е. необходимо вычисл ть отношение абсолютного изменени  напр жени  к меньшему из 5 напр жений).

Цель изобретени  - упрощение устройства дл  измерени  относительного измене- ни  напр жений при одновременном обеспечении возможности его использова0 ни  в качестве цифрового блока измерени  диэлектрических потерь в резонансных ди- элькометрах и расширение диапазона измерений .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что

5 устройство, содержащее преобразователь напр жени  в частоту, два ключа, реверсивный счетчик, вход пр мого счета которого через первый ключ соединен с выходом преобразовател  напр жени  в частоту, второй

0 счетчик, блок цифровой регистрации, элемент задержки и блок управлени , первые два выхода которого соединены с управл ющими входами первого и второго ключей, дополнительно введены две схемы ИЛИ, D5 триггер и включенный между третьим тактовым выходом блока управлени  и счетным входом второго счетчика третий ключ, управл ющий вход которого и первый вход первой схемы ИЛИ соединены с выходом

0 D-триггера, вход синхронизации которого и второй вход первой схемы ИЛИ - с вторым выходом, блока управлени , четвертый выход которого соединен с входами установки в ноль счетчиков и первым входом второй

5 схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом обратного переноса первого реверсивного счетчика, вход обратного счета которого соединен с выходом преобразовател  напр жени  в частоту через второй

0 ключ, управл ющий вход которого соединён с выходом первой схемы ИЛИ, а выход второй схемы ИЛИ - с входом сброса D-тригге- ра, выход которого через элемент задержки соединен с входом Запись блока цифро5 вой индикации, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами второго счетчика.

Блок управлени  устройства выполнен в виде двух М-входовых схем И, формирова0 тел  импульса сброса, вход которого соединен с выходом первой схемы И, и последовательно включенных генератора тактовых импульсов и М Т-триггеров, причем первым выходом блока управлени   в5 л етс  выход первой схемы И, входы которой соединены с пр мыми выходами первых М-1 Т-триггеров и инверсным выходом последнего Т-триггера, пр мой выход которого соединён с входом второй схемы И, остальные входы которой соединены с

инверсными выходами остальных Т-тригге- ров, выход второй схемы И  вл етс  вторым выходом блока управлени , третьим выходом которого  вл етс  дополнительный выход генератора тактовых импульсов, а число М Т-триггеров определ етс  по формуле

M . .ихмин

где - цела  часть числа х;

Uo - значение максимального напр жени  на входе устройства, относительно которого измер ютс  изменени  напр жени ;

Ux мин значение минимального напр жени  на входе устройства.

На фиг. 1 приведена принципиальна  схема устройства дл  измерени  относительного изменени  напр жений; на фиг. 2 -принципиальна  схема блока управлени ; на фиг. 3 - временные диаграммы напр жений , по сн ющие работу устройства: а - на выходе тактового генератора; в-е - на пр мых выходах Т-триггеров; f - на первом выходе блока управлени -сигнал, Открывающий вход пр мого счета реверсивного счетчика; д- на втором выходе блока управлени ; h - на выходе D-триггера - на управл ющем входе второго ключа; I - на управл ющем входе первого ключа, открывающем вход обратного счета РС2.

Устройство содержит преобразователь 1 входного напр жени  в частоту (ПНЧ), реверсивный счетчик, счетчик 3, ключи 4-6, D-триггер 7, схемы ИЛИ 8-9, блок 10 управлени , блок 11 цифровой регистрации и элемент 12 задержки.

Входы пр мого и обратного счета реверсивного счетчика 2 с выходом ННЧ-1 соединены соответственно через ключи 4 и 5, управл ющие входы которых соответственно соединены с первым выходом блока 10 управлени  и выходом схемы ИЛИ 8.

Выход обратного переноса реверсивного счетчика 2 через схему ИЛИ 9 соединен с входом сброса D-триггера 7, вход синхронизации которого и первый вход счеты ИЛИ 8 соединены с вторым выходом блока 10 управлени , третий тактовый выход которого через ключ 6 соединен со счетным входом счетчика 3. Четвертый выход блока 10 управлени  соединен с входами установки в ноль счетчиков и вторым входом схемы ИЛИ 9. Выход D-триггера 7 соединен с управл ющим входом ключа 6, вторым входом схемы ИЛИ 8 и через элемент 12 задержки с входом Запись блока 11 цифровой регистрации , информационные входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика 3.

Блок 10 управлени  содержит две четы- рехвходовых схемы И 13 и 14, формирователь 15 импульсов сброса, вход которого соединен с выходом схемы И 13, и последовательно включенные генератор 16 тактовых импульсов и Т-триггеры 17-20. Первым выходом блока управлени   вл етс  выход схемы И 13, входы которой соединены с пр мыми выходами Т-триггеров 17-19 и инверсным выходом Т-триггера 20, пр мой выход которого соединен с входом схемы И 14, остальные входы которой соединены с инверсными выходами Т-триггеров 17-19. Вторым выходом блока управлени   вл етс  выход схемы И 14, третьим выходом -дополнительный выход генератора 16 тактовых импульсов, четвертым - выход формировател  15 импульсов сброса.

В момент времени ti блок 15 по положительному перепаду напр жени , поступающего на его вход с выхода схемы И 13, формирует на выходе короткий (около 75 не) импульс, который с выхода 3 блока 10 поступает на входы Очистка счетчиков 2 и 3 и

через схему ИЛИ 9 на вход сброса D-триггера 7.

Одновременно высоким уровнем напр жени  с выхода И 13 (выход 1 блока 10 управлени ), поступающим на управл ющий

вход ключа 4, открываетс  вход пр мого счета реверсивного счетчика 2.

В течение промежутка времени от ti до ta реверсивный счетчик 2 заполн етс  с входа пр мого счета импульсами, частота котоРЫХ пропорциональна опорному напр жению Uo.

Длительность определ етс  временем нахождени  в единичном состо нии триггера Т 17.

В момент времени t2 к входу преобразовател  1 напр жение-частота подключаетс  источник напр жени  (Ux Uo). Одновременно выход блока 1 переключаетс  с входа пр мого счета на вход обратного счета реверсивного счетчика 2. Выход блока 1 соедин етс  с входом обратного счета реверсивного счетчика 2 ключом 5, на управл ющий вход которого через схему ИЛИ 8 с момента времени t2 no ta поступает высокий

уровень напр жени  с выхода 2 блока 10 управлени  (выход схемы И 14).

В момент времени 1з задним фронтом напр жени  с выхода схемы И 14 D-триггер 7 устанавливаетс  в единичное состо ние и

высокий уровень напр жени  с его выхода, поступа  через схему ИЛИ 8 на ключ И 5, оставл ет открытым вход обратного счета реверсивного счетчика 2 и, поступа  на управл ющий вход ключа Кб, разрешает про

хождение импульсов с тактового генератора 16 в счетчик 3.

Таким образом на отрезке временй от ti до t2 реверсивный счётчик 2 заполн етс  с входа пр мого счета импульсами, частота следовани  которых пропорциональна Uo, a с момента t2 - с входа обратного счета импульсами , частота следовани  которых пропорциональна Ux(Ux U0).

Поэтому, так как t2 - ti ° ta -12, к моменту времени ts в счетчике 2 останетс  записанным число импульсов, пропорциональное разности напр жений U0 - Ux. С этого момента времени (гз) начинает заполн тьс  счетчик 3 импульсами с генератора 16 тактовых импульсов. Заполнение счетчика 3 продолжаетс  до тех пор/пока содержимое реверсивного счетчика 2 не пройдет через ноль, при этом на выходе реверсивного счетчика 2 по вл етс  импульс обратного переноса, поступающий через схему ИЛИ 9 на вход Сброс D-триггер 7, и низкий уровень напр жени  на его выходе отключает вход счетчика 3 от выхода генератора тактовых импульсов.

Очевидно, врем  () заполнени  счетчика 3 пр мо пропорционально разности напр жений () числу импульсов, оставшихс  в реверсивном счетчике 2 к моменту времени ta, и обратно пропорционально напр жению Ux (обратно пропорционально частоте следовани  импульсов , поступающих на вход обратного счета реверсивного счетчика 2, т.е.

„. Uo-Ux м

9k-DT N9 где коэффициент пропорциональности;

Ng -число импульсов, зафиксированное счетчиком 3 к моменту времени t4.

Определим, каким образом коэффици- ент пропорциональности св зан с параметрами устройства.

Можно записать f0 SU0;(1)

fx SUx,(2)

где U0 и Ux - напр жени  на входе блока ПНЧ Т;

fo и fx - соответствующие им частоты на выходе ПНЧ 1;

S - крутизна преобразовани  ПНЧ 1.

Число импульсов, прошедшее в ревер- сивный счетчик 2 с входа пр мого счета, равно

N& f0(t2-ti),(3)

с входа обратного счета за отрезок

Nx fx(t3-t2).(4)

С учетом (1) и (2) и (3) и (4) можно определить число импульсов, оставшеес  в счетчике 2 к моменту гз

N0-Nx S(U0-UxXt2-ti).(5)

Врем  () заполнени  счетчика 3 определ етс  из

t4- ta

NQ-NX s(Uo-ux)(t2-ti)

su

(t2-tl).

(6)

А число Ng импульсов, прошедшее счетчик 2, равно

No

Uo - Ux 07

(t2-ti)frm.

(7)

5

0

0

5

0

5

0

5

0

где тгти - частота с выхода 3 тактового генератора 16, т.е.

Qk (t2 - ti) frm(8)

Очевидно, коэффициент пропорциональности д  равен отношению частот на выходе 3 генератора 16 тактовых импульсов и на входе Т-триггера 7. Это отношение частот можно выбрать таким образом, чтобы получать результат измерени  непосредственно в значени х измер емой проводимости .

Диапазон измерени  относительного изменени  напр жений ограничиваетс  до- 5 пустимым временем (tn - ta} заполнени  счетчика 3, которое зависит от количества включенных последовательно Т-триггеров. Дл  приведенного примера реализации устройства

(t4-t3H2(M-1)-1)(t2.-ti); . (9)

t4-t3

7.

С учетом (9) из (6) имеем

UQ UXMHH U - t3

2(M-D. -i. (10)

UXMHHt2 tl

Откуда находим число Т-триггеров, обеспечивающее требуемый диапазон измерений

0(м-1) Uo - Ux , , U0

Ux

M-1

+1

Uc

.

(11)

(12)

ХМИН

где Ux мин - значение минимального напр жени  на входе устройства;

- цела  часть числа X.

Предлагаемое устройство позвол ет измер ть относительное изменение убывающих напр жений,  вл етс  более простым по сравнению с известным и обеспечивает более высокую точность измерени  диэлектрических потерь в резонансных диэлько- метрических анализаторах, например в резонансных измерител х диэлектрической проницаемости типа ТАНГЕНС-2М и Ш2-5, основанных на методе пр мого замещени . Принцип действи  диэлькометров состоит в том, что к измерительному LC-контуру ди- элькометра поочередно подключаютс  заполненна  исследуемым веществом

емкостна   чейка-датчик или градуированный конденсатор. При подключенной  чейке LC-контур настраиваетс  в резонанс посто нно включенным в него конденсатором переменной емкости, а при подключении к LC-контуру вместо  чейки градуированного конденсатора изменением емкости этого конденсатора. После настройки диэлектрическую проницаемость вещества определ ют по шкале градуированного конденсатора, а проводимость дх, эквивалентную диэлектрическим потер м в веществе - по относительному изменению напр жени  на LC-контуре. Известно

- Л.

где Uo - напр жение на настроенном в резонанс контуре при незаполненной  чейке;

Ux - напр жение на настроенном в резонанс контуре после введени  в  чейку исследуемого вещества;

gk - посто нна  - собственна  проводимость нагруженного контура, эквивалентна  потер м в его элементах.

Из-за наличи  активных потерь в веществе Ux Uo.

Был изготовлен макет предлагаемого устройства и испытан в диэлькометриче- ском анализаторе с положительными результатами .

Claims (2)

1. Формула изобретен.и  1. Устройство дл  измерени  относительного изменени  напр жени , содержащее преобразователь напр жение-частота, два ключа, реверсивный счетчик, счетчик, блок цифровой регистрации, элемент задержки , блок управлени , первый выход которого соединен с управл ющим входом первого ключа, вход пр мого счета реверсивного счетчика соединен с выходом первого ключа, вход которого соединен с выходом преобразовател  напр жение-частота , о т л ичающеес   тем, что, с целью расширени  диапазона измерений, дополнительно введены два логических элемента ИЛИ, Отригсер, третий ключ, вход которого соединен с третьим выходом блока управлени , выход третьего ключа соединен со счетным входом счетчика, вход сброса которого соединен с четвертым выходом блока управлени , входом сброса реверсивного счетчика и первым входом второго элемента ИЛИ, вход преобразовател  напр жение-частота  вл етс  входом устройства, выход которого соединен с входом второго ключа, выход которого соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика, выход обратного переноса которого соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого

   соединен с входом сброса D-триггера, вход записи которого соединен с вторым выходом блока управлени  и первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом D-триггера, управл ющим входом третьего ключа и входом элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом блока цифровой регистрации , первый вход которого соединен с выходом счетчика, выход первого элемента ИЛИ

   соединен с управл ющим входом второго ключа.
2. 2. Устройство по п. 1,отличающее- с   тем, что блок управлени  содержит два М-входовых элемента И, формирователь импульса сброса, генератор импульсов, первый вход которого соединен с входом последовательно соединенных М Т-тригге- ров, причем первым выходом блока управлени   вл етс  выход первого элемента И,

   входы которого соединены с пр мыми выходами первых М-1 Т-триггеров и инверсным выходом последнего Т-триггера. пр мой выход которого соединен с сходом второго элемента И, остальные входы которого соединены с инверсными выходами остальных Т-триггеров, выход второго элемента И  вл етс  вторым выходом блока управлени , третьим выходом которого  вл етс  второй выход генератора тактовых импульсов сбро- /

   са соединен с выходом первого элемента И, а число М Т-триггеров определ етс  по формуле

   Uc

   ,

   4сМ тт- .

   3ихмин

   где - цела  часть числа X;

   Uo - значение максимального напр жени  на входе устройства, относительно которого измер етс  изменение напр жени ; SO Ux мин - значение минимального напр жени  на входе устройства.

   - -о- .

   Г/.

   / S6 g

   -гч

   .

   (Ж

   Г-/Г

   j