книги / Методы и устройства цифрового измерения низких и инфранизких частот

Предложенные нами схемы автоматических ЦТО и ЦТЧ вы­ годно отличаются от выпущенных за рубежом и отечественных промышленных тахометров типа ЧК-3-29, Ф-482 и Ф-487 своими метрологическими и техническими характеристиками. Эти преиму­ щества сохранятся и в одиопредельных тахометрах.

Однако известные ЦТ не могут измерять низкие скорости вра­ щения, так как не обеспечивают требуемого быстродействия, кото­ рое, как было показано в первой главе, резко падает с уменьше­ нием скорости. Потребность в выпуске таких приборов ощущается

Рис. 4-11. Функциональная схема одиопредельного ЦТП.

все более остро. По данным Киевского института автоматики диа* пазон подлежащих измерению скоростей современных мощных станов непрерывной прокатки не превышает 150—600 об/мин,, а измерения должны выполняться с приведенной погрешностью не более ±0,1% при времени измерения 0,1—0,01 сек. Такие ЦТ не­ обходимы как при настройке клетей этих станов и контроле за их скоростью, так и при прокатке, испытаниях различных инерциаль­ ных систем, систем астронавигации и др.

Развернутая схема разработанного для низкооборотных уст­ ройств и механизмов ЦТП, который по-новому решает задачу из­ мерения скоростей малооборотиых двигателей и механизмов, по­ казана на рис. 4-11. Такой ЦТП предназначен для измерения угло­ вых скоростей в диапазоне до 250 об/мин за интервал времени, ■равный одному или нескольким периодам Тх импульсов ДУС, и представления результата измерения непосредственно в «об/мин» с приведенной погрешностью ±0,1%. В ЦТП измеряется один или несколько периодов ТХ1 а после этого в течение небольшого фик­ сированного промежутка времени полученное число Ыъ преобра­ зуется в число Na, пропорциональное скорости вращения, которое воспроизводится ЦОУ во время очередного квантования времен­ ного интервала. Преобразование Nb~+Na проходит с помощью де­ лителя частоты с цифровой обратной связью (рис. 3-18). Рассмот-

‘рим однопредельный вариант ЦТП, в котором в течение одного временного интервала, кратного Тх, осуществляется квантование его значения, а в течение следующего — преобразование Nb-+Na и воспроизведение результата. ЦОУ выполнено трехдекадным, а оба счетчика — вычитающий ВМСИ и счетчик делителя с цифро­ вой обратной связью МСИ — четырехдекадными. При их построе­ нии использованы соответственно коды 1—2—1—5 и 1—2—4—2. Частота следования импульса тактового генератора (ГТЧ) равна •4000 гцу а на выходе его делителя ДТЧ — 400 гц. ОМВ содержит ГОЧ и делитель ДОЧ. Частота ГОЧ равна 12 кгц, а коэффициент деления ДОЧ — 720. ЦТП работает в режиме периодических изме­ рений. Импульсы ЛУС после формирования с выхода F поступают на вход управляющего устройства Д либо непосредственно, -либо после деления их частоты делителем ДЧ для уменьшения погреш­ ности выделения периода Тх. Блок Д управления работой ЦТП выдает по-прежнему ряд сдвинутых во времени управляющих им­ пульсов, но разделительные временные интервалы между ними, в отличие от рассмотренных выше, различны и значительны. Первый импульс сбрасывает ВМСИ; второй — открывает схему /Л на вхо­ де ВМСИ и удерживает ее открытой в течение всего квантуемого временного интервала; третий — устанавливает триггеры МСИ в исходное нулевое положение и включает триггеры ДОЧ; четвер­ тый включает Из, благодаря чему на входе И2 появляется отпи­ рающий потенциал, существующий в течение нормируемого отрезка времени, определяемого значениями частоты ГОЧ и коэффициента деления ДОЧ; а пятый — выдает результат измерения. Квантова­ ние временного интервала, кратного ТХ, производится импульсами с частотой следования 400 гц, которые снимаются с выхода ДТЧ. При этом в ВМСИ фиксируется число Noc, определяемое уравне­ нием (3.78)

первый импульс ГОЧ переводит триггеры ДОЧ из единичного ис­ ходного состояния в нулевое. Управляемая последним триггером ДОЧ схема И2 открывается и импульсы ГТЧ с частотой следовавания 4000 гц поступают на вход делителя частоты с цифровой обратной связью. Время, в течение которого происходит это преоб­ разование, нормировано и равно 0,06 сек. В соответствии с форму­ лой (3.82) в счетчике МСИ будет зафиксировано следующее число:

i ^ g e i

(4.30)

ю

которое численно равно измеряемой скорости вращения в об/мин. После окончания преобразования Nb-*-Na импульс с выхода ДОЧ запускает схему блока управления Д и, появляющийся на выходе 5 импульс, включает ЦОУ для воспроизведения полученного ре­ зультата. С поступлением следующего импульса ДУС весь цикл измерения повторяется.

Другой путь повышения быстродействия ЦТЧ и ЦТО, а также ЦТП — применение специальных ДУС, способных обеспечить за каждый оборот формирование значительно большего числа им­ пульсов ро, обладающих почти прямоугольной формой с практи­

чески неизменной амплитудой.

Новый тип такого датчика, основанного на эффекте Баркгаузена, который преобразует угловое перемещение в последовательность импульсов *, вызванных скачками Баркгаузена, состоит из следующих основных элементов: постоянного магнита или электромагнита, протяженного ферромагнетита в виде кольцевой ленты и одной или двух катушек -индуктивности. Протяженный ферромагнетик, обладающий доменной структурой, представляет собой квантованный естествен­ ным образом носитель, перемещение которого индуктирует в катушке импульсы э. д. с. В диапазоне скоростей 0,01—3 об/мин зависимость между частотой сле­ дования индуцируемых импульсов и угловой скоростью — линейная. Подавая на вход ЦТЧ после их значительного усиления (до 10е), можно обеспечить

120 мм и высоте вместе с валом 30 мм.

Предложенные ранее авторами два оригинальных оптико-механических ДУС,

ими. В одном из них для увеличения ро использован метод нониуса, при реали­

тор ДУС выполнен в виде полого непрозрачного цилиндра, имеющего на поверх­ ности m радиальных щелей с угловым интервалом Аа, a статор — в виде ста­ нины с концентрическим пазом, с одной стороны которого расположены источ­ ники света, а с другой — фотодиоды. В станине также расположен шарикопод­ шипник оси ротора, приводимого во вращение осью исследуемого вала. Вра­ щаясь в пазе статора, ротор периодически прерывает световой поток одного из (/г+1) светящихся тел, благодаря чему на выходе схемы формирования ДУС образуется унитарная последовательность импульсов, число которых за каждый оборот ротора — р о = т -л . Очередность прерывания светового потока и получе­ ние равномерной последовательности обеспечивается тем, что основная и нониусные головки расположены на станине статора друг относительно друга на угло­ вом интервале а ', равном

где Л=1, 2, 3 ,... — некоторый коэффициент, определяющий разнос между го­ ловками ДУС. При диаметре ротора 125 мм удалось получить т = 6 0 и л =10, благодаря чему ро= 600. Так как значение ро кратно шести, то этот датчик мо­ жет работать в комплекте с серийными цифровыми частотомерами и обеспечить получение результата измерения в об/мин. В другом ДУС, являющимся одно­ временно. преобразователем «угол—код», для увеличения ро использован метод кодирования углового перемещения двоичным циклическим кодом. Конструк­ тивно ротор датчика представляет собой //-разрядный кодирующий диск е про*- зрачными участками на каждой из п концентрических окружностей. При вращении такого ротора между фотосчитывающими головками прерываются све-

* Л о м а е в Г. В., М е р з л я к о в Ю. М. Тахогенератор с частотно-импульс­

ференцп, Львш, 1970.

тельной разности между ними, а в случае необходимости — в про­ центах, промилле и сотых долях процента. Отличительные особен­ ности первых ВЦП — оригинальные способы обеспечения прямой пропорциональности между N и х ; воспроизведение результатов измерения в единицах х или Ах; измерение частоты с большей точ­ ностью, чем с помощью четырех знаков отсчета на ЦОУ и внут­ ренней ОМВ; преобразование двоично-десятичных кодов, приня­ тых при построении декад МСИ, в десятичный код и др. Схемы таких ВЦП были простыми, вследствие чего они имели себестои­ мость значительно меньшую, чем себестоимости промышлен­ ных ЦЧ.

Простейший ВЦП, структурная схема которого показана на рис. 4-12, основан на квантовании значения частоты fx на выходе ЧД за нормированный отрезок 7ц, длительность которого опреде­ ляется fx и может изменяться в широких пределах для получения именованного в единицах х результата измерения, и на вычитании из полученного числа N начального значения fo частоты ЧД, соот­ ветствующего нулевому значению х.

ДЧ^—ДЧК с переключателями 3Тщ для задания 7V, устройств логического сло­ жения и умножения сигналов; устройств автоматического управления в составе управляющего триггера УТг, входящего в состав трех последовательно включен­ ных ОДновибраторов. Блок задержки запускает и подготавливает к очередному измерению В Ц П . При этом его первый мультивибратор устанавливает требуе­ мые значения коэффициентов деления частоты ДЧ\—ДУ4 для получения расчет­ ного значения Т к и записывает в М С И число, пропорциональное начальному значению частоты, впоследствии автоматически вычитаемое из полученного о ре­ зультате квантования значения частоты /*, а после своего возвращения в исход­ ное состояние записывает по одной единице в М С И и УДЧ; второй — вклю­ чает УТг, благодаря чему начинается процесс квантования, а третий мультивиб­ ратор, который запускается триггером УТг после его возвращения в исходное состояние импульсом переноса на выходе ДЧ, включает ЦОУ и обеспечивает воспроизведение полученного результата измерения. Период релаксации третьего мультивибратора может изменяться, вследствие чего время индикации будет ре­ гулироваться в пределах от 0,5 до 2 сек. Если переключатель П i установлен в положение «Периодические измерения», то после возвращения в исходное со­

чающиеся отдельным переключателем. Чтобы обеспечить требуемую стабильность частоты в И М Э , используют слюдяные, фторопластовые конденсаторы и конден­ саторы типа С СГ, точные манганиновые и регулируемые резисторы, а также предварительно отобранные кремниевые диоды и транзисторы. Более высокоточ­

Пропорциональность N и х обеспечивают ЗА/^ подобные описан­

ным переключателям ЦТ (рис. 4-8). Перед началом измерения с помощью 3N0i—ЗМ)4 в МСИ автоматически записывается расчетное значение числа в обратном коде, пропорциональное f0. Впоследст-

Рис. 4-13. Принципиальная схема образцовой меры времени.

вии оно должно быть исключено из результата измерения, а если не сделать этого, то показание ВЦП будет равно

где k — коэффициент пропорциональности ЧД; N0 — показание ВЦП, пропорциональное нулевому значению х. Если же использо­ вать имеющиеся задающие переключатели ЗА^ то перед измере­ нием триггеры МСИ устанавливаются в положение, определяемое

числом No в обратном коде N0, равном

No= 10*— А 'о = 10*— (1 0 W * o + lO W a o + lO W a t f + Л Г ю ) =

= (9—Л^4о).103+ (9—N30) 102+ (9—Afeo) 10+9—Л^10+ 1.

Последняя единица записывается автоматически перед началом измерения, что исключает погрешность, возникающую при пере­ ходе от обратного к прямому коду. После окончания измерения,

исходя из равенства (4.32), к числу N0 будет добавлено число N'. Поэтому показание ЦВП такое:

N - N Q+ N ' = N 0+No+kxTK= W + kxTK.

Так как подача на вход МСИ 104 импульсов равносильна его пере­

воду в исходное состояние «0000», то теперь вместо равенства (4.32) получим

N=kxTK.

Получение результата в единицах х непосредственно в данном ВЦП по-прежнему обеспечивается выбором Тк, расчетное значение которого задается переключателями УДЧ и ОМВ. Декадные пере­ ключатели ЗТ1(г аналогичны ЗЛГог, потому что при построении ДЧ и СД применен один и тот же код 1—2—4—8. Расчетное значение определяется из характеристики преобразования ЧД. В самом об­ щем случае, когда характеристика преобразования ЧД имеет вид

Значение Тк, вычисленное с требуемым числом знаков, коди­ руется в двоично-десятичной системе счисления с помощью ЗГк* установкой их ручек в положение Ищ, определяемое значением соответствующего t-ro разряда Тк, а переключателей ОМВ — в одно из четырех положений. Перед началом каждого измерения в УДЧ

записывается значение NiK в обратном коде Niu, а затем на вход подаются импульсы ОМВ, следующие с периодом Т, равным 0,1; 0,01; 0,001 и 0,0001 сек. Через время Тк, равное

TK= T (N in+ N 2K-I0l+ N 3ir 102+W4K- 103):+ T,

на выходе ДЧГ, появится импульс переноса, который выключит УТг. Предварительная запись в УДЧ одного импульса перед на­ чалом измерения при помощи первого мультивибратора задержки Д уменьшает погрешность задания Тк на величину Т. Увеличение числа ДЧ и УДЧ с четырех, по числу декад в МСИ, до пяти позво­ ляет пренебречь погрешностью задания интервала квантования.

В ЦОУ по-прежнему использован поразрядный, а не динамический способ индикации, так как число знаков отсчета ВЦП не более четырех. Однако для упрощения ЦОУ и уменьшения стоимости ВЦП в нем применены оригинальные дешифраторы, хорошо зарекомендовавшие себя на практике. Схемы диодно-кон­ тактных оптимальных ДШ для цифровыделяющих газоразрядных индикаторов с одним анодом (например, ИН-2, ИН-12 и др.) и с двумя анодами (ИИ-4) и индикаторами, у которых цифрозыделение осуществляется с помощью светя­ щихся тел (проекционные, индикаторы с подсветкой в торец) показаны на рис. 4-44. Эти схемы оптимальны, так как требуют для ‘реализации минимального числа элементов и только по одному переключающему контакту от каждого реле.

разрядных триггеров МСИ или РД. В исходном состоянии, например, таким клк>- чом будет Гд, потому что все три резистора, подключенные к его базе, заземлены. Базы остальных транзисторов подключены либо к источнику коллекторного пи­ тания через резистор матрицы, либо к делителям этого напряжения, которые образуются резисторами матрицы. Поэтому на базах этих транзисторов будет отрицательный потенциал, меньший чем — Ег.

обеспечивающие полное разделение управляющих и исполнительных цепей ДШ. Схема получена непосредственно из схемы на рис. 4-14 заменой контактных клю­

чей бесконтактными Схема на рис. 4-18, упрощена благодаря использованию вентильных свойств

лазерных диодов, диодно-фоторезисторных оптронов. Для ее построения доста­

коде 1—2—4—2, в его изображение осуществляется так. В исходном положе­ нии, когда разрядные триггеры СД выключены, воспроизводится цифра «О», так Как ток, достаточный для свечения лазерных диодов, протекает только через диоды оптронов ОП2 и ОПЗ. Вследствие этого сопротивление фоторезисторов уменьшается на несколько порядков по сравнению с сопротивлением неосвещен­ ных фото резисторов. Через остальные ток не протекает, потому что или их ано­ ды и катоды подключены к эквипотенциальным точкам СД, или к аноду при­ ложено отрицательное напряжение. Если © СД будут записаны числа, 0-100, 0010,

Рис. 4-16. Схема бесконтактного дешифратора для газо­ разрядных индикаторов с двумя анодами.

0111, то ИН-4 будет воспроизводить числа, 2, 4, 8, так как ОПЗ будет выключено, а включенным окажется ОП4 или ОП5, или ОП7. Поэтому напряжение, доста­ точное для /возникновения тлеющего разряда, будет приложено ос аноду четных катодов индикатора и к одному из катодов 2, 4, 8. Если будет записано число 0110, то включается ОП6 и светится цифра «6». В случае, когда будет записано нечетное число, триггер Тгi включен. Поэтому в этом случае включен ОП1, а, следовательно, воспроизводится цифра 1, 3, 5, 9 или 7.

Используя в обеих схемах оптроны с фотодинисторами и фототиристорами, можно обеспечить запоминание воспроизводимого числа на время очередного квантования до считывания нового значения.