книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

в § 2-3, с целью обеспечения необходимой стабильности частоты дат­ чика.

Нестабильность частоты, вносимая генератором, имеет внутрен­ ними причинами непостоянство амплитуды колебаний струны и изме­ нение фазовых сдвигов на разных участках замкнутой петли генера­ тора. Внешними причинами нестабильности являются непостоянство

напряжения питания, изменение температуры и временной дрейф.

Хотя напряжение питания, а также и температуру генератора при необходимости можно стабилизировать, целесообразно проектировать

генератор так, чтобы изменение частоты под действием этих причин

было по возможности малым, тогда будет малым и временной дрейф частоты.

Непостоянство напряжения питания генератора влияет на частоту главным образом через изменение амплитуды выходного сигнала, а

следовательно, и колебаний струны. Для устранения этой причины

нестабильности генератор должен быть спроектирован так, чтобы обес­

печить малость поправочного члена в формуле (5-27). На практике использование этой формулы вызывает некоторые затруднения, так

как амплитуду колебаний струны трудно непосредственно измерить. Можно рекомендовать косвенный метод определения амплитуды, даю­

щий удовлетворительные результаты для струн с магнитоэлектриче­

ским возбуждением. Предварительно должны быть известны размеры, частота и сила натяжения струны. Дополнительно измеряются доб­

ротность и динамическое резонансное сопротивление (сопротивление

эквивалентного контура). Добротность можно измерить, например, по изменению частоты в результате введения в усилитель цепочки,

создающей определенный фазовый сдвиг (для повышения надежности

лучше выполнить два измерения — с опережающим и отстающим фа­ зовым сдвигом). Динамическое сопротивление определяется как раз­ ность показаний моста, уравновешиваемого на резонансной частоте и вдали от резонанса. Все это нужно для того, чтобы найти индуктив­

ность эквивалентного контура, связанную с динамическим сопротив­ лением соотношением /?д = Q(D0Z^, а по ней — первую пространст­

венную гармонику индукции магнита, через которую индуктивность

выражается в соответствии с формулами § 2-3 и 5-3 как

(5-30)

2*2F

Наконец, по известной первой гармонике индукции находится связь между амплитудой колебаний струны и амплитудой первой гармоники возбуждающего тока:

Окончательная расчетная формула для определения Ym по 1Ш

имеет вид:

Для определения амплитуды колебаний струны по току возбужде­ ния или э. д. с. можно также непосредственно измерить индукцию в зазоре магнита, но этот способ требует изготовления специальных •гонких и узких измерительных катушек или датчиков Холла.

При экспериментальной разработке генератора внешним призна­ ком того, что амплитуда колебаний слишком велика, может быть па­ раболический характер зависимости частоты от напряжения питания (рис. 5-9). При очень больших амплитудах могут получаться более

сложные зависимости, в этом случае можно распознать нестабильность

частоты, вызванную изменением амплитуды, по большой величине относительного изменения частоты, превышающей возможное измене­

них сопротивлений и емкостей транзисторов, так и формы кривой возбуждающего струну сигнала.

В многокаскадном генераторе изменение напряжения питания может вызвать уход фазового сдвига на несколько градусов [131] только

вследствие изменения параметров транзисторов. Эту причину неста­ бильности легко выявить, снимая фазо-частотную характеристику

усилителя при различных напряжениях питания. Для уменьшения

нестабильности усилитель следует рассчитывать так, чтобы фазовый сдвиг был близким к нулю по возможности в большей полосе частот.

Влияние напряжения питания на фазовый сдвиг через изменение

формы кривой возбуждающего сигнала сказывается в генераторах,

в которых имеется связь между выходом и входом усилителя помимо контура, эквивалентного струне, например в мостовых генераторах

(см. рис. 5-12) при неточном уравновешивании моста. При уменьше­

нии напряжения питания усиление обычно уменьшается и форма воз­

буждающего сигнала приближается к синусоидальной; при увели­

чении напряжения питания форма возбуждающего сигнала становится

трапецеидальной и может приближаться к прямоугольной. Соответст­

венно меняется состав гармоник в напряжении, которое проходит на

вход усилителя через паразитную связь, складываясь с синусоидаль-

Глубина обратной связи не должна выбираться слишком большой: не­ которое изменение режимов практически не влияет на частоту, а фазо­ вые характеристики усилителя ухудшаются с увеличением глубины обратной связи (см. § 6-6). Не рекомендуется также вводить отрица­

тельных обратных связей по переменному току (для стабилизации уси­ ления) с выхода усилителя на предыдущие каскады. В момент входа

последнего каскада в режим ограничения обратная связь исчезает, и сигнал в предыдущих каскадах резко возрастает, что может при­

вести к их перегрузке и к появлению непредвиденных фазовых сдви­

гов.

Рис. 5-12. Схема струйного генератора для струи с ма­ гнитоэлектрическим возбуждением

В мостовых генераторах изменение температуры может нарушать

равновесие моста. Как было показано выше, это очень опасно, если

форма возбуждающего сигнала отличается от синусоиды. Но и при синусоидальном возбуждающем сигнале нарушение равновесия моста

изменяет частоту, если фазовый сдвиг в усилителе отличен от нуля,

так как в этом случае поступающее на вход усилителя через паразит­ ную связь напряжение имеет другую фазу, чем сигнал со струны. Не­ стабильность частоты, вызванная этой причиной, устраняется теми же мерами, которые рекомендовались выше для устранения влияния непостоянства напряжения питания на частоту: тщательным уравно­ вешиванием моста и уменьшением всяких, даже постоянных, фазовых сдвигов в усилителе. Для увеличения температурной стабильности равновесия моста, в одно из плеч которого включена струна, реко­

мендуется в смежное плечо включать проволоку из того же материала.

Практические схемы струнных генераторов приведены в работах [2, 36, 131 ). На рис. 5-12 показана разработанная авторами схема

генератора для струн с магнитоэлектрическим возбуждением. Гене­

ратор содержит мост, в одно из плеч которого включена струна. Бес-

трансформаториая связь моста с усилителем (см. § 2-3) осуществляется с помощью дифференциального входного каскада на транзисторах разного типа проводимости. Режимы всех транзисторов стабилизи­

руются обратной связью nô постоянному току, охватывающей почти весь усилитель. Согласующий эмиттериый повторитель между каска­ дами усилителя увеличивает коэффициент усиления и одновременно несколько улучшает фазо-частотную характеристику. Добавочное сопротивление в цепи моста позволяет установить необходимый фак­ тор регенерации или амплитуду колебаний струны.

Описанный усилитель имеет коэффициент усиления около 10000; при работе со струнами из сплава К40НХМВ длиной 36 мм на частоте

2000 гц он обеспечивал амплитуду колебаний около 3 мкм, при этом

погрешность от изменения напряжения питания на 10% не превы­

шала 10“ а частоты. При необходимости работы со струнами, имею­

щими малое динамическое сопротивление, или для уменьшения ам­

плитуды колебаний может быть добавлен еще один каскад усиления

[1311.

Подобные бестраисформаторные генераторы оказываются очень гибкими и удобными для наладки и исследования. Уравновешивание

моста производится прямо в генераторе, для этого достаточно отсое­

динить мост от выхода усилителя и присоединить его к внешнему зву­ ковому генератору. При этом усилитель струнного генератора служит

усилителем сигналов неравновесия моста, причем одновременно учи­ тывается его влияние на равновесие. Повторяя уравновешивание моста

на резонансной частоте струны, легко определить ее динамическое сопротивление. Для измерения добротности струны в работающем ге­

нераторе на место добавочного сопротивления включается фазовра­

щающая (дифференцирующая или интегрирующая) цепочка, при этом

режимы усилителя не меняются. При настройке генератора одновре­ менно с уравновешиванием моста легко определяется фактор регене­

рации как превышение выходного напряжения усилителя над вход­ ным напряжением моста на резонансной частоте. Наконец, изменяя

добавочное сопротивление (а если этого мало, то и сопротивления

моста), можно в широких пределах регулировать ток в струне и, сле­

довательно, амплитуду ее колебаний. При уменьшении добавочного сопротивления и сопротивлений моста одновременно с ростом тока в струне увеличивается фактор регенерации; если это нежелательно, можно уменьшить коэффициент усиления местной обратной связью.

Почти такие же усилители можно использовать для возбуждения

колебаний стальных струн с электромагнитными возбудителями и приемниками. На рис. 5-13 приведена схема генератора, разработанная авторами для струнного динамометра со стальными ленточными стру­ нами. Для уменьшения влияния индуктивностей возбудителя и при­ емника на фазо-частотную характеристику входное сопротивление

увеличено местной обратной связью, а выходное — с помощью доба­

вочного сопротивления, которое ограничивает и амплитуду колебаний струны. Опытом установлено, что такое ограничение значительно

лучше, чем искусственное ограничение выходного напряжения уси­

лителя диодными ограничителями.

Испытания генератора показали, что он пригоден для работы со струнами, которые обеспечивают на резонансной частоте коэффициент

Генераторы для струн с емкостной системой возбуждения разрабо­

таны в Харьковском НИИ метрологии Л. Д. Брызжевым и В. В. Окоро­ ковым. Схемы генератора и балансного смесителя для получения раз­ ности между частотой струны и частотой опорного кварцевого гене­

рис. 5-16, является элементом частотно-ферродинамической системы аппаратуры контроля производственных процессов и управления ими, разработанной в г. Харькове [141]. Вольфрамовая струна 7, прива­ ренная микросваркой к двум лепесткам, с помощью винтов крепится к неподвижному кронштейну 4 и к подвижному кронштейну 9. Ра­ бочую часть струны ограничивают ножевые опоры 8. Измеряемое перемещение через специальный кулачок для линеаризации функции

преобразования (не входит в датчик и не показан на рисунке) пере­

дается на струну посредством серьги 14 и измерительной пружины 12. Благодаря пружине струна работает в режиме заданной силы. Погреш­

ность преобразователя со струнным генератором — около 0,2 — 0,5%.

Датчики для измерения давления. На рис. 5-17 изображен разра­

ботанный под руководством А. И. Жучкова датчик с дифференциаль­ ным струнным преобразователем, обеспечивающим линейность ха­ рактеристики преобразования. Упругий элемент 6 датчика имеет мем­ брану 15 и три выступа 3, на которых крепятся плоские стальные пред­ варительно натянутые струны 2 и 4 с помощью прижимных планок 5

и винтов 1 (обе струны представляют собой одну деталь, как показано на рис. 5-5, г). Полость упругого элемента закрыта пробкой 16. Сред­

ний выступ расположен несимметрично на мембране и под действием

измеряемого давления поворачивается на некоторый угол, тем самым

уменьшая натяжение струны 2 и увеличивая натяжение струны 4.

Под струнами 2 и 4 расположены приемники 7 и 9 и возбудители 8 и 10 в виде катушек с вставленными в них магнитами (см. рис. 5-6). Приемники подключены на вход усилителей 11 м 12, а возбудители—

ком и блоком печати 23,5 кг, время измерения 20 сек. Цифровой счетно-

регистрирующий миллибарометр «СРП» демонстрировался на ВДНХ

1966 г.

Датчик, изображенный на рис. 5-19, предназначен для измерения

связанный с центрирующей пружиной 4, ввернут ниппель 3 со струной.