CZ344692A3 - Zapojení pro měření frekvence elektromechanického rezonátoru - Google Patents

Abstract

Rezonátor(14)je přes zesilovač a filtrační obvody (16) spojen jednak s čítačem (12) a jednak se vstupem časovacího obvodu (10), jehož výstup je spojen s ovládacím vstupem přívodního spínače (13) a zároveň s prvním (901) vstupem energetického zdroje (9), jehož výstup je přes přívodní spínač (13) spojen s rezonátorem (14). Mezi rezonátor (14) a vstup zesilovacích obvodů (16) je vřazen první spínač (1), k jehož výstupu je zapojen druhý spínač (2) s ukostřeným druhým pólem a oba jejich ovládací vstupy jsou spojeny s ' výstupem časovacího obvodu (10) Mezi výstup zesilovacích obvodů (16) a vstup časovacího obvodu (10)je vřazen fázovací obvod (8), jehož vstup je spojen jednak s druhým * vstupem (902) energetického zdroje (9), tvořeného převodníkem napětí/proud a jednak přes komparátor (7) s prvním vstupem (111) řídícího pbvodu (11) čítače, do jehož druhého vstupu (122) čítače (12) je zapojen výstup řídícího obvodu (11) čítače.

Description

Vynález se týká zapojení pro měření rezonanční frekvence , elektromechnického rezonátoru a jiných eqivalentních rezonátorů např. strunového tenzometru .

Současný stav techniky

V měřící technice je často nutné měřit vlastni rezonanční frekvenci mechnických rezonátorů pracujících v akustickém pásmu . Dosud jsou známa zapojení pro výše uvedená měření , kde je cívka elektromechanického rezonátoru vybuzena jedním impulsem z vnějšího obvodu a tímto impulsem jsou v rezonátoru vybuzeny tlumené kmity , jejichž frekvence se po určité době změří . Známý měřící obvod je realisován klasickým zapojením oscilátoru v jehož obvodu rezonátor vybaven jednak snímací a jednak budící cívkou. Pomocí oscilátoru se rezonátor rozkmitá a pro účely měření se vypne , aby nedošlo k zavlečení chyb . Vlastní frekvence se pak měří při tlumeném kmitání . V jiném známém měřícím obvodu je rezonátoru vnucován signál na subharmonické frekvenci , kdy se tato frekvence postupně mění a mezi změnami je kontrolována amplituda kmitů rezonátoru . Mezi změnou frekvence vnucovaného signálu je kontrolován nárůst amplitudy signálu z rezonátoru na rezonančním hrbu. Tak je nalezen optimální budící signál , kterým se rezonátor úplně vybudí a po vypnutí buzení se změří frekvence rezonátoru . Další známý obvod je sestaven tak , že k rezonátoru jsou připojeny zesilovací obvody tvořené zesilovačem se zpětnovazebním zesilovačem chyby a s ním pak filtrační obvod , jímž je rezistor v sérii s ukostřeným filtračním členem . Uzel mezi rezistorem a filtračním členem je spojen se vstupem časovacího obvodu , jehož výstup je spojen s ovládacím vstupem přívodního spínače a zároveň se vstupem napěťového zdroje , jehož výstup je přes přívodní spínač spojen s rezonátorem .

Nevýhodou uvedených obvodů je jejich značná citlivost na rušivé parazitní vlivy , jako je např. kapacita a odpor vedení , rušivá napětí nakmitaná z okolí a pod. , čímž je pak měření zatíženo poměrně velkou systémovou chybou . Také není přůběžně sledován stav kmitání rezonátorů , čimž je k vyvolání jeho kmitů dodávána větší energie než je nutná . Taktéž nelze často zabránit rozkmitání rezonátorů na harmonických frekvencích . Známé měřící obvody dostatečně nerespektují skutečné vlastnosti rezonátorů a jeho přívodního vedení , které bývá až 5 km dlouhé. Rozkmitávání se děje naprosto asynchronně a rezonátorů se tak vnucuje určité chování bez možnosti se přizpůsobit jeho aktuálnímu stavu. Dále není přesně definován okamžik změření frekvence rezonátorů vzhledem k jeho stavu, čímž jsou do měření zavlečeny další chyby, které nelze zpětně korigovat .

Podstata vynálezu

Nevýhody dosud známých zapojení jsou v podstatné míře odstraněny zapojením pro měření frekvence elektromechnického rezonátorů podle vynálezu , sestávajícího jednak z rozkmitávacích obvodů tvořených energetickým zdrojem a časovacím obvodem a jednak ze zesilovacích obvodů zpětně snímaného signálu rezonátorů spojených s filtračním členem , který je spojen s prvním vstupem čítače a zároveň se vstupem časovacího obvodu , jehož výstup je spojen s ovládacím vstupem přívodního spínače a zároveň s prvním vstupem energetického zdroje , jehož výstup je přes přívodní spínač zapojen na vstup zesilovacích obvodů spojeného s cívkou rezonátorů. Podstatou vynálezu je , že mezi vstupní svorku měřicí soupravy a vstup zesilovacích obvodů je vřazen první spínač , na jehož výstup je zapojen druhý spínač s ukostřeným druhým pólem . Ovládací vstupy obou těchto spínačů jsou spojeny s výstupem časovacího obvodu . Mezi výstup zesilovacích obvodů a vstup časovacího obvodu je vřazen fázovací obvod , jehož vstup je ještě spojen jednak se druhým vstupem energetického zdroje , tvořeného převodní2 kem napětí/ proud a jednak přes komparátor s prvním vstupem řídicího obvodu čítače . do jehož druhého vstupu je zapojen výstup filtračního obvodu . Druhý vstup čítače je spojen s výstupem řídicího obvodu čítače .

Výhoda zapojení podle vynálezu spočívá v tom , že kmitání rezonátoru je současně kontrolováno a měření je prováděno vždy za stejných podmínek . Každý rozkmitávací impuls je spouštěn na základě předchozí analýzy kmitů a počátečního testu . Průběžně , během celého rozkmitávání rezonátoru je nastavována amplituda , fáze a délka rozkmitávacího impulsu , na základě počátečního testu je nastaven optimální tvar a základní časové parametry celého měřícího procesu . Na rozdíl od známých zapojení je podstatně snížen vliv parazitních vlivů jak statických tak i dynamických . Je zabráněno rozkmitání rezonátoru na harmonických frekvencích . Okamžiky změření frekvence jsou přísně definovány fyzikálním průběhem kmitů v čase. Případným použitím matematického modelu rezonátoru lze ještě mnohé rušivé vlivy kompenzovat .

Objasnění výkresu

Na připojeném výkresu na obr.1 je schematicky znázorněn příklad zapojení pro měření frekvence elektromechnického rezonátoru podle vynálezu . Zakreslené spojení mezi jednotlivými fukgrčími bloky mohou být realisovány sběrnicemi , zejména v případě , že jsou některé definované funkční bloky periferií mikropočítače . Na obr.2 je objasněn průběh signálu generovaného rezonátorem po rozkmitávacím impulsu.

Uskutečněni vynálezu

Rezonátor Lát je tvořen ocelovou strunou plnicí funkci mechanického rezonančního obvodu a cívkou , která má budicí a zároveň snímací funkci rezonátoru 14 . Jeho výstup je zapojen na vstupní svorku 15 měřící soupravy , která je přes první spínač 1_ spojena s prvním vstupem 301 zesilovače .3 tvořícího vstup zesilovacích a filtračních obvodů 16 . Výstup zesilovače .3 je spojen jednak přes rezistor 5 se společným uzlem 600 a jednak se vstupem zesilovače 4 chyby .jehož výstup je zapojen do druhého vstupu 302 zesilovače 3 . První výstup zesilovacích a filtračních obvodů 16 je tvořen společným uzlem 600 , kterým je spojen vstup filtračního členu 6. , zatímco jejich druhý výstup je tvořen výstupem 602 tohoto filtračního členu 6. , který je zapojen na druhý vstup 112 řídicího obvodu 11 čítače 12 . Výstup tohoto řídicího obvodu 11 je spojen s druhým vstupem 122 čítače 12 , jehož první vstup 121 je spojen se společným uzlem 600 . Energetickým zdrojem 9 je převodník napětí/proud , jehož druhý vstup 902 je spojen se společným uzlem 600 , zatímco jeho výstup je přes přívodní spínač 13 spojen se vstupní svorkou 15 měřící soupravy . Do společného uzlu 600 je dále zapojen jednak přes komparátor 7 první vstup 111 řídícího obvodu 11 čítače 12 a jednak přes fázovací člen 8 vstup časovačiho obvodu 10 . Výstup časovačiho obvodu 10 je spojen jednak s prvním vstupem 901 energetického zdroje 9 a jednak s ovládacím vstupem přívodního spínače 13 . Mezi prvním vstupem 301 zesilovače a signálovou zemí je zapojen druhý spínač 2 , jehož ovládací vstup je společně s ovládacím vstupem prvního spínače X připojen k výstupu časovacího obvodu 10 .

Funkce zapojení je následující:

Prvním impulsem , probíhajícím podle obr . 2 v době to , generovaným energetickým zdrojem 9. a přivedeným přes přívodní spínač L3 na cívku rezonátoru 14 se jeho struna rozkmitá .Délka rozkmitávacího impulsu je nastavitelná v časovacím obvodu 10 .Současně s náběžnou hranou rozkmitávacího impulsu se překlápí první a druhý spínač X , 2 a to tak , že se první spínač 1. rozpojí a druhý spínač 2. sepne . Tím se odpojí první vstup 301 zesilovače 3. od rezonátoru 14 , aby nedošlo k zahlcení zesilovače 3 rozkmitávacím impulsem a indukčními špičkami z rezonátoru 14 . Překlápěním prvního a druhého spínače i , 2. se zároveň virtuálně rozšiřuje přenášené pásmo zesilovače 3, a tím se zvýší rychlost odezvy zesilovacích a filtračních obvodů 16 . Je to způsobeno tím , že tyto obvody nereagují na extrémní vnější podmínky , čímž se snižuje požadavek na rychlost přechodu do normálního stavu z doby to do tz . Kromě mechanických rezonančních obvodů , jejichž frekvenci je zapotřebí měřit v době t2 , obsahuje rezonátor 14 i parazitní elektrické rezonanční obvody . Kmity vyvolané rozkmitávacím impulsem se v obou těchto rezonančních obvodech superponují a je těžké je od sebe oddělit zvláště v době ti . Pomocí obou spínačů X , 2 je na základě předchozího testu rezonátoru 14 , zablokován přístup všech parazitních kmitů do prvního vstupu 301 zesilovače 3. v době to a ti . Překlápění prvního spínače i. a druhého spínače 2 řídí až v průběhu doby t2 časovači obvod 10 . Zesilovač 4 chyby zesiluje chybová napětí , která vznikají působením různých rušivých vlivů . Zápornou zpětnou vazbou zavedenou do druhého vstupu 302 zesilovače 3. se tyto rušivé vlivy kompenzují. Signál se dále zbavuje nakmitaného rušivého napětí pomocí rezistoru 5. a filtračního členu 6 a upravený se pak přivádí na nastavitelný íázovací člen 2 , který v závislosti na dalších podmínkách spouští další rozkmitávací impuls ,generovaný energetickým zdrojem 9 a časovacím obvodem 10 .Tímto způsobem se udržuje netlumené kmitání rezonátoru 14 .Ze společného uzlu 600 je upravený signál přiváděn na první vstup 901 energetického zdroje 9. , který pracuje jako převodník napětí-proud s inversním průběhem , tzn , Ze výstupní proud je nepřímo úměrný vstupnímu napětí převodníku . Zároveří se tento obvod chová jako generátor funkcí , takže jeho výstupní signál může být obdélníkovitého a/nebo trojúhelníkovitého a/riebo sinusového průběhu . Vstupní napětí na druhém vstupu 902 energetického zdroje 9 má vliv na amplitudu výstupního proudu a tím i na velikost rozkmitávacího impulsu , čímž udržuje kmity rezonátoru 14 na optimální úrovni. V závislosti na vlastnostech rezonátoru 14 dodává minimální energii potřebnou k udržení jeho kmitů. Fázovací člen 8. určuje optimální íázi spuštění každého budícího impulsu v závislosti na průbězích kmitů rezonátoru 14 , přičemž časovači obvod 10 ovliňuje dobu ,resp.délku průběhu výstupní funkce energetického zdroje 9. . Všechny zmíněné parametry rozkmitávacího impulsu , kterými jsou amplituda , fáze . délka a jeho tvar mají podstatný vliv na frekvenci kmitů rezonátoru 14 a lze je vzájemně nastavit tak , aby mu nevnucovaly jinou frekvenci než rezonanční . Jejich vzájemný vztah se během kmitání průběžně sleduje a upravuje .Vlastní měření frekvence probíhá po časově ustáleném rozkmitání rezonátoru 14 . Kontrola jeho stavu se provádí komparátorem 7 a energetickým zdrojem 9 . Výstupní signály z obou těchto obvodů podávají stavové informace kmitání rezonátoru 14 , včetně jeho parametrů a odezvy na rozkmitávací impulsy . Po ustáleném rozkmitání rezonátoru 14 , kdy vliv budicího impulsu na frekvenci rezonátoru 14 je minimální,se vysílání dalšího budícího impulsu zastaví . V tomto okamžiku přechází rezonátor 14 do tlumeného kmitání . Komparátor 7 sleduje stav tlumených kmitů a při určité úrovni amplitudy zjištěné na základě předchozího testu , předává řídicímu obvodu 11 čítače 12 na jeho první vstup 111 jednu z podmínek ke spuštění čítače 12 ke změření frekvence rezonátoru 14 . Pokud filtrační člen 6. indikuje na vstupní svorce .15. měřicí soupravy přítomnost rušivého napětí , předává řídicímu obvodu 11 čítače 12 na druhý vstup 112 další podmínku pro přechod do speciálního měřícího režimu.

Využitelnost vvnálezu

Zapojení podle vynálezu lze využít všude tam , kde je vyžadováno přesné změření rezonanční frekvence mechanického rezonátoru zejména v bezobslužném provozu , např. u rozsáhlých stavebních a důlních děl jako jsou mosty , přehrady , tunely , štoly a pod.. Využití je možné i v přesných vážních systémech a dalších oblastech, kde není vyžadováno velmi rychlé změření hodnot .

Claims (1)

1. Zapojení pro měření frekvence elektromechanického rezonátoru sestávající z rozkmitávacích obvodů tvořených energetickým zdrojem a Časovacím obvodem , jejichž výstupy jsou přes přívodní spínač spojeny s rezonátorem , k němuž jsou připojeny zesilovací a íiltrační obvody zpětně snímaného signálu rezonátoru k nimž jsou připojeny vstupy čítače a časovacího obvodu vyznačené tím , že mezi rezonátor (14) a vstup zesilovacích a filtračních obvodů (16) je vřazen první spínač (1), na jehož výstup je zapojen druhý spínač (2) s ukostřeným druhým pólem , kde ovládací vstupy obou těchto spínačů (1,2) jsou spojeny s výstupem časovacího obvodu (10) , přičemž mezi výstup zesilovacích a filtračních obvodů (16) a vstup časovacího obvodu (10) je vřazen íázovací obvod (8) , jehož vstup je ještě spojen jednak s druhým vstupem (902) energetického zdroje (9) tvořeného převodníkem napětí/proud a jednak přes komparátor (7) s prvním vstupem (111) řídicího obvodu čítače (11) , do jehož druhého vstupu (112) je zapojen výstup (602) filtračního členu (6) , zatímco do druhého vstupu (122) čítače (12) je zapojen výstup řídicího obvodu (11) čítače (12) .