Измерительная часть информационно-измерительных систем с автогенераторами на базе управляемых конверторов отрицательного импеданса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерительная часть информационно-измерительных систем с автогенераторами на базе управляемых конверторов отрицательного импеданса

В.С. Ляпидов, В.Д. Привалов Ляпидов Валерий Сергеевич, кандидат технических наук, доцент.

Привалов Владимир Дмитриевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

Самарский государственный технический университет,

443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

Рассмотрены вопросы построения высокочувствительных схем вторичного преобразования информационно-измерительных систем с автогенераторами на базе управляемых конверторов отрицательной емкости и отрицательного сопротивления.

Ключевые слова: измерительный автогенератор, управляемый конвертор отрицательного импеданса

автогенератор управляемый конвертор

Исследования измерительных LC-генераторов (ИГ) с конверторами отрицательного импеданса [1-4] позволяют сделать вывод о перспективности их использования при построении высокочувствительных схем вторичного преобразования информационно-измерительных систем (ИИС). В этой связи рассмотрим структуру вторичного преобразователя (ВП), выполненного на базе ИГ с управляемыми конверторами отрицательной емкости и отрицательного сопротивления и использующего фазовый метод измерения емкости [5] электростатического струнного преобразователя (ЭСП) [6]. Управляющие элементы ИГ реализованы с использованием аналоговых схем перемножения СП1 и СП2 (см. рисунок). Выход первой схемы СП1 через резистор R, а выход второй схемы СП2 через емкость С соединены со входом источника тока, управляемого током (ИТУТ) измерительного автогенератора. ИТУТ охвачен двумя обратными связями. Цепь первой обратной связи включает в себя схему перемножения СП1 и резистор R и обеспечивает поддержание незатухающих колебаний в контуре ИГ во всем диапазоне частот. Глубина обратной связи автоматически регулируется посредством цепи, включающей в себя амплитудный детектор АД и усилитель ошибки У1.

Структурная схема измерительного канала

Цепь второй связи включает в себя схему перемножения СП2 и емкость С. Глубина обратной связи автоматически регулируется посредством цепи, содержащей фазовый детектор ФД, фильтр низких частот ФНЧ1 и усилитель У2.

При изменении амплитуды сигнала на выходе ИГ (выход ИТУТ) на вход СП1 подается сигнал рассогласования, пропорциональный изменению амплитуды сигнала на выходе ИГ. Схема СП1 осуществляет перемножение сигнала рассогласования и сигнала с выхода ИТУТ. Выражение для тока на выходе СП1 имеет вид

где g₁ - выходная проводимость СП1; U₁, U_У1, U_ИТ - напряжения на выходах СП1, У1, ИТУТ, соответственно; K₁ - коэффициент преобразования СП1.

При рассогласовании фаз сигналов, снимаемых с выхода ИГ (выход ИТУТ) и выхода генератора опорной частоты ГОЧ, на вход СП2 подается низкочастотная составляющая сигнала рассогласования, снимаемого с выхода ФД, которая пропорциональна изменению фазы сигнала с выхода ИТУТ. Выражение для тока на выходе СП2 имеет вид

где b₂ - выходная проводимость СП2; U₂, U_У2 - напряжения на выходе СП2 и У2; K₂ - коэффициент преобразования СП2.

При K₁ = K₂ = K выражение для тока на выходе ИТУТ запишется в виде

где K_ИТ - коэффициент преобразования ИТУТ.

Приведенные соотношения позволяют записать выражение для выходной комплексной проводимости ИТУТ:

где g, b - соответственно активная и реактивная составляющие проводимости, вносимой в колебательный контур (L₁; C₂) ИГ.

Как следует из последнего выражения, связь между напряжением U_У1 (на входе СП1) и проводимостью g, а также между напряжением U_У2 (на входе СП2) и проводимостью b линейная, т.е. напряжение U_У1 однозначно связано с активным сопротивлением R , а напряжение U_У2 однозначно связано с реактивным сопротивлением (емкостью С).

На рисунке кроме ИГ представлены все блоки, входящие в состав измерительного канала ИИС, в том числе электростатический емкостный струнный преобразователь (ЭСП). Емкость ЭСП через кабель K включена в колебательный контур ИГ. Для измерения переменной составляющей выходной емкости ЭСП, а также для обеспечения инвариантности частоты колебаний струны ЭСП к возможным дестабилизирующим факторам, ИГ включен в состав системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), что обеспечивает повышенную чувствительность ВП к изменению выходной емкости ЭСП [5]. В состав системы ФАПЧ входят генератор опорной частоты (ГОЧ), ФД, ФНЧ1, усилитель У2, ИГ с управляющими элементами в виде двух схем перемножения. Работа управляющего элемента СП2 совместно со схемой ИГ обеспечивает точное слежение (посредством фазовой синхронизации) частоты ИГ за частотой ГОЧ. Свободные колебания струны ЭСП приводят к появлению сигнала той же частоты на выходе ФД. Этот сигнал фильтруется ФНЧ1, стабилизируется по амплитуде системой автоматического регулирования усиления (АРУ), корректируется по фазе фазовым корректором (ФК) и, усиленный усилителем УНЧ, подается через фильтр УНЧ и кабель К на электрод ЭСП, что обеспечивает поддержание незатухающих колебаний струны ЭСП. Фильтры ФНЧ2 и ФВЧ исключают взаимное влияние измерительного канала (ЭСП, К, ФВЧ, ФАПЧ) и канала возбуждения струны (ЭСП, К, ФНЧ, УНЧ, ФК, АРУ).

Таким образом, приведенная структурная схема измерительного канала ИИС позволяет обеспечить:

- автоматическое поддержание режима автоколебаний ИГ с заданной амплитудой во всем диапазоне частот;

- точное слежение (посредством фазовой синхронизации) частоты ИГ за частотой ГОЧ;

- компенсацию девиации активного и реактивного сопротивлений кабеля К, соединяющего ЭСП со схемой ВП.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ляпидов В.С. Активные цепи в измерительных автогенераторах // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - Вып. 20. - 2004. - С. 135-144.

2. Ляпидов В.С. Влияние инерционности конверторов отрицательного импеданса на устойчивость измерительных автогенераторов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - Вып. №2(20). - Самара. - 2007. - С. 189-191.

3. Ляпидов В.С., Привалов В.Д. Анализ некоторых частотно-зависимых параметров схем измерительных автогенераторов с конверторами отрицательного импеданса // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - Вып. №1(21). - 2008. - С. 194-196.

4. Ляпидов В.С. Перспективы применения схем имитации отрицательной емкости (индуктивности) при построении схем вторичного преобразования информационно-измерительных и управляющих систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008. - №6. - С. 46-49.

5. Ляпидов В.С. Повышение чувствительности измерительной части информационно-измерительных схем с резонансными первичными преобразователями // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - Вып. №1(19). - Самара. - 2007. - С. 191-193.

6. Брехов Р.С. и др. Струнный измеритель давления // Магнитная гидродинамика. - 1974. - №4. - С. 150-151.

Размещено на Allbest.ru