CC BY
48
Доросинский А.Ю., Баннов В.Я. , Кочегаров И.И. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ АМПЛИТУДЫ ПЕРЕМЕННОГО СИГНАЛА
При создании современных систем автоматического управления, решаются задачи, связанные с получением информации о контролируемом объекте. Постоянно растущие требования к точности и быстродействию определяют необходимость в использовании для целей преобразования измерительных преобразователей различных сигналов, среди которых значительную долю занимают синусоидальные сигналы, характерные для датчиков скоростей вращения, вибраций, усилий, перемещений и т.д. Поэтому разработка и создание новых структурных измерительных преобразователей параметров синусоидальных сигналов, отличающихся повышенной точностью и быстродействием, является актуальной задачей.
Для большинства технических объектов основным информационным параметром является значение амплитуды переменного сигнала, как правило, пропорциональное контролируемой величине.
В случаях, когда изменение контролируемой величины происходит лишь в небольшом диапазоне значений, что не редко в следящих системах регулирования, целесообразно измерять не абсолютное значение амплитуды, а его отклонение от номинального. В случаях, когда подобное отклонение не является следствием изменения амплитуды под воздействием контролируемого параметра, действующего на входе измерительного первичного датчика, его можно считать погрешностью отклонения амплитуды от номинального значения. Это характерно в случае измерений параметров синусоидального сигнала, который используется как мера с требуемыми параметрами точности.
Оценку изменения амплитуды под действием информативной влияющей величины, можно отнести к задачам регулирования, оценку погрешности амплитуды сигнала - к задачам метрологии и обеспечения единства измерений. Но не смотря на разницу в направлениях, решение данных задач требует единого подхода.
На сегодняшний день, существует множество различных методов измерения амплитуды синусоидального сигнала [1,2], среди которых широкое распространение получили:
- методы основанные на детектировании амплитуды;
- методы сравнения с помощью компаратора;
- развертывающие методы.
Данные методы имеют множества различных реализаций с точностью измерения до нескольких сотен долей процента. Результаты предварительного исследования показали, что вышеописанные методы непригодны для точного измерения малых отклонений значений амплитуды, и их возможности в технологическом плане практически исчерпаны.
Измерение малых отклонений амплитуды от номинального значения осуществляется с помощью гетеродинных методов, где сигнал, отклонение амплитуды которого необходимо измерить, компенсируется образцовым переменным сигналом с заданными метрологическими характеристиками. Существенными недостатками такого подхода является невысокая точность и низкая помехоустойчивость.
В данной работе излагается подход к проблеме измерения малых отклонений амплитуды синусоидального сигнала от номинальных значений с помощью развертывающего преобразования, при котором переменный сигнал подвергается интегральному преобразованию, с частичной или полной его компенсацией источником постоянного напряжения.
Основное преимущество данного преобразования заключается в переносе точности от источника постоянного сигнала к переменному.
Идея данного подхода основывается сравнении интегральных значений измеряемого значения переменного и образцового постоянного напряжений, которые можно выполнять как в последовательном так и в параллельном виде.
Рассмотрим реализацию данного подхода на примере последовательного сравнения.
Структурная схема подобного преобразователя изображена на рисунке 1.
Входной ч
переменный
сигнал
СКПН
ИОН
БЗВЧ
I
ГИ
СТ
А
ИОН - источник опорного напряжения; БЗВИ - блок задания временных интервалов; СКПН - схема контроля перехода через ноль; ГИ - генератор импульсов; СТ - счетчик импульсов; N - код погрешности амплитуды входного сигнала.
Рисунок 1
Выполнение измерений значения отклонения амплитуды переменного напряжения от номинального значения происходит в два такта. В первом такте на вход интегратора подается входное переменное напряжение, которое интегрируется в течении интервала времени равному половине периода. Интервал времени формируется БЗВЧ под управлением СКПН. По окончанию интервала времени на выходе интегратора будет присутствовать напряжение:
и1 = - ]ит (1 + 8т )• ятОУ® = - - ит (1 + Зт ) Т • Т
О
Как видно из формулы результатом интегрирования является удвоенная величина амплитуды сигнала и его отклонения от номинала.
Во втором такте преобразования ко входу интегратора подключается ИОН, и остается подключенным до тех пор, пока выходное напряжение интегратора не достигнет нулевого значения. Параллельно этому запускается ГИ, запуском которого управляет БЗВИ. Сигналы ГИ поступают на вход СТ. по окончанию преобразования на выходе СТ формируется код измеренного значения отклонения.
Аналитически формулу преобразования для данного такта можно представить в виде:
1 л , , и (1 + 8 )Т—
и2 = - I и-(1 + 8-)йг = —^----------1то—
Т " т
График, поясняющий вышеописанных процесс представлен на рисунке 2.
Рисунок 2
Согласно принципу функционирования данного устройства интегральные значения постоянного и переменного напряжения равны, с этой точки зрения справедливо равенство:
2 ч и (1 + £ )ТП—
- - ит (1 +^ ) = —^
т т
Преобразовывая выражение относительно выходного кода N будем имеем:
N = Ent
' Ц (1 + ^т ) ' _Ц-(1 + 5_)Та _
Выбирая и_ таким образом, чтобы выполнялось условие '—Цт —Ц• Ц_ , значение кода на выходе счетчика будет равно:
Ц-(1 + ^т )
N = Ent
(1 + S_)T0
некоторый коэффициент чувствительности.
Раскладывая данное выражение в ряд Лорана и ограничиваясь первыми двумя членами [3] получим, что данное выражение с некоторым приближением можно описать следующей зависимостью:
N = Ent
-(1 + Sm + S_)
T0
откуда результирующее значение кода погрешности:
NT = N— _ 1 =sm+s_
Анализируя полученное выражение можно видеть, что погрешность измерения определяется преимущественно погрешностью источника постоянного напряжения, поскольку другие виды погрешностей либо несущественны, либо поддаются структурной и алгоритмической компенсации. Наряду с этим данный подход позволяет добиться снижения влияния шумов, за счет операции интегрирования в измерительном тракте. Вопросы, связанные с помехоустойчивостью и компенсацией погрешностей требуют дополнительного детального исследования.
Обобщая все вышесказанное можно утверждать, что предложенный подход способен с незначительной ошибкой передать точность при измерении амплитуды переменного напряжения от эталона постоянного напряжения, точность которого на два порядка выше. Также, необходимо отметить, что подобная реализация не единственна. Исследования в данном направлении могут положить начало развитию целого класса измерительных устройств, которые в состоянии обеспечить существенное повышение точности при измерении параметров переменного напряжения. Что особенно важно в таких направлениях как энегоучет, производство прецизионной аппаратуры [4], и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. - Киев.: Высшая школа, 1986. - 504с.
2. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах: Пер. с англ. / Под ред. А.С. Яроменка. - М.: Энерго-атомиздат, 1981.
3. А. Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. / Пер. с фр. / под общей редакцией К.С.
Шифрина. - М.: Наука, 19 67.
4. А.Ю. Доросинский. Имитатор сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора для проведения измерений статических характеристик микросхем АЦП следящего типа / Информационно-измерительная техника, вып. 29. - Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2005, с. 77.
