Блок извлечения квадратного корня для дифманометрического расходомера

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БЛОК ИЗВЛЕЧЕНИЯ КВАДРАТНОГО КОРНЯ ДЛЯ ДИФМАНОМЕТРИЧЕСКОГО РАСХОДОМЕРА(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(72) Авторы Абаринов Евгений Георгиевич Леонов Сергей Иванович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(57) Блок извлечения квадратного корня для дифманометрического расходомера, содержащий вход, выход, сумматор, фильтрующий усилитель постоянного тока, времяимпульсный модулятор и амплитудный модулятор, при этом первый вход сумматора соединен со входом блока извлечения квадратного корня, второй вход сумматора соединен с выходом амплитудного модулятора, а выход сумматора подключен ко входу фильтрующего усилителя постоянного тока, причем первый вход амплитудного модулятора и вход времяимпульсного модулятора подключены к выходу блока извлечения квадратного корня, отличающийся тем, что содержит формирователь импульса смещения, элемент Логическое И, первый вход которого подключен к выходу времяимпульсного модулятора, второй вход подключен к выходу формирователя импульса смещения, а выход - ко второму входу амплитудного модулятора, корректирующий блок с коэффициентом передачи, обратно пропорциональным выходному сигналу блока извлечения квадратного корня, причем выход блока извлечения квадратного корня соединен с выходом корректирующего блока, а вход последнего соединен с выходом фильтрующего усилителя постоянного тока,причем в качестве времяимпульсного модулятора использован модулятор двухтактного интегрирования с длительностью первого такта, равной периоду переменного питающего напряжения дифманометрического расходомера.(56) Блоки извлечения корня БИК-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 08908124 ТО, 1986. - С. 11-19.1005082 , 1983.3431418 1, 1986.4779053 , 1988.1383057 , 1975. Изобретение относится к области измерительной и преобразовательной техники и может быть использовано для построения блока извлечения квадратного корня для дифманометрических расходомеров, осуществляющего преобразование выходного сигнала дифманометрического датчика разности давлений в напряжение постоянного тока, пропорциональное измеряемому расходу. Известен блок извлечения квадратного корня (БИК), квадратичной цепью отрицательной обратной связи (ООС) усилителя в котором служит диодный аппроксиматор одной ветви параболы 1. Схема состоит из трех каскадов каскада возведения в квадрат, компаратора-усилителя, фильтра низких частот. БИК работает посредством сравнения входного напряжения со значением квадрата выходного напряжения, которое поступает по цепи ООС. Когда эти напряжения равны, то выходное напряжение пропорционально квадратному корню из входного. Схема возведения в квадрат выполняет требуемую функцию благодаря включению в цепь ООС усилителя диода (таким образом, формируется одна ветвь параболы). Требуемая точность работы схемы возведения в квадрат достигается путем настройки всего устройства в некоторых точках диапазона изменения входного напряжения. Схема может работать с однополярными входными сигналами в достаточно широком диапазоне амплитуд, обеспечивая извлечение квадратного корня с приведенной погрешностью не более 1 после двух-трех циклов подстройки. К недостаткам данного БИК следует отнести невысокую точность вычислений, необходимость нескольких циклов подстройки схемы, специальный подбор диода. Блок извлечения квадратного корня в составе теплосчетчика СТ 35 работает по принципу двойного интегрирования 2. Цикл работы БИК, основу которого составляет микросхема аналого-цифрового преобразователя К 572 ПВ 2, состоит из трех фаз 1) интегрирование входного сигнала 2) разряд интегрирующего конденсатора линейно возрастающим напряжением 3) автоматическая коррекция нуля. В процессе разрядки конденсатора, который происходит по квадратичной кривой, формируется временной интервал, длительность которого пропорциональна квадратному корню из входного сигнала. Линейно возрастающее напряжение формируется аналоговым интегратором, состоящим из операционного усилителя (ОУ) с конденсатором в цепи ООС. В результате качество формирования линейно возрастающего напряжения оказывается невысоким, что снижает точность вычислений. Кроме того, временной дрейф емкости конденсатора приводит к уменьшению межповерочного интервала БИКа. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является блок извлечения квадратного корня БИК-1, предназначенный для совместной работы с дифманометрическими преобразователями Сапфир-22 3. БИК содержит следующие основные узлы сумматор фильтрующий усилитель постоянного тока (ФУПТ) двухвходовый амплитудный модуляторс диодно-резистивной ООС времяимпульсный модулятор (ВИМ) с однополярным стабилизированным выходным сигналом. Первый вход сумматора является входом БИК, второй вход сумматора соединен с выходом , а выход сумматора подключен ко входу ФУПТ, выход которого является выходом БИК, причем первый входи вход ВИМ подключены к выходу БИК, а второй вход- к выходу ВИМ. В основе операции извлечения корня лежит принцип преобразования сигнала путем двойной моду 2 5337 1 ляции (времяимпульсной и амплитудной) с последующей фильтрацией импульсного сигнала ФУПТ. Сигнал, снимаемый с выхода ФУПТ, поступает на ВИМ, который имеет характеристику двухпозиционного реле, работающего в автоколебательном режиме. ВИМ преобразует сигнал напряжения постоянного тока в однополярные импульсы прямоугольной формы, следующие с переменной скважностью, зависящей от величины входного сигнала ВИМ. Выходной прямоугольный сигнал ВИМ подается на второй вход , на первый вход которого поступает выходной сигнал ФУПТ. Во время формирования импульса времяимпульсным модулятором выходной сигнал ФУПТ не проходит, а во время паузы проходит черезна второй вход сумматора, на первый вход которого подается входное напряжение БИК. С помощью ФУПТ осуществляется выделение и усиление средней составляющей суммы входного напряжения БИК и сигнала ООС. В установившемся режиме на выходе БИК имеет место напряжение, пропорциональное квадратному корню из входного напряжения. Анализ схемного решения ВИМ показывает, что существует зависимость времени формируемых импульсов от постоянных времени, определяемых времязадающими цепочками, что снижает временную стабильность точности вычислений и уменьшает тем самым межповерочный интервал БИК-1. Кроме того, как показывает теоретический анализ, при вышеописанной структуре БИК-1 коэффициент передачи разомкнутой системы К зависит от выходного напряжения(вых)Ф 1 вых,где КФ - коэффициент передачи ФУПТ по постоянному току 1 - коэффициент пропорциональности импульсного перемножителя, состоящего из ВИМ и , 1/. Эта особенность ведет к следующим недостаткам БИК-1 т.к. К изменяется в каждой точке диапазона выходного сигнала, то будет иметь место принципиальная нелинейность передаточной характеристики БИК-1 (в масштабе квадратного корня) зависимость КР от выходного напряжения ведет к нестабильности динамических показателей, в частности быстродействия. Как показано в 4, время переходного процесса(время регулирования рег) зависит от угловой частоты среза ср разомкнутой системы автоматического регулирования. Эта частота определяется КР и постоянной временифильтрующего усилителя. 3 3 рег(2) срПоэтому с учетом выражения (1) можно сделать вывод, что замкнутая система БИК будет отрабатывать скачкообразные воздействия входных сигналов разной величины с неодинаковым быстродействием. Предел основной погрешности БИК-1, приведенный к верхнему значению диапазона выходного сигнала, составляет при изменении входного сигнала от 2 до 16 не более 0,5 , а от 16 до 100 не более 0,25(см. 3). Таким образом, данный БИК не обеспечивает в достаточной степени реализацию основного достоинства импульсных преобразователей - высокой точности и стабильности вычислений в широком диапазоне преобразуемых сигналов. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности и стабильности вычислений БИК. Решение поставленной задачи достигается за счет 1) улучшения динамики БИК, т.е. достижения независимости времени переходного процесса отработки замкнутой системой БИК скачкообразного входного воздействия от величины последнего 2) повышения стабильности времяимпульсного преобразования 3 5337 1 3) достижения независимости времени формируемых с помощью ВИМ импульсов от постоянной времени, определяемой -цепочкой, а также от влияния наводимой помехи переменного напряжения питания расходомера. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что известный БИК для дифманометрического расходомера, содержащий вход, выход, сумматор, ФУПТ, ВИМ и ,при этом первый вход сумматора соединен со входом БИК, второй вход сумматора соединен с выходом ,выход сумматора подключен ко входу ФУПТ, причем первый входи вход ВИМ подключены к выходу БИК, согласно изобретению, БИК содержит формирователь импульса смещения (ФИС), элемент Логическое И, первый вход которого подключен к выходу ВИМ, второй вход подключен к выходу ФИС, а выход - ко второму входу , корректирующий блок с коэффициентом передачи, обратно пропорциональным выходному сигналу БИК, причем выход БИК соединен с выходом корректирующего блока, а вход последнего соединен с выходом ФУПТ, причем в качестве ВИМ использован модулятор двухтактного интегрирования с длительностью первого такта, равной периоду переменного питающего напряжения дифманометрического расходомера. На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого БИК, подключенного к дифманометрическому датчику разности давлений на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип времяимпульсного преобразования и формирование сигнала ООС на фиг. 3 - осциллограммы исследований динамики известного БИК (прототипа) с помощью программына фиг. 4 - осциллограммы исследований динамики заявляемого БИК с помощью. На фиг. 3 и фиг. 4 напряжение 1 есть выходное напряжение БИК при скачкообразном входном воздействии в 10 раз меньше номинальной величины,2 - выходное напряжение БИК при скачкообразном входном воздействии номинальной величины. Заявляемый БИК 1 (фиг. 1) имеет вход 2 и выход 3. Вход 2 БИК 1 подключен к выходу датчика разности давлений (ДРД) 4, вход которого подключен в свою очередь к выходу блока питания (БП) 5. БИК 1 содержит сумматор 6, ФУПТ 7, корректирующий блок 8,9, элемент Логическое И 10, ВИМ 11, ФИС 12, при этом первый вход сумматора 6 соединен со входом 2 БИК 1, второй вход сумматора 6 - с выходом 9, а выход сумматора 6 подключен ко входу ФУПТ 7, причем первые входы 9 и ВИМ 11 подключены к выходу 3 БИК 1, второй вход 9 подключен к выходу элемента Логическое И 10, первый вход которого соединен с выходом ВИМ 11, а второй вход - с выходом ФИС 12, выход 3 БИК 1 подключен к выходу корректирующего блока 8, а вход последнего - к выходу ФУПТ 7. Второй вход ВИМ 11 и вход ФИС 12 соединены с -выходом БП 5. БИК 1, ДРД 4 и БП 5 образуют расходомер. Выходной сигнал дифманометрического ДРД 4, запитываемого переменным током частотойот блока питания (БП) 5, имеет амплитуду, пропорциональную разности давлений р. Выпрямленный выходной сигнал ДРД 4 подается на вход 2 БИК 1. БИК 1 осуществляет операцию извлечения квадратного корня для получения постоянного напряжения вых, пропорционального измеряемому расходу. Заявляемый БИК в составе дифманометрического расходомера работает по принципу сравнения входного напряжения вх со средним значением напряжения ООС ос, которое пропорционально квадрату выходного напряжения БИК вых. Напряжение вх поступает на неинвертирующий вход сумматора 6, а напряжение ос - на инвертирующий вход сумматора 6 (фиг. 1). Выделение и усиление среднего значения результата вычитания осуществляет ФУПТ 7. Это позволяет подавать на вход 2 БИК как постоянное, так и пульсирующее напряжение, каким является, например, выпрямленный выходной сигнал дифманометрического ДРД 4. Напряжение ос формируется из выходного постоянного напряжения вых импульсным перемножителем, состоящим из 9, элемента Логическое И 10, ВИМ 11 и ФИС 12. Благодаря тому, что ВИМ работает по принципу двухтактного интегрирования, обеспечивается независимость результата времяимпульсного преобразования от постоянной времени интегратора ВИМ. При этом на вход интегратора ВИМ в первом такте, длительность которого равна периоду питающего на 4 5337 1 пряжения дифманометрического ДРД 4 ( т.е. период преобразования пр/ ) для исключения влияния наводимой помехи переменного напряжения, подается сумма выходного напряжения вых и постоянного напряжения смещения 0, чтобы интегратор в любом случае не интегрировал нулевое напряжение. Величина напряжения смещения 0 подстраивается такой, чтобы временной интервал, соответствующий этому напряжению, был бы равен Тпр/4 (фиг. 2). Этот временной интервал смещения формируется с помощью ФИС 12 и вычитается с помощью элемента Логическое И 10 из суммарного временного интервала, формируемого во втором такте. Благодаря вышерассмотренным мерам повышается стабильность времяимпульсного преобразования. С учетом вышесказанного можно записать пр где пр, обр - напряжения, формируемые интегратором ВИМ за прямой и обратный такты интегрирования С,- емкость и сопротивление интегратора, определяющиеКМ - масштабный коэффициент п - опорное постоянное напряжение (фиг. 1). Из (3) можно получить пр пр пр пр(4) 4 ппп 4 Амплитудный модулятор 9 нормирует последовательность повторяющихся с периодом 2 Тпр однополярных прямоугольных импульсов по амплитуде вых (фиг. 2), поэтому среднее значение напряжения на выходе 9 будет(5)вых 2 вых 2 вых . 2 пр 0 пр п Среднее значение напряжения на выходе сумматора 6(6) вых 2 п С другой стороны, напряжениеможно представить следующим образом вых ,(7)КБгде КБ - коэффициент передачи корректирующего блока 8 К - коэффициент передачи по постоянному току ФУПТ 7. Корректирующий блок 8 имеет нелинейную передаточную характеристику, обратно пропорциональную напряжению вых, и может быть выполнен на базе микросхемы интегрального аналогового перемножителя сигналов (АПС) КР 525 ПС 2 в режиме извлечения квадратного корня 5. Действительно, если входное вх и выходное вых напряжения этого блока связаны соотношениемвхвых,(8) 2 где 2 - коэффициент пропорциональности АПС, 1/В, то эквивалентный коэффициент передачи корректирующего блока 8 будет обратно пропорционален выходному напряжению,5(9) 2 вх 2 вых 2 вых Приравнивая с учетом (9) правые части формул (6) и (7), можно получить где К - коэффициент передачи разомкнутой системы,(11) 22 п Благодаря тому, что БИК снабжен корректирующим блоком, обеспечивается независимость КР от величины выходного напряжения вых. Из выражения (10) видно, что БИК действительно осуществляет вычисление квадратного корня, а из выражения (11) следует,что стабильность КР определяется практически стабильностью постоянного напряжения п. Отсюда с учетом формулы (2) можно сделать вывод о стабильности динамических свойств, в частности, времени регулирования рег заявляемого БИК во всем диапазоне изменения входных сигналов. На осциллограммах исследования известного БИК (фиг. 3) видно, что при обратном перепаде скачкообразного воздействия входного напряжения переходной процесс в системе оказывается достаточно затянутым. Кроме того, анализируя временные диаграммы для 1 и для 2, можно сделать вывод, что длительность переходного процесса сильно зависит от амплитуды скачкообразного входного воздействия. В обоих случаях увеличение времени регулирования можно объяснить понижением величины входного напряжения. На осциллограммах исследования заявляемого БИК (фиг. 4) видно, что время переходного процесса является конечным и одинаковым для разных значений амплитуды скачкообразного входного воздействия, соотношение между которыми заданы такими же(110), как и при исследованиях прототипа. Метрологическая оценка макета заявляемого БИК, проведенная на постоянном токе,показала следующее 1) погрешность линейности в диапазоне изменения входного напряжения 1 мВ 10 В(1100 выходного напряжения, т.е. расхода) - не более 0,1 полной шкалы 2) время установления выходного напряжения с вышеуказанной погрешностью при скачке входного напряжения - не более 1,8 с 3) уровень переменной составляющей выходного напряжения - не более - 65 дБ относительно постоянного напряжения. Таким образом, благодаря введенной, согласно изобретению, нелинейной коррекции достигнута принципиальная стабильность одного из основных показателей качества процесса управления - времени переходного процесса. Кроме того, повышена стабильность промежуточного времяимпульсного преобразования благодаря независимости времени формируемых импульсов от постоянной времени интегратора, определяемой цепочкой, что увеличивает межповерочный интервал БИК. Благодаря структуре замкнутой системы и вышерассмотренным особенностям реализации времяимпульсного преобразования БИК может работать с выходным пульсирующим сигналом дифманометрического датчика разности давлений, причем исключается влияние наводимой от переменного напряжения питания ДРД помехи на результат вычисления. БИК может быть построен на основе интегральных микросхем ОУ и АПС. Вышеперечисленные достоинства заявляемого БИК позволяют использовать его схему для разработки и промышленного изготовления в виде интегральной микросхемы высокоточного корнеизвлекающего устройства для дифманометрических расходомеров. 5337 1 Источники информации 1. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М. Радио и связь, 1991. - С. 126-127. 2. Теплосчетчик СТ 35, СТ 35/1, СТ 35/2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. АСУ 2.825.009 ТО, 1994. - С. 11. 3. Блоки извлечения корня БИК-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 08.908.124 ТО, 1986. - С. 11-19. 4. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления Учебн. пособие для электротехн. спец. вузов. - М. Высш. шк., 1973. - С. 207-208. 5. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М. Радио и связь, 1991. - С. 74. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8