2. А. с. СССР № 1740994, G01M15/00. Устройство диагностики машин / В. Н. Костюков, С. А. Морозов; Заявл. 01.09.83; Опубл. 15. 06. 92; Бюл. - 1992. - № 22. - 4 с.
3. Костюков В. Н., Бойченко С. Н, Костюков А. В. Автоматизированные системы управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатацией оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств (АСУ БЭР — КОМПАКС®) / Под ред. В. Н. Костюкова. — М.: Машиностроение, 1999. — 163 с.
4. Костюков В. Н. Мониторинг безопасности производства. — М.: Машиностроение, 2002. — 224 с.
5. Свидетельство на полезную модель 1537 РФ, МКИ G01M15/00. Система для диагностики машин по вибрации их корпуса / В. Н. Костюков // Бюл. — 1996. — № 1. — 2 с.
6. Computer Aided Maintenance. Rules for selection and use of systems // Maintenance Management. — 1997. — № 4. — Р. 15—19.
7. Computer Aided Maintenance. Champion the maintenance cause internally lack of formal strategy lack of performance. Look after your assets // Maintenance Management. — 1997. — № 5. — Р. 23—27.
Работа выполнена в НПЦ "Динамика" (г. Омск).
Владимир Николаевич Костюков — д-р техн. наук, профессор, ген. директор, лауреат премии Правительства РФ;
Алексей Владимирович Костюков — канд. техн. наук, технический директор.
S (3812) 25-42-44
®В (3812) 25-43-72
E-mail: post@dynamics.ru □
УДК 621.317.7
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ИЗМЕРИТЕЛЬ) ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН1
Ю. Р. Агамалов, Д. А. Бобылев, В. И. Курчавов
Предложен способ коррекции искажений частотных характеристик преобразователей электрических величин, вносимых входящими в их состав узлами (модулями), реализующими функции умножения и деления гармонических сигналов на частоту. Описан разработанный на его основе простой широкополосный многофункциональный преобразователь (измеритель) пассивных и активных электрических величин с расширенным на несколько порядков диапазоном рабочих частот в сравнении с известными аналогами. Обсуждены возможности его применения как автономного и системного средства измерений.
Ключевые слова: многофункциональный преобразователь, электрические величины, гармонические сигналы, диапазон частот, частотная характеристика, умножение и деление сигналов на частоту, модульные структуры.
ВВЕДЕНИЕ
Преобразователи электрических величин переменного тока с различными функциональными возможности находят широкое применение при решении многочисленных измерительных задач, возникающих в ряде областей науки и техники (от электрохимии и физики до радио- и электротехники, а также биологии и медицины), в том числе связанных с построением систем автоматического контроля и управления, а также диа-
1 Статья является развернутым вариантом доклада авторов на конференции УКИ'10 [2].
гностики, например, в медицинской, текстильной, пищевой и других областях промышленности.
При проектировании таких преобразователей, состоящих из звеньев (модулей), построенных на основе интегральных операционных усилителей (ОУ), разработчики сталкиваются с трудностями реализации функций умножения и деления гармонических сигналов на частоту, т. е. иначе говоря, операций интегрирования и дифференцирования таких сигналов. Трудности эти носят принципиальный характер. Так, в первом случае имеет место режим работы ОУ с
разомкнутой обратной связью по постоянному току, что приводит к существенному дрейфу его рабочей точки и соответственно к искажению выходного сигнала, а во втором имеет место неустойчивость звена, выражающаяся в автоколебаниях на высоких частотах [1].
В результате реализация указанных функциональных преобразователей, т. е. интегратора и дифференциатора, становится возможной лишь при условии коррекции (искажения) коэффициента передачи соответственно у интегратора в области нижних, а у дифференциатора в области верхних частот. Осуществляется
30
Sensors & Systems • № 12.2013
ИГС
БФИС БПИ
и
и
ЗКи
ги
СФВ
УДН -С=
-»-•"I ЗКи 1-Т*
СА
К1
К2
ЗКи
ФЧД
БУЧ
V
ГЦг:-
• и г — — — т
■ ивых1 ' ивых2
БМ
БПН
I ■ ■
УО I
КЗ
К4
К5
К6
Рис. 1. Упрощенная структурная схема преобразователя (измерителя) электрических величин
1
2
это посредством введения корректирующих элементов, нормализующих работу данных узлов, например, резисторов, шунтирующих конденсаторы в цепях обратной связи интеграторов, и конденсаторов, шунтирующих резисторы в цепях обратной связи дифференциаторов. Однако включение этих элементов в состав таких преобразователей приводит к резкому снижению точности преобразования (измерения) на краях их рабочего диапазона частот.
Применение в средствах измерений (СИ) вычислительных устройств отчасти снимает остроту проблемы, в частности тогда, когда выполнение преобразований возможно в цифровом виде. Однако в ряде случаев целесообразно, а иногда и необходимо, применять аналоговые устройства, так что проблема их совершенствования по-прежнему актуальна.
Разработанный многофункциональный преобразователь (измеритель) электрических величин, содержащий узлы (модули), реализующие операции дифференцирования и интегрирования гармонических сигналов, свободен от отмеченных недостатков. А повышение точности преобразования на краях его рабочего диапазона частот достигается с помощью предложенного способа коррекции его частотной характеристики.
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Структура разработанного многофункционального преобразователя определяется, прежде всего, характером и числом выполняемых им функций, которыми являются преобразование (измерение) как пассивных элек-
трических величин, в частности, параметров иммитанса (адми-танса или импеданса), т. е. Сх, Бх, Ьх и Ях, так и активных, в частности, напряжений переменного и постоянного тока, а также частоты гармонических сигналов. При этом пассивные величины и частота преобразуются в напряжения переменного или постоянного тока. Упрощенная структурная схема преобразователя приведена на рис. 1.
Структура преобразователя представляет собой набор модулей и переключающих их ключей (К1...К6), от состояния которых зависят ее конфигурация в указанных режимах работы прибора.
Остановимся сначала на подструктуре, соответствующей режиму преобразования параметров иммитанса, которая представляет собой полууравновешенную цепь [3]. Ее основные узлы для удобства анализа выделены заливкой. Кроме них в состав данной подструктуры входят также корректирующие звенья (ЗКи), позволяющие расширить рабочий диапазона частот преобразователя в данном режиме, а их наличие в струк-
туре преобразователя является его спецификой. Состояние ключей на рис. 1 соответствует режиму преобразования (измерения) дополнительного параметра иммитанса.
В число, составляющих основу рассматриваемой подструктуры узлов, прежде всего, входят (необходимый для преобразования иммитанса из пассивной величины в активную) источник гармонических сигналов ИГС, выделенный на рисунке пунктиром, поскольку он может быть внешним. Кроме этого в состав подструктуры входит особый блок формирования измерительных сигналов БФИС, который в известных преобразователях такого типа, например в [3], представляет собой стабилизатор напряжения переменного тока, а в данном преобразователе (измерителе) выполняет также функцию коррекции его частотной характеристики, искаженной из-за присутствия в его составе упомянутых выше узлов (модулей), реализующих операции дифференцирования и интегрирования гармонических сигналов. Остальные блоки образуют два канала: канал пре-
Рис. 2. Функциональные схемы основных узлов (модулей) преобразователя
Рис. 3. Структуры блока формирования (а) и коррекции (б) измерительных сигналов
образования главного параметра иммитанса, т. е. Сх или Ьх, и канал преобразования дополнительного, т. е. Бх или Лх.
В состав первого канала в качестве основных входят: блок преобразования иммитанса БПИ в напряжение гармонического сигнала, несущего информацию об обоих измеряемых (преобразуемых) параметрах, и входящий в оба канала сумматор аналоговых (в данном случае гармонических) сигналов СА, поступающих на его входы из первого и второго каналов. В качестве вспомогательного в состав первого канала входит также звено ЗКи, корректирующее его частотную характеристику.
В состав второго канала (как основные) входят стабилизированный по амплитуде выходного сигнала фазовращатель СФВ, структура которого показана на рис. 2, г, и управляемый делитель напряжения УДН, к управляющему входу которого подключен выход фазочувствитель-ного детектора ФЧД. Все эти узлы аналогичны рассмотренным в [3]. Кроме них в качестве вспомогательных в данном канале присутствуют два корректирующих звена ЗКи.
Работу преобразователя в режиме преобразования имми-танса поясним на примере двухполюсника в виде параллельно
включенных емкости и проводимости.
В данном случае БПИ имеет конфигурацию БПИ(С), функциональная схема которого приведена на рис. 2, а. Согласно этой схеме адмитанс двухэлементного двухполюсника емкостного типа X = Бх + у ю Сх, измеряемыми параметрами которого являются емкость Сх и активная проводимость Бх, преобразуется
в напряжение их согласно соотношению:
йх = иСх + Щх =
= ип(Сх/Со - ]Ох/юСо) X
х уюСоЛст/ОЮСоЛст + 1), (1)
которое адекватно случаю последовательного включения идеального преобразователя и искажающего звена дифференцирующего типа, например в виде ЛС-цепочки, с коэффициентом передачи
кД (ю) = >СоЛст/(1 + УЮСоЛст).
Для того чтобы устранить влияние этого звена на коэффициент передачи первого канала, необходимо структуре БФИС придать конфигурацию согласно рис. 3, а.
Этот прием позволяет обеспечить инвариантное к частоте преобразование в амплитуду гармонического сигнала параметра Сх, а параметра Бх — строго обратно пропорциональное частоте. Тем самым будут полностью скомпенсированы амплитудно-частотные искажения, вносимые включением резистора Лст. Для устранения частотной зависимости преобразования Бх необходимо и0х умножить на частоту. Реализация данной процедуры осуществляется с помощью блока БУЧ (рис. 2, в), имеющего частотную характеристику дифференциатора, искаженную
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.