СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО СИГНАЛА В ЧАСТОТУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONVERTING CONTINUOUS SIGNAL TO FREQUENCY AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам и устройствам преобразования сигнала, например, квадраторам (или извлечения квадратного корня), выполняющих нелинейные математические операции в системе автоматического регулирования и управления, и может быть использовано в цепях обратной связи систем, например, при измерении величин кинетической энергии набегающего потока, количества газа или жидкости.
Известны способы и устройства преобразования нелинейных непрерывных сигналов, например, квадраторы (или приборы извлечения квадратного корня) в классе корректирующих элементов и преобразователей, которые изменяют коэффициент усиления (участка) цепи системы автоматического управления.
Известны механические квадраторы с использованием сервомотора и импеллера для газа и жидкости [1 - справочник «Приборостроение и средства автоматики», т.II, кн.I. с.213, 221], а также центробежного тахометра (маятника) и кулачкового устройства. Недостатками таких устройств являются наличие механических передач, двигателей, большие габариты и вес.
Известен способ изменения сигнала с помощью пневматического квадратора типа ПФ 1.17 [3 - Пневматические приборы системы СТАРТ. Каталог ЦНИИТЭИ. M.1973, с.50], включающий преобразование сигнала повторителем и нелинейным элементом. Кроме того, дополнительные повторители, усилители и нелинейные элементы - настроечные дроссели значительно усложняют схему, в которой непрерывная связь между аргументом и функцией заменена тремя аппроксимирующими прямыми, каждая в своем узком диапазоне работы. Функциональная связь содержит несколько слагаемых, подверженных влиянию параметров по давлению и механических настроек.
Известен способ изменения сигнала с помощью прибора извлечения квадратного корня (принят за прототип), включающий преобразование сигнала решающими усилителями и нелинейными элементами в виде турбулентных дросселей с квадратичной характеристикой. Недостатком является наличие дополнительных функциональных элементов для получения модуля, например, одной переменной выходной характеристики, а также множественные промежуточные усиления, суммирования, поддержание стабильного давления питания на вычислительных блоках в виде решающих усилителей [В.Н.Дмитриев, В.Г.Градецкий. Основы пневмоавтоматики. - М: Машиностроение. 1973. с.209].
Целью изобретения является создание способа преобразования сигнала путем упрощения функциональной связи, ее линеаризации, а также уменьшение манипуляций и аппаратурного состава и повышения стабильности элементов всего корректирующего устройства, реализующего способ.
Предложен способ преобразования непрерывного сигнала в частоту, включающий его преобразование с помощью пневматического прибора, отличающийся тем, что нелинейный непрерывный сигнал последовательно проводят через дифференциальный манометр с пневматическим выходом и струйный генератор, преобразуя его в пропорциональную частоту.
Предложено устройство преобразования непрерывного сигнала в частоту, содержащее измеритель с нелинейным непрерывным выходом и преобразователь, отличающееся тем, что введен струйный генератор с пропорциональным частотным выходом и непрерывным входом от дифференциального манометра, вход которого подключен к датчику с нелинейным непрерывным выходом.
Предложено устройство преобразования непрерывного сигнала в частоту, отличающееся тем, что вход дифференциального манометра подключен к измерителю величины упругой деформации.
Предложено устройство преобразования непрерывного сигнала в частоту, отличающееся тем, что вход дифференциального манометра подключен к измерителю скорости набегающего потока.
Предложено устройство преобразования непрерывного сигнала в частоту, отличающееся тем, что вход дифференциального манометра подключен к сужающему устройству на трубе.
Преобразование сигнала предложенным способом и устройством (квадратором) может применяться с разными целями. При измерении параметров объекта регулирования требуется линеаризация характеристики первичных элементов (датчиков) для дальнейшего ввода ее в систему управления или при реализации корректирующей цепи в ряде случаев требуется полученный изменением сигнала переменный коэффициент усиления.
С помощью квадратора, реализующего предложенный способ преобразования, задается переменный коэффициент усиления, при этом фазовая характеристика может и не изменяться, повышаются динамические свойства системы и обеспечивается более выгодное значение коэффициента усиления в различных положениях и состояниях системы управления в целом, повышает ее быстродействие и точность. Квадраторы могут быть использованы в цепях обратной связи системы как сигнал скоростной обратной связи. В этом случае сигнал, например, снимаемый с диафрагмы в виде перепада давления рабочей среды и подаваемый в измерительный элемент (например, сервомотор), будет пропорционален квадрату расхода среды или скорости движения штока сервомотора.
Применение предложенного способа коррекции сигнала в сложных многоконтурных системах управления и регулирования может обеспечить устойчивость системы, добиться требуемого качества переходного процесса.
На фиг.1 представлено реализующее предложенный способ устройство преобразования непрерывного сигнала в частоту на примере измерения скорости встречного потока, которая связана с кинетической энергией потока.
На фиг.2 представлено реализующее предложенный способ устройство преобразования непрерывного сигнала в частоту на примере измерения упругой деформации, которая связана с потенциальной энергией деформации.
На фиг.3 представлено реализующее предложенный способ преобразования непрерывного сигнала в частоту (корректирующее устройство) на примере измерения расхода потока в трубе, при котором существует квадратичная связь между расходом и перепадом давления.
На фиг.1, 2, 3 обозначено: 1 - квадратор (пневматический прибор извлечения квадратного корня); 2 - пневматический повторитель давления; 3 - струйный генератор; 4 - датчик перепада давления; 5 и 6 - каналы отбора давления; 7 и 8 - точки отбора давления; 9 - измерительное устройство; 10 и 11 - струйное сопло измерительного устройства; 12 - измерительное устройство; 13 - сужающее устройство.
Элементы схемы 4 и 2 составляют прибор дифференциальный манометр с аналоговым пневматическим выходом ΔР, передающим сигнал по расходу q в струйный генератор 3. После струйного генератора 3 выходной сигнал f формируется преобразователем (на фиг.1, 2, 3 не показан) для входа в общую систему регулирования объектом. Измеряемая среда, протекающая (фиг.2 и 3) через измерительное устройство 9, может быть другой, отличной от пневматической.
Рассмотрим работу предложенного устройства 1, которое служит устройством передачи сигнала от устройства измерения (датчика) 12 в систему управления, а также для получения, например, линейной характеристики, т.е. «исправления» нелинейной непрерывной характеристики предыдущего звена системы. Непрерывный сигнал измеренного параметра от измерительного устройства поступает в приемник, представленным в виде дифференциального манометра (датчика перепада 4 с пневмоповторителем 2).
Перепад давления можно снять от любого проточного элемента, например:
к
2
- от датчика (фиг.1) набегающего потока с кинетической энергией Е=mV/2;
n
2
- от датчика (фиг.2) упругой деформации с потенциальной энергией E=kX/2 (детали тензодатчика и др.);
0
0
0
0
- от датчика давления в атмосфере. Давление с высотой, которая убывает нелинейно, т.к. одновременно убывает плотность воздуха (вес столба) и температура. Для части высоты для изотермической атмосферы по закону Р=Р exp(-h/H), P и Н - давление и высота на уровне океана, который можно заменить квадратичной зависимостью.
1/2
- на дросселе (фиг.3) в пневматической схеме регулирования, от которого требуется получить сигнал. Течение в турбулентном дросселе нелинейное - квадратичный закон Q=k Р.
Предложенный способ показан работой устройства 1 следующим образом.
1/2
1/2
8
7
пв
1
пв
Например, требуется измерить скорость воздушного потока V (фиг.1). Для измерения можно использовать трубку Пито (фиг.1), в которой разница статического и полного давлений выражена формулой V=(2gΔP). Перепад давлений ΔР=P-Р между сигналами от точки 8 отбора полного давления и точки 7 отбора статического давления поступает в датчик 4 перепада давлений по каналам отбора давления 5 и 6. Перепад давлений ΔР связан линейной зависимостью через пневмоповторитель 2 соотношением ΔР=Р. Пневмоповторитель 2 является усилителем расхода q, который определяет расход струи струйного генератора зависимостью q=kР , поступающий в струйный генератор 3.
2
пв
3
3
4
к
1/2
2
При этом V=kР =kq. Частота колебаний f струи струйного генератора линейно зависит от расхода q зависимостью типа q=kf. Отсюда скорость V воздушного потока равна V=kf в виде пропорционального частотного сигнала. При известной величине m и измеренной скорости V далее вычисляется кинетическая энергия потока Е=mV/2.
cp
п
Например, требуется измерить (фиг.2) упругую деформацию Х при восстановлении формы упруго деформированного тела и изменения потенциальной энергии. Известно, что модуль силы упругости по закону Гука равен F=kX, где k - жесткость тела, Х - величина деформации. При восстановлении формы тела сила упругости линейно убывает до нуля и ее среднее значение на пути Х равно полусумме начального и конечного ее значений F=kX/2. При измеренной величине Х упругой деформации и известной силе F изменение потенциальной энергии ΔЕ равно работе А силы упругости на пути X.
п
cp
2
ΔЕ=А=FX=kX/2.
8
7
1
2
пв
3
пв
4
5
6
1/2
1/2
Измерение пути Х представлено в цифровой форме числом импульсов, полученных при информационной связи между элементами схемы и передаче сигналов в следующем виде. В измерительном устройстве 12 элементы 9, 10, 11, 7, 8 обеспечивают аналоговую функцию ΔР=P-Р; Х=kQ=kΔР. В приборе извлечения квадратного корня 1 элементы 4, 2 и 3 обеспечивают аналоговую функцию ΔР=Р, и далее преобразование нелинейного сигнала в линейную зависимость в частотной форме. Имеем q=kР ; X=kq; q=kf и X=kf.
п
В результате при измерении потенциальной энергии ΔЕ непрерывный сигнал датчика преобразуется в пропорциональную частоту. При этом значительно повышается точность отсчета изменения потенциальной энергии деформации упругого тела, используя измерение пути при деформации тела в цифровой форме частотой.
Например, требуется измерить расход среды (фиг.3), протекающий по трубе измерительного устройства 9, и передать пропорциональный сигнал далее в систему управления. Измерение расхода на сужающем устройстве (диафрагме) 13 с помощью датчика перепада давления 4 путем отбора величин статического давления по каналам 5, 6 в точках 7, 8 требует выдерживания определенного набора ограничений (например, определяемых ГОСТ, отбор в определенных точках трубы, выдерживание прямолинейных участков до и после отбора и др.). Процедура измерения имеет нелинейную связь (квадратичную) между расходом и перепадом давления. Дифференциальный манометр (элементы 4 и 2) с пневматическим выходом ΔР передает сигнал по расходу q на струйный генератор 3, который извлекает квадратный корень из квадратичной зависимости «расход-давление» и выдает пропорциональный выход пневматических частотных импульсов f. Импульсы можно далее передать в систему управления в пневматической форме или пьезопреобразователем в электрической форме.
Сигнал по всем элементам схемы передается в аналоговой форме, далее от элемента 3 в частотной форме. Причем через пневматическую среду по звеньям 4, 2, 3, а по элементам 9, 13, 8, 7, 5, 6 может передаваться непневматической средой. При передаче нелинейного сигнала от точек 7, 8 к струйному генератору 3 происходит преобразование нелинейного аналогового сигнала в пропорциональный частотный сигнал за счет колебания струи в камере струйного генератора 3.
Таким образом, предложенный способ преобразования сигнала с примерами его реализации позволяет преобразовать нелинейный непрерывный сигнал от датчика измеряемого параметра в пропорциональный сигнал в частотной форме.