Устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны импульсом полусинусоидальной формы
DEVICE FOR EXCITATION OF CONTINUOUS VIBRATIONS OF A STRING BY A HALF-SINE PULSE

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться для возбуждения непрерывных колебаний струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой возбуждения в режиме свободных колебаний, в условиях переменного уровня электрических помех, в составе системы мониторинга технического состояния конструкций зданий или сооружений в процессе эксплуатации.
Известно устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны, содержащее генератор пускового импульса, струнный преобразователь с одной электромагнитной катушкой, усилитель с управляемым напряжением коэффициентом усиления, ждущий одновибратор с управляемой напряжением длительностью импульса, таймер, частотный детектор, блок выборки и хранения, блок корректировки длительности импульса возбуждения, первый и второй перемножители аналоговых сигналов и блок корректировки амплитуды импульса (SU №1451751 А1, G08C 19/00, В06 1/10 03.10.87).
Основным недостатком данного изобретения является то, что оно не обеспечивает высокой стабильности колебания струны, что обуславливается дополнительными фазовыми сдвигами, вызванными неточным определением момента выработки импульса возбуждения и его прямоугольной формой, что провоцирует возбуждение высших гармоник и повышение погрешности измерения.
Известно устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны, содержащее генератор пусковых импульсов, струнный преобразователь с одной электромагнитной катушкой, первый и второй перемножители аналоговых сигналов, частотный детектор, блок выборки и хранения и управляемый напряжением ждущий одновибратор, коммутатор, генератор импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, усилитель, усилитель-ограничитель, первый и второй ждущий мультивибратор, схему совпадения, амплитудный детектор, фильтр низких частот и компаратор (RU 2689283 C1, G01L 1/10 02.12.2018).
K
Существенным недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает высокой стабильности колебаний струны, так как заданный уровень срабатывания компаратора U остается постоянным па всем интервале измерения, а уровень электрических помех, который обуславливает уровень срабатывания компаратора, в процессе измерения может меняться в широком диапазоне. Кроме того, амплитуда колебаний струны при верхнем и нижнем диапазонах измерения может меняться в десятки раз, что на определенных интервалах измерения может довести соотношение «сигнал/шум» до значения, при котором погрешность измерения информативного параметра струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой (частоты колебаний струны) выйдет за допустимые пределы.
Задачей заявляемого технического решения является создание устройства, в котором автоматически поддерживается уровень срабатывания компаратора в условиях меняющегося во времени уровня электрических помех, что повышает точность измерения информативного параметра струйного преобразователя (частоты колебаний струны) и стабильность его колебаний.
Технический результат достигается тем, что устройство для возбуждения непрерывных колебаний струны, состоящее из генератора пусковых импульсов, струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой, первого и второго перемножителей аналоговых сигналов, частотного детектора, блока выборки и хранения и управляемого напряжением ждущего одновибратора, коммутатора, генератора импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, усилителя, усилителя-ограничителя, первого и второго ждущих мультивибраторов, схемы совпадения, первого амплитудного детектора и фильтра низких частот снабжено первым и вторым эмиттерным повторителем, фильтром высоких частот, вторым амплитудным детектором и компаратором с управляемым напряжением уровнем срабатывания.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для возбуждения непрерывных колебаний струны, на фиг.2 - временная диаграмма его работы.
Устройство содержит генератор 1 пусковых импульсов, струнный преобразователь 2 с одной электромагнитной катушкой, коммутатор 3, генератор 4 импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, первый перемножитель 6 аналоговых сигналов, второй перемножитель 5 аналоговых сигналов, усилитель 7, усилитель-ограничитель 8, частотный детектор 9, блок 10 выборки и хранения, управляемый напряжением ждущий одновибратор 11, первый ждущий мультивибратор 12, схему 13 совпадения, второй ждущий мультивибратор 14, первый эмиттерный повторитель 15, фильтр 16 низких частот, первый амплитудный детектор 17, компаратор 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания, второй эмиттерный повторитель 19, фильтр 20 высоких частот и второй амплитудный детектор 21.
Устройство работает следующим образом.
стр
к1
к2
к3
При включении питания генератор 1 пусковых импульсов вырабатывает короткий высоковольтный импульс прямоугольной формы положительной полярности длительностью 0,7 среднего значения периода колебаний струны струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой в рабочем диапазоне, который поступает' на первый управляющий вход коммутатора 3. Этим импульсом коммутатор 3 отключает вход усилителя 7 от электромагнитной катушки возбуждения струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой, подключенной к первому входу коммутатора 3. Этот же импульс возбуждает колебания струны струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой. После окончания действия пускового импульса коммутатор 3 подсоединяет электромагнитную катушку возбуждения струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой к входу усилителя 7. Свободные затухающие колебания струны с частотой ƒ (фиг.2а) индуцируют в катушке струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой ЭДС той же частоты ƒ, но сдвинутую по фазе на 1/4 периода Т колебания струны (фиг.2б). Индуцируемая в катушке струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой ЭДС через коммутатор 3 поступает на вход усилителя 7, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 8, а также первого 15 и второго 19 эмиттерных повторителей. Усилитель-ограничитель 8 преобразует синусоидальный сигнал с выхода усилителя 7 в прямоугольные импульсы той же частоты f, которые поступают на вход частотного детектора 9, выход которого соединен с входом блока выборки и хранения 10, и вход первого ждущего мультивибратора 12. С выхода первого эмиттерного повторителя 15 для выделения огибающей затухающих колебаний сигнал (фиг.2в) через фильтр 16 низких частот поступает на вход первого амплитудного детектора 17, с выхода которого поступает (фиг.2г) на первый вход компаратором 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания. С выхода второго эмиттерного повторителя 19 для выделения огибающей электрических помех сигнал через фильтр 20 высоких частот поступает на вход второго амплитудного детектора 21, с выхода которого поступает (фиг. 2г) на второй вход компаратора 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания. Этот сигнал для компаратора 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания является опорным U, (U÷U). Для простоты на фиг. 2г на интервалах между импульсами возбуждения амплитуда этого сигнала показана постоянной. В момент совпадения амплитуды сигнала затухающих колебаний до уровня опорного напряжения на выходе компаратора 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания (фиг. 2г) вырабатывается короткий импульс положительной полярности (фиг. 2д), который поступает на вход второго ждущего мультивибратора 14, который по заднему фронту сигнала с выхода компаратора 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания генерирует сиг нал положительной полярности прямоугольной формы (фиг. 2с), длительность которого постоянна и задается на 5% больше максимально возможной длительности с рабочем диапазоне длительности периода колебания струны струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой 2. Генерируемый вторым ждущим мультивибратором 14 импульс (фиг.2е) поступает на первый вход схемы 13 совпадения и управляющий вход блока 10 выборки и хранения и переводит последний в режим хранения на время действия этого импульса. Во время действия управляющего импульса на входе блока 10 выборки и хранения амплитуда выходного сигнала блока 10 выборки и хранения остается равной амплитуде входного сигнала с выхода частотного детектора 9 в момент, предшествующий началу управляющего импульса. Амплитуда сигнала с выхода частотного детектора 9 пропорциональна частоте f сигнала с выхода струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой. По окончании действия управляющего импульса амплитуда выходного сигнала блока 10 выборки и хранения становится равной амплитуде входного сигнала с выхода частотного де тек тора 9.
ст
ст
к1
к2
к3
2
3
3
-
С выхода усилителя-ограничителя 8 сигналы (фиг. 2ж) поступают на вход первого ждущего мультивибратора 12, который но переднему фронту этих сигналов генерирует короткие импульсы положительной полярности прямоугольной формы (фиг. 2з) постоянной длительности, которые поступают на второй вход схемы 13 совпадения, на выходе которой формируется сигнал (фиг.2и) положительной полярности длительностью, равной длительности сигнала (фиг.2з) с выхода первого ждущего мультивибратора 12 на интервале действия сигнала (фиг.2е) с выхода второго ждущего мультивибратора 14. Сигнал с выхода схемы 13 совпадения поступает па вход управляемого напряжением ждущего одновибратора 11. Управляемый напряжением ждущий одновибратор 11, запущенный по переднему фронту сигнала с выхода схемы 13 совпадения, генерирует импульс (фиг.2к) положительной полярности прямоугольной формы длительностью, обратно пропорциональной амплитуде напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода блока 10 выборки и хранения, и прямо пропорциональной периоду Т, при этом коэффициент пропорциональности равен К=0,5Т. Сигнал с выхода блок 10 выборки и хранения, амплитуда которого пропорциональна частоте ƒ сигнала с выхода струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой, поступает на управляющий вход управляемого напряжением ждущего одновибратора 11, на первый и второй входы первого перемножителя 6 аналоговых сигналов и первый вход второго перемножителя 5 аналоговых сигналов, на второй вход которого поступает сигнал выхода первого перемножителя 6 аналоговых сигналов, амплитуда которого пропорциональна ƒ. На выходе второго перемножителя 5 аналоговых сигналов появляется сигнал, пропорциональный ƒ, который поступает на управляющий вход генератора 4 импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, на вход которого поступает импульс (фиг. 2к) с выхода с управляемого напряжением ждущего одновибратора 11. На выходе генератора 4 импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, формируется высоковольтный импульс положительной полярности (фиг. 2л) длительностью, равной длительности импульса (фиг. 2к) с выхода управляемого напряжением ждущего одновибратора 11, амплитудой пропорциональной величине ƒ и формой, соответствующей половине волны синусоиды. Импульс (фиг. 2к) с выхода управляемого напряжением ждущего одновибратора 11 поступает на второй управляющий вход коммутатора 3, который на время действия этого импульса отключает вход усилителя 7 от электромагнитной катушки возбуждения струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой и подсоединяет ее через второй вход коммутатора 3 к выходу генератора 4 импульсов полуволны синусоиды с управляемой напряжением амплитудой, высоковольтный импульс которого возбуждает колебания струны струнного преобразователя 2 с одной электромагнитной катушкой (фиг. 2а) с частотой ƒ. После окончания действия импульса с выхода управляемого напряжением ждущего одновибратора 11 коммутатор 3 подсоединяет электромагнитную катушку возбуждения струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой 2 к входу усилителя 7, после чего цикл, период которого равняется времени спада амплитуды затухающих колебаний до уровня опорного напряжения U, (U÷U) компаратора 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания (фиг. 2 г), повторяется.
Введением в устройство дополнительных блоков (первого эмиттерного повторителя 15, второго эмиттерного повторителя 19, фильтра 16 высоких частот, второго амплитудного детектора 21, компаратора 18 с управляемым напряжением уровнем срабатывания) достигается: во-первых, повышение точности измерения информативного параметра струнного преобразователя (частоты колебаний струны) - при изменении уровня электрических помех происходит автоматическое поддержание уровня срабатывания компаратора 18 на оптимальном для этого уровня помех уровне, во-вторых, повышение стабильности колебаний струны.
Сопоставительный анализ изобретения позволяет сделать вывод, что новым является, то, что в устройстве автоматически обеспечивается оптимальный уровень срабатывания компаратора (т.е. выбирается наиболее оптимальный момент генерации очередного импульса возбуждения колебаний струны струнного преобразователя) в зависимости от уровня электрических помех.
Па дату подачи заявки совокупность признаков заявленного устройства для возбуждения непрерывных колебаний струны не известно, что определяет, по мнению заявителя, соответствие критерию - «новизна». Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод о соответствии критерию изобретения «изобретательский уровень».
Изобретение позволяет повысить точность измерения информативного параметра струнного преобразователя (частоты колебаний струны) и повысить стабильность колебаний его струны за счет автоматического поддержания оптимального уровня срабатывания очередного импульса возбуждения колебаний струны струнного преобразователя с одной электромагнитной катушкой в зависимости от уровня электрических помех.