книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

Рецензент А. В. Фремке

Н 73 П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., «Энергия», 1970.

424 с. с рис.

Рассматриваются частотные датчики для цифровых измерений электрических и неэлектрических величин, а также принципы действия этих датчиков, приводятся их характеристики и основы расчета. Опи­ сываются принципы построения цифровых приборов с частотными дат­ чиками, общие узлы таких приборов, приводятся структурные схемы и характеристики частотно-цифровых приборов прямого и уравновеши­ вающего преобразования.

Книга предназначается для инженеров, работающих в области приборостроения и автоматизации процессов управления. Она может быть использована в качестве учебного пособия для студентов приборо­ строительных спецнальностей высших учебных заведений.

3-3-10

6П2.15

223-70

Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена методам по­

строения цифровых измерительных приборов с использованием ча­

стотных датчиков.

Вглавах 1—8 рассматриваются принципы построения и вопросы

расчета и проектирования частотных датчиков, или получивших к на­ стоящему времени наибольшее распространение (датчики с 1C и

#С-генераторами, маятниковые, язычковые, струнные, электроаку­ стические), или представляющихся наиболее перспективными (осно­

ванные на счете элементарных частиц или событий, на явлении ядерного магнитного резонанса). Датчики, хорошо освещенные в лите­ ратуре (например, тахометрические), а также специальные типы час­

тотных датчиков, такие, как эндовибраторные, допплеровские, гирос­ копические или лазерные, в книге не рассматриваются.

Вглавах 9—14 излагаются принципы построения цифровых при­ боров с различными частотными датчиками и вопросы проектирования их основных узлов: устройств промежуточной обработки частотных сигналов, широкодиапазонных умножителей частоты, устройств ин­

дикации и регистрации результатов измерений.

Следует обратить внимание читателя на принятую в книге терми­

нологию. Так как термин «измерительный преобразователь» употреб­ ляется сейчас все более широко и в разных смыслах, что часто порож­

дает путаницу, авторы сочли желательным по возможности ограничить

его применение тремя наиболее важными значениями:

а) функциональный узел измерительной аппаратуры, осущест­ вляющий определенный вид преобразования, например преобразо­

ватель код — аналог, преобразователь параметра в частоту, механо-

электрический преобразователь (т. е. преобразователь механической величины в электрическую) й т. д.;

б) звено структурной схемы прибора, занимающее в ней опреде­ ленное место, например входной, выходной, прямой, обратный пре­

образователь, граничный преобразователь (т. е. находящийся на гра­

нице различных способов представления информации в приборе); в) элементарная ячейка измерительной аппаратуры, выполненная

на основе определенного физического принципа: емкостный, упругий,

сейсмический, индукционный преобразователь, или обладающая оп­

ределенным физическим свойством — обратимый преобразователь.

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей,

обычно объединенных в один конструктивный узел, непосредственно

воспринимающий информацию об объекте измерения и преобразую­ щий ее в удобную форму, сохранен прочно укоренившийся в практике

термин «датчик».

В написании отдельных глав и параграфов книги совместно с

авторами участвовали сотрудники кафедры информационно-измери­

тельной техники Ленинградского ордена Ленина политехнического

института имени М. И. Калинина (ЛПИ имени М. И. Калинина) и других организаций, имеющие опыт разработки конкретных ви­

Авторы выражают благодарность д. т. н., профессору А. В. Фремке за подробное рецензирование книги и инженеру Г Н. Солопченко за ценные замечания по рукописи.

Замечания и пожелания по книге просьба посылать по адресу:

Ленинград, Д-41, Марсово поле, д. 1, Ленинградское отделение изда­

тельства «Энергия».

Авторы

стигнуты уже большие успехи, подобным системам всегда будут при­ сущи ограничения, связанные с тем, что получение информации и пе­ редача ее к аналого-цифровому преобразователю производятся ана­ логовыми средствами, погрешность которых обычно составляет не менее 0,5 — 1% и может быть снижена до 0,2 — 0,1% только ценой

значительного усложнения и удорожания аппаратуры.

Противоположное направление заключается в разработке спе­

циальных датчиков с кодовым или число-импульсным выходным сиг­

налом, которые строятся либо по типу кодовых дисков и реек, либо с использованием дискретного уравновешивания измеряемой вели­

чины. Такие системы отличаются высокой точностью, но их примене­

ние ограничено сравнительно небольшим числом возможных измеряе­

мых величин.

Промежуточное положение занимают датчики, выходной величи­ ной которых является частота выходного сигнала. Они в дальнейшем

сокращенно называются частотными датчиками. Эти датчики совме­

щают простоту и универсальность, свойственные аналоговым устрой­

ствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерными для датчи­

ков с кодовым выходом. Дальнейшее преобразование частотно-моду-

сти превосходящей все другие методы аналого-цифрового преобразо­ вания-

Отдельные виды частотных датчиков, например струнные тензо­ метры или индукционные тахометры, были известны очень давно.

Однако выходная частота этих датчиков (до появления цифровых ча­

стотомеров) измерялась аналоговыми способами, и поэтому ощутимого выигрыша от использования частотных датчиков практически не было.

С момента появления цифровых частотомеров положение резко из­ менилось, и частотные датчики стали привлекать к себе все большее внимание.

В 1961 г. [27] уже была поставлена проблема создания частотных датчиков для измерения всех как электрических, так и неэлектриче­ ских величин. За истекшее десятилетие разработка различных типов частотных датчиков и приборов с их использованием как в. СССР, так

и за рубежом проходила чрезвычайно интенсивно. В результате мы

располагаем частотными датчиками, пригодными для измерения почти всех известных физических величин, а общее число их разновидностей, пожалуй, даже превосходит известное сейчас число разновидностей амплитудных датчиков.

Такое интенсивное развитие частотных датчиков и приборов с их применением обусловлено рядом обстоятельств, главными из которых

являются следующие.

1. При использовании частотных датчиков открывается принци­

пиальная возможность достижения значительно больших точностей

измерения, чем при использовании амплитудных датчиков с после­

дующими цифраторами. Это объективное свойство высокой помехо­ устойчивости, присущее частотной модуляции, является, по-видимому,

главной предпосылкой перспективности частотных датчиков по срав­ нению с амплитудными.

2. С энергетической точки зрения самым тяжелым участком из­ мерительного канала для прохождения информации является участок от выхода входного преобразователя до входа усилительно-преобра- зующей аппаратуры, где информация передается самым малым по­

током энергии. Возникающие на этом участке потери информации уже

не могут быть восполнены никакими последующими операциями. В этой

связи характерно, что погрешности, возникающие, например, при ис­ пользовании реостатных, индуктивных, тензорезистивных и пьезо­

электрических амплитудных преобразователей и обычно равные со­

ответственно 0,02; 0,1; 1,0 и 10%, располагаются в точно таком же порядке, как и мощности выходных сигналов преобразователей, рав­

ные соответственно 10“ 2, 10” 3, 10-5 и 10“ 7 вт. Выходные же мощности частотных датчиков, как правило, оказываются значительно боль­

шими. При этом мощностью, определяющей стабильность генерируе­

мой частоты, следует считать колебательную (реактивную) мощность используемого резонатора, тем большую, чем больше его добротность

и составляющую у датчиков с вибрирующими пластинами или языч­

ками до 0,1 — 0,2 ва, в датчиках с LC-резонаторами — 0,01 — 0,1 ва и даже у таких маломощных колебательных систем, как акустические

резонаторы или низкодобротные /?С-генераторы, равную 10“ 4 — 3 -10-4 ва.

3. Образцовые меры частоты, например в виде кварцевых генера­

торов, удается практически выполнять с гораздо большей стабиль­ ностью, чем образцовые меры электрического напряжения в виде

нормальных элементов или полупроводниковых стабилизаторов на­

пряжения. Это можно объяснить тем же объективным различием ин­

формационных свойств амплитудно-модулированных и частотно-мо- дулированных процессов [28, § 6-121.

4. В случае применения в информационных системах амплитудных датчиков построение коммутаторов, не вносящих значительных по­ грешностей в результаты измерений, составляет сложнейшую про­ блему. Паразитные э. д. с., переходные сопротивления и взаимное

влияние каналов в таких коммутаторах приводят к появлению боль­

ших погрешностей, радикальных мер борьбы с которыми не найдено до сих пор. При использовании же на выходе датчиков частотно-мо- дулированного сигнала, практически не чувствительного ко всем пе­ речисленным мешающим факторам, коммутаторы сигнала датчиков можно строить по самым простейшим схемам, не внося каких-либо

погрешностей в результаты измерений.

5. Точное интегрирование по времени выходного сигнала частот­ ных датчиков выполняется исключительно просто. При этом интегри­ рующее устройство в виде суммирующего счетчика электрических импульсов является идеальным интегратором с неограниченным вре­ менем интегрирования.

Развитие цифровых приборов с частотными датчиками способство­

вало появлению специфических узлов промежуточной обработки сиг­

налов, представленных изменяющейся частотой. Развитие техники

построения аналоговых приборов привело в свое время к разработке разнообразных устройств для промежуточной обработки аналоговых сигналов: измерительных усилителей, мостовых и компенсационных

цепей для вычитания сигналов и установки нуля приборов, точных делителей тока и напряжения для переключения пределов измерения,

указателей равновесия и точных обратных преобразователей для соз­

дания аналоговых приборов уравновешивания. Вопросам разработки этих устройств были посвящены многие диссертации и монографии.

Устройства для аналогичной обработки частотных сигналов (измери­

тельные умножители частоты, цепи вычитания частот, цепи деления

частот на постоянное и переменное число, цепи запоминания началь­ ного значения частоты и т. п.) являются столь же необходимыми эле­ ментами при построении приборов с частотными датчиками. Особенно перспективным представляется использование преобразователей ин­

тенсивности сигнала в частоту и частоты в интенсивность сигнала в

замкнутых цепях приборов уравновешивания, когда на одних участ­

Не менее важное значение при построении приборов с частотными

датчиками имеют устройства индикации и регистрации частотных сиг­

налов в виде цифровых табло, кодовых регистраторов на магнитную ленту или фотобумагу и цифропечатающих устройств.

Рассмотрению всех перечисленных вопросов и посвящена настоя­ щая книга.