• 03.04.2010
  • Преобразователи расхода "СПИРОСЕНС" зарегистрированы в Государственном реестре средств измерения
  • ПОДРОБНЕЕ >>>

Прибор для исследования амплитудно- и фазочастотных характеристик

Воронцов А.В.

Как и в большинстве измерительных приборов, наиболее уязвимой частью акустического анемометра является первичный преобразователь. Его метрологические характеристики (температурная и временная стабильность, уровень собственных шумов и т.д.) во многом определяют точность прибора в целом. Для компенсации таких нежелательных эффектов как температурный и временной уход характеристик необходимо досконально понимать влияние климатических и временных факторов на характеристики первичных преобразователей. Этой цели и служит предлагаемое устройство.

Рисунок 1 . Блок-схема прибора для исследования частотных характеристик

Данный прибор предназначен для исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) различных цепей и выполнен в виде приставки к персональному компьютеру (ПК). Он позволяет снимать АЧХ в диапазоне частот 1…100 кГц и передавать их в компьютер по стандартному протоколу для дальнейшей обработки. После некоторой доработки он позволяет снимать также фазочастотные характеристики.

Блок-схема устройства представлена на рис.1. Основу работы прибора составляет метод цифрового синтеза частот, который обладает неоспоримыми преимуществами перед аналоговыми методами. Так как опорная частота формируется кварцевым генератором, то она обладает высокой точностью и стабильностью, эти же свойства присущи и рабочей частоте устройства. Кроме того, отпадает необходимость её измерения, поскольку всегда точно известен коэффициент деления программируемого делителя. Коэффициент деления задаётся микроконтроллером, он же осуществляет оцифровку амплитуды с помощью встроенного АЦП и передачу данных в ПК.

Программируемый делитель представляет собой 12 ти разрядный счётчик с синхронной предустановкой, составленный из 3 х стандартных микросхем серии КР1554 (аналог-серия 74АС фирмы National Semiconductor ). Данная схема подробно описана в [12], поэтому здесь рассматриваются только принципиальные моменты.

Рисунок 2. Временные диаграммы работы прибора

Сигнал опорного генератора частотой 20 МГц поступает на счетчик, в триггеры которого предварительно записывается некое число, которое и определяет, в конечном итоге, выходную частоту устройства. Счётчик, таким образом, начинает считать не с нуля, а с записанного в него числа, заканчивая счёт в момент заполнения всех триггеров единицами (т.е. на FFF ). При этом он формирует временной интервал длительностью Т*( FFF -( n -1)) (Т-период опорной частоты, n - записанное число, один импульс уходит на его загрузку) периодов опорной частоты. Окончательная частота вырабатывается триггером, на который поступает импульс переноса со старшего счётчика. Так как триггер срабатывает по фронту сигнала, то результирующая частота становится вдвое меньше исходной и равна:

(1)

где f –опорная частота.

Полученные таким образом меандры необходимо преобразовать в синусоидальный сигнал. Эта задача превосходно решается при помощи использованной нами схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), позволяя синхронизировать синусоиду с цифровым сигналом. Методика проектирования ФАПЧ также подробно описана в [12].

В качестве генератора управляемого напряжением (ГУНа) использована микросхема ICL 8038 американской фирмы Harris . Она позволяет генерировать частоты в диапазоне 0,01..100000 Гц, формируя одновременно синусоидальный, треугольный и прямоугольный сигнал. Последний подаётся на фазовый детектор и используется для синхронизации с цифровым сигналом.

Происходит это следующим образом: фазовый детектор вырабатывает короткие импульсы, фактически подключая выход к положительному или отрицательному полюсу источника питания; в промежутках между импульсами выход находится в состоянии отсечки. Соответствующая временная диаграмма представлена на рис. 2. Длительность импульсов определяется разностью фаз синхронизируемых сигналов, а полярность зависит от превосходства той или иной частоты. Так, если в данный момент времени частота цифрового делителя оказывается большей и фронт прямоугольного сигнала приходит с него раньше то фазовый детектор формирует импульс положительной (или отрицательной, в зависимости от типа фазового детектора; некоторые детекторы позволяют настраивать полярность) полярности, понуждая ГУН повысить частоту. Эти импульсы используются для накачки заряда в конденсатор фильтра нижних частот (ФНЧ), корректируя, таким образом, частоту ГУНа.

Полученный синусоидальный сигнал выводится на регулируемый усилитель, который выполняет функции аттенюатора и согласователя импедансов, а с него уже на исследуемый объект, которым в нашем случае явился пьезокерамический преобразователь. Для детектирования полученного сигнала был использован активный выпрямитель, ему было отдано предпочтение по причине высокой линейности. Хотя в схеме использованы обычные диоды, однако будучи включёнными в цепь обратной связи усилителя они позволяют получить линейное двухтактное выпрямление.

Полученное значение амплитуды и заданное значение частоты, вычисленное по формуле (1) передаётся в компьютер по протоколу RS 232 C для построения графика. Помимо ускорения и автоматизации измерений использование ПК предоставляет дополнительные возможности в виде хранения результатов, а также их обработки по заданным алгоритмам и вывода на печать.

С помощью описанного прибора проводилось исследование поведения характеристик в различных климатических условиях, так как изменение характеристик под действием температуры является одним из основных негативных факторов, снижающих точность акустического анемометра. Поэтому система оснащена датчиками температуры и влажности, которые позволяют производить автоматический контроль климатических параметров, что является ценным свойством для данного прибора, так как позволяет исключить ошибки оператора и снизить трудоемкость измерений.

В климатокамере КТК-800 были сняты характеристики колец в широком диапазоне температур (рис. 3,4).

Рисунок 3. АЧХ в диапазоне температур

Рисунок 4. ФЧХ в диапазоне температур

Анализ полученных характеристик

На основе полученных данных были уточнены параметры эквивалентной схемы преобразователя, что, в свою очередь, позволило рассчитать такие их характеристики, которые измерить непосредственно не представляется возможным. Для описания модели кольца использовалась эквивалентная схема (рис 5)

Рисунок 5. Эквивалентная схема пьезопреобразователя

Данная схема описывается следующими соотношениями:

Здесь Z – полное сопротивление схемы (вместе с резистором 500 Ом); модуль функции Achh – АЧХ, а аргумент – ФЧХ в точке подключения резистора. Часть схемы, обведенная пунктирной рамкой представляет собой собственно эквивалентную схему кольца, а сопротивление 500 Ом включалось последовательно с ним и использовалось для получения АЧХ. Правая часть схемы (после трансформатора) выступает в качестве механической части, а левая (до трансформатора) – электрическую. Трансформатор считается идеальным и рассматривается только как коэффициент между механической и электрической частью эквивалентной схемы преобразователя.

Вышеприведенные формулы весьма точно описывают АЧХ преобразователей при следующих значениях номиналов:

U вх =5В; R 1=500Ом; R 2=5кОм; C 1=4нФ; C 2=3,07нФ; R 3=54Ом; L 1=9мГн; K =0,39.

Из рисунков 6 и 7 видно что эксперементальные и теоретические АЧХ и ФЧХ при данных значениях номиналов практически совпадают.

Рисунок 6. Сравнение теоретических и экспериментальных АЧХ

Рисунок 7. Сравнение теоретических и экспериментальных ФЧХ

Значения U вх и R 1 задаются условиями эксперимента, из остальных данных непосредственнму измерению поддается только емкость C 1 и ее измеренное значение весьма точно согласуется с теоретическим (4нФ). Остальные номиналы представляют механическую часть и их непосредственное измерение затруднительно.

Знание параметров схемы замещения кольца позволяе рпссчитать такие его характеристики, которые измерить непосредственно не удается. Так, например получены электроакустические АЧХ и ФЧХ преобразователей, которые приводятся на рисунках 8 и 9. Это, в свою очередь, позоляет составить более полную математическую модель анемометрического датчика, и, пользуясь ей оптимизировать режимы работы акустического анемометра.

Рисунок 8 Электроакустическая АЧХ пьезопреобразователя на излучение

Рисунок 9 Электроакустическая ФЧХ пьезопреобразователя на излучение


Литература.

• Лапин А.Д. Об излучении и распространении звука в цилиндрической трубе при наличии потока// Акустико-аэродинамические исследования: сборник. Под ред. Римского-Корсакова. М.:1975.С.57-60.

• Шкундин С.З., Бондарев А.М., Лихачев А.А. Аналитическое описание распространения акустических волн в анемометрическом канале // Горный журнал. Изв. ВУЗов, № 8, 1987.

• Кремлева О.А. Совершенствование акустического способа измерения скоростных параметров газовоздушных потоков в горных выработках.// канд. дис. М:1997.

• Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.// М:1977,. гл. 4. §11.

• Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики.// М:1966. гл. 2. §3.

• Яворский Б.М, Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов.// М: ”Наука”. 1974. 942с.

• Физическая энциклопедия. Т.1. / Гл. ред. А.М. Прохоров. М: 1988. С.286.

• Шкундин С.З. Физико-техническое обоснование акустического контроля скоростей газовоздушных потоков в системах обеспечения безопасности шахт: Дис.докт.тех.наук: 05.15.11,05.26.01/МГИ.-М.,1990.313с.

• Ivins Rox. Motorola Semiconductor Products Inc. Technical Information Note,1966.

• Щербань А.И. Исследование атмосферных условий в шахтах Донбасса. Киев, АН УССР. 1950. 140с.

• Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. М. Мир, 1998 г.,700 с.

 
 
Тел: (499)237-9467, (499)230-2531
Copyright © 2011 SirSensor