устройство для измерения параметров сигнала

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров сигнала, содержащее измерительный преобразователь, подключенный к одному из входов коммутатора, источник образцового сигнала, подключенный к другому входу коммутатора, при этом выход коммутатора соединен с линией для передачи сигнала к измерительному прибору, а управляющий вывод коммутатора соединен с первым выходом блока управления, отличающееся тем, что между линией и измерительным прибором введены последовательно соединенные управляемое сопротивление и второй коммутатор, управляющий вывод которого также соединен с первым выходом блока управления, причем один выход этого коммутатора подключен ко входу измерительного прибора, а другой выход подключен к одному из входов элемента сравнения, при этом ко второму входу элемента сравнения подключен источник номинального напряжения, а выход элемента сравнения соединен со входом блока управления, ко второму выходу которого подсоединен управляющий вывод управляемого сопротивления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано для измерения параметров слабых сигналов, имеющих широкую полосу частот и по характеру близких к случайным. Кроме того, возможно появление одиночных или пачек импульсов, периодических или не периодических, которые по максимальному значению могут значительно превышать максимальные значения присутствующих слабых сигналов.

Такие сигналы имеют место на выходе измерительных преобразователей (датчиков) радиоэлектронных систем, предназначенных для контроля состояния и режимов работы сложных объектов, агрегатов, через их вибрацию.

Измерительные преобразователи размещаются на объектах и соединяются с измерительным, анализирующим прибором с помощью линии, состоящей из проводов. Длина этой линии может достигать километра и более.

Измеренные параметры слабых сигналов, их спектральный состав и максимальные значения отражают технологические особенности объекта и следствия его эксплуатации. Точность выполнения отдельных узлов и частей объекта и их взаимодействие между собой при эксплуатации функционально связаны с параметрами измеряемого сигнала. Сигналы могут быть стационарными и нестационарными, но важно то, чтобы как те, так и другие не превышали допустимых предельных значений. Анализ сигналов позволит судить о состоянии объекта и возможности его безаварийной работы.

Чем сложнее объект и чем больше его значимость, тем большие требования предъявляются к точности измерений и анализу параметров сигнала с целью выявления предпосылок к снижению надежности работы этого объекта.

Важнейшим условием для обеспечения высокой точности измерений является стабильность параметров всех звеньев измерительной системы. Для этого, прежде всего, необходимо, чтобы измерительный прибор нормировался с измерительным преобразователем при неизменном сопротивлении линии, соединяющей их. Однако в реальных условиях при изменении температуры окружающей среды в пределах, например, от -50 до +50°С диапазон изменения сопротивления медного провода равен примерно 40%.

В некоторых измерительных устройствах, в которых компенсируются погрешности измерения, используют образцовые сигналы.

Известен автоматический измеритель напряжения, содержащий сумматор, смесители образцового и измеряемого сигналов, гетеродин, усилители промежуточной частоты, управляемый усилитель со схемами сравнения и управления, источник образцового сигнала, управляемый рабочий аттенюатор со схемой управления, вольтметр, нормирующий аттенюатор, включенный между рабочим аттенюатором и сумматором, управляемый селектор-усилитель, вход которого подключен к управляемому усилителю, а выход - к входу схемы управления рабочего аттенюатора, причем вольтметр подключен к выходу управляемого аттенюатора [1].

Недостатком этого автоматического измерителя напряжения является то, что при измерении слабых широкополосных сигналов, близких по характеру к случайным, на эти сигналы накладываются шумы четырех усилителей и гетеродина. Кроме этого, имеют место интермодуляционные помехи при пачках импульсов и комбинационные составляющие гармоник гетеродина с шумами, а также с импульсными составляющими сигнала. При измерении радиосигналов эти шумы и комбинационные составляющие не оказывают большого влияния, так как в нем присутствует фильтрующий селектор-усилитель.

Однако на слабый широкополосный сигнал эти шумы и комбинационные составляющие могут оказывать существенное влияние. Еще большее влияние на широкополосные сигналы и импульсы оказывает фильтрующий селектор-усилитель, ограничивая их частотный спектр. В результате возникают искажения слабых широкополосных и импульсных сигналов, то есть погрешности измерений.

Известен метод образцовых мер или сигналов [2]. Метод основан на последовательных измерениях измеряемой величины и образцовых величин. В [2] на стр.100 приведена схема устройства (рис.5.3), которое принято за прототип. Устройство содержит два источника образцовых сигналов, коммутатор, средство измерений и вычислительное устройство. Сначала измеряют исследуемый сигнал, а затем образцовые сигналы. После чего, составляя систему из трех уравнений, находят аппроксимирующую градуировочную характеристику и вычисляют значения исследуемого сигнала.

Данные метод и устройство имеют следующие недостатки, которые особенно проявятся при измерении сигналов с пачками импульсов, значительно превышающими по амплитуде слабые сигналы, и при изменении сопротивления линии в широком диапазоне температуры окружающей среды. А именно, один и тот же сигнал, присутствующий на выходе измерительного преобразователя, на входе средства измерения будет иметь различные значения в зависимости от сопротивления линии. Согласно температурному коэффициенту сопротивления для медного провода сопротивление линии при изменении температуры от номинальной до -50°С уменьшится примерно на 30%. Это отклонение от номинального режима приведет к возрастанию интермодуляционных и комбинационных искажений, которые в третьей степени зависят от возрастания амплитуд импульсов, то есть приведет к дополнительным, неучтенным при нормировании погрешностям измерений. Однако в данном устройстве полученные значения искаженного сигнала используются в дальнейшем для вычисления истинных значений сигнала с помощью аппроксимирующей градуировочной характеристики. Можно отметить, что аппроксимация тоже является приближенной операцией, то есть содержит определенные погрешности.

Таким образом, в рассмотренном устройстве возникают два вида погрешности измерений, которые не позволяют с достаточной точностью измерять сигналы при наличии импульсов и к тому же передаваемые через линии с изменяющимся сопротивлением при изменении температуры.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности параметров сигнала, поступающего от измерительного преобразователя к измерительному прибору, через линию, состоящую из проводов. Причем сигналы являются слабыми, имеют широкую полосу частот, по характеру близки к случайным и могут содержать импульсы. В реальных условиях может происходить увеличение сопротивления линии не только из-за повышения температуры, но и вследствие коррозии и старении провода, а также из-за ухудшения контактного соединения линии со стороны контролируемого объекта. Устранение этих явлений также входит в решение задачи.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для измерения параметров сигнала, содержащее измерительный преобразователь, подключенных к одному из входов коммутатора, источник образцового сигнала, подключенный к другому входу коммутатора, при этом выход коммутатора соединен с линией для передачи сигнала к измерительному прибору, а управляющий вывод коммутатора соединен с первым выходом блока управления, между линией и измерительным прибором введены последовательно соединенные управляемое сопротивление и второй коммутатор, управляющий вывод которого также соединен с первым выходом блока управления, причем один выход этого коммутатора подключен ко входу измерительного прибора, а другой выход подключен к одному из входов элемента сравнения, при этом ко второму входу элемента сравнения подключен источник номинального напряжения. Если по каким-либо причинам сопротивление линии изменится, то напряжение образцового сигнала, поступающего на вход элемента сравнения со стороны линии, будет отличаться от напряжения, приложенного к другому входу элемента сравнения от источника номинального напряжения. Разность напряжений с выхода элемента сравнения подается на вход блока управления, с выхода которого поступает воздействие на управляющий вывод управляемого сопротивления. В результате управляемое сопротивление изменяется до состояния равенства образцового и номинального напряжений, что будет соответствовать номинальному режиму работы устройства при измерении параметров сигнала.

На чертеже изображена схема устройства для измерения параметров сигнала. Устройство содержит измерительный преобразователь 1, коммутатор 2, источник 3 образцового сигнала, линию 4 для передачи сигнала, измерительный прибор 5, блок 6 управления, последовательно соединенные управляемое сопротивление 7 и второй коммутатор 8, элемент 9 сравнения и источник 10 номинального напряжения.

Устройство работает следующим образом. Корректировка сопротивления линии 4 осуществляется при таких положениях коммутаторов 2 и 8, в которых они находятся, как изображено на чертеже согласно управляющему воздействию с выхода 1 блока 6. Если на входах элемента 9 напряжение со стороны линии 4 будет отличаться от напряжения со стороны источника 10, то с выхода этого элемента на вход блока 6 поступит разность напряжений. При этом с выхода 2 блока 6 на управляемое сопротивление 7 поступит соответствующее воздействие, благодаря которому в устройстве установится номинальный режим работы по сопротивлению линии.

Например, при изменении окружающей температуры до +50°С сопротивление линии из медного провода увеличится относительно сопротивления при номинальной температуре примерно на 12%. В этом случае значение управляемого сопротивления уменьшится примерно на 12% от значения сопротивления линии. При изменении температуры до -50°С значение управляемого сопротивления увеличится примерно на 30% от номинального значения сопротивления линии. Линии большой длины могут иметь сопротивление, равное нескольким десяткам Ом. Выбор суммарного номинального значения сопротивления линии с управляемым сопротивлением можно осуществлять путем выбора диаметра проводов линии.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР №611155, М. Кл², G 01 R 17/00, G 01 R 29/00. УДК 621.317.7 (088.8).

2. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1993. УДК 621.317.7.