Метод измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы датчика расхода топлива

Рисунок 3 – Функциональная схема устройства

На рис. 3 представлена функциональная схема устройства измерения комплексного сопротивления применительно к системе измерения расхода топлива, где:

1. Генератор постоянной частоты

2. Регулируемый усилитель

3. Элемент дисбаланса

4. Фазосдвигающее устройство

5. Первый амплитудный компаратор

6. Фазочувствительный фиксатор

7. Первый усилитель

8. Мостовой измерительный трансформатор

9. Фильтр

10. Второй амплитудный компаратор

11. Второй усилитель

12. Трансформатор

13. Резистор

14. Шариковый тахометрический датчик

15. Датчик расхода.

Покажем назначение и принцип работы данного устройства. Шариковый тахометрический датчик расхода топлива с магнитной системой в виде мостового измерительного трансформатора является первичным преобразователем СИРТ. При этом он является измерителем малых расходов. Механические воздействия, которым подвержен датчик с мостовым измерительным трансформатором во время эксплуатации в составе пилотируемых космических кораблей «Союз», приводят к серьезному искажению полезного сигнала, поступающего с мостового измерительного трансформатора. В конечном счете, это приводит к неправильному измерению расхода топлива вследствие временного нарушения работоспособности мостового измерительного трансформатора. Шариковый тахометрический датчик расхода топлива вварен в трубопровод, по которому подается топливо к жидкостным ракетным двигателям, а мостовой измерительный трансформатор устанавливается снаружи данного датчика и конструктивно касается его улитки. При подаче топлива по трубопроводу шарик движется по кругу внутри замкнутой улитки и вносит потери в магнитную систему мостового измерительного трансформатора, проходя каждый раз рядом с его сердечником. В результате, за счет изменения индуктивности обмоток моста, изменяются комплексные сопротивления в плечах мостового измерительного трансформатора. Данные комплексные сопротивления сравниваемых плеч мостового измерительного трансформатора изменяются в заданных пределах. Таким образом, мостовая схема попеременно переводится из одного неравновесного состояния в другое, проходя при этом каждый раз состояние равновесия моста. Выходным сигналом устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы является фиксация состояния равновесия мостовой схемы. Выходной сигнал представляет собой фронт перехода из логического нулевого состояния в единичное состояние или наоборот, из единичного состояния – в нулевое. По полученному выходному сигналу можно судить об измеренном значении комплексного сопротивления мостовой схемы. Единичный импульс счета формируется мостовым измерительным трансформатором в результате одного оборота шарика в улитке трубопровода. По данному импульсу можно судить об израсходованном количестве топлива, а его длительность определяется зоной действия шарика на магнитную систему мостового измерительного трансформатора. Задание конкретного значения комплексного сопротивления мостовой схемы обеспечивается за счет признаков, характеризующих подключение последовательно соединенных регулируемого усилителя и элемента дисбаланса параллельно плечу мостового измерительного трансформатора. Периодическое нахождение мостового измерительного трансформатора в состоянии равновесия должно обеспечиваться задаваемым значением измеряемого комплексного сопротивления. Это значение должно быть достаточным для условий, при которых механические воздействия и нагружения на датчик расхода топлива приводят к изменению характеристик магнитной системы мостового измерительного трансформатора. Измерение комплексного сопротивления осуществляется путем фиксации состояния равновесия моста во время прохождения шарика рядом с сердечником мостового измерительного трансформатора. А выполнение сравнения фаз сигнала опорной частоты и сигнала рассогласования мостового измерительного трансформатора обеспечивается за счет признаков, характеризующих подключение выхода генератора частоты через второй усилитель и трансформатор к клеммам входной диагонали мостового измерительного трансформатора. Таким образом, представленная выше совокупность признаков, повышает точность измерения комплексного сопротивления мостовой схемы и расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения измерения расхода топлива в невесомости и на малых расходах. В конечном счете, это обеспечивает повышение точности измерения расхода топлива.

На рис. 3 представлена функциональная схема устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы.

На рис. 4 представлены временные диаграммы функционирования устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы, где:

а) ток генератора постоянной частоты;

б) токи плечевые мостовой схемы;

в) ток сигнала разности мостовой схемы;

г) ток опорных импульсов, полученный путем преобразования тока сигнала генератора постоянной частоты в первом амплитудном компараторе;

д) ток импульсов разности, полученный путем преобразования тока сигнала разности во втором амплитудном компараторе;

е) ток импульсов счета датчика расхода, сформированный фазочувствительным фиксатором.

На диаграммах согласно рис. 4 показана зона действия шарика.

Рисунок 4 – Временные диаграммы функционирования устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы

В исходном положении системы СИРТ шарик датчика расхода может находиться в любом месте улитки. В ней шарик начинает вращаться с частотой 80-100 Гц при подаче топлива по трубопроводу к ракетным двигателям. При этом в датчике возникает зона, при вращении в которой шарик вносит изменения в магнитную систему мостового измерительного трансформатора. Данный мостовой измерительный трансформатор настроен так, что внесенные шариком потери в его магнитную систему переводят мостовой измерительный трансформатор попеременно из одного неравновесного состояния в другое, проходя при этом каждый раз состояние равновесия мостовой схемы. Таким образом, мостовая измерительная схема находится в состоянии равновесия в двух точках: при входе и выходе из зоны действия шарика (см. рис. 3, рис. 4). Отметим важное свойство мостовой измерительной схемы, согласно которому при прохождении положения равновесия моста, фаза несущей частоты разностного сигнала изменяется на 180^° (π). Выходные обмотки мостового измерительного трансформатора, составляющие плечи мостовой схемы и подключенные на вход усилителя, включены встречно. Следовательно, плечевые комплексные токи, пропорциональные плечевым сопротивлениям обмоток, вычитаются. По результатам соотношения этих токов формируется разностный ток, поступающий на вход усилителя 7, для выполнения измерения комплексного сопротивления.

Для питания мостового 8 измерительного трансформатора переменным током используется генератор 1 постоянной частоты. Подача переменного тока осуществляется через второй усилитель 11 и трансформатор 12.

На временной диаграмме рис. 4а представлен ток генератора постоянной частоты, который описывается выражением

, (2.2.1)

где y - фазовый сдвиг тока, в конкретном случае равный нулю.

Плечевые токи, пропорциональные плечевым комплексным сопротивлениям, представлены на временной диаграмме рис. 4б. Причем мостовой измерительный трансформатор настраивается таким образом, что он достигает состояния равновесия непосредственно только в моменты входа и выхода из зоны действия шарика, и, соответственно, мостовой измерительный трансформатор находится в неравновесном состоянии, когда шарик находится либо в зоне действия, либо вне зоны его действия. В случае, когда шарик находится в зоне действия мостового измерительного трансформатора, комплексное сопротивление первой выходной обмотки мостового измерительного трансформатора меньше, чем комплексное сопротивление второй выходной обмотки. В другом случае, когда шарик находится вне зоны действия мостового измерительного трансформатора, комплексное сопротивление первой выходной обмотки мостового измерительного трансформатора больше, чем комплексное сопротивление второй выходной обмотки. Вышеописанное состояние мостового измерительного трансформатора достигается с помощью подстройки, которая осуществляется резистором 13 для первой обмотки трансформатора и последовательно соединенными регулируемым 2 усилителем и элементом 3 дисбаланса для второй обмотки трансформатора, а также соотношением витков обмоток трансформатора. В качестве регулируемого усилителя может быть использован цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а в качестве элемента дисбаланса может быть использован резистор. ЦАП позволит обеспечить точную настройку мостового измерительного трансформатора на конкретное значение комплексного сопротивления мостовой схемы, которое будет измерено при вхождении шарика в зону действия за счет фиксации состояния равновесия моста. Следовательно, признаки, обеспечивающие подключение ко второй выходной обмотке выходной диагонали моста последовательно соединенных элемента дисбаланса и регулируемого усилителя, обеспечивают задание конкретного значения комплексного сопротивления мостовой схемы.

Мостовой измерительный трансформатор выполнен секционно, то есть первые и вторые обмотки входных и выходных диагоналей трансформатора намотаны на разные секции. При этом сердечник трансформатора конструктивно касается улитки датчика, в которой вращается шарик при подаче топлива к ракетным двигателям.

Во время подачи топлива к двигателям ракеты шарик приводится в движение по улитке и вносит потери в магнитную систему мостового измерительного трансформатора, попадая в зону его действия. При этом увеличивается индуктивность второй обмотки трансформатора и, следовательно, увеличивается её комплексное сопротивление. На рис. 4 вертикальными штрихпунктирными линиями выделена зона действия шарика при вращении внутри улитки во время подачи топлива к ракетным двигателям. На временной диаграмме рис. 4в представлен ток сигнала разности. Вне зоны действия шарика комплексное сопротивление первой обмотки выходной диагонали моста больше, поэтому фаза сигнала разности совпадает с фазой тока второй обмотки. А в зоне действия шарика комплексное сопротивление второй обмотки больше, чем первой, поэтому фаза сигнала разности изменяется на 180^° и совпадает с фазой тока первой обмотки выходной диагонали моста.

Токи I₁, I₂, сформированные в плечах мостового измерительного трансформатора, изменяются пропорционально изменению плечевых сопротивлений. Значение указанных плечевых сопротивлений зависит от положения шарика в датчике расхода. [11]

Ток сигнала разности моста, временная диаграмма которого представлена на рис. 4в, определяется выражением

, (2.2.2)

Измерение комплексного сопротивления мостового измерительного трансформатора производится путем фиксации момента изменения фазы сигнала разности моста и происходит следующим образом.

Вычитанием модулей и фаз сравниваемых токов встречновключенных плечевых обмоток в выходной диагонали трансформатора 8 осуществляется формирование тока сигнала разности. Ток сигнала разности можно представить аналитически в следующем виде.

, при X₁>X₂ (2.2.3)

, при X₁<X₂ (2.2.4)

На временной диаграмме согласно рис. 4в до первой временной метки t_Р и за второй временной меткой равновесия моста сигнал разности находится в фазе с сигналом генератора постоянной частоты (рис. 4а). А сигнал разности между первой и второй метками равновесия моста находится в противофазе с сигналом генератора постоянной частоты. Сигнал с выхода генератора тока поступает на вход фазосдвигающего 4 устройства. В нём фаза сигнала сдвигается на 90^° для обеспечения запаса по фазе при сравнении фаз тока сигнала разности и тока генератора постоянной частоты.

Ток сигнала разности с измеренной фазой с выходной диагонали мостовой 8 схемы поступает на вход первого усилителя 7, где осуществляется усиление данного тока сигнала разности с заданным коэффициентом. С выхода усилителя 7 ток сигнала разности поступает в фильтр 9, где сигнал фильтруется от помех, которые могут создавать другие бортовые потребители космического корабля. Поскольку фильтр 9 является апериодическим звеном, которому свойственна временная задержка t, то ток сигнала разности с выхода фильтра 9 будет иметь некоторый фазовый сдвиг, нежелательный для дальнейшего преобразования тока сигнала разности, но учтенный при сдвиге по фазе на 90^° в фазосдвигающем 4 устройстве. Следовательно, перед операцией сравнения фаз, ток сигнала разности с выхода фильтра 9 и ток сигнала постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 4 устройства, остаются взаимно ортогональными. Указанные сигналы при дальнейшей обработке преобразуются в дискретные, так как заявленное устройство использует информацию только о состоянии их фазовых сдвигов. Для этой цели сигнал генератора постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 4 устройства и сигнал разности с выхода фильтра 9 подают, соответственно, на первый 5 и второй 10 амплитудные компараторы, которые преобразуют аналоговый синусоидальный сигнал в дискретный. [12] Например, если амплитуда синусоидального сигнала положительна, то это соответствует логической единице, а, если амплитуда синусоидального сигнала отрицательна, то это соответствует логическому нулю. Отсюда следует, что согласно диаграмме рис. 4г ток генератора постоянной частоты в первом амплитудном 5 компараторе преобразуется в последовательность опорных импульсов. А согласно диаграмме рис. 4д. ток сигнала разности во втором амплитудном 10 компараторе преобразуется в последовательность импульсов разности. Притом относительно последовательности прямоугольных опорных импульсов последовательность прямоугольных импульсов сигнала разности сдвинута по фазе на 90^°. Эти две последовательности содержат информацию о фазах входных аналоговых сигналов. Для сравнения фаз с выходов амплитудных 5 и 10 компараторов последовательности поступают на входы фазочувствительного 6 фиксатора. Фазочувствительный 6 фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера. На D-вход динамического D-триггера подается последовательность импульсов сигналов разности, которая содержит информацию о фазе сигнала разности, а на счетный вход динамического D-триггера – последовательность опорных импульсов, которая содержит информацию о фазе сигнала генератора постоянной частоты. Из временных диаграмм согласно рис. 4г и рис. 4д (до меток равновесия мостовой схемы t_Р) следует, что переднему фронту опорного импульса соответствует скважность последовательности импульсов сигнала разности, т.е. состояние логического нуля. Результатом сравнения фаз последовательностей прямоугольных импульсов является состояние логического нуля, показанного на диаграмме рис. 4е. Так как фазочувствительный 6 фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера, то результат сравнения фаз по переднему фронту импульса фиксируется в триггере 6 в виде логического нуля и на каждом опорном импульсе генератора постоянной частоты. При выходе шарика из зоны действия импульс разности принимает значение логической единицы, следовательно, с очередным опорным импульсом (см. рис. 4 г, д) импульс счета принимает значение логической единицы согласно временной диаграмме рис. 4е.

2.3 Разработка схемы электрической принципиальной, её описание

Выбор серий ЭРЭ произведен с учетом предыдущих разработок, так как эти элементы зарекомендовали себя с хорошей стороны; количество отказов — наименьшее. Выбор номиналов резисторов и конденсаторов осуществляется опытным путем. [13]

Резисторы. Серия ОС С2-33Н.

Конденсаторы. Серия К10 с необходимыми требованиями по максимально допустимому напряжению (обычно выбирается с некоторым запасом) и допуску (в процентном соотношении) на отклонение номинальной емкости.

Диоды. В схеме используем импульсный диод типа 2Д522Б ОС.

Транзисторы. Для реализации входных матриц очень удобно использовать транзисторные матрицы 2ТС622А, содержащие по четыре транзистора в каждой матрице.

Компараторы. Для преобразования аналогового синусоидального сигнала в дискретный выбраны микросхемы серии ОСМ 521СА301.

Усилители. Для усиления входных сигналов использованы два операционных усилителя серии ОС 140УД6Б.

Триггеры. В качестве фазочувствительного фиксатора используем микросхему ОС 564ТМ2, состоящую из двух триггеров D-типа.

Трансформаторы. В схеме используется мостовой измерительный трансформатор и силовой трансформатор.

Генератор. Генератор постоянной частоты предназначен для питания мостового измерительного трансформатора.

Таблица 2 – Спецификация

В результате была разработана схема электрическая принципиальная (рис. 5) для реализации устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы.

Рисунок 5 – Схема электрическая принципиальная

Датчик индуктивный вварен в топливный трубопровод и представляет собой линейный мостовой измерительный трансформатор T1 с катушкой индуктивности и с двумя подстроечными резисторами. Схема включения датчика состоит из матрицы транзисторной D2, нелинейного трансформатора Т2, двух операционных усилителей DA8 и DA9, двух компараторов DA10 и DA11 и микросхемы DD1, состоящей из двух триггеров D-типа. Схема питается от источника питания напряжением 15 В и от генератора постоянной частоты с настройкой 25 кГц.

Первичным преобразователем системы измерения расхода топлива является шариковый тахометрический датчик вместе с магнитной системой, выполненной в виде мостового измерительного трансформатора Т1. Для питания мостового измерительного трансформатора Т1 переменным током используется генератор постоянной частоты. Подача тока осуществляется через матрицу транзисторную D2 и трансформатор T2. В качестве элемента дисбаланса используется резистор, а в качестве регулируемого усилителя – ЦАП, построенный на операционном усилителе DA9 и амплитудном компараторе DA11. Фазочувствительный фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера DD1, построенного на микросхеме ОС 564ТМ2.