Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



7.9. Частотные методы при измерениях времени

Блок предназначен для работы с ЭСЧ типа 43-38.

Для повышения чувствительности ЭСЧ типа 43-38 был разработан усилитель широкополосный ЯЗЧ-31 с диапазоном частот 0,1-50 МГц, напряжением входного сигнала от 1 мВ до 10 В.

7.8. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЧАСТОТОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Разработка, производство и эксплуата-1ЩЯ частотоизмерительных приборов требуют соответствующего метрологического обеспечения. При этом осуществляется целый комплекс научно-технических и организационных мероприятий, направленных на поддержание единства и необходимой точности частотных измерений во всех отраслях народного хозяйства.

Из числа технических мероприятий особо следует отметить поверку и ремонт приборов, так как они требуют наличия большого количества измерительной аппаратуры и в первую очередь частотоизмерительной.

Достаточно сказать, что для проведения поверки стандарта частоты кварцевого генератора требуются рубидиевый стандарт частоты, компаратор частотный, ЭСЧ, микровольтметр селективный, анализатор спектра.

С точки зрения поверочных работ все виды частотоизмерительной аппаратуры можно разделить на две группы: приборы, измеряющие частоту, и приборы, вырабатывающие высокостабильные электромагнитные колебания.

Приборы первой группы поверяются путем подачи на их вход сигналов высокостабильных по частоте электромагнитных колебаний и определения погрешности измерения. Погрешность установки образцовой частоты и ее нестабильность должны быть по крайней мере в 3 раза меньше погрешности измерения поверяемого прибора. Поэтому для поверки частотомеров применяются соответствующие стандарты частоты, синтезаторы, делители, умножители частот. Погрешность измерения частотомера определяется в точках частотного диапазона, регламентируемых нормативно-технической документацией (ГОСТ, инструкциями, методическими указаниями по поверке приборов). Как правило, поверка проюводится в начале, середине и конце частотного диапазона прибора.

Частотоизмерительные приборы второй

группы поверяются путем сравнения частоты вырабатываемых ими электромагнитных колебаний с образцовой частотой, имеющей метрологические характеристики в 3 раза лучше, и определения действительного значения и нестабильности частоты. Для поверки таких приборов применяются стандарты частоты, сигналы образцовых частот, передаваемые по радио, приемники, осциллографы. Методы и способы определения действительного значения частоты и ее нестабильности рассмотрены в § 7.2 - 7.4.

В настоящее время имеется достаточное количество радиостанций, работающих в КВ, ДВ, СДВ диапазонах радиоволн, передающих сигналы образцовых частот. Расписание работы этих станций регулярно издается в стране. При наличии приемников сигналов эталонных частот, умножителей, делителей синтезаторов на местах разработки, производства и эксплуатации частотоизмерительной аппаратуры можно создать необходимую сетку высокостабильных частот, достаточную для поверки приборов.

s/7.9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ ВРЕМЕНИ И ДРУГИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Стандарты частоты применяются для измерения времени. Измерение времени производится в выбранной шкале, в качестве которой принята непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемых от начального момента.

Единичный интервал времени создается в механических часах за счет колебаний с постоянным периодом маятника. Однако значительно точнее такой интервал может быть создан при помощи высокостабильных источников электромагнитных колебаний. В качестве последних применяют кварцевые или квантовые стандарты частоты. Так как стандарты выдают частоты 0,1; 1; 5 МГц, то для преобразования их колебаний в единичный интервал, равный 1 с, используются делители частоты до 1 Гц.

В процессе работы системы возможны изменения фазы электромагнитных колебаний, поэтому для поддержания шкалы, хранимой часовой системой, производятся периодические сличения ее со шкалой времени Государственной службы времени и частоты. Результат сличения используется для определения поправок к частоте генератора.

Требуемая точность шкалы времени со-



Осциллограф

ttf-

Приемник

Часы с компаратором

Кварцевый генератор

Рис. 7.60. Структурная схема часовой системы для сличения шкал времени

храняется различньпли методами. Одним из них является метод систематического приближения, при котором частота задающего генератора и показания системы отсчета времени предварительно устанавливаются со смещением по отношению к значению точного времени. Скорость изменения частоты генератора, зависящая от старения его элементов, предварительно изучаете в результате чего определяется интервал времени, на котором часовая система поддерживается в пределах заданной погрешности. По истечении указанного интервала времени производится подстройка генератора по частоте.

Для сличения шкал часовых систем со шкалой времени Государственной службы времени и частоты используются сигналы точного времени, передаваемые через радиостанции. При этом учитьшают задержку сигнала, зависящую от расстояния до радиостанции, вида траектории распространения сигнала. Найденная задержка времени вводится в часовую систему в качестве поправки к шкале времени. Структурная схема часовой системы для сличения шкал времени приведена на рис. 7.60.

Система работает следующим образом. Сигнал от кварцевого генератора подается на часы с компаратором. Сигнал с часов в виде метки времени с частотой следования 1 Гц запускает развертку осциллографа. Импульс точного времени от радиостанции длительностью 5 мс и частотой заполнения 1000 Гц через приемник поступает на часы с компаратором и далее на осциллограф. На осциллографе определяется изменение фазы (расстояния) между меткой времени часовой системы и принятым сигналом. В начале измерения местная и принимаемая метки могут находиться на расстоянии до 0,5 с друг от друга, если время развертки осциллографа равно 1 с или более. Манипулируя на часах корректором шкалы времени, смещают метку от радиостанции к началу развертки осциллографа. Скорость развертки изменяется. Операции вьшолняюгся до тех пор, пока обе метки не будут близки к совпадению. Расстояние между метками показывает расхождение между показаниями часов. После

сличения корректором шкалы времени на часах вводится поправка, учитьшающая время распространения сигнала. Рассмотренный метод обеспечивает погрешность сличения +100 мкс. Недостатком его является необходимость расчета времени распространения сигнала от радиостанции до часовой системы.

С этой точки зрения выгодно отличается метод двустороннего радиоприема, который исключает указанный расчет и не требует анализа траектории распространения радиосигнала. Применение этого метода возможно, когда в месте расположения сличаемых часовых систем находятся радиостанции, которые могут обмениваться сигналами, несущими информацию о времени часовых систем. Различают два режима работы радиостанций, первый из которых сводится к тому, что передаваемый сигнал с одной радиостанции принимается другой радиостанцией и переизлучается ею. Переизлученный сигнал принимается первой радиостанцией, где определяется время распространения сигналов между станциями, на которых установлены часовые системы, по формуле

r = 0,5At-8t, (7.86)

где At - время распространения сигналов времени в прямом и обратном направлениях от момента излучения передающей станцией до момента приема на ней; 8f - задержка сигналов времени на проверяемой станции.

Определенная по образцовым часам поправка передается затем на поверяемые, где учитывается при операции сличения шкал.

Второй режим работы заключается в том, что радиостанции одновременно передают информацию о времени как образцовой, так и поверяемой часовых систем. При этом на выходе передатчика образцовой часовой системы время t = О соответствует фронту каждого запускающего импульса, несущего информацию о шкале времени, а время t = 5Г(, - фронту импульса, несущего информацию о поверяемой шкале, т. е. бГр - разница показаний обеих часовых систем. При сличении оператор образцовой станции измеряет время Г; = Гд Ч- 8Го, другой оператор измеряет Tj = - ЪТ. Величина Tq будет меняться в зависимости от места положения ретранслятора, тогда как 5 Го остается постоянной.

В значение времени поверяемой системы вносится поправка 8Го. Данный метод обеспечивает точность сличения до 1 мкс.

В связи с совершенствованием стандартов частоты и времени и созданием транспортируемых часов, имеющих собственную



Кварцевый генератор

Компаратор частоты

Генератор-возбудитель

Термостат

Преобразователь цифра- аналог

Рис. 7.61. Структурная схема измерения температуры с помощью ЭСЧ и датчика

шкалу времени достаточной точности, нашел широкое применение метод сличения времени путем транспортирования вспомогательных часов между образцовой и поверяемой системами. При этом шкала вспомогательных частот приводится к шкале времени образцовой системы, после чего вспомогательные часы транспортируются к поверяемой системе, где и производится сличение шкал времени. Данный метод обеспечивает точность сличения от 0,1 до 1 мкс.

Высокостабильные злектромагнитные колебания используются для измерения других физических величин (температуры, скорости, угловых приращений и т. д.).

На рис. 7.61 приведена структурная схема измерения температуры с помощью ЭСЧ и датчика, в качестве которого используется кварцевый резонатор. Частота кварцевого резонатора, имеющего АС- и У-срезы, линейно зависит от температуры. В компараторе частоты сравниваются частоты опорного генератора и кварцевого резонатора. Результат сравнения индицируется ЭСЧ и регистрируется ЦПМ.

Для измерения скорости объекта используют фотоэлектрические датчики и ЭСЧ, работающий в режиме измерения периода.

Если известно расстояние S, которое проходит объект, то скорость объекта равна V = Sfx, где г - время прохождения объектом расстояния S. Прерывание луча свега, освещающего фотоэлемент, создает перепад напряжения, который запускает ЭСЧ. При прохождении .объектом расстояния S ЭСЧ останавливает счет интервала времени и показывает время т. По формуле V = S/x вычисляется скорость объекта.

Точные измерения угловых приращений, частоты вращения и отношения скоростей могут бьггь получены при помощи цифрового тахометра, вырабатывающего импульсный сигнал с частотой, пропорциональ-

ной угловому приращению (числу оборотов), и ЭСЧ, измеряющего эту частоту.

При помощи ЭСЧ с преобразователем можно быстро измерить расход жидкости. Преобразователь представляет собой цилиндр, внутри которого помещен винтообразный ротор, приводимый в движение струей жидкости. Частота вращения ротора пропорциональна скорости струи. Прикрепленный к ротору магнит вьвывает появление электрических сигналов в обмотке. Измеряя число импульсов за определенный интервал времени электронно-счетным частотомером, можно определить расход жидкости за единицу времени и общий объем жидкости, прошедшей через цилиндр. Преобразователь предварительно градуируется.

Электронно-счетный частотомер с датчиком можно использовать для измерения давления. Датчик преобразует измеряемое давление в напряжение, которое поступает на преобразователь напряжение-частота. Частота колебаний измеряется ЭСЧ с предварительной установкой, позволяющей получить давление в требуемых единицах.

7.10. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

До недавнего времени автоматизация частотных измерений осуществлялась исключительно при помощи аппаратных средств, когда функгдаи автоматического управления режимами работы различных устройств, обработки и отображения результатов измерений выполняли узлы и блоки, входящие в состав прибора.

Однако расширение диапазона измеряемых частот, появление многофункциональных приборов и особенно АИС на базе агрегатируемых цредств измерений потребовали изыскания нового метода автоматизации измерений, так как применение только аппаратного метода приводит к значительному усложнению структурньк и принципиальных схем приборов, затрудняет изготовление их, снижает надежноегь и увеличивает время измерений.

Поэтому за последнее время наряду с аппаратным методом все более широкое применение стал получать метод программируемой логики, решшзуемый микропроцессорными средствами вычис;штельной техники.

В результате в современных частотоизмерительных приборах на долю аппаратных средств в основном приходятся функции автоматического формирования и преобразования измеряемых сигналов, а такие функ-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 [96] 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0218