Измерение интервалов времени

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 11Следующая ⇒

Измерение интервалов времени осуществляется цифровой электроникой. Основу любого электронного секундомера составляет генератор опорных частот ГОЧ, который выполняет функцию электронного маятника. В состав ГОЧ входит электрический колебательный контур (рис. 23), включающий

Рис. 23. Колебательный контур

конденсатор С и катушку индуктивности L, к которым подведено напряжение ±U. Известно, что при этом пластины конденсатора быстро заряжаются. Затем они начинают периодически перезаряжаться через катушку L, меняя заряд конденсатора так, что напряжение на них будет изменяться по закону синуса.

Период Т собственных незатухающих колебаний в контуре определяется по формуле Томсона:

, [c] (2.14)

Частота собственных колебаний контура будет равна:

, [Гц] (2.15)

Таким образом, частота, с которой будет меняться напряжение ±U на пластинах конденсатора, зависит от его емкости С и величины индуктивности катушки L. Для того чтобы повысить стабильность частоты собственных колебаний контура, сделать её не зависимой от внешних факторов, параллельно колебательному контуру включают кристалл кварца К. Его подбирают так,

Рис. 24. Колебательный контур с кристаллом кварца

чтобы собственная частота колебаний электронов в кристаллической решетке кварца совпадала с частотой собственных колебаний контура (рис. 24). Как известно, при этом наступает явление резонанса, т.е. резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока в колебательном контуре, а

вместе с ним происходит и стабилизация частоты n колебаний контура.

Теперь познакомимся с работой электронного секундомера, типовая схема которого представлена на рис. 25. Как уже было отмечено выше основой «маятником» электронного секундомера является генератор опорных частот ГОЧ, содержащий кварцевый резонатор с колебательным контуром и кристаллом кварца К. Генератор опорных частот ГОЧ за одну секунду вырабатывает на своем выходе (точка А) 10000 стабильных по времени импульсов. Или другими словами, на своем выходе ГОЧ вырабатывает электрические импульсы с частотой 10000 Гц.

Рис. 25. Функциональная схема электронного секундомера

В состав электронного секундомера входят делительные декады ДД1 – ДД4. Принцип их работы заключается в том, что они циклически считают поступающие на вход импульсы до десяти, и каждый десятый импульс счетная декада отправляет на свой выход. Поэтому, если на вход первой делительной декады ДД1 (в точке А) поступает 10000 импульсов в секунду, то на её выход (в точку Б) отправляется в секунду уже 1000 этих импульсов.

Таким образом, каждая делительная декада делит входящую в неё последовательность электрических импульсов на десять, образуя на выходе второй делительной декады ДД2 (в точке В) частоту следования импульсов 100 Гц, на выходе третьей делительной декады ДД3 (в точке Г) – 10 Гц, и на выходе четвертой делительной декады ДД4 (в точке Д) – 1 Гц.

Еще одним важным элементом любого электронного секундомера являются счетные декады. В нашем примере (рис. 25) их четыре: СчД-1 ¸ СчД-4. Каждая счетная декада имеет вход, на который подаются электрические импульсы, выход, для каждого десятого электрического импульса, а также вход для обнуления счетной декады (показан кружочками в центре каждой счетной декады).

Эти декады соединены последовательно, справа налево, так, что выход каждой предыдущей счетной декады соединен со сходом следующей счетной декады. От делительных декад ДД счетные декады СчД отличаются тем, что они имеют дисплеи, на которых отображается результат счета поступивших в декаду импульсов от 0 до 9. Каждый десятый импульс СчД передается соседней (стоящей слева) счетной декаде, а эта СчД обнуляется и продолжает счет.

Для выполнения измерений интервалов времени необходимо выбрать нужную точность измерения, нажав на одну из кнопок Кн. «1000 Гц» ¸ Кн. «1 Гц» и одновременно нажать на кнопку «Замер». Электрические импульсы начнут поступать от делителей ДД на вход счетных декад СчД.

Для измерения интервалов времени с точностью до 0, 001 секунды необходимо нажать кнопку «1000 Гц». В этом случае на интервале времени равном 1 секунде на вход счетных декад поступит ровно одна тысяча импульсов, которая отобразится на дисплеях СчД.

Например, при включенной кнопке «1000 Гц» на дисплее счетных декад отображено число 3782. Это означает, что измеренный интервал времени составляет Т = 3, 782 секунды. Если при включенной кнопке «100 Гц» на дисплее счетных декад отображено число 5293. Это означает, что измеренный интервал времени составляет Т = 52, 93 секунды.

Абсолютная погрешность измерения интервалов времени зависит от того, какую частоту n импульсов вырабатывает на своем выходе генератор опорных частот ГОЧ и сколько в измеренном интервале времени секунд. В нашем примере, абсолютная погрешность измерения интервала времени равна:

Δ t × T = ± = ±0, 0001× N с. (2.16)

где T – количество секунд в измеренном интервале времени

Из выражения (2.16) видно, что чем больше тактовая частота n генератора ГОЧ, тем точнее измерение интервала времени.

Относительную погрешность измерения интервала времени Т, [c] определим из формулы:

(2.17)

Обнуление результата измерения осуществляется нажатием кнопки «Сброс». При этом первый же импульс, поданный на вход для обнуления счетной декады (показан кружочками в центре каждой счетной декады), обнулит дисплеи всех счетных декад, подготовив их тем самым для проведения повторных измерений временных интервалов.

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

Измерение скорости вращения валов, шестерен, колес и других элементов, осуществляется, как правило, при помощи электронных тахометров. Типовая схема электронного тахометра приведена на рис. 26.

Тахометры измеряют скорость вращения n с размерностью [обороты/мин]. Уже первый взгляд на эту размерность позволяет понять, что тахометр должен выполнять два вида измерений одновременно. Во-первых, измерять количество оборотов (вала, шестерни, колеса и т.п.). Во-вторых, измерять время. Для выполнения таких измерений электронный тахометр (рис. 26) содержат электронный секундомер, фотоэлектрический датчик и логическое устройство ЛУ.

С устройством и работой электронного секундомера мы познакомились в предыдущем разделе. Теперь познакомимся с устройством и работой фотоэлектрического датчика. Он состоит из светодиода – излучателя СД, фотодиода – приемника ФД и формирователя электрических импульсов ФС₁. Светодиод СД излучает свет на фоточувствительную поверхность фотодиода приемника ФД. При этом сопротивление фотодиода падает. Если на линии светового потока между светодиодом СД и фотодиодом ФД поместить непрозрачный материал, то сопротивление фотодиода ФД резко возрастет.

Рис. 26. Функциональная схема электронного тахометра

Это свойство фотоэлектрического датчика широко используется в технике и в измерениях. Для измерения скорости вращения между оптопарой – (светодиодом излучателем и фотодиодом приемником), помещают диск 1 с отверстиями, вращающийся на валу 2 (рис. 26). В процессе вращения вала 2 отверстия в диске будут прерывать световой поток между светодиодом СД и фотодиодом ФД. При этом сопротивление фотодиода ФД будет непрерывно изменяться синхронно с частотой вращения вала. Формирователь импульсов ФС₁ реагирует на изменения сопротивления фотодиода, преобразуя каждое из их в стандартные по напряжению и длительности прямоугольные электрические импульсы на своем выходе (см. рис. 27, (а). Чем быстрее вращается диск 2, тем больше частота следования импульсов на выходе формирователя ФС₁.

Теперь познакомимся с работой логического устройства ЛУ (рис. 26). Логическое устройство имеет два входа и один выход. Принцип его работы можно сформулировать как « 2-И». То есть, если и на первый и на второй входы логического устройства ЛУ подано напряжение (условие «2-И» выполняется), то и на его выходе тоже будет напряжение. Если хотя бы на одном из входов ЛУ напряжения нет (условие два «И» не выполняется), то и на его выходе напряжения не будет. Данный принцип работы ЛУ хорошо иллюстрируют графики, представленные на рис. 27.

Рис. 27. Графики электрических импульсов при работе схемы электронного тахометра, (А) – импульсы на выходе формирователя ФС₁ в точке А; (Б) – импульсы периодов времени счета (с выхода делительной декады ДД4); (В) – импульсы на выходе логического устройства (на входе в СчД1); (Г) – импульсы, обнуляющие счетные декады в момент начала нового периода счета

В процессе измерения тахометром скорости вращения вала 2 (рис. 26) на выходе формирователя ФС₁ в точке (А) вырабатываются электрические импульсы с частотой следования отверстий в диске 1. Эти импульсы подаются на первый вход логического устройства ЛУ. Одновременно с этим на второй вход ЛУ в точку (Б) от выхода делительной декады ДД4 поступают импульсы периодов времени счета.

Глядя на рис. 27. не трудно видеть, что условие «2-И» может периодически выполняться только в момент, когда на второй вход ЛУ в точку (Б) в течение 1 секунды подается напряжение 5 вольт. В это же время с выхода формирователя ФС₁ на первый вход ЛУ в точку (А) поступают электрические импульсы, вызванные вращением диска 2. Таким образом, на выходе логического устройства ЛУ в точке (В) формируются прямоугольные электрические импульсы, которые по внешнему виду повторяют импульсы, поступающие от формирователя ФС₁. Они поступают на счетные декады СчД, поэтому этот режим называется «счет».

После периода счета импульсов, в течение следующего периода времени продолжительностью в 1 секунду, напряжение на втором входе ЛУ становится равным нулю. На выходе ЛУ напряжение тоже становится равным нулю, поскольку принцип «2-И» не выполняется. Счет не возможен. На счетных декадах в течение одной секунды отображается результат счета. Этот режим называется «индикация».

После режима «индикация» автоматическое устройство управления сбросом УУС (рис. 26) вырабатывает на своем выходе в точке (Г) короткий электрический импульс, который подается одновременно на входы обнуления всех счетных декад. Счетные декады обнуляются, и начинается новый режим счета. Таким образом, режимы «счет» и «индикация» циклически повторяются.

Чтобы по показаниям электронного тахометра определить скорость вращения вала, шестерни и пр., используют формулу:

(2.18)

где: N – результат счета на дисплеях счетных декад; k – количество отверстий в диске датчика; t – период времени счета.

Например, на дисплеях счетных декад электронного тахометра отобразилось число 2400. В диске датчика 80 отверстий. Период времени счета равен 1 секунде. В этом случае:

об/сек.

Если в окружности диска сделать 60 отверстий, а период времени счета будет равен 1 секунде, то с учетом того, что в 1 минуте 60 секунд, электронный тахометр будут показывать скорость вращения в размерности [об/мин].

Абсолютная погрешность Δ n измерения числа оборотов электронным тахометром вычисляется по следующей формуле:

, [об/мин] (2.19)

где: Δ t_изм – абсолютная погрешность длительности импульса времени (от нестабильности генератора опорных частот); n_х – измеренная скорость вращения; t_изм– длительность импульса времени (в нашем примере он равен 1 секунде).

Относительную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром определим по формуле:

(2.20)

Например, необходимо определить абсолютную и относительную погрешности измерения числа оборотов электронным тахометром, если он показывает величину измеренной скорости вращения n_х = 1000 об/мин, а абсолютная погрешность длительности импульса времени Δ t_изм = 0, 0001 с. Используя формулу (2.19) определим абсолютную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром:

Δ n = ±(0.0001 × 1000 + 1) = ±1, 1 об/мин.

Используя формулу (2.20) определим относительную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒