Методы измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов

Этой статьей мы продолжаем цикл статей, посвященных нормирующим преобразователям. Напомним, что в системах с большим числом разнообразных  сигналов и удаленными датчиками на нормирующие преобразователи возлагают решение следующих трех основных задач.

Во-первых, нормирующие преобразователи реализуют схему и  метод измерения первичных сигналов и их параметров и осуществляют предварительную обработку результатов измерения, включая, в зависимости от измеряемых сигналов и параметров, линеаризацию характеристик, фильтрацию, компенсацию холодных спаев термопар и проч. Тем самым нормирующие преобразователи разгружают и упрощают второй уровень измерительной системы.

Во-вторых, нормирующие преобразователи, как правило, обеспечивают гальваническую развязку сигналов. Это позволяет подключать датчики, находящиеся под разными потенциалами, и сокращает уровень электромагнитных помех, проникающих в измерительный тракт. 

В-третьих, нормирующие преобразователи унифицируют сигналы в системе, что опять же упрощает построение второго уровня многоканальных систем.

В указанных других статьях мы обсуждали преобразователи, которые измеряли и преобразовывали в унифицированные сигналы термопар, термометров сопротивления, унифицированные постоянные сигналы тока и напряжения. Были также представлены преобразователи, которые измеряли не сами сигналы, а их параметры, а именно, действующие значения переменного тока и напряжения. 

В данной статье пойдет речь о  нормирующих преобразователях, которые предназначены для измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов: частоты, периода, длительности импульсов.   

Прежде чем описывать конкретные преобразователи, остановимся подробнее на методах измерения частотно-временных параметров сигналов и возникающих погрешностях измерения. 

Измерение периода и частоты сигнала

По определению (см. рис.1) период T – это наименьший временной интервал, через который периодический сигнал повторяет свои значения. Частота f равна количеству периодов в единицу времени. Частота связана с периодов простым обратным соотношением f = 1/Т, поэтому измерив период, легко рассчитать и обратную величину – частоту, и наоборот.

Рисунок 1 – Метод стробирования для измерения периода сигнала

Все достаточно просто, когда речь идет о синусоидальном (или гармоническом) сигнале.  Он в принципе характеризуется только одной частотой fo (и соответствующим периодом To). Метод измерения периода заключается в следующем. Компаратором формируется временной строб, равный периоду To. Этот строб заполняется импульсами с фиксированной стабильной частотой F (и периодом τ=1/F), число импульсов N в стробе подсчитывается. Тогда измеряемый период будет равен To=N×(1/F) = N/F, а частота fo=F/N.

Рассмотрим погрешности, которые могут здесь возникать.

• Во-первых, во временной строб в общем случае попадает не целое число периодов сигнала заполнения. Поэтому абсолютная погрешность измерения длительности временного строба (а следовательно, и измеряемого периода То)  складывается из погрешностей Δн и Δк в начале и в конце строба и будет равна  одному периоду сигнала заполнения  τ, а относительная - δТо = τ/ То = fo/F = 1/N. Соотношение для расчета относительной погрешности измерения периода показывает, что при измерении по одному периоду сигнала нужно использовать сигнал заполнения, частота которого значительно превосходит частоту измеряемого сигнала. Например, если мы хотим измерять частоту сигнала до 10 кГц = 104 Гц  с относительной погрешностью 0,01%, то частота заполнения должна быть не менее 100 МГц = 108 Гц.

Для того, чтобы смягчить требования к высокой частоте сигнала заполнения, можно воспользоваться принципом, хорошо известным специалистам, который гласит: «Точно мерить - долго мерить». Применительно к нашей задаче этот принцип дает следующее решение. Строб должен формироваться не в течение одного измеряемого периода, а в течение нескольких периодов M. В этом случае относительная погрешность будет рассчитываться по формуле δо = τ/ (M×То) = fo/(M×F) = 1/(M×N), из которой видно, что точность повышается в M раз. Этот результат можно интерпретировать и по иному: при том же требуемом уровне погрешности, измерение по M периодам сигнала позволяет снизить необходимую частоту заполнения в M раз. «Расплатой» за это в соответствии указанным принципом является замедление процесса измерения так же в M  раз.

• Во-вторых, на погрешность измерения δо периода To (соответственно, частоты fo) будет влиять нестабильность (и/или погрешность установки) частоты сигнала заполнения δF, при этом δо = δF. Понятия стабильности и погрешности частоты сигнала заполнения, вообще говоря, следует различать. Под погрешностью следует понимать отклонение частоты от той, которую мы принимаем в расчетах.  Такое отклонение может быть вызвано, например, не точной настройкой генератора сигнала заполнения.  В то же время нестабильность частоты принципиально всегда существует в генераторах с конечной добротностью, и следовательно, с конечной шириной спектра сигнала. Более того, как нестабильность, так и погрешность могут меняться как во времени, так и под воздействием различных факторов, главными из которых являются изменения температуры и напряжения питания генератора. Таким образом, выбирая источник сигнала заполнения, всегда следует оценивать нестабильность (и погрешность установки) его частоты.
• Третьей причиной погрешности измерения может быть наличие помехи, которая искажает синусоидальный сигнал (см. рис.2). Влияние помехи проявляется в том, что начало и конец строба начинают флуктуировать, причем несинхронно. Это приводит к флуктуациям длительности строба, и следовательно, к погрешности измерения периода (частоты). Детальный анализ погрешности, связанной с помехой, достаточно сложен и выходит  за рамки данной статьи. Здесь мы только обращаем внимание на возможный источник погрешности.

Рисунок 2 – Влияние помехи на измерение периода сигнала
методом стробирования

Следует заметить, что наличие даже сильной помехи вовсе не означает что измерение периода (частоты) становится невозможным. Становится неприменим метод стробирования. Дело в том, что метод стробирования жестко привязан к порогу (а значит и к моменту) срабатывания компаратора, который собственно и формирует строб. Это значит, что метод стробирования определяется поведением сигнала в области порогов, и совсем не учитывает поведение  всего сигнала в целом. Наоборот, методы, основанные на анализе сигнала и помехи в целом, в ряде случаев позволяют исключить влияние помехи. В частности, спектральный анализ сигнала позволяет рассчитать частоту сигнала, при условии, если спектр помехи сосредоточен в области, удаленной от частоты сигнала. Разделение спектра сигнала и помехи, позволяющее измерить частоту сигнала, иллюстрирует рис.3.

Рисунок 3 – Измерение периода сигнала спектральным методом
при наличии помехи

Аналогичная проблема возникает при измерении периода (частоты) сильно несинусоидального сигнала. Он хоть остается периодическим, но в его спектре могут  присутствовать достаточно сильные высшие гармоники, которые приводят к такому искажению формы сигнала, что применение метода стробирования может привести к ошибочным результатам. Сказанное иллюстрирует рис.4, на котором показаны несинусоидальные сигналы с одинаковым периодом, Однако, метод стробирования для второго сигнала не будет работать, так как будет формироваться «ложные» стробы (причем в нашем случае их два на периоде), не соответствующие периоду сигнала.

Рисунок 4 – Искажение негармонического сигнала, исключающее применение метода стробирования для измерения периода

Сказанное означает, что прежде чем применять метод стробирования, следует проанализировать возможную форму исследуемого сигнала.

Измерение длительности  импульсов 

В данной статье под длительностью импульса будем понимать интервал времени между двумя следующими друг за другом фронтами разной направленности (см. рис. 5). При этом здесь мы рассматриваем только периодические положительные сигналы. Импульс между нарастающим и спадающим фронтами считается положительным, а между спадающим и нарастающим – отрицательным. Конечно, сумма длительностей положительного и отрицательного импульсов равна периоду.

Рисунок 5 – Измерение длительности импульсов

Очевидно, измерение длительности импульсов производится методом стробирования, причем в качестве строба выступают сами импульсы. Для повышения точности измерения  при ограниченной частоте сигнала заполнения применяют усреднение измеренных длительностей по большому числу импульсов.

Характеристики преобразователей частотно-временных параметров серии НПСИ

Рассмотрим основные характеристики и особенности нормирующих преобразователей частотно-временных параметров серии НПСИ, выпускаемых Научно-производственной фирмой «КонтрАвт». Речь идет о нормирующем преобразователе НПСИ-ЧВ. Он измеряет такие параметры как период, частота, длительность как у дискретных, так и у аналоговых сигналов.  

Рисунок 6 – Внешний вид нормирующего преобразователя частотно-временных
параметров периодических сигналов НПСИ-ЧВ, выпускаемого НПФ «КонтрАвт»

В преобразователях НПСИ-ЧВ выбор входных сигналов (аналоговый/цифровой), а также диапазон измерения программируется пользователем. Типы и диапазоны преобразования приведены в табл. 1. Диапазон преобразования по входу пользователь может дополнительно ограничить, задавая нижнюю и верхнюю границу диапазона преобразования.

Таблица 1 – Типы и диапазоны переменных входных и постоянных выходных сигналов преобразователя НПСИ-ЧВ

В качестве аналогового сигнала может выступать переменный сигнал без постоянной составляющей. Максимальное напряжение «от пика до пика» аналогового сигнала не должно превышать 800 В, при этом минимальное напряжение «от пика до пика» не должно быть меньше 1 В. Ширина гистерезиса компаратора при работе с  аналоговым сигналом 0,8 В.

Цифровыми считаются следующие типы сигналов: «открытый коллектор», «логический сигнал», «сухой контакт». Максимальное напряжение до 30 В, ток не более 10 мА.

В преобразователе НПСИ-ЧВ программируется пользователем и выходной сигнал, причем устанавливаются не только диапазон преобразования, но и тип сигнала (ток и напряжение). Типы и диапазоны преобразования приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Типы и диапазоны выходных сигналов преобразователей НПСИ-ЧВ

Преобразователи НПСИ-ЧВ обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных сигналов. Напряжение изоляции составляет 1500 В.

Основная погрешность измерения частотно-временных параметров сигналов и их преобразования в унифицированные сигналы тока (или напряжения) составляет 0,1 %. 

С точки зрения надежности и безопасности,  в системе должна присутствовать сигнализация, которая должна срабатывать при достижении сигналами недопустимых уровней. Лучше всего такую сигнализацию реализовать в устройствах, которые максимально приближены к источникам сигнала. Поскольку нормирующие преобразователи находятся на переднем крае на пути прохождения сигналов, то представляется целесообразным возложить выполнение функций сигнализации именно на них. Таким образом, некоторые нормирующие преобразователи наряду с преобразованием и гальваническим разделением сигналов выполняют важнейшую функцию сигнализации.

Преобразователи НПСИ-ЧВ  имеет модификации как с функцией сигнализации, так и без нее. В модификациях с сигнализацией выполняемая функция выбирается пользователем из четырех возможных вариантов:

• Функция 1. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала больше заданного уровня;
• Функция 2. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала меньше заданного уровня;
• Функция 3. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала больше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем;
• Функция 4. Сигнализация срабатывает, если измеренный параметр сигнала меньше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем. 

Рисунок 7 – Диаграмма работы  сигнализации «превышение»  без защелки

Рисунок 8 – Диаграмма работы  сигнализации «превышение»  с  защелкой

Действие сигнализации для функций 1 и 3 иллюстрируют рис. 7, 8. Функции 3 и 4 представляют собой сигнализацию с защелкой. Сбросить его может пользователь только с передней панели преобразователя. Даже временное отключение питания не может сбросить защелку – после возобновления питания сигнализация будет включена. Таким образом, сигнализация с защелкой позволяет зафиксировать факт аварийной ситуации, а необходимость выполнения процедуры сброса с панели гарантирует, что обслуживающий персонал обнаружит аварийную ситуацию  и предпримет действия, предусмотренные технологическим регламентом.

Помимо выполнения функций сигнализации, преобразователи обнаруживают аварийные ситуации, которые могут возникнуть в системе: обрыв линий связи выходных сигналов (только для 4…20 мА), выход параметров сигналов за допустимый диапазон, целостность параметров в энергонезависимой памяти. При обнаружении аварийных ситуаций (не путать с работой сигнализации) на преобразователе зажигается индикатор АВАРИЯ, на дисплее отображается код аварийной ситуации, а выходной ток принимает значение, которое при конфигурировании задает пользователь – низкий или высокий аварийный уровень. Измерительные системы, принимающие сигналы преобразователей,  регистрируют эти аварийные уровни, и следовательно, обнаруживают аварийные ситуации.

Питание преобразователей НПСИ-ЧВ в зависимости от модификации производится либо от сети переменного напряжения 220 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 85…265 В), либо от постоянного напряжения 24 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 10…42 В). 

Конструктивно преобразователи НПСИ-ЧВ/ЧС выполнены в корпусе с габаритными размерами (D×H×W) 115 × 110 × 22,5 мм, который обеспечивает монтаж на DIN-рельс 35 мм  по стандарту EN 50 022.

Настройка преобразователя (конфигурирование) осуществляется пользователем с передней панели с помощью кнопок с контролем по цифровому  двухразрядному дисплею (см. рис. 9). На цифровом дисплее отображается уровень сигнала в процентах от диапазона. Уровень сигнала наглядно показывает и линейный бар-граф. 

Рисунок 9 – Органы индикации и управления на передней панели преобразователя НПСИ-ЧВ

Для удобства монтажа и обслуживания  подключение  внешних соединений производится с помощью разъемных клеммных соединителей (см. рис. 10).

Рисунок 10 – Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

Нормирующие преобразователи НПСИ-ЧВ, выпускаемые НПФ «КонтрАвт», рассчитаны на эксплуатацию при температуре от -40 до +70 оС и относительной влажности 95%.

Преобразователи предоставляются в опытную эксплуатацию, поэтому  пользователь имеет возможность опробовать преобразователи в работе,  оценить их характеристики и принять обоснованное решение об их применении.