RU221233U1 - Измеритель длительности импульсов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к измерению длительности коротких электрических импульсов напряжения, следующих через интервалы, длительность которых значительно больше длительности самих импульсов. Технический результат, достигаемый решением, заключается в упрощении определения длительности серии импульсов. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработан измеритель длительности импульсов, содержащий корпус со входами для подключения источника импульсов, вольтметр с цифровым дисплеем, выполненный с возможностью отображать напряжение на конденсаторе, отличающийся тем, что корпус содержит электронную схему, включающую в себя интегрирующую цепь из резистора и конденсатора, выполненную с возможность заряжаться при поступлении импульсов от источника импульсов, формирователь задержки импульса сброса, электрически соединенный с формирователем импульса сброса, выполненный с возможностью при поступлении импульсов от источника импульсов запускать формирователь импульса сброса через предварительно заданное время, меньшее, чем длительность времени между импульсами источника импульсов, формирователь импульса сброса, электрически соединенный с реле, выполненный с возможностью направлять импульс сброса на реле, реле, выполненное с возможностью при получении импульса сброса разряжать интегрирующую цепь.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к измерению длительности коротких (около 100 мкс) электрических импульсов напряжения, следующих через интервалы, длительность которых (около 1 с) значительно больше длительности самих импульсов.

Полезная модель, в первую очередь, предназначена для измерения длительности импульсов напряжения, возникающих в ходе выполнения лабораторных работ, посвященных исследованию процесса соударения упругих металлических шаров, подвешенных на электропроводящих подвесах, включенных в электрическую цепь.

Уровень техники

Известны промышленные цифровые устройства, специально предназначенные для измерения длительности электрических импульсов при выполнении лабораторных работ и имеющие соответствующие гнезда для подключения к экспериментальной установке (см., например, https://www.учeбнaятexникa.рф/wps/cifrovoj-izmeritel-vremennyx-intervalov-fm-11-1/).

Основной недостаток специализированных промышленных приборов - высокая сложность и стоимость. Другими недостатками известных устройств являются ограниченная функциональность и неудовлетворительные эргономические характеристики.

С помощью таких приборов возможно измерение длительности только одного импульса (то есть длительности только одного столкновения шаров). Для повторения измерения необходимо нажать на кнопку «Сброс», находящуюся на лицевой панели прибора, однако перед этим следует записать результат предыдущего измерения в лабораторную тетрадь.

Интервал между повторными соударениями равен половине периода колебаний шаров, который зависит от длины подвеса. Длина подвеса обычно составляет 0,5 - 0,8 м, при этом период колебаний варьируется в пределах 1,4 - 1,8 с. За 0,7 - 0,9 с можно успеть записать результат измерения, но выполнить несколько разнотипных действий с объектами, расположенными в разных зонах внимания (считывание результата измерения с цифрового табло, запись результата в тетради, нажатие кнопки на панели прибора) невозможно. Ситуацию не спасает и широко используемый в настоящее время способ фиксации показаний приборов - видеозапись на камеру смартфона, так как одновременное ведение видеозаписи и периодическое нажатие на кнопку «Сброс» весьма затруднительно.

Известно выбранное в качестве прототипа устройство (Механика и термодинамика: методические указания к вводному занятию и к лабораторным работам №0-6 по физике / Новосиб. гос.техн. ун-т; [сост.: А.В. Баранов и др.]. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 69 с. URL: http://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vt1s000042968) для измерения длительности импульсов, возникающих при соударении шаров, основанное на процессе разряда предварительно заряженного конденсатора и включающее источник напряжения с выключателем питания, переключатель, конденсатор с известной электроемкостью С, резистор с известным сопротивлением R и цифровой вольтметр с высоким входным сопротивлением, регистрирующий напряжение на конденсаторе. В исходном состоянии конденсатор заряжен до напряжения источника U0. Перед началом измерений с помощью переключателя конденсатор отключают от источника. При соударении шаров замыкается электрическая цепь, конденсатор начинает разряжаться через резистор и напряжение на конденсаторе уменьшается до значения U. После окончания импульса это напряжение в течение некоторого времени остается неизменным (разряд конденсатора через вольтметр с большим сопротивлением происходит довольно медленно) и отображается на цифровом индикаторе вольтметра. Используя значения U0, U, R и С, рассчитывается длительность импульса.

Преимуществами устройства, построенного на основе процесса разряда конденсатора, как учебного прибора, являются низкая стоимость, простота конструкции, понятный учащимся принцип действия, а также возможность иллюстрации нового для учащихся косвенного метода измерения времени путем преобразования интервала времени в напряжение, что расширяет кругозор учащихся и их представление о возможностях применения знакомого им прибора - конденсатора, что способствует накоплению эвристического потенциала мышления учащихся.

С помощью данного устройства остается невозможным выполнение измерений длительности импульсов, следующих друг за другом при повторных соударениях шаров, так как перед каждым измерением необходимо производить несколько действий (считать с цифрового табло вольтметра и записать в тетрадь результат предыдущего измерения и затем, изменяя положение переключателя, подключить конденсатор к источнику и вновь отключить его. Длительность всех этих разнотипных действий с объектами, расположенными в разных зонах внимания, превышает длительность интервала между импульсами.

К недостаткам данного устройства также следует отнести обратную зависимость между длительностью импульса и показаниями цифрового вольтметра (с увеличением времени разряда конденсатора напряжение на нем уменьшается), что требует дополнительных объяснений и приводит к необходимости расчетов длительности импульсов по формуле.

Раскрытие полезной модели

В одном аспекте полезной модели раскрыт измеритель длительности импульсов, содержащий:

- корпус со входами для подключения источника импульсов;

- вольтметр с цифровым дисплеем, выполненный с возможностью отображать напряжение на конденсаторе,

отличающийся тем, что

корпус содержит электронную схему, включающую в себя

- интегрирующую цепь из резистора и конденсатора, выполненную с возможность заряжаться при поступлении импульсов от источника импульсов,

- формирователь задержки импульса сброса, электрически соединенный с формирователем импульса сброса, выполненный с возможностью при поступлении импульсов от источника импульсов запускать формирователь импульса сброса через предварительно заданное время меньшее чем длительность времени между импульсами источника импульсов,

- формирователь импульса сброса, электрически соединенный с реле, выполненный с возможностью направлять импульс сброса на реле,

- реле, выполненное с возможностью при получении импульса сброса разряжать интегрирующую цепь.

В дополнительных аспектах раскрыто, что источником импульсов служат соударяющиеся металлические шары на электропроводных подвесах; содержится переключатель измерения одиночного импульса и последовательности импульсов; обеспечена возможность отображать на вольтметре числовые значения, соответствующие времени соударения шаров в заданном диапазоне длительностей импульсов.

Основной задачей заявленного решения является создание простого и удобного для эксплуатации прибора для измерения параметров (длительности) отдельных импульсов в серии импульсов.

Технический результат, достигаемый решением, заключается в упрощении определения длительности отдельных импульсов в серии импульсов.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство, содержащее источник напряжения с выключателем питания, конденсатор, резистор, цифровой вольтметр с большим входным сопротивлением и контактные гнезда для подключения к экспериментальной установке, содержит также формирователь задержки импульса сброса, формирователь импульса сброса, реле с одной переключающей контактной группой, переключатель режима работы на два положения, кнопочный переключатель на два положения без фиксации, при этом резистор и конденсатор включены по схеме интегрирующей цепи, выход которой подключен к входу цифрового вольтметра, вход интегрирующей цепи соединен с входом формирователя задержки импульса сброса, выход формирователя задержки импульса сброса соединен с входом формирователя импульса сброса, к выходу формирователя импульса сброса подключена обмотка реле, вход интегрирующей цепи также подключен к общему контакту переключателя режима работы на два положения, в первом из этих положений вход интегрирующей цепи подключается к общему контакту кнопочного переключателя на два положения без фиксации, во втором положении - к общему контакту контактной группы реле, нормально замкнутый контакт кнопочного переключателя соединен с нормально разомкнутым контактом реле и с общим проводом, нормально разомкнутый контакт кнопочного переключателя соединен с нормально замкнутым контактом реле и с одним из трех входных контактных гнезд измерителя, при этом два других входных контактных гнезда соединены соответственно с выходом источника напряжения и с общим проводом, все перечисленные элементы закреплены внутри плоского корпуса, при этом лицевой панелью является верхняя горизонтальная поверхность корпуса, на которой слева размещена кнопка кнопочного переключателя без фиксации, справа - цифровое табло вольтметра, остальные органы управления (выключатель питания, переключатель режима работы), а также входные контактные гнезда размещены на боковых поверхностях корпуса. Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя длительности импульсов.

Фиг. 2 показывает зависимость показаний вольтметра от длительности импульса.

Осуществление полезной модели

Предложенное устройство показано на фиг.1, на которой

XS1, XS2, XS3 - входные контактные гнезда;

K1 - переключатель режима работы на два положения;

K2 - кнопочный переключатель на два положения без фиксации;

K3 - контактная группа реле;

С - конденсатор интегрирующей цепи;

R - резистор интегрирующей цепи;

1 - источник напряжения с выключателем питания;

2 - цифровой вольтметр с большим входным сопротивлением;

3 - формирователь задержки импульса сброса;

4 - формирователь импульса сброса;

5 - обмотка реле.

Все элементы заявленного решения соединены друг с другом посредством сборочных операций так, чтобы обеспечить конструктивное и функциональное единство. Для соединения элементов друг с другом могут осуществляться любые очевидные для специалиста в данной области техники операции: пайка, сварка, резьбовое соединение, соединение с помощью сил трения. Если отдельно не указано, то конкретный тип соединения не существенен в рамках заявленного решения.

В исходном состоянии, изображенном на фигуре 1, входные контакты XS1 и XS2 разомкнуты, конденсатор С через резистор R и нормально замкнутые контакты переключателей K1 и K2 соединен с общим проводом и разряжен, вольтметр 2, подключенный к конденсатору, показывает ноль

Устройство может работать в двух режимах - ручном и автоматическом.

В ручном режиме (когда переключатель K1 находится в верхнем положении) непосредственно перед замыканием контактов XS1 и XS2 (этот момент определяется экспериментатором визуально, при наблюдении за движением соударяющихся шаров) нажимают кнопку K2 и соединяют входной контакт XS2 с входом интегрирующей цепи (резистором R). При замыкании контактов XS1 и XS2 на вход интегрирующей цепи подается напряжение U0 источника 1, конденсатор начинает заряжаться и за время, равное длительности импульса, зарядится до напряжения U.

Как известно, изменение напряжения U на конденсаторе С, подключенном к источнику 1 постоянного напряжения U0 через резистор R, изменяется согласно функции U=U0(1 - exp(-t/RC)), которая на начальном участке (при t<<RC) практически линейна. Значения С и R выбираются такими, чтобы значение U при t равном типовому значению длительности импульса τ около 100 мкс составляло около 10% от U0, а показания вольтметра 2 (в десятках мВ) численно равнялись длительности импульса в микросекундах.

После считывания показаний вольтметра 2 кнопку K2 отпускают, при этом вход интегрирующей цепи подключается к общему проводу и конденсатор разряжается через резистор R.

В автоматическом режиме (когда переключатель K1 находится в нижнем положении) импульсы напряжения через нормально замкнутый контакт контактной группы реле K3 поступают на вход интегрирующей цепи при каждом соударении. Эти импульсы одновременно подаются на вход формирователя 3 задержки импульса сброса, который через 0,5 с запускает формирователь 4 импульса сброса, вызывающий срабатывание реле 5, подключающее вход интегрирующей цепи к общему проводу на время 0,1 с, что приводит к быстрой разрядке конденсатора С и сбросу показаний вольтметра 2 в ноль, таким образом, через 0,6 с устройство готово к измерению длительности следующего импульса.

Таким образом, два режима работы устройства обеспечивают возможность определения длительности как одиночных импульсов, так и импульсов, следующих друг за другом, при этом длительность импульсов определяется непосредственно по показаниям цифрового вольтметра 2, без дополнительных расчетов.

Наличие автоматического сброса позволяет экспериментатору сосредоточиться на процессе фиксации показаний прибора - в тетради или с помощью видеозаписи. Изготовление измерителя длительности импульсов в плоском корпусе с цифровым табло на верхней горизонтальной лицевой панели позволяет разместить его рядом с рабочей тетрадью или в зоне удобной для видеозаписи, что упрощает процесс измерения.

В конструкции полезной модели использовался источник 1 напряжения с выходным напряжением U0=10 В, цифровой вольтметр 2 с входным сопротивлением 1 МОм, реле 5 РЭС-15 РС4.591.002. Формирователь 3 задержки импульса сброса и формирователь 4 импульса сброса выполнены по известным схемам (см., например, Хоровиц П., Хилл.У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 371 с.). Параметры интегрирующей цепи: С=47 мкФ и R=20 Ом.

Работа устройства изучалась путем подачи импульсов напряжения амплитудой 10 В с заданной длительностью, которые формировались генератором импульсов, выход которого был соединен с гнездами XS2 и XS3. При выбранных параметрах интегрирующей цепи постоянная времени зарядки конденсатора составляет 940 мкс и при длительности импульса τ=100 мкс напряжение, отображаемое на табло вольтметра 2, U=1,00 В. Это число, если не принимать во внимание запятую, совпадает с длительностью импульса (запятую на цифровом табло вольтметра 2 выключают, закрашивают или закрывают непрозрачной маской).

На фигуре 2 приведены результаты испытаний полезной модели в виде графика зависимости показаний цифрового вольтметра 2 (в десятках милливольт) от длительности импульса (в микросекундах).

Как видно, экспериментальные точки располагаются рядом с линией, соответствующей точному равенству: U=τ. На интервале от 0 до 200 мкс относительная погрешность составляет до 5%, на интервале наиболее вероятных значений длительностей импульсов, возникающих при соударении шаров (от 50 мкс до 150 мкс), относительная погрешность составляет до 2,5%.

Варианты осуществления не ограничиваются описанными выше вариантами, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления решения, не выходящие за пределы сущности и объема данного решения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое решение и что данное решение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Claims (12)

1. Измеритель длительности импульсов, содержащий:

- корпус со входами для подключения источника импульсов;

- вольтметр с цифровым дисплеем, выполненный с возможностью отображать напряжение на конденсаторе,

отличающийся тем, что

корпус содержит электронную схему, включающую в себя:

- интегрирующую цепь из резистора и конденсатора, выполненную с возможность заряжаться при поступлении импульсов от источника импульсов,

- формирователь задержки импульса сброса, электрически соединенный с формирователем импульса сброса, выполненный с возможностью при поступлении импульсов от источника импульсов запускать формирователь импульса сброса через предварительно заданное время, меньшее, чем длительность времени между импульсами источника импульсов,

- формирователь импульса сброса, электрически соединенный с реле, выполненный с возможностью направлять импульс сброса на реле,

- реле, выполненное с возможностью при получении импульса сброса разряжать интегрирующую цепь.

2. Измеритель по п.1, в котором источником импульсов служат соударяющиеся металлические шары на электропроводных подвесах.

3. Измеритель по п.1, содержащий переключатель измерения одиночного импульса и последовательности импульсов.

4. Измеритель по п.2, выполненный с возможностью отображать на вольтметре числовые значения, соответствующие времени соударения шаров в заданном диапазоне длительностей импульсов.