Измерительный частотный преобразователь

Измерительный частотный преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 879333 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 22. 11. 79 (21) 2843216/18-10 (зим. к,. с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

G 01 К 7/32

Опубликовано 07.1181. Бюллетень Н9 41

Дата опубликования описания 07. 11. 81 (53) УДК 536.532 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. Я. Баржин, Ф. Ф. Колпаков, Ю. С. Шмалий и Ю.Е. Лазебников (71) 3 а яв и тел ь (54 ) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величин и может быть использовано При построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемый объект.

Известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьезорезонатора,, укрейленных на торцевых выступах упругого кольца и подключенных к двум автогенераторам.Измеряемое усилие прикладывается к кольцу. Закрепление резонаторов на кольце дифференциально по отношению к прилагаемому усилию (1 ).

Известное устройство в значительной мере устраняет температурную погрешность измерения, однако не позволяет проводить одновременные изьЬрения температуры и силовых усилий.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению является пьезоэлектрический преобразователь,содержащий двухпараметровый частотный датчик, выходы которого соединены с входами первого и второго автогенераторов и два реверсивных счетчика (2).

Известное устройство позволяет производить одновременные измерения температурных и силовых воздействий на исследуемый объект, однако имеет недостаточную точность измерения,что объясняется следующими факторами.Девиация высоких частот генерации f4 и во всем диапазоне изменения воздействующих на двухпараметровый частотный датчик параметров Р и Т достигает порядка 1% относительно частот генерации „ и f при начальных условиях.

15 Частоты 1„ и f< в известном преобразователе преобразуются в коды, с которыми проводят дальнейшие вычислительные операции

Полезная информация об измеряемых

2Q параметрах находится следовательно в младших разрядах преобразователей частота-код, 99% преобразуемой информации не является полезной. Необходимая точность измерения может быть

25 достигнута при использовании высокораэрядных преобразователей частотакод, однако подобного рода усложнения приводят к уменьшению надежности схемной реализации, повышению числа

3Р сбоев за одно измерение и, следова879333 тельно, к снижению точности определения исследуемых параметров P и Т

Целью изобретения является повышение точности измерения исследуемых параметров.

Цель. достигается тем, что в известный преобразователь, содержащий щвухпараметровый датчик, выходы которого соединены с входами первого и второго автогенераторов и два реверсивных счетчика, введены источник эталонной частоты, первый и второй 10 смесители, блок разделения сигналов и формирователь временных интервалов, причем вь",ходы первого и второго автогенераторов через соответствующие смесители подключены к блоку разделения сигналов, выходы источника эталонной частоты соединены с входами первого и второго смесителей, блока разделения сигналов и формирователя временных интервалов, выходы которого подключены к управляющим входам блока разделения сигналов, à его выходы соединены с соответствующими информационными и управляющими входами первого и второго реверсивных счетчиков.

На фиг. 1 показана функциональная схема преобразователя для общего случая, когда коэффициенты термо- и силочувствительности кварцевых резонаторов положительны; на фиг. 2 — функциональная схема преобразователя с конкретным выполнением узла разделения сигналов для случая, когда один из коэффициентов силочувствительности отрицателен; на фиг. 3 — диаграммы работы преобразователя, поясняющие принцип измерения параметров Р и Т

Частотный измерительный преобразователь состоит из двухпараметрового частотного датчика. 1, первого

2 и второго 3 автогенераторов,подключенных к датчику 1, первого 4 и второго 5 смесителей одни из входов которых соединены с выходами соответствующих автогенераторов. Смесите- 4 ли 4 и 5 предназначены для выделения сигналов частоты при смешивании высокочастотных колебаний f u с колебаниями эталонной частоты поступающими с выхода источника эта- gg лонного частоты 6 на входы смесителей ,4 и 5. Информационные входы блока 7 разделения сигналов подключены к выходам первого 4 и второго 5 смесителей и к входу источника эталонной ( частоты 6, выход которого подключен к вФс<щу формирователя 8 временных интервалов. Блок 7 предназначен для разделения во времени импульсов частот F1 и F<, что является необходимым при совмещении во времени 60 операций суммирования и вычитания в реверсивных счетчиках, в качестве которых используются счетчики 9 и 10 на фиг.1 и в качестве счетчика 9 на фиг.2. 65 р р + „, р+,„, о

11 12 где 1:, И Р . текущие частоты датчиков, полученные в результате гетеродинирования высокочастотных колебаний и Е начальные частоты генерации при начальных значениях воздействующих параметров

P и Т козффйциенты термочувствительности, Гц/град; коэффициенты силочувствительности, Гц/Н1 приращения измеряемых параметров. (02((р (а„„,a« дР, дТ

При одновременном считывании импульсов частот F u F счетчиком 10 (фиг.2) блок 7 йеобходим для предотвращения сбоев и потери информации в момент совпадения во времени форнотов измеряемых импульсов. Выходы формирователя 8 подключены к управляющим входам блока 7. Формирователь временных интервалов 8 по сигналу "Пуск" из импульсов эталонной частоты f формирует одиночные импульсы длительностей Т, Т, Т, Т„ . В течение длительностей этих импульсов подсчитываются импульсы частот и F< в соответствии с алгоритмом вычисления. Информационные входы 0 и управляющие входы плюс и минус счетчиков 9 и 10 подключены к соответствующим выходам блока 7 разделения сигналов. Счетчики 9 и 10 предназначены,для преобразования в о коды информации о параметрах P и Т появляющейся в результате считывания импульсов частот F u F согласно алгоритму вычисления. Чувствительными элементами двухпараметрового частотного датчика 1 является кварцевые резонаторы 11 и 12. Кроме того, на фиг. 2 показано выполнение блока 7 разделения сигналов в виде двух триггеров 13 и 14, инвертора 15, элемента 16, элемента 17, инвертора 18, элемента 19 и элемента 20. Блок 7 реализован для случая, когда и длительность импульсов эталонной частоты значительно меньше длительностей импульсов частот (фиг.3).

Измерительный частотный преобразователь работает следующим образом.

Используемые в качестве чувствительных элементов кварцевые резонаторы LC-срезов имеют линейные зависимости частот резонансов от температурных и силовых воздействий. При этом можно записать

879333

Систему уравнений (1) эуем к виду

4 "1= С .11

4Р = 4Р— — 4Р àà %а.

4Т =- — дР> aFg . ® 10

1 где 4 — дискриминант уравнения (2), Ь - 11О -О 1 ОРД

Qé

4 4 Ь

Система уравнений (4) записана для измеряемых параметров и текущих час- 35 тот датчика с учетом того, что

P P aP< т =т - дт;

40. 4=F +zF< Фиг.1 иллюстрирует практическую реализацию алгоритма вычисления,заложенного в формуле (4), автогенераторы, 2 и 3 работают на частотах и

Ф, задаваемых кварцевыми резонаторами 11 и 12. Сигналы с частотами и f подаются в смесители 4 и где смешиваются с эталонной частотой f, поступающей с выхода источника эталонной частоты б. Разностные частоты двух колебаний („-,) H F - (,-,) ся в блок 7 разделения сигналов.

Непосредственно перед началом измерений по известным коэффициентам термо- и силочувствительности ðàñсчитываются времена Т,; Т ; Т:,, Т в соответствии с системой "уравнений (3) и (4).

Формирователь временных интервалов настраивается на формирование расчитанных временных интервалов по сигналу "Пуск".

55

65

Коэффициенты термо- и силочувстви- 15 тельности, деленные на дискриминанты имеют размерность соответственно

Н/Гц и град/Гц, что дает воэможность перейти от системы уравнений (3) к следующей системе уравнений 20

p=T„F - т г т =-тд 4т Г1 где T>, T<, Т, Т4 - времена вычисления соответствующих частот

Т=

l тЖь1 Д <

В течение времени ТЛ импульсы частоты f подаются на вход. реверсивного счетчика 9, где считываются на суммирование. В течение времени

Т импульсы частоты Г подаются на начетчик 9, где считываются на вычитание. Аналогичным образом происходит.считывание импульсов частот и F согласно второму уравнению системй уравнений (4). Результат, записанный в реверсивных счетчиках

9 и 10 (фиг.1) представляет собой,в частности, двоичный код параметров

Р и Т . Причем в соответствие с алгоритмом вычисления (4) приращение на единицу младшего разряда в двоичном коде соответствует приращению температуры и силы на 1 град и 1Н.

Следовательно погрешность измерения температуры составляет 1 град., погрешность измерения силы составляет 1 Н. Для уменьшения погрешности измерения температуры -в и раз, силы в rn раз, необходимо увеличить времена измерения соответственно Т и в m раз, ТЭ и Т. в и раз.

Устанавливая кварцевые резонаторы 11 и 12 по отношению к воздействующей силе таким образом, чтобы коэффициент силочувствительности имелн противоположные знаки, а именно ал. ) О, а сО и учитывая последние допущения в системе уравнений (4), получим Р = тл сл т г (5) т = т F + т F

Э

Из соотношений (3).видно, что дискриминант уравнения максимален в случае, когда один из коэффициентов силочувствительности отрицателен; В свою очередь увеличение дискриминанта приводит к уменьшению времен Т, Т, Т>, т . Таким образом повышается быстродействие измерения параметров P и Т

Фиг.2 иллюстрирует реализацию алгоритма вычисления, заложенного. в формуле (5). Отличие двух преобразователей состоит в использовании в первом (фиг.1) двух реверсивных счет.чиков, а во втором (фиг.2) одного реверсивного счетчика 9 и одного счетчика 10. Процесс вычисления поясняется эпюрами фиг.3 и сводится к следующему.

В исходном состоянии, после включения напряжения питания, неинвертирующие выходы триггеров 13 и 14 находятся в состоянии логической единицы (фиг. За,б). Генератор опорной частоты б генерирует импульсы с частотой fä, поступающие на элемент

17 и на вход формирователя 8 временных интервалов. В исходном состоянии выходы формирователя 8 находятся в состоянии логического нуля (фиг.3 тТ,, Tz, T>, T4) при этом элементы-ключй

19 и 20 закрыты для прохождения ин-

879333 формационных импульсов с выходов интервалов 15 и 18. Реверсивный счетчик 9 и счетчик 10 обнулены и готовы к считыванию информации с выходов блока 7.

В соответствии с алгоритмом вычиС тания (5) на суммирование в реверсивный счетчик 9 в процессе измерения поступают импульсы частоты F4 в течение времени Т, а на вычитание — импульсы частоты F в течение времени

Т>.Счетчик 10 в течение времени Т9 считывает импульсы частоты Р4, в течение времени Т4 импульсы частоты Е .

Отсчет временных интервалов Т, Т, ТЗ, Т,„ начинается после подачи внешней команды "Пуск", по которой 15 на S входы триггеров 13 и 14 начинают поступать импульсы частот F u

F соответственно. По первому импульсу частоты Г, с выхода генератора опорной частоты 6 формирователь 8 2() начинает формировать импульсы положительной полярности Т ; Т ; Т ; Т, .

Передними фронтами этих ймпульсов открываются элементы 19 и 20 для прохождения информации с выходов инверторов 15 и 18 на входы счетчиков

9 и 10.

Элемент 16 открыт триггером 13, элемент 17 закрыт триггером 13. Следовательно, с появлением íà S входах триггеров 13 и 14 двух положительных импульсов частот F< и F, на выходе д узла 7 появится логический нуль на время, равное длительности импульса частоты 5р, поступающего на элементы 16 и 17. В это время выход е, узла 7 остается в состоянии логической единицы.

Тем самым обеспечивается приоритет операции суммирования перед операцией вычитания в реверсивном счет- 4О чике 9, поскольку выходы,д и е, элементов 19 и 20 подключены непосредственно ко входам счетчиков 9 и 10.

На фиг. 3 условно принято, что переброс триггеров в обратное состояние и считывание импульсов счетчиками 9 и 10 происходит по отрицательным фронтам импульсов.

Пусть на первый триггер 13 поступает положительный импульс частоты

F< раньше, чем на второй триггер 14 поступает импульс частоты F (фиг.ЗТ

Т - первые импульсы). Элемент 16 от= крыт для инвертирования импульсов с выхода генератора 6. На выходе д уз/ .г ла,7 появляется импульс (фиг.Зд) длительностью равной длительности импульса частоты Г,„ . Импульс (фиг.Зд первый импульс) записывается на суммирование в счетчиках 9 и 10. Импульс (Зв) инвертируется инвертором 15. Отрицательным фронтом этого импульса триггер 13 перебрасывается по счетному входу в противоположное состояние. На неинвертирующем выходе триггера 13 появляется логический 65 нуль. Элемент 16 закрывается. Элемент

17 открывается по входу, связанному с инвертирующим выходом триггера 13

При наличии на 5 входе триггера

14 положительного импульса частоты

Г на выходе элемента 17 r появляется импульс длительностью равной длительности импульса частоты (фиг.Зг — первый импульс). Этот импульс через инвертор 18 и элементы

20 и 19 поступает на счетный вход счетчика 9, где записывается на вычитание и на счетный вход счетчика

10, где суммируется с первым пришедшим импульсом.. На фиг. Зд,е показаны импульсные последовательности, записываемые счетчиками 9 и 10.

Аналогичным образом разделяются сигналы с частотами F u Fz в случа1 ях, когда импульс частоты Fz поступает на S вход триггера 14 раньше, чем на Я вход триггера 13 поступает импульс частоты F . Однако во всех случаях импульс частоты соответствующий импульсу частоты на выходах д и е, появляется раньше импульса частоты fe, соответствующего импульсу частоты Fz (фиг.Зв,г).

Таким образом измерительный частотный преобразователь основан на гетеродинировании высоких частот Ф„, и f генерации автогенераторов с последующим вычислением параметров

Р и Т путем подсчета импульсов

Ю частот F и IF+ за определенные интервалы времени Т, Т, Т, Т .

Путем гетеродинирования можно достичь полезной девиации частоты порядка 100Ъ, однако практически достаточно преобразовать спектр сигнала до полезной девиации порядка

50Ъ относительно начальных частот

Рр„ и FoZ Подобного рода перенос спектра в сторону более низких частот позволяет значительно уменьшить ! число разрядов счетчиков 9 и 10 и оперировать непосредственно с час тотным сигналом, а не с его кодом, как это делается в известном преобразователе, Следовательно, устранением промежуточного частота-код преобразования и значительным уменьшением числа разрядов счетчиков путем генеродинирования высоких частот колебаний f u f < повышается о точность измерения параметров Р и Т

Отсутствие в предлагаемом преобразователе таких сложных узлов, как вычислительного устройства, реализующего функцию перемножения вектора сигнала исследуемых параметров на обратную матрицу коэффициентов (5) и запоминающего устройства, в котором хранится обратная матрица коэффициентов (5), значительно упрощает предлагаемый преобразователь по сравнению с известными решениями и дает возможность использовать его при построении автономных

879333

10. телеметрических систем обработки информации.

Формула изобретения

Измерительный частотный преобра5 зователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик, выходы которого соединены с входами первого и второго автогенераторов и два реверсивных счетчика, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения исследуемых параметров, в него введены источник эталонной частоты, первый и второй смесители, блок разделения сигна- 15 лов и формирователь временных интервалов, причем выходы первого и второго автогенераторов через соответствующие смесители подключены к блоку разделения сигналов, выходы источника эталонной частоты соединены с входами первого и второго смесителей, блока разделения сигналов и формирователя временных интервалов, выходы которого подключены к уп равляющим входам блока разделения сигналов, а его выходы соединены с соответствующими информационными и управляющими входами первого и второго реверсивных счетчиков.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 558189, кл. G 01 L 9/08, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 27173б8, кл. G 01 К //32, 04.01.79 (прототип).

879333

Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9703/7

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4

Составитель Н. Горшкова

Редактор Т. Кузнецова Техред A.Бабинец Корректор A- Ференц