RU2101860C1

RU2101860C1 - Датчик первичной информации

Info

Publication number: RU2101860C1
Authority: RU
Inventors: О.Б. Иванов; И.О. Иванов
Priority date: 1990-08-13
Filing date: 1990-08-13
Publication date: 1998-01-10

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для автоматизации измерения и контроля различных неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы из энергии внешнего источника одного вида в энергию электрическую, используемую в системах сбора и обработки данных и в системах управления, работающих в реальном масштабе времени измерения. Датчик первичной информации содержит два чувствительных элемента, один из которых - переменный конденсатор 1, другой - переменный резистор 3, включенные в различные цепи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2, выход которого соединен с входом делителя частоты 4, выполненного из последовательно соединенных N десятичных счетчиков 6, счетчика по основанию два и цифрового частотомера 5, выполненного в виде n-разрядного двоично-десятичного счетчика цифрового индикатора 4. 4 ил.

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для автоматизации измерения и контроля различных неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы из энергии внешнего источника одного вида в энергию электрическую, используемую в системах сбора и обработки данных и в системах управления, работающих в реальном масштабе времени измерения, например измерение угловых или линейных перемещений, измерение температуры и т. п.

Известен датчик входной информации с электрическим выходом, используемый в устройстве профилографа, содержащий конденсатор, включенный во входной цепи генератора [1]
Недостатком известного устройства является наличие RC-генератора синусоидальных колебаний, согласующего устройства, выполненного в виде частотного демодулятора, который осуществляет коммутацию напряжения входного сигнала с частотой, равной частоте опорного сигнала. Напряжение с выхода частотного демодулятора представляет собой аналоговый сигнал, который требует аппаратного усложнения для преобразования выходного сигнала датчика в сигнал двоичного кода.

Наиболее близким из известных устройств по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является преобразователь перемещения в код, содержащий один чувствительный элемент, выполненный в виде переменного конденсатора, RC-генератор, резистор, последовательно соединенные делитель частоты и цифровой частотомер [2]
Недостатком известного устройства, используемого для работы в системах сбора и обработки данных, является невысокая точность преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрический сигнал, ограниченность функциональных возможностей при сложности его конструкции.

Одновременно погрешность измерения перемещения определяется погрешностью измерения разностной частоты при выбранном коэффициенте пропорциональности. При этом разрешающая способность измерения равна измерению величины перемещения, при котором показания частотомера изменяются на единицу (предполагаемая единица измерения мкм), при выбранной исходной величине зазора, и определяются начальной частотой двух RC-генераторов синусоидальных колебаний, напряжения с которых поступают на блок вычитания частот, на выходе которого формируется напряжение разностной частоты, пропорциональное смещению средней пластины датчика от исходного положения равновесия.

Кроме того, масштабный делитель частоты, реализуемый в виде каскадного соединения необходимого числа триггеров со счетным входом, служит для согласования максимальной частоты сигнала на выходе блока вычитания частот, что не обеспечивает согласования максимальному измеренному перемещению с минимальной емкостью счетчика частотомера, величина которого равна максимальному перемещению подвижной пластины датчика, измеренному в каких-либо единицах.

Таким образом, выбор частоты двух RC-генераторов синусоидальных колебаний осуществляется независимо от масштабного делителя частоты, включенного на входе цифрового частотомера, показания которого не равны величине измеряемого перемещения, без соответствующего переключения пределов измерений временного интервала на самом цифровом частотомере. При этом отпадает необходимость в масштабном делителе и при этом не обеспечивается разрешающая способность измерения. Для расширения в два раза линейного рабочего диапазона существуют только две возможности, одна из которых заключается в определении алгебраической разности частот двух RC-генераторов синусоидальных колебаний, что требует не только введения узла для фиксации изменения на π фазы сигнала разностной частоты при перемещении подвижной пластины дифференциального емкостного датчика, но и приводит к необходимости введения дополнительного цифрового вычислительного узла, обеспечивающего нулевое показание цифрового индикатора перемещений при нахождении подвижной пластины емкостного дифференциального датчика в одном из крайних ее положений, несмотря на нулевое показание счетчика частотомера.

Другая возможность заключается в том, что требуется изменение номинала резисторов одного из RC-генераторов синусоидальных колебаний для обеспечения равенства их частот в одном из крайних положений подвижной средней пластины дифференциального емкостного датчика, при котором показания цифрового частотомера будут равны нулю.

Указанные пути расширения измеряемого перемещения только в два раза не обеспечивают достижения требуемой (более, чем в два раза) разрешающей способности измерений при использовании даже высокоточных и высокостабильных резисторов в цепях RC-генераторов синусоидальиых колебаний, т. к. указанные пути, каждый из которых требует дополнительного введения узлов, регулировки фазы сигнала разностной частоты при переходе подвижной пластины емкостного дифференциального датчика не только через среднее положение, но и в каждом из крайних ее положений.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности и упрощение конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что датчик первичной информации содержит один чувствительный элемент, выполненный в виде переменного конденсатора, RC-генератор, резистор, последовательно соединенные делитель частоты и цифровой частотомер.

Согласно изобретению RC-генератор выполнен в виде цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, резистор выполнен переменным и является другим чувствительным элементом, который включен в одну цепь обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, в другую цепь обратной связи которого включен первый чувствительный элемент. Делитель частоты выполнен в виде последовательно соединенных N десятичных счетчиков и счетчика по основанию два. Цифровой частотомер выполнен в виде n-разрядного двоично-десятичного счетчика цифрового индикатора. Выход цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов соединен с входом делителя частоты.

В результате поиска не обнаружены технические решения, в которых имеются признаки, сходные с признаками, отличающими предлагаемое решение от прототипа.

На фиг. 1 изображена схема датчика первичной информации; на фиг. 2 - график зависимости частоты цифрового RC-генератора от изменения одного из параметров чувствительного элемента P = ψ(X_c; P) и диаграммы работы цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, десятичного счетчика, счетчика по основанию два и n-разрядного двоично-десятичного счетчика цифрового индикатора; на фиг. 3 пример выполнения RC-генератора прямоугольных импульсов, в котором переменный конденсатор (X_c) или переменный резистор (R) выполнены в виде чувствительных элементов; на фиг. 4 один из вариантов используемых микросхем, например серии К155.

Датчик первичной информации содержит один чувствительный элемент, выполненный в виде переменного конденсатора 1, RC-генератор 2, резистор 3, последовательно соединенные делитель частоты 4, цифровой частотомер 5. RC-генератор выполнен в виде цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2. Резистор 3 выполнен переменным и является другим чувствительным элементом, который включен в одну цепь обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2, в другую цепь обратной связи которого 2 включен первый чувствительный элемент 1. Делитель частоты 4 выполнен в виде последовательно соединенных N десятичных счетчиков 6 и счетчика по основанию два 7. Цифровой частотомер 5 выполнен в виде n-разрядного двоично-десятичного счетчика цифрового индикатора. Выход цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2 соединен с входом делителя частоты 4.

Чувствительные элементы: переменный конденсатор 1 и переменный резистор 3 представляет собой устройство, каждое из которых осуществляет непосредственное энергетическое преобразование измеряемой величины, в котором входная величина тем или иным способом модулирует энергию внешнего источника, путем перевода энергии из одного вида в другой (механической, тепловой и т.п. в электрическую).

Выходной сигнал каждого чувствительного элемента, представляет собой определенное изменение реактивного (емкостного X_с) или активного (R) сопротивления, изменение которых осуществляется по временному признаку.

Цифровой RC-генератор прямоугольных импульсов 2 представляет собой устройство высокочастотного генератора серии прямоугольных импульсов выполненного, например, на одной микросхеме, серии ТТЛ (МОП), в цепях обратной связи которого включены первичные чувствительные элементы 1 и З.

Десятичный счетчик 6 представляет собой цифровой счетчик, который после определенного числа импульсов сбрасывается в исходное состояние и счет повторяется. При подаче на вход серии прямоугольных импульсов выходной сигнал образуется только при появлении в десятичном счетчике 6 одной заданной кодовой комбинации, т. е. счетчик функционирует как делитель числа импульсов с коэффициентом деления 10^-1, т. к. эта кодовая комбинация периодически повторяется.

В частном случае, когда импульсы на входе периодические, счетчики 6, 6 (N) работают как делители частоты импульсов. Например, три последовательно соединенных десятичных счетчика работают с коэффициентом деления 10^-3, т. е. на выходе последнего счетчика 6 (N) появляются импульсы, например, частотой 250 Гц. Это значит, что частота цифрового RC-генератора равна 250000 Гц. При этом частота 250 Гц следует через короткий нулевой импульс сброса, т. е. длительность положительного импульса (1) во много раз больше длительности нулевого импульса (0). При изменении частоты цифрового RC-генератора 2 происходит изменение длительности положительного импульса (1), а длительность нулевого импульса сброса (0) сохраняется.

Счетчик по основанию два 7 аналогичен десятичному счетчику 4, но имеет коэффициент деления два, в качестве которого, например, используется D-триггер, оборудованный счетным входом с коэффициентом деления два, на выходе которого появляются импульсы частотой, например, 125 Гц, что соответствует частоте 250 Гц на его входе. Импульсы с выхода счетчика по основанию два следуют с одинаковой длительностью положительного (1) и нулевого (0) импульса. Длительность сигналов (1) и (0) изменяется пропорционально изменению частоты цифрового RC-генератора 2, вследствие изменения одного из сопротивления чувствительного элемента 1 (X_c) или 3 (R).

Счетчик цифрового индикатора частотомера 5 представляет собой N двоично-десятичных счетчиков с информационным и установочным входами, соединенных для получения на выходе n-разрядного двоично-десятичного кода.

Например, показания цифрового индикатора 5 должны соответствовать действительному изменению температуры какого-либо устройства в пределах 0.125 ± 0,5^oC, т. е. изменению температуры на один градус Цельсия должно соответствовать определенному изменению частоты цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2.

Учитывая коэффициент деления, например, трех десятичных счетчиков 6 и одного счетчика по основанию два 7 получим К (1•10^-3)•(1/2) 5•10^-4 2•10³, при этом частота цифрового RC-генератора должна быть равна f_RC 2•10³•125 250000 (Гц).

Согласно известному выражению f_RC 0,55/R•C и зная частоту цифрового RC-генератора f_RC 250000(Гц), определим величину произведения R•C 0,55/250000 2,2•10^-6 (с). Задавая величину емкости конденсатора C 250•10^-12 Ф, определим величину сопротивления резистора R при f_RC 250000 (Гц), т. е. R 2,2•l0^-6:1250•10^-12 8800 (Ом).

Таким образом, параметры чувствительных элементов равны R 8800 (Ом) и С 250•10^-12 Ф при частоте f_RC 250000 (Гц).

Положим, что частота цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2 изменилась и стала Δf_RC 251 кГц. Определим показания цифрового индикатора 5 f_s f_RC/K, т. е. f_s 251•10³/2•10³ 125,5 (Гц), что соответствует температуре 125,5^oC.

Следовательно, изменение частоты цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2 на + 1000 (Гц) вследствие изменения величины сопротивления одного из двух чувствительного элемента, показания цифрового индикатора 5 изменились на + 0,5^oC. При этом изменение температуры на + 0,5^oC соответствует изменение частоты цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2 на + 1000 (Гц) и соответственно наоборот.

Примем за нулевое показание цифрового индикатора 5 значение температуры ± 0,5^oC, при этом частота импульсов на входе n-разрядного двоично-десятичного счетчика цифрового индикатора 5 составит ± 1000 (Гц). Определим частоту цифрового RC-генератора 2, которая должна соответствовать температуре 125,5^oC, т. е. температуре 0,5^oC соответствует частота 1000 (Гц), а температуре 125,5^oC соответствует частота f_RC(Гц). Отсюда определим частоту цифрового RC-генератора 2 f_RC= 125,5•1000/0,5 251000 (Гц).

Аналогично определим величину изменения сопротивления, например, второго чувствительного элемента 3, выполненного в виде терморезистора (R=Var), при условии, что величина реактивного (емкостного) сопротивления первого чувствительного элемента 1, выполненного в виде переменного конденсатора осталась неизменной (X_C const), т.е. в исходном положении частоте цифрового RRC-генератора Δf_RC соответствует выражение 0,55/R•C, а отклонению частоты цифрового RC-генератора Δf_RC соответствует выражение 0,55/(R + D)•C. Определим величину изменения сопротивления терморезистора дельта, т.е.

или

, откуда

, подставляя исходные данные, получим

Таким образом, изменение исходной частоты RC-генератора прямоугольных импульсов 2 в приведенном примере на + Δf_RC 1000 (Гц) произошло вследствие изменения величины сопротивления терморезистора (второго чувствительного элемента 3) в сторону уменьшения на величину Δ 35 Ом.

Достигаемая точность обеспечения нулевого показания цифрового индикатора 5, регистрирующего изменение величины сопротивления одного из двух чувствительных элементов активного 3 или реактивного 1 (емкостного) характера, используемого для передачи информации, изменение которой осуществляется путем согласования показаний цифрового индикатора 5 в заданных пределах единицы измерения преобразуемой неэлектрической величины в пропорциональную частоту цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2, достигается тем, что частота цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2 задается регулируемым активным (резисторным) или реактивным (емкостным) сопротивлением каждого чувствительного элемента, исходя из заданной разрешающей способности измерений при выборе известных способов стабилизации источника питания, выбора элементной базы и введения соответствующей коррекции в каждый чувствительный элемент. В результате точность и стабильность датчика первичной информации повышается.

Датчик первичной информации работает следующим образом.

В результате воздействия измеряемой величины на один из двух чувствительных элементов 1 или 3, последний воздействует на изменение частоты цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, т.е. на его выходе появляются высокочастотные прямоугольные импульсы, частота следования которых отклоняется от исходного положения частоты в ту (+D) или (-D) иную сторону. Эти импульсы поступают на вход первого десятичного счетчика 6 последовательного соединения десятичных счетчиков 6 (N). На выходе последнего десятичного счетчика 6 (N) появляются импульсы с длительностью t_i, которые больше длительности τ_RC импульсов высокочастотного цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов 2 на коэффициент деления 10^-n. Эти импульсы поступают на вход счетчика по основанию два 7, на выходе которого появляются прямоугольные импульсы (1) и (0) с одинаковой длительностью τ_вых, частота следования которых пропорциональна частоте следования прямоугольных импульсов цифрового RC-генератора 2. Импульсы с длительностью τ_вых поступают на информационный вход n-разрядного двоично-десятичного счетчика цифрового индикатора частотомера 5, на установочный вход которого поступает извне сигнал фиксированного времени измерения (t_измер.), в течение которого заполняется n-разрядный двоично-десятичный счетчик цифрового индикатора частотомера 5. Показания цифрового индикатора частотомера 5 соответствуют цифровому значению измеряемой неэлектрической величине.

Датчик первичной информации позволяет упростить конструкцию, повысить точность получаемой информации о состоянии объекта измерения, расширить функциональные возможности по измерению различных неэлектрических величин, используемых в автоматике и измерительной технике.

Claims

Датчик первичной информации, содержащий первый чувствительный элемент, выполненный в виде переменного конденсатора, RC-генератор, резистор, последовательно соединенные делитель частоты и цифровой частотометр, отличающийся тем, что в нем RC-генератор выполнен в виде цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, резистор выполнен переменным и является вторым чувствительным элементом, который включен в одну цепь обратной связи цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов, в другую цепь обратной связи которого включен первый чувствительный элемент, делитель частоты выполнен в виде последовательно соединенных N десятичных счетчиков и счетчика по основанию два, а цифровой частотомер выполнен в виде n-разрядного двоично-десятичного счетчика цифрового индикатора, при этом выход цифрового RC-генератора прямоугольных импульсов соединен с входом делителя частоты.