RU2162205C1

RU2162205C1 - Device measuring physical quantities

Info

Publication number: RU2162205C1
Application number: RU99125889A
Authority: RU
Inventors: В.С. Титов; В.С. Полищук; А.Н. Збиняков; В.В. Паник
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2001-01-20

Abstract

FIELD: radio electronic measurement technology. SUBSTANCE: invention is designed for use in multichannel measurements conducted in security systems of protected facilities. Resonance inductive-capacitive transducers tuned to needed resonance frequency are excited in proposed device, phases of exciting and output signals are compared and moments of occurrence of resonance frequency are exposed by change of sign of phase difference. Addition of microprocessor into device makes it feasible to combine measurement process with functional conversion of signals. EFFECT: increased measurement accuracy thanks to exclusion of commutation of analog networks, to power supply of transducers with pulses of current and to isolation of bandwidth of transducers by phase method.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к одно- или многоканальным системам контроля и измерения, и может быть использовано в составе систем охранно-пожарной сигнализации различных объектов. The invention relates to measuring equipment, in particular to single or multi-channel monitoring and measurement systems, and can be used as part of fire alarm systems of various objects.

Известно устройство для измерения физической величины, содержащее блоки измерительных преобразователей, коммутаторы, компараторы, инвертор, делитель (Якимов В. Н., Нестеров В.Н. Устройство для автономных измерений физических величин. Авторское свидетельство СССР N 1824521, МКИ G 01 D 21/00, 1993 г.). A device for measuring a physical quantity is known, which contains blocks of measuring transducers, commutators, comparators, an inverter, a divider (Yakimov V.N., Nesterov V.N. A device for autonomous measurements of physical quantities. USSR author's certificate N 1824521, MKI G 01 D 21 / 00, 1993).

Точность данного измерительного устройства ограничивается погрешностями, возникающими при коммутации аналоговых сигналов, поступающих от измерительных преобразователей. Кроме того, наличие большого числа аналоговых узлов, применяемых для функционального преобразования, также приводит к снижению метрологических характеристик и, одновременно, к его малой надежности. The accuracy of this measuring device is limited by the errors that occur when switching analog signals coming from the transducers. In addition, the presence of a large number of analog nodes used for functional conversion also leads to a decrease in metrological characteristics and, at the same time, to its low reliability.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство измерения, содержащее индуктивно-емкостные датчики, коммутаторы, генераторы импульсов, счетчики и делители частоты, одновибратор и устройство управления. В данном устройстве осуществляются цифровое измерение и функциональное преобразование частотных сигналов, зависящих от контролируемых входных величин (Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы. - М.: Высшая школа, 1977, стр. 142-147). Closest to the proposed invention is a measuring device containing inductive-capacitive sensors, switches, pulse generators, counters and frequency dividers, a single vibrator and a control device. This device performs digital measurement and functional conversion of frequency signals depending on the monitored input values (Novopashenny G.N. Information-measuring systems. - M .: Higher school, 1977, pp. 142-147).

Так, в процессе измерения LC-датчики поочередно подключаются к генератору, причем каждый датчик предварительно настраивается каждый раз на одну и ту же начальную частоту, измеряемую с помощью счетчика. Воздействие контролируемой величины изменяет резонансную частоту LC-датчика, которая снова измеряется счетчиком, поэтому результат измерения, пропорциональный разности двух частот, зависит от контролируемого параметра. So, during the measurement process, the LC sensors are alternately connected to the generator, and each sensor is pre-tuned each time to the same initial frequency, measured using a counter. The influence of the controlled value changes the resonant frequency of the LC sensor, which is again measured by the counter, therefore the measurement result, proportional to the difference of the two frequencies, depends on the controlled parameter.

Недостатком рассмотренного устройства является малая точность измерения, которая практически ограничивается стабильностью настройки датчиков на одну и ту же начальную резонансную частоту. Кроме того, при использовании нескольких датчиков, расположенных на различном расстоянии от входного коммутатора, необходима индивидуальная настройка датчиков непосредственно на контролируемом объекте, что приводит к большой трудоемкости настройки и непригодности таких изделий для серийного производства. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, which is practically limited by the stability of the settings of the sensors at the same initial resonant frequency. In addition, when using several sensors located at different distances from the input switch, it is necessary to individually configure the sensors directly at the controlled object, which leads to the great complexity of the settings and unsuitability of such products for mass production.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение точности оценки измеряемой физической величины и расширение функциональных возможностей устройства. The problem to which the invention is directed is to increase the accuracy of the assessment of the measured physical quantity and expand the functionality of the device.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемое устройство, состоящее из задающего генератора, управляемого генератора импульсов, делителя частоты и резонансных LC-датчиков, введены блок преобразователей напряжения в ток, формирователь импульсов, D-триггеры, логические элементы ИЛИ-НЕ и микропроцессорный блок. The problem is solved in that in the proposed device, which consists of a master oscillator, a controlled pulse generator, a frequency divider and resonant LC sensors, a block of voltage-to-current converters, a pulse shaper, D-triggers, OR-NOT logic elements and a microprocessor block are introduced.

Это позволяет унифицировать использование индуктивно-емкостных датчиков с относительно большим технологическим разбросом параметров за счет выделения не амплитудно-частотной, а фазочастотной характеристики, снять ограничения по точности настройки их резонансных частот и снизить трудоемкость настройки при их большом количестве, повысить в значительной степени точность измерения за счет обеспечения питания пассивных датчиков импульсами тока, что исключает влияние сопротивлений соединительных проводов на результат преобразования, а также реализовать поочередный опрос датчиков, имеющих разные или одинаковые резонансные частоты, без аналоговой коммутации измерительных каналов, с исключением их влияния на результат измерения физических величин. This makes it possible to unify the use of inductive-capacitive sensors with a relatively large technological spread of parameters by distinguishing not the amplitude-frequency but the phase-frequency characteristics, remove restrictions on the accuracy of tuning their resonant frequencies and reduce the complexity of tuning with a large number of them, and significantly increase the accuracy of measurements for the expense of supplying passive sensors with current pulses, which eliminates the influence of the resistance of the connecting wires on the conversion result, and also implement a sequential survey of sensors having different or identical resonant frequencies, without analog switching of the measuring channels, with the exception of their influence on the measurement result of physical quantities.

Блок-схема устройства изображена на фиг. 1, а диаграммы, поясняющие его работу, показаны на фиг. 2. A block diagram of the device is shown in FIG. 1, and diagrams explaining its operation are shown in FIG. 2.

Устройство содержит задающий генератор 1, управляемый генератор импульсов 2, подключенный к делителю частоты 3 на основе триггеров 4, 5, блок преобразователей напряжения в ток 6, имеющий N выходов для подключения необходимого количества измерительных каналов. В качестве примера на фиг. 1 показан один канал, содержащий индуктивно-емкостной датчик 7, соединенный с входом формирователя импульсов 8. Выход формирователя импульсов 8 подключен к D-входам триггеров 9, 10, выходы которых соединены с логической схемой ИЛИ-НЕ 11. Выходы делителя частоты 3 связаны с первыми и вторыми входами логических схем ИЛИ-НЕ 12, 13, третьи входы которых подключены к управляющему генератору импульсов 2. Микропроцессорный блок 14 подключен к выходам управляемого генератора 2 и схемы ИЛИ-НЕ 11, один из входов которой соединен с выходом микропроцессорного блока 14. The device comprises a master oscillator 1, a controlled pulse generator 2 connected to a frequency divider 3 based on triggers 4, 5, a unit of voltage-to-current converters 6, having N outputs for connecting the required number of measuring channels. As an example in FIG. 1 shows one channel containing an inductive-capacitive sensor 7 connected to the input of the pulse shaper 8. The output of the pulse shaper 8 is connected to the D-inputs of the triggers 9, 10, the outputs of which are connected to the logic circuit OR NOT 11. The outputs of the frequency divider 3 are connected with the first and second inputs of OR-NOT 12, 13 logic circuits, the third inputs of which are connected to the control pulse generator 2. The microprocessor unit 14 is connected to the outputs of the controlled generator 2 and the OR-NOT 11 circuit, one of the inputs of which is connected to the output of the microprocessor block 14 ka.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Задающий генератор 1 в каждом такте преобразования формирует линейно-падающее (или линейно-нарастающее) напряжение, которым изменяется частота f_и импульсов на выходе управляемого генератора 2. После прохождения через делитель 3, реализуемый, к примеру, на последовательно включенных триггерах 4, 5, частота импульсов уменьшается в четыре раза. Этот импульсный сигнал поступает с выхода делителя частоты на блок преобразователей напряжения в ток 6, имеющий N выходов для возможного подключения N разных LC-датчиков резонансного типа. Как известно, особенность таких датчиков состоит в том, что при частоте возбуждающего сигнала, меньшей по сравнению с резонансной частотой f_р

эквивалентное сопротивление контура имеет индуктивный характер, т.е. фаза выходного напряжения контура опережает фазу возбуждающего сигнала, а на большой частоте f_в > f_р сопротивление контура становится емкостным, что приводит к отставанию фазы его выходного напряжения от фазы возбуждающего сигнала.The master oscillator 1 in each conversion step generates a linearly falling (or linearly increasing) voltage, which changes the frequency f _and pulses at the output of the controlled generator 2. After passing through the divider 3, implemented, for example, on sequentially connected triggers 4, 5, pulse frequency is reduced by four times. This pulse signal comes from the output of the frequency divider to the block of voltage-to-current converters 6, which has N outputs for the possible connection of N different resonance-type LC sensors. As is known, the peculiarity of such sensors is that when the frequency of the exciting signal is lower than the resonant frequency f _p

equivalent circuit resistance is inductive, i.e. the phase of the output voltage of the circuit is ahead of the phase of the exciting signal, and at a high frequency f _in > f _{p the} resistance of the circuit becomes capacitive, which leads to a lag in the phase of its output voltage from the phase of the exciting signal.

При изменении частоты в полосе пропускания резонансного контура фаза сигнала между импульсами питающего тока и напряжением на контуре изменяется от -45 до +45^o. Следовательно, сравнивая значения фазы выходного напряжения контура с задаваемыми уровнями ±45^o можно обеспечить высокоточное выделение полосы пропускания с последующим цифровым измерением резонансной частоты.When you change the frequency in the passband of the resonant circuit, the phase of the signal between the pulses of the supply current and the voltage on the circuit changes from -45 to +45 ^o . Therefore, comparing the phase values of the output voltage of the circuit with preset levels of ± 45 ^o, it is possible to provide high-precision bandwidth allocation with subsequent digital measurement of the resonant frequency.

Делитель частоты 3 совместно с логическими схемами ИЛИ - НЕ 12, 13 служит для формирования двух последовательностей. При этом передний фронт импульсов на выходе элемента 12 сдвинут на +45^o относительно начала каждого импульса тока на выходе блока 6, в то время как элементом 13 формируются импульсы с задержкой на 45^o относительно переднего фронта импульсов тока блока 6. Сформированные схемами 12, 13 импульсы служат для стробирования схемы выделения интервала измерения Т_изм, реализованной на триггерах 9, 10 и элементе 11.The frequency divider 3, together with the logic circuits OR - NOT 12, 13, serves to form two sequences. In this case, the leading edge of the pulses at the output of element 12 is shifted by +45 ^o relative to the beginning of each current pulse at the output of block 6, while the element 13 generates pulses with a delay of 45 ^o relative to the leading edge of the current pulses of block 6. Formed by circuits 12, 13 pulses serve for gating the scheme of allocation of the measurement interval T _ISM implemented on triggers 9, 10 and element 11.

В процессе развертки частоты возбуждающего сигнала на выходе преобразователя напряжения в ток формируются импульсы тока, приводящие к появлению гармонических колебаний напряжения на датчике 7. При этом на выходе формирователя импульсов 8, подключенного к резонансному контуру 7, получаются прямоугольные импульсы сигнала с положительным сдвигом фазы (при f_в > f_р), а затем - с отрицательным фазовым сдвигом (при f_в > f_р). При подаче данных импульсов на D-входы триггеров 9 и 10, стробируемых по C-входам выходными сигналами элементов ИЛИ - НЕ 12 и 13, происходит поочередное во времени срабатывание этих триггеров, выделяемое элементом ИЛИ-НЕ 11, служащим для формирования сигнала, подаваемого на микропроцессорный блок 14, на интервале измерения Т_изм резонансной частоты, подаваемой на второй вход блока 14 от управляемого генератора 2.In the process of scanning the frequency of the exciting signal, current pulses are formed at the output of the voltage-to-current converter, leading to the appearance of harmonic voltage fluctuations at the sensor 7. In this case, rectangular pulses of the signal with a positive phase shift are obtained at the output of the pulse shaper 8, connected to the resonant circuit 7 (at f _in > f _p ), and then with a negative phase shift (when f _in > f _p ). When these pulses are fed to the D-inputs of triggers 9 and 10, gated at the C-inputs by the output signals of the elements OR - NOT 12 and 13, these triggers alternate in time, highlighted by the element OR-NOT 11, which serves to form the signal supplied to microprocessor unit 14, in the measurement interval T _{ISM of the} resonant frequency supplied to the second input of unit 14 from the controlled generator 2.

К достоинствам такой схемы относится независимость результатов преобразования от амплитудно-частотной характеристики контура и нестабильности амплитуды импульсов возбуждающего тока, формируемого преобразователем напряжения в ток 6. Сравнением фаз возбуждающего и выходного сигнала резонансных датчиков с пороговыми значениями ±45^o обеспечивается выделение их полосы пропускания, причем точность измерения резонансной частоты повышается за счет того, что на микропроцессорный блок подается фактически частота f₂ = 4f_р, превышающая в четыре раза резонансную частоту. Использование такого выделения f_р для низкочастотных датчиков, совмещенное с цифровым измерением n периодов T₂ = 1/4f_р резонансных колебаний, с последующим вычислением в микропроцессорном блоке частоты f_р = n/4Т₂ позволяет обеспечить высокую достоверность измерений даже при наличии датчиков с нестабильными во времени параметрами.The advantages of this scheme include the independence of the conversion results from the amplitude-frequency characteristics of the circuit and the instability of the amplitude of the exciting current pulses generated by the voltage-to-current converter 6. Comparison of the phases of the exciting and output signal of the resonant sensors with threshold values of ± 45 ^o ensures the allocation of their passband, with accuracy measuring the resonant frequency is enhanced by the fact that the microprocessor unit is supplied actually frequency f _p ₂ = 4f exceeding a couple e times the resonant frequency. The use of such an allocation f _p for low-frequency sensors, combined with digital measurement of n periods T ₂ = 1 / 4f _{p of} resonance oscillations, followed by calculation in the microprocessor unit of the frequency f _p = n / 4T ₂ allows for high reliability of measurements even in the presence of sensors with unstable in time parameters.

Устройство можно применять в системах контроля параметров на охраняемых объектах с датчиками, работающими в коротковолновом диапазоне частот возбуждения 3-30 МГц при использовании быстродействующих логических КМОП элементов, например, серии КР1554. The device can be used in parameter monitoring systems at guarded facilities with sensors operating in the short-wavelength range of excitation frequencies of 3-30 MHz when using high-speed logical CMOS elements, for example, the KR1554 series.

При увеличении числа измерительных каналов в устройстве предусмотрен режим последовательного опроса, реализуемый посредством подачи запрещающего сигнала на третий вход схемы ИЛИ-НЕ 11 с выхода микропроцессорного блока 14. При этом производится подключение только одного из опрашиваемых каналов (на который подан сигнал логической 1 от блока 14), в то время как остальные каналы выключаются посредством подачи сигнала логической 1 от блока 14. With an increase in the number of measuring channels, the device provides a sequential polling mode, implemented by supplying a inhibitory signal to the third input of the OR-NOT 11 circuit from the output of the microprocessor unit 14. In this case, only one of the interrogated channels is connected (to which a logical 1 signal from block 14 is applied ), while the remaining channels are turned off by applying a logical 1 signal from block 14.

Использование преобразователя напряжения в ток с высоким выходным сопротивлением позволяет исключить его влияние на добротность колебательных контуров и тем самым повысить точность контроля резонансной частоты датчиков и, соответственно, точность измерения физической величины. The use of a voltage-to-current converter with a high output resistance makes it possible to exclude its influence on the quality factor of oscillatory circuits and thereby increase the accuracy of monitoring the resonant frequency of the sensors and, accordingly, the accuracy of measuring a physical quantity.

Устройство измерения может быть реализовано на следующей элементной базе: делитель частоты и триггеры - на ИМС КР1554ТМ2, элементы ИЛИ-НЕ - на ИМС КР1554ЛР2, преобразователь напряжения в ток - на транзисторах КТ3107. Экспериментально установлено, что при использовании напряжения питания +5 В ток потребления устройства не превышает 2 мА, т.е. потребляемая мощность составляет не более 10 мВТ. The measuring device can be implemented on the following elemental base: the frequency divider and triggers - on the IC KR1554TM2, the elements OR-NOT - on the IC KR1554LR2, the voltage-to-current converter - on transistors KT3107. It was experimentally established that when using a supply voltage of +5 V, the current consumption of the device does not exceed 2 mA, i.e. power consumption is not more than 10 mW.

Claims

A device for measuring a physical quantity containing resonant LC sensors, a master oscillator, a controlled pulse generator and a frequency divider, characterized in that a block of voltage-to-current converters, a pulse former, three three-input OR-NOT elements, two D-triggers and a microprocessor unit, while the master oscillator is made in the form of a generator of linearly incident or linearly increasing voltage, and the microprocessor unit with the ability to calculate the resonant frequency, the output of the master oscillator connected via a controlled pulse generator to a frequency divider having two binary bits, the outputs and input of the frequency divider through two elements OR NOT connected to the C-inputs of D-flip-flops, the D-inputs of which are combined and connected to the output of the pulse shaper, the input of the pulse shaper is connected with LC sensors and the output of the block of voltage-to-current converters, the input of which is connected to the output of the frequency divider, the outputs of the D-triggers through the third element are NOT connected to one of the inputs of the microprocessor unit, the other input of which coupled to the output control pulse generator, and an output - to one of the inputs of a third OR-NO element.