RU2162592C2

RU2162592C2 - Device measuring physical quantities

Info

Publication number: RU2162592C2
Application number: RU99107087A
Authority: RU
Inventors: В.С. Титов; В.С. Полищук; С.Н. Семкин; А.Н. Збиняков
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2001-01-27

Abstract

FIELD: radio electronic measurement technology. SUBSTANCE: device is designed for usage in multichannel measurements conducted specifically in emergency alarm system of protected facilities. Current pulses are employed in proposed device to excite resonance inductive-capacitive pickups tuned to needed resonance frequency. In this case frequency of oscillations with amplitude exceeding preset level is extracted. Insertion of microprocessor into device makes it possible to combine measurement process with operations of self-test of serviceability of pickups. Increased accuracy of measurement is achieved due to exclusion of commutation of analog circuits and to provision of supply to passive pickups by pulses of current which in its turn keeps out effect of resistance of connecting wires. EFFECT: increased accuracy of measurement. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к 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 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, счетчики и делители частоты, одновибратор и устройство управления. В данном устройстве осуществляется измерение и функциональное преобразование частотных сигналов, зависящих от контролируемых входных величин (Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы. Высшая школа. 1977, стр. 142-147). Closest to the proposed invention is a measuring device containing inductive-capacitive sensors, switches, generators, counters and frequency dividers, one-shot and control device. In this device, the measurement and functional conversion of frequency signals depending on the controlled input values is carried out (Novopashenny G.N. Information-measuring systems. Higher school. 1977, p. 142-147).

Так, в процессе измерения LC-датчики поочередно подключаются к генератору, который 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 пропорционален разности двух частот и зависит от контролируемого параметра. So, during the measurement process, the LC sensors are alternately connected to the generator, which is pre-tuned each time for 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 is proportional to the difference of the two frequencies and depends on the controlled parameter.

Недостатком рассмотренного устройства являются малая точность измерения, которая практически ограничивается стабильностью настройки датчиков на одну и ту же резонансную частоту, и отсутствие самоконтроля. Кроме того, при использовании N 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 the considered device is the low accuracy of the measurement, which is practically limited by the stability of the tuning of the sensors at the same resonant frequency, and the lack of self-monitoring. In addition, when using N 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 serial 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 генератора тактовых импульсов, счетчика импульсов, делителя частоты и одновибратора, введены генератор пилообразного напряжения, управляемый генератор импульсов, блок преобразователей напряжения в ток, блок логических схем И, триггеры Шмитта, дешифратор, логический элемент ИЛИ, цифровой таймер, регистр памяти и микропроцессорный блок. The problem is solved in that the proposed device, consisting of a clock pulse generator, pulse counter, frequency divider and one-shot, introduces a sawtooth voltage generator, a controlled pulse generator, a block of voltage-to-current converters, a block of logical circuits And, Schmitt triggers, a decoder, a logical OR element, digital timer, memory register and microprocessor unit.

Это позволяет унифицировать использование индуктивно-емкостных датчиков, 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 наряду с измерениями самотестирование устройства, т.е. расширить его функциональные возможности. This makes it possible to unify the use of inductive-capacitive sensors, remove restrictions on the accuracy of tuning their resonant frequencies and reduce the complexity of tuning with a large number of them, increase to a large extent the measurement accuracy by providing passive sensors with current pulses, which eliminates the influence of the resistance of the connecting wires on the conversion result , and also implement, along with measurements, a device self-test, i.e. expand its functionality.

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 генератор тактовых импульсов 1 (фиг. 1), генератор пилообразного напряжения 2, подключенный к счетчику импульсов (делителю частоты) 3 и соединенный с входом управляемого генератора импульсов 4, дешифратор 5, блок логических схем И 6 и 7, блок преобразователей напряжения в ток 8 и 9, имеющий N выходов для подключения необходимого количества индуктивно-емкостных датчиков 10, 11 (LC-преобразователей), соединенных с первыми входами триггеров Шмитта 12 и 13. Выходы триггеров Шмитта подключены к логической схеме ИЛИ 14, выход которой соединен с первым входом цифрового таймера 15, ко второму входу которого подключен одновибратор 16. Выход таймера подключен к D-входам регистра памяти 17, управляемого микропроцессорным блоком 18. Выход генератора тактовых импульсов 1 связан с С-входом счетчика импульсов 3, управляющим входом генератора пилообразного напряжения 2, с С-входом одновибратора 16 и стробирующим V-входом регистра памяти 17. Выход счетчика импульсов 3 связан с входом дешифратора 5 и с адресным входом регистра памяти 17, а выход управляемого генератора импульсов 4 соединен с вторыми входами логических схем И 6, 7, первые входы которых подключены к выходам дешифратора 5. Выходы дешифратора 5 соединены с вторыми (стробирующими) входами триггеров Шмитта 12, 13, а выход одновибратора 16 подключен к второму входу цифрового таймера 15. The device contains a clock pulse generator 1 (Fig. 1), a sawtooth voltage generator 2 connected to a pulse counter (frequency divider) 3 and connected to the input of a controlled pulse generator 4, a decoder 5, a block of logic circuits And 6 and 7, a block of voltage converters in current 8 and 9, having N outputs for connecting the required number of inductive-capacitive sensors 10, 11 (LC converters) connected to the first inputs of Schmitt triggers 12 and 13. The outputs of Schmitt triggers are connected to an OR 14 logic circuit, the output of which is connected nen with the first input of the digital timer 15, to the second input of which a single-shot is connected 16. The output of the timer is connected to the D-inputs of the memory register 17, controlled by the microprocessor unit 18. The output of the clock pulse generator 1 is connected to the C-input of the pulse counter 3, which controls the input of the sawtooth generator voltage 2, with the C-input of a single-shot 16 and the gate-gate V-input of the memory register 17. The output of the pulse counter 3 is connected to the input of the decoder 5 and the address input of the memory register 17, and the output of the controlled pulse generator 4 is connected to the W bubbled inputs of AND logic circuits 6, 7, the first inputs of which are connected to the outputs of the decoder 5. The decoder 5 outputs coupled to second (strobe) inputs of Schmitt triggers 12, 13, and the output of monostable multivibrator 16 is connected to the second input of the digital timer 15.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Тактовый генератор 1 формирует импульсы большой скважности, которые поступают на делитель частоты 3 и одновременно используются для синхронизации генератора пилообразного напряжения 2, служащего для управления генератором импульсов 4 (фиг. 2). The clock generator 1 generates pulses of high duty cycle, which are fed to the frequency divider 3 and are simultaneously used to synchronize the sawtooth voltage generator 2, which serves to control the pulse generator 4 (Fig. 2).

В каждом такте преобразования частота выходных импульсов управляемого генератора 4 линейно возрастает от минимального f_min до максимального f_max значения, причем диапазон f_max-f_min выбирают исходя из рабочего диапазона частот применяемых LC-преобразователей 10, 11.In each conversion cycle, the frequency of the output pulses of the controlled generator 4 increases linearly from the minimum f _min to the maximum f _max value, and the range f _max -f _{min is} selected based on the operating frequency range of the applied LC converters 10, 11.

Резонансная частота каждого преобразователя

зависит от его LC-параметров и соответственно от контролируемых физических величин, влияющих на емкость С_x или индуктивность L_x датчиков.Resonant frequency of each converter

depends on its LC parameters and, accordingly, on controlled physical quantities that affect the capacitance C _x or inductance L _{x of the} sensors.

Делитель частоты 3 и дешифратор 5 выполняют функцию распределителя тактовых импульсов. Сигналы с N выходов дешифратора 5 поочередно подаются на первые входы блока схем совпадения 6, 7 (логических схем И), на вторые входы которых поступают импульсы линейно изменяющейся частоты от управляемого генератора 4. The frequency divider 3 and decoder 5 perform the function of a clock distributor. The signals from the N outputs of the decoder 5 are alternately fed to the first inputs of the block of matching circuits 6, 7 (logic circuits I), to the second inputs of which pulses of a ramp from a controlled generator 4 are received.

На выходах схем И 6, 7 установлены N преобразователей напряжения в ток 8, 9, имеющих большое выходное сопротивление. Токовые импульсы с выходов N преобразователей напряжения в ток поочередно подаются на N резонансных преобразователей 10, 11, имеющих близкие резонансные частоты f_pj, соответствующие номинальным значениям контролируемых параметров.At the outputs of circuits And 6, 7 N voltage converters are installed in the current 8, 9, having a large output impedance. Current pulses from the outputs of N voltage converters to current are alternately supplied to N resonant converters 10, 11 having close resonant frequencies f _pj corresponding to the nominal values of the monitored parameters.

В процессе развертки частоты токовых импульсов, подаваемых на датчики 10, 11, по мере приближения к резонансной частоте f_pj каждого датчика возрастает амплитуда колебаний, подаваемых на первые входы стробируемых двухвходовых триггеров Шмитта 12, 13.In the process of scanning the frequency of the current pulses supplied to the sensors 10, 11, as you approach the resonant frequency f _{pj of} each sensor, the amplitude of the oscillations supplied to the first inputs of the gated two-input Schmitt triggers 12, 13 increases.

В окрестности частоты резонанса датчиков 10, 11 амплитуда колебаний превышает порог срабатывания триггеров Шмитта 12, 13, на выходе которых появляется последовательность импульсов, поступающих через многовходовую схему ИЛИ 14 на цифровой таймер 15. In the vicinity of the resonance frequency of the sensors 10, 11, the amplitude of the oscillations exceeds the threshold of the Schmitt triggers 12, 13, at the output of which there appears a sequence of pulses arriving through the multi-input circuit OR 14 to the digital timer 15.

С помощью цифрового таймера 15 определяется длительность одного (или нескольких N_к) периодов резонансных колебаний, а на его выходе формируется код

пропорциональный значениям индуктивности L_x и емкости С_x датчиков 10, 11. Этот код подается на шину данных регистра памяти 17, стробируемого передним фронтом тактовых импульсов, поступающих от генератора 1. На вторую (адресную) группу входов регистра памяти 17 подается выходной код делителя частоты 3, указывающий на номер опрашиваемого датчика. После этого выполняется сброс цифрового таймера 15 с помощью одновибратора 16, формирующего короткие импульсы по задним фронтам тактовых импульсов генератора 1. В результате за N тактов преобразования в регистре памяти 17 фиксируются значения контролируемых параметров с соответствующими номерами опрашиваемых датчиков, которые в дальнейшем подаются на микропроцессор 18 для оценки контролируемых параметров и обработки информации.Using a digital timer 15, the duration of one (or several N _k ) periods of resonant oscillations is determined, and a code is generated at its output

proportional to the inductance L _x and capacitance C _{x of the} sensors 10, 11. This code is fed to the data bus of the memory register 17, gated by the leading edge of the clock pulses from the generator 1. The output code of the frequency divider is fed to the second (address) group of inputs of the memory register 17 3, indicating the number of the interrogated sensor. After that, the digital timer 15 is reset using a single vibrator 16, which generates short pulses along the trailing edges of the clock pulses of the generator 1. As a result, for N conversion clocks, the values of the monitored parameters are recorded in the memory register 17 with the corresponding numbers of the polled sensors, which are subsequently fed to the microprocessor 18 to evaluate controlled parameters and information processing.

В данном устройстве исключена коммутация аналоговых цепей и обеспечено питание пассивных датчиков импульсами тока, позволяющими исключить влияние сопротивлений соединительных проводов на точность контроля. Кроме этого, упрощена настройка устройства, так как исходное отклонение резонансной частоты датчиков при номинальных значениях параметров учитывается микропроцессорным блоком обработки данных. This device excludes switching of analog circuits and provides power to passive sensors with current pulses, which eliminate the influence of the resistance of the connecting wires on the accuracy of control. In addition, the device setup is simplified, since the initial deviation of the resonant frequency of the sensors at nominal values of the parameters is taken into account by the microprocessor data processing unit.

Отсутствие импульсов резонансной частоты в каком-либо такте преобразования указывает на его неисправность, при этом самотестирование устройства выполняется непосредственно в процессе измерения без дополнительных затрат времени. The absence of resonance frequency pulses in any conversion clock indicates its malfunction, while the device self-tests are carried out directly in the measurement process without additional time.

В качестве преобразователя напряжения в ток может быть использован транзисторный каскад, регулировкой эмиттерного сопротивления которого можно установить требуемую амплитуду резонансных колебаний LC-датчика, превышающую порог срабатывания триггера Шмитта в полосе пропускания или в окрестности резонансной частоты. Фактически триггеры Шмитта выполняют функцию стробируемых компараторов, реализуемых на двухвходовых логических элементах. As a voltage to current converter, a transistor cascade can be used, by adjusting the emitter resistance of which it is possible to set the required amplitude of the resonant oscillations of the LC sensor that exceeds the threshold of the Schmitt trigger in the passband or in the vicinity of the resonant frequency. In fact, Schmitt triggers perform the function of gated comparators implemented on two-input logic elements.

В случае применения однотипных преобразователей напряжения в ток для подстройки уровня срабатывания триггеров Шмитта можно подключить один вывод датчиков не к общей шине, а к регулируемому источнику напряжения либо применять вместо триггеров Шмитта стробируемые компараторы с подстройкой уровня срабатывания. In the case of using the same type of voltage-to-current converters to adjust the response level of Schmitt triggers, you can connect one output of the sensors not to a common bus, but to an adjustable voltage source or use gated comparators with adjustment of the response level instead of Schmitt triggers.

Таким образом, в предлагаемом устройстве измерения повышается точность измерения за счет обработки частотных параметров сигналов и компенсации погрешностей от влияния каналов связи при использовании в качестве возбуждающих сигналов тока, исключены ограничения, связанные с трудоемкостью настройки однотипных датчиков, обеспечена возможность реализации на КМОП-элементах, что уменьшает потребляемую мощность и повышает надежность устройства, реализованы выдача информации о неисправности каналов и дополнительно вывод информации о номерах датчиков, т.е. совмещены операции измерения и самотестирования, при одновременном расширении функциональных возможностей. Это позволяет использовать разработанное устройство в различных областях, например для контроля металлических предметов, температуры, влажности, объема и т.п., посредством подключения соответствующих частотных датчиков. Thus, in the proposed measurement device, the measurement accuracy is improved by processing the frequency parameters of the signals and compensating for errors from the influence of communication channels when using current as the exciting signals, the restrictions associated with the complexity of setting up the same type of sensors are eliminated, and it is possible to implement CMOS elements, which reduces power consumption and increases the reliability of the device, implemented the issuance of information about channel malfunctions and additionally output information about the number sensors, i.e. combined operations of measurement and self-testing, while expanding the functionality. This allows you to use the developed device in various fields, for example, to monitor metal objects, temperature, humidity, volume, etc., by connecting the appropriate frequency sensors.

Устройство измерения может быть реализовано на следующей элементной базе: тактовый генератор, управляемый генератор, триггеры Шмитта на ИМС К561ТЛ1, делитель частоты и дешифратор на ИМС К561ИЕ8 или К561ИЕ9, схема И на ИМС К561ЛА7, схема ИЛИ на ИМС К561ЛЕ6, цифровой таймер на ИМС К561ИЕ14 и К56ТМ2, регистр памяти на ИМС К561ИР9 или К572РУ2, преобразователь напряжения в ток на транзисторах КТ3107, одновибратор на триггере К561ТМ2 и RC-цепи. При использовании напряжения питания +5 В ток потребления не превышает 2 мА, т.е. потребляемая мощность составляет не более 10 мВт. The measuring device can be implemented on the following elemental base: clock generator, controlled generator, Schmitt triggers for IC K561TL1, frequency divider and decoder for IC K561IE8 or K561IE9, circuit I for IC K561LA7, circuit OR for IC K561LE6, digital timer for IC K561IE6 and K56TM2, memory register on IC K561IR9 or K572RU2, voltage to current converter on transistors KT3107, one-shot on K561TM2 trigger and RC circuit. When using a supply voltage of +5 V, the current consumption 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 clock generator, a pulse counter, a controlled pulse generator, a decoder, a one-shot device, characterized in that a sawtooth generator, a block of logic circuits And, a block of voltage-to-current converters, triggers are introduced Schmitt, an OR gate, a digital timer, a memory register and a microprocessor-based data processing unit, with voltage-to-current converters installed at the outputs of the AND logic circuits and connected to inductive-capacitive sensors connected to the first inputs of Schmitt triggers connected to the OR logic element, the output of which is connected to the first input of the digital timer, the output of the digital timer is connected to the D-inputs of the memory register connected to the microprocessor unit, the output of the clock generator is connected With the input of the pulse counter, the input of the sawtooth voltage generator, With the input of a single vibrator and the gate gate of the memory register, the output of the sawtooth voltage generator is connected to the input generator, the output of the pulse counter is connected to the input of the decoder and the address inputs of the memory register, the output of the controlled generator is connected to one of the inputs of the logical circuits AND, the other inputs of which are connected to the outputs of the decoder and connected to the second inputs of Schmitt triggers, and the output of the single-vibrator is connected to the second input of the digital a timer.