RU2456556C1

RU2456556C1 - Resonanator process parameter sensor frequency metre

Info

Publication number: RU2456556C1
Application number: RU2011116667/28A
Authority: RU
Inventors: Гурам Николаевич Ахобадзе (RU); Гурам Николаевич Ахобадзе
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-07-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: resonator process parameter sensor frequency metre has a first adder respectively connected by the first and second arms to a resonator sensor and the output of a frequency-tuned electromagnetic oscillation generator, and a voltage generator. The metre further includes a second adder, a frequency-to-voltage converter, indicator and measuring units, wherein the third arm of the first adder is connected to the input of the frequency-to-voltage converter whose output is connected to the indicator unit and the first arm of the second adder; the second arm of the second adder is connected to the voltage generator; the third arm of the second adder is connected to the input of the frequency-tuned electromagnetic oscillation generator, the output of the latter being connected to the measuring unit.

EFFECT: simple process of measuring frequency of a resonator sensor.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

Известен измеритель влажности газов, содержащий два клистронных генератора - измерительный и опорный, частоты которых определяются резонансными частотами соответственно измерительного и опорного объемных резонаторов (см. В.А.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. Наука. М., 1978, с.255-256). В этом гигрометре разность частот обоих резонаторов, определяемая методом биений, является функцией влажности контролируемого воздуха, поступающего непрерывно в измерительный резонатор. Опорный резонатор закрыт и откачан до вакуума.A well-known gas moisture meter containing two klystron generators - measuring and reference, the frequencies of which are determined by the resonant frequencies of the measuring and reference volume resonators, respectively (see V.A.Viktorov and other high-frequency method for measuring non-electric quantities. Science. M., 1978, p. .255-256). In this hygrometer, the frequency difference between the two resonators, determined by the beat method, is a function of the humidity of the controlled air entering continuously into the measuring resonator. The reference cavity is closed and evacuated to vacuum.

Недостатком этого известного устройства является низкая точность, связанная с нестабильностью частот клистронных генераторов и процедурой определения разности частот методом биений.The disadvantage of this known device is the low accuracy associated with the instability of the frequencies of the klystron generators and the procedure for determining the frequency difference by the beat method.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятая автором за прототип устройство для измерения уровня по собственной частоте волноводного резонатора (см. В.А.Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. Энергоиздат, М.: 1989, с.87-88). Согласно принципу действия этого устройства, измерение резонансной частоты, связанной с уровнем контролируемой среды, состоит в том, что после возбуждения модулированных электромагнитных колебаний в волноводном резонаторе (датчике) резонансный импульс и два опорных импульса поступают на входы соответствующих формирователей, выходные сигналы которых используются для управления триггерами. Выходные импульсы триггеров далее поступают на входы фильтров низких частот соответственно. На выходах фильтров выделяются постоянные составляющие импульсов, которые затем подаются на соответствующие входы сумматора. С выхода последнего снимается напряжение, пропорциональное измеряемой величине. При этом количество триггеров и фильтров определяет точность измерения.The closest technical solution to the proposed one is the device adopted by the author for the prototype for measuring the level at the natural frequency of the waveguide resonator (see V.A.Viktorov and other Radio wave measurements of process parameters. Energoizdat, Moscow: 1989, p. 87-88) . According to the principle of operation of this device, the measurement of the resonant frequency associated with the level of the medium being monitored consists in the fact that after the excitation of modulated electromagnetic waves in the waveguide resonator (sensor), the resonant pulse and two reference pulses are fed to the inputs of the corresponding shapers, the output signals of which are used to control triggers. The output pulses of the triggers then go to the inputs of the low-pass filters, respectively. At the outputs of the filters, the constant components of the pulses are allocated, which are then fed to the corresponding inputs of the adder. The output of the latter is removed voltage proportional to the measured value. The number of triggers and filters determines the accuracy of the measurement.

Недостатком этого измерителя можно считать сложность, связанную с формированием выходных импульсов триггеров и выделением из этих импульсов постоянных составляющих.The disadvantage of this meter can be considered the complexity associated with the formation of the output pulses of the triggers and the allocation of these pulses of constant components.

Техническим результатом заявляемого решения является упрощение процедуры измерения частоты резонаторного датчика.The technical result of the proposed solution is to simplify the procedure for measuring the frequency of the resonator sensor.

Технический результат достигается тем, что в измеритель частоты резонаторного датчика технологических параметров, содержащий первый сумматор, соединенный соответственно первым и вторым плечами с резонаторным датчиком и выходом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний, и генератор напряжения, введены второй сумматор, преобразователь частоты в напряжение, указательный и измерительный блоки, причем третье плечо первого сумматора соединено со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого подключен к нулевому указателю и первому плечу второго сумматора, второе плечо второго сумматора соединено с генератором напряжения, третье плечо второго сумматора соединено со входом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний, выход последнего подключен к измерительному блоку.The technical result is achieved by the fact that in the frequency meter of the resonator sensor of technological parameters, comprising a first adder connected respectively by the first and second arms to the resonator sensor and the output of a frequency-tunable electromagnetic oscillation generator, and a voltage generator, a second adder, a frequency to voltage converter, an index is introduced and measuring units, and the third arm of the first adder is connected to the input of the frequency converter into voltage, the output of which is connected ene null pointer to the first shoulder and the second adder, the second arm of the second adder is connected to a voltage generator, the third port of the second adder is connected to the input of the tunable frequency generator of electromagnetic waves, the last output is connected to the measuring unit.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого указанными выше признаками, состоит в том, что частота резонаторного датчика технологических параметров сравнивается с частотой перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний и при нулевой разности этих частот измерением частоты перестраиваемого по частоте генератора определяют искомый технологический параметр.The essence of the claimed invention, characterized by the above features, is that the frequency of the resonant sensor of technological parameters is compared with the frequency of the electromagnetic oscillator tunable in frequency and at zero difference of these frequencies, the desired technological parameter is determined by measuring the frequency of the oscillator tuned in frequency.

Наличие в заявляемом измерителе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу измерения частоты резонаторного датчика технологических параметров на основе сравнения частот резонаторного датчика и перестраиваемого по частоте генератора с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения.The presence in the inventive meter of a combination of the listed existing features allows us to solve the problem of measuring the frequency of the resonator sensor of technological parameters based on a comparison of the frequencies of the resonator sensor and the frequency-tunable generator with the desired technical result, i.e. simplification of the measurement procedure.

На чертеже приведена структурная схема измерителя.The drawing shows a structural diagram of the meter.

Измеритель, реализующий данное техническое решение, содержит первый сумматор 1, соединенный вторым плечом с измерительным блоком 2 и выходом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний 3, преобразователь частоты в напряжение 4, соединенный выходом с указательным блоком 5 и первым плечом второго сумматора 6, и генератор напряжения 7. На чертеже цифрой 8 обозначен резонаторный датчик.The meter that implements this technical solution contains a first adder 1 connected by a second arm to the measuring unit 2 and the output of a frequency-tunable electromagnetic oscillation generator 3, a frequency to voltage converter 4 connected by an output to the pointing unit 5 and the first arm of the second adder 6, and a generator voltage 7. In the drawing, the number 8 denotes a resonator sensor.

Измеритель работает следующим образом. Пусть на первое плечо сумматора 1 с резонаторного датчика 8 поступает сигнал частотой f_из, связанной с каким-нибудь технологическим параметром, а на второе плечо этого же сумматора с выхода перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний 3 - сигнал частотой f_пер. Тогда, ввиду того, что этот сумматор работает как вычитатель, с третьего плеча данного сумматора можно получить разность Δf указанных выше частот. После этого на выходе преобразователя частоты в напряжение 4 может формироваться постоянное напряжение, пропорциональное сигналу на входе этого преобразователя, поступающему с третьего плеча первого сумматора. При этом следует отметить, что при нулевой разности Δf на выходе преобразователя напряжение должно быть максимальным, и наоборот.The meter works as follows. Suppose that a signal of frequency f _from associated with some technological parameter is supplied to the first shoulder of adder 1 from a resonator sensor 8, and a signal of frequency f _per. Then, due to the fact that this adder works as a subtractor, the difference Δf of the above frequencies can be obtained from the third arm of this adder. After that, at the output of the frequency inverter to voltage 4, a constant voltage can be formed proportional to the signal at the input of this converter coming from the third arm of the first adder. It should be noted that at a zero difference Δf, the voltage at the converter output should be maximum, and vice versa.

В предлагаемом измерителе наличие постоянного напряжения на выходе преобразователя контролируется указательным блоком 5. Далее напряжение с выхода преобразователя поступает на первое плечо второго сумматора 6, работающего также как вычитатель. Одновременно на второе плечо этого сумматора от генератора напряжения 7 поступает постоянное напряжение. В результате с третьего плеча второго сумматора снимается разность напряжений, которая далее дает возможность управлять перестраиваемым по частоте генератором электромагнитных колебаний. Для этого с третьего плеча второго сумматора разностное напряжение ΔU поступает на вход перестраиваемого по частоте генератора. В качестве последнего может быть использован, например, генератор с варакторной перестройкой частоты ГЛПД-2. В силу этого частота на выходе данного генератора будет изменяться в зависимости от разностного напряжения ΔU, поступающего на варактор (вход) генератора ГЛПД-2. Как уже отмечалось выше, сигнал с выхода перестраиваемого по частоте генератора подается на второе плечо первого сумматора. В соответствии с приведенными выше рассуждениями с помощью последнего можно вычислить Δf при изменении частот f_из и f_пер. In the proposed meter, the presence of a constant voltage at the output of the converter is controlled by the pointing unit 5. Next, the voltage from the output of the converter is supplied to the first arm of the second adder 6, which also works as a subtractor. At the same time, a constant voltage is supplied from the voltage generator 7 to the second arm of this adder. As a result, the voltage difference is removed from the third arm of the second adder, which further makes it possible to control the frequency-tunable generator of electromagnetic waves. For this, from the third arm of the second adder, the differential voltage ΔU is supplied to the input of a frequency-tunable generator. As the latter, for example, a generator with varactor frequency tuning of GLPD-2 can be used. Because of this, the frequency at the output of this generator will vary depending on the difference voltage ΔU supplied to the varactor (input) of the GLPD-2 generator. As noted above, the signal from the output of a frequency-tunable generator is fed to the second arm of the first adder. In accordance with the above reasoning, the latter can be used to calculate Δf when the frequencies f _from and f _per.

При f_из<f_пep можно записатьWith f _from <f, _pep can be written

Согласно заявляемому техническому решению, сигнал частотой Δf далее преобразуется в постоянное напряжение. Обозначим это напряжение U₁, а постоянное напряжение, подаваемое от генератора напряжения на второе плечо второго сумматора, U₂. Следовательно, разностное напряжениеAccording to the claimed technical solution, the signal with a frequency Δf is then converted to a constant voltage. Denote this voltage by U ₁ , and the constant voltage supplied from the voltage generator to the second arm of the second adder, U ₂ . Therefore, the differential voltage

ΔU=U₂-U₁ ΔU = U ₂ -U ₁

(здесь принимается, что U₂>U₁), снимаемое с третьего плеча второго сумматора, становится функцией параметра Δf. В результате получаем, что при Δf≠0, ΔU≠0 и перестраиваемый по частоте генератор перестраивает свою частоту до тех пор, пока частота f_пер не станет равной частоте f_из. При равенстве этих частот Δf=0 (см. формулу (1)) и по принципу действия преобразователя в напряжение на его выходе напряжение (U₁) должно быть максимальным и равным U₂. В силу этого ΔU будет иметь нулевое значение, приводящее к остановке перестраивания частоты генератора 3. В результате всего этого, измерение частоты перестраиваемого по частоте генератора измерительным блоком 2 (установившийся режим работы измерителя) в момент отсутствия перестраивания частоты даст возможность определить частоту f_из, равную частоте f_пер. (here it is assumed that U ₂ > U ₁ ), removed from the third arm of the second adder, becomes a function of the parameter Δf. As a result, we obtain that at Δf ≠ 0, ΔU ≠ 0 and the frequency-tunable generator tunes its frequency until the frequency f _per becomes equal to the frequency f _from . If these frequencies are equal, Δf = 0 (see formula (1)) and according to the principle of the converter into the voltage at its output, the voltage (U ₁ ) should be maximum and equal to U ₂ . Due to this, ΔU will have a zero value, which will stop the tuning of the frequency of the generator 3. As a result of all this, measuring the frequency of the frequency-tunable generator by the measuring unit 2 (steady-state mode of operation of the meter) in the absence of frequency tuning will make it possible to determine the frequency f _from equal to frequency f _lane

В данном измерителе слежение за максимумом постоянного напряжения U₁, при котором измеряется частота f_пер, производится указательным блоком.In this meter, tracking the maximum constant voltage U ₁ at which the frequency f _per is measured is made by the pointing unit.

В данном техническом решении независимо от соотношения частот f_из и f_пер обязательным условием является наличие максимума и минимума постоянного напряжения на выходе преобразователя частоты в напряжение при Δf=0 и Δf=макс соответственно при постоянном значении напряжения U₂.In this technical solution, regardless of the ratio of the frequencies f _from and f _per , a prerequisite is the presence of a maximum and a minimum of constant voltage at the output of the frequency converter to voltage at Δf = 0 and Δf = max, respectively, at a constant voltage value of U ₂ .

Таким образом, в предлагаемом измерителе путем перестраивания частоты выходного сигнала генератора электромагнитных колебаний при определенных условиях можно обеспечить упрощение процедуры измерения частоты резонаторного датчика технологических параметров.Thus, in the proposed meter by tuning the frequency of the output signal of the generator of electromagnetic waves under certain conditions, it is possible to provide a simplification of the procedure for measuring the frequency of the resonator sensor of technological parameters.

Реализация предлагаемого измерителя не требует сложных операций по преобразованию цифровых сигналов в аналоговые, и наоборот, что, несомненно, является одним из его достоинств по сравнению с прототипом и другими подобными устройствами.The implementation of the proposed meter does not require complex operations to convert digital signals to analog, and vice versa, which, undoubtedly, is one of its advantages in comparison with the prototype and other similar devices.

Claims

A frequency meter of a resonator sensor of technological parameters, comprising a first adder connected respectively by the first and second arms to the resonator sensor and the output of a frequency-tunable electromagnetic oscillation generator, and a voltage generator, characterized in that a second adder, a frequency to voltage converter, an index and measuring blocks, and the third arm of the first adder is connected to the input of the frequency converter into voltage, the output of which is connected to block and the first arm of the second adder, the second arm of the second adder is connected to a voltage generator, the third arm of the second adder is connected to the input of a frequency-tunable electromagnetic oscillator, the output of the latter is connected to the measuring unit.