SU879333A1 - Измерительный частотный преобразователь - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к технике измерени  неэлектрических величин и может быть использовано при построении телеметрических систем одновременного контрол  силовых и температурных воздействий на исследуемый объект.

Известен пьезоэлектрический преобразователь , содержащий два пьезорезонатора ,. укрепленных на торцевых выступах упругого кольца и подключенных к двум автогенераторам.Измер емое усилие при-кладываетс  к кольцу. Закрепление резонаторов на кольце дифференциально по отношению к прилагаемому усилию .

Известное устройство в значительной мере устран ет температурную погрешность измерени , однако не позвол ет проводить одновременные из Ьрени  температуры и силовых усилий .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению  вл етс  пьезоэлектрический преобразователь,содержащий двухпараметровый частотный датчик, выходы которого соединены с входами первого и второго автогенераторов и два реверсивных счетчика f2.

Известное устройство позвол ет производить одновременные измерени  температурных и силовых воздействий на исследуемый объект, однако имеет недостаточную точность измерени ,что объ сн етс  следующими факторами.Девиаци  высоких частот генерации f и f во всем диапазоне изменени  воздействующих на двухпараметровый частотный датчик параметров Р и Т достигает пор дка 1% относительно частот генерации fj,,j и fQy при начальных услови х.

и

Частоты fj, к f в известном преобразователе преобразуютс  в коды, с которыми провод т дальнейшие вычислительные операции.

Полезна  информаци  об измер емых

20 параметрах находитс  следовательно в младших разр дах преобразователей частота-код, 99% преобразуемой информации не  вл етс  полезной. Необходима  точность измерени  может быть

25 достигнута при использовании высокоразр дных преобразователей частотакод , однако подобного рода усложнени  привод т к уменьшению надежности схемной реализации, повышению числа

Claims (2)

1. 30 сбоев за одно измерение и, следовательно , к снижению точности определени  исследуемых параметров f и Т Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  исследуемых параметров. Цель, достигаетс  тем, что в известный преобразователь,содержащий йвухпараметровый датчик, выходы которого соединены с входами первого и второго автогенераторов и два реверсивных счетчика, введены источник эталонной частоты, первый и второй смесители, блок разделени  сигналов и формирователь временнЕлх интервалов , причем первого и второго автогенераторов через соответствую щие смесители подключены к блоку раз делени  сигналов, выходы источника эталонной частоты соединены с входами первого и второго смесителей, блока разделени  сигналов и формировател  временных интервалов,выход которого подключены к управл ющим вх дам блока разделени  сигналов, а его выходы соединены с соответствующими информационными и управл ющими вход ми первого и второго реверсивных счетчиков. На фиг. 1 показана функциональна  схема преобразовател  дл  общего слу ча , когда коэффициенты термо- и силочувствительности кварцевых резонаторов положительны; на фиг..2 - функ циональна  схема преобразовател  с конкретным вьтолнением узла разделени  сигналов дл  случа , когда один из коэффициентов силочувстзительност отрицателен; на фиг. 3 - диаграммы работы преобразовател , по сн ющие принцип измерени  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 ли 4 и 5 предназначены дл  выделени  .сигналов частоты, при смешивании высокочастотных колебаний fj, и f, с колебани ми эталонной частоты f поступающими с выхода источника эта лоннор частоты 6 на входы смесителей ,4 и 5. Информационные входы блока 7 разделени  сигналов подключены к вы ходам первого 4 и второго 5 смесителей и к входу источника эталонной частоты б, выход которого подключен к Biiko«y формировател  8 временных интервалов. Блок 7 предназначен дл  разделени  во времени импульсов час тот fj, 2./ ЧТО  вл етс  необходимьлм при совмещении во времени операций суммировани  и вычитани  в реверсивных счетчиках, в качестве которых используютс  счетчики 9 и 1 на фиг.1 и в качестве счетчика 9 на фиг.2. При одновременном считывании импульсов частот 1;/ и Fj счетчиком 10 (фиг.2) блок 7 необходим дл  предотвращени  сбоев и потери информации в момент совпадени  во времени форнотов измер емых импульсов. Выходы формировател  8 подключены к управл ющим входам блока 7. Формирователь временных интервалов 8 по сигналу Пуск из импульсов эталонной частоты f формирует одиночные импульсы длительностей Т. , Т , Т„ , TV . В течение длительностей этих импульсов подсчитываютс  импульсы частот F и Fj в соответствии с алгоритмом вычислени . Информационные входы С и управл ющие входы плюс и минус счетчиков 9 и 10 подключены к соответствующим выходам блока 7 разделени  сигналов. Счетчики 9 и 10 предназначены . дл  преобразовани  в коды информации о параметрах Р и т по вл ющейс  в результате считывани  импульсов частот 1 и Р„ согласно алгоритму вычислени . Чувствительными элементами двухпараметрового частотного датчика 1  вл етс  кварцевые резонаторы 11 и 12. Кроме того, на фиг. 2 показано выполнение блока 7 разделени  сигналов в виде двух триггеров 13 и 14, инвертора 15, элемента 16, элемента 17, инвертора 18, элемента 19 и элемента 20. Блок 7 реализован дл  случа , когда fj, f и длительность импульсов эталонной частоты значительно меньше длительностей импульсов частот (фиг.З). Измерительный частотный преобразователь работает следук цим образом. Используемые в качестве чувствительных элементов кварцевые резонаторы LC-срезов имеют линейные зависимости частот резонансов от температурных и силовых воздействий. При этом можно записать , F/V1 F-J. текущие частоты датчиков , полученные в результате гетеродинировани  высокочастотных колебаний и f.; 02,04 начальные частоты генерации при начальных значени х воздействующих параметров Р и f; ,, 0(22. коэффициенты термочувствительности , Гц/град; P-n,C(2.-i коэффициенты силочув 5 ствительности, Гц/Hj Р, ti - приращени  измер емых параметров. Систему уравнений (1) пр зуем к виду лР,са,,,дТ° , ..лЛ после чего запишем обратное зование. Ого- .г 1 Л - TO - Vvf Л- дискриминант уравне гч- о Коэффициенты термо- и сил тельности, деленные на дискр имеют размерность соответств Н/Гц и град/Гц, что дает воз перейти от системы уравнений следующей системе уравнений P-T,. .-V. где Т , Тд,, Т , Т - времена ни  соответствующих частот; Т- д , т Sia2 . Д Система уравнений (4) записана д измер емых параметров и текущих ча тот датчика с учетом того, что Р-РО + РЛ , Т° Т°-«-ДТ, 2-Р2о Д.Рй Фиг,1 иллюстрирует практическую реализацию алгоритма вычислени ,за ложенного в формуле (4), автогенера торы. 2 и 3 работают на частотах и fj, задаваемых кварцевыми резонато рами 11 и 12. Сигналы с частотами и f подаютс  в смесители 4 и 5, где смешиваютс  с эталонной частотой fjj , поступающей с выхода источника эталонной частоты 6. Разностные частоты двух колебаний 1 () и fJz. ° ( подают с  в блок 7 разделени  сигналов. Непосредственно перед началом из мерений по известным коэффициентам термо- и силочувствительности рассчитываютс  времена Т, ; в соответствии с системой уравнеНИИ (3) и (4). Формирователь временных интервалов настраиваетс  на формирование расчитанных временных интервалов по сигналу Пуск. В течение времени Т импульсы частоты f подаютс  на реверсивного счетчика 9, где считываютс  на суммирование. В течение времени То импульсы частоты f подаютс  на счетчик -9, где считываютс  на вычитание . Аналогичным образом происходит- считывание импульсов частот Fj| и Р согласно второму уравнению системы уравнений (4). Результат, записанный в реверсивных счетчиках 9 и 10 (фиг.1) представл ет собой,в частности, двоичный код параметров Р и Т. Причем в соответствие с алгоритмом вычислени  (4) приращение на единицу младшего разр да в двоичном коде соответствует приращению температуры и силы на 1 град и 1Н. Следовательно погрешность измерени  температуры составл ет 1 град., погрешность измерени  еилы составл ет 1 Н. Дл  уменьшени  погрешности измерени  температуры -в п раз, силы в m раз, необходимо ув.еличить времена измерени  соответственно L и в m раз, Тд и L в п раз. Устанавлива  кварцевые резонаторы 11 и 12 по отношению к воздействукадей силе.таким образом, чтобы коэффициент силочувствительности имели противоположные знаки, а именно а О, а О и учитыва  последние допущени  в системе уравнений (4), получим Р т F/ - TaFi Л -t т X. л. , v Из соотношений (3) видно, что дискриминант уравнени  максимален в случае, когда один из коэффициентов силочувствительности отрицателен. В свою очередь увеличение дискриминанта приводит к уменьшению времен , Т , Tj , Tjj. Таким образом повышаетс  быстродействие измерени  параметров Р и т Фиг.2 иллюстрирует реализацию алгоритма вычислени , заложенного в формуле (5). Отличие двух преобразователей состоит в использовании в первом (фиг.1) двух реверсивных счетчиков , а во втором (фиг. 2) одного ре:версивного счетчика 9 и одного счет-чика 10. Процесс вычислени  по сн етс  эпюрами фиг.З и сводитс  к следующему . В исходном состо нии, после включени  напр жени  питани , неинвертирующие выходы триггеров 13 и 14 наход тс  в состо нии логической единицы (фиг. За,б). Генератор опорной частоты 6 генерирует импульсы с частотой f , поступающие на элемент 17 и на вход формировател  8 временных интервалов. В исходном состо нии выходы формировател  8 наход тс  в состо нии логического нул  (фиг.З Т Til Тз, Т) при этом элементы-ключи 19 и 20 закрыты дл  прохождени  информационных импульсов с выходов интервалов 15 и 18. Реверсивный счет чик 9 и счетчик 10 обнулены и готовы к считыванию информации с выходо блока 7. В соответствии с алгоритмом вычитани  (5) на суммирование в реверсив ный счетчик 9 в процессе измерени  поступают импульсы частоты F в тече ние времени Tj , а на вычитание - импульсы частоты F в течение времени Tj. Счетчик 10 в течение времени Т считывает импульсы частоты F , в течение времени импульсы частоты F Отсчет временных интервалов J , . Тз Тф начинаетс  после подачи внешней команды Пуск, по которой на S входы триггеров 13 и 14 начинают поступать импульсы частот Fj и f соответственно. По первому импульсу частоты , с выхода генератора опорной частоты 6 формирователь 8 начинает формировать импульсы положи тельной пол рности Т ; Т ; Т, Передними фронтами этих импульсов открываютс  элементы 19 и 20 дл  прохождени  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 по влением на S входах триггеров 13 и 14 двух положительных импульсов частот Fj и F на выходе д узла 7 по витс  логический нул на врем , равное длительности импуль са частоты ff,, поступающего на элементы 16 и 17. В это врем  выход е, узла 7 остаетс  в состо нии логической единицы. Тем caMfcjM обеспечиваетс  приоритет операции суммировани  перед операцией вычитани  в реверсивном счетчике 9, поскольку выходы ,д и , эле ментов 19 и 20 подключены непосредственно ко входам счетчиков 9 и 10. На фиг. 3 условно прин то, что пе реброс триггеров в обратное состо ни и считывание импульсов счетчиками 9 и 10 происходит по отрицательным фронтам импульсов. Пусть на первый триггер 13 посту пает положительный импульс частоты Р , чем на второй триггер 14 поступает импульс частоты F (фиг.ЗХ Т2 - первые импульсы) . Элемент 16 от крых дл  инвертировани  импульсов с выхода генератора 6. На выходе л узла 1 по вл етс  импульс (фиг.Зд) длительностью равной длительности им пульса частоты fj, , Импульс (фиг.Зд первый импульс) записываетс  на суммирование в счетчиках 9 и 10. Импульс (Зв) инвертируетс  инвертором 15. Отрицательным фронтом этого импульса триггер 13 перебрасываетс  счетному входу в противоположное состо ние. На неинвертирующем выходе триггера 13 по вл етс  логический нуль. Элемент 16 закрываетс .Элемент 17 открываетс  по входу, св занному с инвертирующим вв кодом триггера 13 При наличии на S входе триггера 14 положительного импульса частоты F2 на выходе элемента 17 г по вл етс  импульс длительностью равной длительности импульса частоты fj, (фиг.Зг - первый импульс). Этот импульс через инвертор 18 и элементы 20 и 19 поступает на счетный вход счетчика 9, где записываетс  на вычитание и на счетный вход счетчика 10, где суммируетс  с первым пришедшим импульсом. На фиг. Зд,е показаны импульсные последовательности, записываемые счетчиками 9 и 10. Аналогичным образом раздел ютс  сигналы с частотами и F.2. в случа х , когда импульс частоты F2. поступает на S вход триггера 14 раньше, чем на S вход триггера 13 поступает импульс частоты F . Однако во всех случа х импульс частоты f , соответствующий импульсу частоты F на выходах д и е, по вл етс  раньше импульса частоты fj, , соответствующего импульсу частоты Fj. (фиг.3в,г). Таким образом измерительный частотный преобразователь основан на гетеродинировании высоких частот f и f2 генерации автогенераторов с последующим вычислением параметров Р и Т° путем подсчета импульсов частот ff и fjj, за определенные интервалы времени Т , 1, Т, Т . Путем гетеродинировани  можно достичь полезной девиации частоты пор дка 100%, однако практически достаточно преобразовать спектр сигнала до полезной девиации пор дка 50% относительно начальных частот FQ и FOZ Подобного рода перенос спектра в сторону более низких частот позвол ет значительно уменьшить число разр дов счетчиков 9 и 10 и оперировать непосредственно с частотным сигналом, а не с его кодом, как это делаетс  в известном преобразователе . Следовательно, устранением промежуточного частота-код преобразовани  и значительным уменьшением числа разр дов счетчиков путем генеродинировани  высоких частот колебаний f и f g. повышаетс  точность измерени  параметров Р и Т . Отсутствие в предлагаемом преобразователе таких сложных узлов, как вычислительного устройства, реализующего функцию перемножени  вектора сигнала исследуемых параметров на обратную матрицу коэффициентов (5) и запоминающего устройства, в котором хранитс  обратна  матрица коэффициентов (5), значительно упрощает предлагаег.1ый преобразователь по сравнению с известными решени ми и дает возможность использовать его при построении автономных телеметрических систем обработки ин формации. Формула изобретени  Измерительный частотный преобразователь , содержащий двухпараметровый частотный датчик, выходы которо го соединены с входами первого и второго автогенераторов и два ревер сивных счетчика, отличающи с   тем, что, с целью повышени  точности измерени  исследуемых параметров , в него введены источник эталонной частоты, первый и второй смесители, блок разделени  сигналов и формирователь временных интервалов , причем выходы первого и второго автогенераторов через соот .ветствующие смесители подключены к блоку разделени  сигналов, выходы источника эталонной частоты соединены с входами первого и второго смесителей , блока разделени  сигналов и формировател  временных интервалов , выходы которого подключены к управл ющим входам блока разделени  сигналов, а его выходы соединены с соответствующими информационными и управл ющими входами первого и второго реверсивных счетчиков. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 558189, кл. G 01 L 9/08, 1975.
2. 2.Авторское свидетельство СССР по за вке 2717368, кл. G 01 К 7/32, 04.01.79 (прототип).

   Р,Г

   Ч

   Код Р /.

   Код Г