Частотный измерительный преобразователь

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ1972263Опубликовано 07.11.82. Бюллетень 41Дата опубликования описания7.11.82 ло делам изобретеиий и открытий(54) Ч стотдвух ходы го и вных перИзобретение относится к технике измерения неэлектрических параметров и может быть использовано при построении быстродействующих телеметрических систем, предназначенных для высокоточного контроля в одной точке исследуемого объекта пара метров давления и температуры.Известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьезорезонатора, укрепленных на торцовом упругом элементе и подключенных к двум автогенераторам, два преобразователя частота в к, вычислительный блок и запоминаюшее устройство, причем выходы автогенераторов подключены к вычислительному блоку, соединенному с запоминаюшим устройством 1.Известное устройство позволяет проводить одновременные измерения параметров давления и температуры в одной точке, однако имеет недостаточчую точность измерения. Известен также измерительныи ч ный преобразователь, содержаший параметровый частотный датчик, вь которого соединены с входами перв второго автогенераторов, два реверс счетчика, источник эталонной частотьвый и второй смесители, блок разделения сигналов и формирователь временных интервалов, причем выходы первого и второго автогенераторов через соответствующие смеси- тели подключены к блоку разделения сигналов, выходы источника эталонной частоты соединены с входами первого и второго смесителей, блока разделения сигналов и формирователя временных интервалов, выходы которого подключены к управляющим входам блока разделения сигналов, а его выходы соединены с соответствуюшими информационными и управляющими входами первого и второго реверсивных счетчиков 2. Известный преобразователь позволяет определять медленно меняющиеся параметры давления и температуры, однако при измерении быстрых температурных изменений точность измерения крайне мала, что объясняется высокой температурной постоянной времени кварцевых резонаторов, используемых в качестве чувствительных элементов, Температурная инерционность кварцевых резонаторов - физическое свойство материала кварца, поэтому в достаточной мере не может быть уменьшена непосредственно.-К,) ), К ;,;,Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является частотный измерительный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик, первый и второй автогенераторы, входы которых соединены с выходами частотного датчика, а выходы подключены к входам двух смесителей, первый и второй преобразователь частоты, делитель, вход которого соединен с выходом первого смесителя, а выход - с первым входом третьего смесителя, опорный генератор, выход которого соединен с вторым входом третьего смесителя, причем преобразователь частоты соединен соответственно с вторым и первым смесителем 3) .Известный преобразователь не обеспечивает требуемой точности при повышении его быстродействия. Цель изобретения - повышение точности при измерении быстрых изменений температуры,Поставленная цель достигается тем, чтов частотный измерительный преобразователь, состоящий из двухпараметрового частотного датчика, первого и второго автогенераторов, входы которых соединены с выходами двухпараметрового частотного датчика, а выходы подключены к первым входампервого и второго смесителей, двух преобразователей частоты, входы которых подключены к выходам первого и второго автогенераторов, а выходы - соответственно к вторымвходам второго и первого смесителей, делителя частоты, соедицецного с выходом первого смесителя, и соединенных последовательно опорного генератора и третьего смесителя, введены соединенные последовательно линия задержки, фазовый детектор, дифференциатор и сумматор, причем выход делителя подключен к линии задержки, к второму входу фазового детектора и к второмувходу сумматора, выход которого соединен свторым входом третьего смесителя.На фиг, 1 показана функциональная схема частотного измерительного преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы,поясняющие принцип повышения точностиизмерения температуры при быстрых ее изменениях.Частотный измерительный преобразова.тель состоит из двухпараметрового частотного датчика 1, первого 2 и второго 3 автогенераторов, подключенных к датчику .Входы первого 4 и второго 5 преобразователей частоты соединены соответственно свыходами первого 2 и второго 3 автогенераторов. Входы первого смесителя 6 соединеныс выходами первого автогенератора 2 и второго преобразователя 5 частоты. Входы второго смесителя 7 соединены с выходами второго автогенератора 3 и первого преобразователя 4 частоты. Вход делителя 8 подключен к выходу первого смесителя 6. Входлинии 9 задержки подключен к выходу делителя 8. Входы фазового детектора 10 соединены с выходами линии 9 задержки и делителя 8. Выход фазового детектора 10 подключен к входу дифференциатора 11, выход которого соединен с входом сумматора 2, второй вход которого подключен к выходу делителя 8. Один вход третьего смесителя 14 соединен с выходом сумматора 12, а другой вход смесителя 14 подключен к опорному генератору 13. Крооме этого, двухпараметровыЙ частотный датчик выполнен в виде двух кварцевых резонаторов 15 и 16 (фиг. 1).Частоты на вьходах автогенераторов вслучае, когда один из коэффициентов силочувствительности отрицателен (что обеспечивает высокую точность определения параметров Р и Т) могут быть записаны в виде Где о, 2 начальные частоты генерации;а., вд 2 кэффициецттермочувствительности;а , а -- коэффициснты сцлочувствительности.Вычтя из первого уравнения второе, умноженное на коэффициент К, который выбирается таким образом, чтобы в результате вычитания вза и моуничтожил ись сгагае мые, содержащие параметр Т ЦРИ ЭТОМ ПОЛХссннас РИЗНОС Ц;Я асти ас. (Р) линейно зависит От па)а "Ст)з Р.З 5Г (Р) = (а+Ка 2)Р (2,Сложим первое уравнецие со вторым, умцженцым на коэффициент К который выбирается таким образом, чгобы слагаемые, 40 содержащие параметр Р, в рсзхгьтате сл 1 жения взаи хОх ничтожились ЕСЛИ ПОСЛЕ ЭТОГО НайтИ СРЕДНЮЮ сас 1 ОУ 45суммы двух частот р --- (К+г 2). а затем гетеродинировать ее в область более низких частот г(Т") = Т,Р-ТО, можно получить результирующгую низкую частоту, линейно зависящую от параметоа Т с коэффипиен- ГОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ - 2- (К, с 11,Г ( 1=,-(К,аа) Т 1) Таким образом, получают два 1 ецрерыьНЫХ 1 аСТОТНЫХ ГИ На 1 а КЗРК,1 ЯЯ иНс КОтОрЫХ (2) И (3) ЗацИСИ ЗО.ЬК Одгцч 55из исследуемых аам"тОв.При измерении быстрых измецений параметров дазления выходная часто, ),;Р) в силу высоких упругих свойств кварцевых резонаторов линейно измсцяезся ца выходе.преобразователя. Однако при измерении температуры, изменяюшейся сравнительно быстро, выходная частота Гг(Т) изменяется по закону, определяемому постоянной времени инерционного температурного звена резонатора. При этом появляется значительная погрешность измерения в динамике, которая может быть существенно уменьшена.При скачкообразном изменении температуры частота генерации изменяется по закону интегрирующего звена. Если постоянная интегрирующего звена известна и выходную функцию интегрируюшего звена продифференцировать с той же постоянной времени (сигнал с выхода интегрирующего звена подать на диффренцирующее звено), то 15 суммарная функция двух сигналов с выходов интегрируюгцего и дифференцируюшего звеньев равна функции изменения температуры на входе интегрирующего звена.Частотный измерительный преобразователь работает следуюшим образом. ОИзменение информационных параметров вызывает изменение частот генерации Е, и Е, связанных с исследуемыми параметрами соотношения (1). Первый 4 и второй 5 преобразователи частоты преобразуют частоты5 Е,и Е 2 соответственно в Кг Е, и К 2 Е 2. Операция преобразования частот может быть аналоговой или импульсной. В последнем случае к последовательности импульсов добавляется (или отнимается) определенное число импульсов, определяемое коэффициентами преобразования К 1 и К. Частоты Е, и К 2 Е подаются на первый смеситель 6. На пь 1 ходе смесителя 6 в аналоговой или импульсной форме выделяется суммарная частота Е,+К 2 Е, которая затем делится с коэффициентом и = 2 в делителе 8. Сред- З 5 няя частота Е = (Е,+К 2 Е) зависит только от температурного параметра Т (3).Сигналы с частотами Е и К, Е 2 подаются на входы второго смесителя 7, на выходе 4 которого выделяется разностная частота. Полученная частота зависит только от параметра Р.Сигнал средней частота Е (1) с выхода делителя 8 подается на один из входов фазового детектора 10. На другой вход фазового детектора 10 подается задержанный сигнал средней частоты Е,р(Е - т) На выходе фазового детектора выделяется напряжение, пропорциональное разности фаз между задержанным и прямым сигналами.При изменении частоты на выходе дели теля 8 изменяется напряжение на выходе фазового детектора 10. Таким образом, преобразуется в напряжение функция изменения частоты колебаний. Напряжение, пропорциональное разности фаз между задержанным и прямым сигналами, фактически пропорциональное функции изменения частоты, подается в дифференциатор 11, постояннаявремени дифференцирования в простейшем случае равна постоянной времени эквивалентного звена кварцевого резонатора по температуре. Дифференцированное напряжение с выхода дифференциатора 11 подается на сумматор, который выполнен е виде преобразователя напряжение - частота и смесителя частот с выделением суммарной частоты. На второй вход сумматора подается сигнал с выхода делителя. Суммарная частота в идеальном случае изменяется по закону изменения функции изменения температуры. В двух случаях, при использовании апериодических звеньев, функции изменения частоты и температуры показаны на фиг. 2. Сигнал высокой частоты с выхода сумматора 12 подается на один из входов третьего смесителя 14, на второй вход которого подается сигнал опорной частоты Ео.Таким образом, на выходе частотного измерительного преобразователя получают две частоты, каждая из которых зависит только от одного исследуемого параметров, причем точность измерения быстроизменяюшейся температуры существенно повышается введением новых узлов и связей. Погрешность инерционности при измерении температуры может быть уменьшена на порядок и более.Предлагаемый частотный измерительный преобразователь может найти широкое применение в разработках перспективных телеметрических систем высокого быстродействия, предназначенных для одновременного измерения параметров давления и температуры в одной точке.Форму.га изобретенияЧастотный измерительный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик, первый и второй автогенераторы, входы которых соединены с выходом двухпараметрового частотного датчика, а выходы подключены к первым входам первого и второго смесителей, два преобразователя частоты, входы которых подключены к выходам первого и второго автогенераторов, а выходы - соответственно к вторым входам первого и второго смесителей, делитель частоты, соединенный с выходом первого смесителя, и соединенные последовательно опорный генератор и третий смеситель. отличаюиийся тем, что, с целью повышения точности при измерении быстрых изменений температуры, в измеритель введены соединенные последовательно линия задержки, фазовый детектор, дифференциатор и сумматор, причем выход делителя подключен к линии задержки, к второму входу фазового детектора и к второму входу сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего смесителя.972263 2. Авторское свидетельства по заявке2843216/18-10, 1979.3. Авторское свидетельство СССР по заявке3224607/18-10, кл. 6 01 К 7/32, 1980 (прототип). СоставительТехред И. ВересТираж 887ПИ Государственногоделам изобретенийМосква, Ж - 35, РаушП Патент, г, Ужгор Редактор Н. КешеляЗаказ 7880/28ВНИИ ороль 113035,лиал ППд. 4/5оектная,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР77482, кл. Ст О 1 К 7/32, 1978. ГоршковаКорректор НПодписноемитета СССРоткрытийая наб.,ул. Пр 4