Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля

СОЮЗ СОНЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК ЯО 2 И 1 4 0 01ЕНЙЯ:.ЪгИСА ОБР МЕРИТЕЛЬНОГО ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Харьковский авиационный инстиВтут им. Н.Е. Жуковского(56) Авторское свидетельство СССРВ 1015267, кл. а 01 К 7/32, 1982Авторское свидетельство СССРУ 1307246, кл. 0 01 К 7/32, 16,12,8(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГОИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ В ЛОКАЛЬНОМ ОБЪЕМЕ ИЗПОЛЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет ловысить надежность систем одновременного контроля нескольких Физическихвеличин за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одного или нескольких измерительных каналов. Воздействие измеряемых параметров приводит к изменению частотшести пьезокварцевых резонаторов 2 иавтогенераторов 3, сигналы с которыхпоступают на смесители 4 и далее на преобразователи частота - код 5 и вычис14 28947 лительный блок 7. Сигналы с выходакаждого из смесителей 4 поступаюттакже на вход соответствующей цепочки, состоящей из последовательно соединенных полосового Фильтра 9, амплитудного детектора 1 О, Фильтра низкихчастот 11 и Формирователя 12 прямоугольных импульсов. Сигналы на выходе последних указывают на работоспособность (логическая единица) либонеисправность,(логический нуль)данного измерительного канала, Выходы Формирователей 12 связаны с Изобретение относится к измерительной технике,может быть использовано при построении высоконадежных систем одновременного контроля нескольких Физических величин в локальном объеме измерительного поля :" являетсяусовершенствованием устр.,:ьтва поосновному авт. св. В 130746,Цель изобретения .- повышение надежности за счет обеспечения работоспособности при выходе из строяодного или нескольких измеритедьныхканалов,На Фиг, 1 показана Функциональная схема устройства,цля одновременного измерения температурыцавления и ускорения в локальном объемеизмерительного .поля, на Фиг. 2Функциональная схема дополнительныхцегочек и шиФраторов.Устройство для одновременного из -мерения температуры и давления (атакже ускорения) в локальном объеме25измерительного поля содержит трехпараметровый чувствительный элемент(датчик) 1 с шестью кварцевыми резонаторами 2, подключенными к соответствующим автогенераторэм З,шестьцепочек, каждая из которых состоитиз последовательно соединенных авто-.генераторов 3, смесителя 4 и преобразователя 5 частота - код, опорньп.генератор 6, связанный с вторыми входами смесителей 4 и преобразователей 355 частота - код, при этом каждый изШести частотных каналов, состоящих входами шиФратора 13, выход и дополнительный вход которого соединенысоответственно с входом и выходомвычислительного блока 7. ШиФратор13 вырабатывает двоичный код, отражающий работоспособность измерительных каналов, На основании этого кодав вычислительном блоке 7 реализуетсяосновной или один из вспомогательныхалгоритмов обработки сигналов с преобразователей частота - код 5 в соответствии с хранящейся в блоке памяти 8 инФормацией.2 ил. из автогенератора 3, смесителя 4 ипреобразователя 5 частота - код, связаны входом и выходом с вычислительным блоком 7, который соединен входом и выходом с блоком 8 памяти. Кроме того предлагаемое устройство содержит шесть цепочек, состоящих каж,цая из последовательно соединенныхполосового Фильтра 9, амплитудногодетектора 10, Фильтра 11 низких частот и Формирователя 12 прямоугольныхимпульсов и связанных входом и выходом соответствующего смесителя 4, авыходом - с входом шиФратора 13, дополнительный вход и выход которогосоединены соответственно с выходом ивходом вычислительного блока 7.Фильтры 11 низких частот собраьъ (Фиг, 2 1 на В 1 Р 6, С 1 С 6,Формирователи 12 прямоугольных импульсов собраны на 02.102.6, шиФратор состоит из собственно схемышиФратора, собранной на Р 4,2, 35,2,и схемы дешифратора ацреса, собранной на РЗ, Т)4.1, 1)6,1,Устрой с тво работа ет следующим об - разом.Воздействие измеряемых температуры Т(Х,) , давления Р(Х) и ускорения д(Х) на трехпараметровый чувствительный элемент 1 с пьезокварцевыми резонаторами 2 приводит к изменению резонансных частот последних, а следовательно, к изменению частот на выходах автогенераторов 3, Сиги- лы с выходов автогенераторов 3 по25 з 14289 ступают на первые входы соответствующих смесителей 4. На вторые входы смесителей 4 поступают сигналы частоты Г с выхода опорного генератора 6. На выходах смесителей 4 имеются низкочастотные сигналы Г Е Рфф йр которые поступают на соответствующие преобразователи 5 частота - код, на выходе которых приобретают кодовую 10 (цифровую) форму, и на входы соответствующих полосовых фильтров 9Двухвходовый преобразователь частоты в код представляет собой обычный электронносчетный частотомер, 15 который за определенный интервал времени, определяемый частотой опорного генератора, подсчитывает количество импульсов измеряемой частоты.Сигналы с выходов смесителей 4 20 поступают на входы соответствующих полосовых фильтров 9Полоса пропускания каждого полосового фильтра 9 выбирается такой, чтобы перекрыть весь возможный диапазон рабочего измерения частоты соответствующего смесителя 4, обусловленной любой возможной комбинацией воздействующих на трехпараметровый чувствительный элемент 1 измеряемых температуры Т(Х,), 30 давления Р(Х) и ускорения д(Х) из их диапазонов изменения (Х1 ММн . Х, ) (1 = 1,3), После детектирования амплитудными детекторами 10, прохождения сигналов через низкочастотные фильтры 11 и формирователи 12 прямоугольных импульсов на выходе последних имеются либо логические единицы, если все частотные каналы работоспособны или частоты на выходах смесителей находятся в вполе допуска(в полосе пропускания полосовых фильтров 9), либо на одном или нескольких выходах формирователей 12 прямоугольных импульсов устанавливаются логиче ские нули. Выходы формирователей 12связаны с входами шифратора 13. Шифратор преобразует код, образованный нулями и единицами формирователей 12 и двоичный код номера ситуации. При этом предусмотрена следующая кодировка возможных ситуаций, 000 -все частотные каналы исправны; 001 - вьппел из строя элемент или узел первого частотного канала; 010 - вьппел из строя 5-55 элемент или узел второго частотного канала; 011 - вышел из строя элемент или узел третьего частотного канала;100 - вышел из строя элемент или узел 474четвертого частотного канала; 101 вышел из строя элемент или узел пятого частотного канала, 110 - вьппел из строя элемент или узел шестого частотного канала.Адрес блока может быть жестко задан распайкой свободных ножек элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ РЗ на +Е или на землю. При появлении на шине адреса ЭВМ адреса блока срабатывает схема дешифрации РЗ, Р 4.1, Р 6,1 и на элементы шифратора Р 4.2, Р 5.2 поступает сигнал разрешения, по которому на шину данных ЭВМ выдается двоичный код(сигналы Х Х , Х ). Если все каналы в допуске, то код будет 000. Если какой-либо из каналов вьппел из допуска, то. амплитуды сигнала на выходе соответствующего полосового фильтра 9 не хватит для срабатывания амплитудного детектора 10На его выходе устанавливается сигнал "Лог. 0". При этом и на соответствующий вход шифратора поступает сигнал "Лог. 0" и при запросе ЭВМ шифратор 13 выдает на шину данных двоичный код, соответствующий номеру вышедшего из строя канала. Приведенная схема шифратора Р 4.,2,Р 5.1, Р 5.2 работает при выходе изстроя только одного из каналов. Еслиже необходимо работать при выходе изстроя двух или более каналов, то онаможет быть соответствующим образомизменена.1 Предварительно для каждой из возможных ситуаций (работоспособы всечастотные каналы, неработоспособенодин или несколько каких-то частотных каналов) определяются элементыобратной матрицы А и различных,соответствующих различным ситуациям,.+псевдообратных матриц А . Коды элементов этих матриц хранятся в определенных ячейках (зонах) памяти блока 8 памяти.Работой устройства для одновременного измерения температуры, давления и ускорения в локальном объемеизмерительного поля управляет вычислительный блок 7, который связан сблоком 8 памяти, преобразователями 5частота - код и шифратором 13 подвухшинной системе,Многопараметровый (в предлагаемом устройстве трехпараметровый)ме1428947 6 тод измерения основан на совместном использовании нескольких многопараметровых выходных сигналов автогенераторов, кварцевые резонаторы котоФрых включены в трехпараметровый чувствительный элемент. Эти выходные многомерные сигналы с автогенераторов различным образом зависят от одних и тех же измеряемых физических величин ТХ,), Р(Х ), (Х ), и благодаря возможности варьировать в широких пределах избирательность кварцевых резонаторов (коэффициенты чувствительности измеряемым Физическим параметром) образуют систему из шести линейных независимых уравнений, + а,з (Х-Хзо + 4(Х-Х,о ) (Х-Х 2 о(2) где К, - коэффициент взаимного влия;ения 1-го измеряемого параметра на соответствующий коэффициент чувствительности а; О Оа а, а О о Оа, аа,(4) о о о а 6, абоабб Р - вектор частот с автогенеАратора,55А- матрица, обратная матрицепреобразователя где а, (1 = 1,6, 1 = 1,3) - коэффициентй термо-, тензо-, массочувствительности кварцевых резонаторов;оа (х = 1 б,1 =4,6) - коэффициенты смешанных чувствительностей;Х ХО Хэ - измеряемые температура, давление и ускорение;Х о Х о Х зо - координаты реперной точки Хо, в которой определялись коэффициенты чувствительностиа(1. = 1,61 = 1,6)1,6) - начальные частоты Наличие первичных многомерных сигналов с автогенераторов (1) позволяет сформировать из них информационные сигналы о каждой иэ измеряемых величин Х - Х=АР (з) где Х - Х - вектор измеряемых физических величин Х,(Т), Х(Р), ХЯ), Хд(Т.Р) Х (Т,8) Х 6(Рд) автогенераторов или частоты автогенераторов в реперной точке.В выражениях системы (1) учтено имеющееся на практике взаимное влияние измеряемых параметров на соответствующие коэффициенты чувствительности, т,е. температуры на тенэо- и массо- чувствительность, силы на термо- и массочувствительность ускорения на термо- и тенэочувствительность которое выражается в первом приближении в виде. В нормальном режиме работы устройства под действием на трехпараметровый чувствительный элемент измерительных температуры, давления и ускорения изменяются резонансные частоты кварцевых резонаторов, а следовательно, и частоты автогенераторов в соответствии с выражениями (1). Сигналы с частотами Г , Г , , Г с выходов автогенераторов поступают на первые входы соответствующих смесителей, на вторые входы которых поступает сигнал частоты Г с опорного генератора, в результате чего на выходах смесителей имеются низкочастотные сигналы вида(10) Эти сигналы поступают на входы соответствующих преобразователей частота. У = а (Х,-Х, ) + а, (Х, -Х ) где У - вектор сигналов с преобразователя частота - код. С выходов преобразователей частота - код сигналы 1 поступают в вычислительный блок, где происходит перемножение вектора сигналов 1 на обратную матрицу коэффициентов преобразования А(Х - Хд)" = А У, (8) вызываемую из блока памяти. В результате получается оценка (Х-Х, )" м(Х-Х Д ,одновременно действующих на многопараметровый чувствительный элемент измеряемых физических величин Х Х, Х. В этом режиме, когда все элементы и узлы (кварцевые резонаторы, автогенераторы, смесители, опорный генератор всех частотных каналов) работоспособы, оценка измеряемых физических величин, определяемая согласно (8), оказывается точной, поскольку погрешности определяются лишь конечной разностью преобразователей частота - код, конечностью разрядной сетки вычислительного блока и в меньшей степени нестабильностью которЫми она определяется единственным образом. Важным качеством псевдо- обратной матрицы Мура А является то, что она существует для любой матрицы А и поэтому, получая оценку параметров Х - Х по формулеХо +гдв У, - вектор частот не выш дщихиз строя частотных каналов, можноне сомневаться в существовании иединственности решения недоопредекод, на выходе которых приобретаюткодовую (цифровую) форму 15 частот рабочих и опорного автогенераторов. В случае, когда выходят из строяодин или несколько частотных каналов, 20 либо частоты одного или несколькихавтогенераторов находятся не в допуске, более целесообразно не использовать информацию иэ неработоспособных частотных каналов, т.екоэффициенты 25 чувствительности и частоту, соответствующие неработоспособному частотному каналу, В этом случае исходная матрица преобразования А становится прямоугольной Аразмера ( и ( 6), а 30 матричное уравнение Х - Хо = А Уимеет бесчисленное множество решений, поскольку число неизвестных в (1).становится больше числа уравнений в (1)., Одним из способов уменьшения трудностей, связанных с некорректностью возникающей задачи, является использование псевдообразных матриц А . Матрица А - не единствен+ная для данной А+, Однако из всех воз можных псевдообратных матриц А .представляет наибольший интерес матрица Мура, обозначаемая А и обладающая свойствами ленной системы уравнений. Получаемаемая таким образом оценка (9) является наилучшим приближенным решением (по методу наименьших квадратов)матричного уравнения А+ Х = Ъ. Матрица Мура+ , псевдообратнаяк А,имеет следующее разложение428947 1 О и тпР 5РЛЛ 7159 Л оставитель Е. Рязанце Техред М,Дндык Корректор А.Обруч дакт а аказ 5114/37 Тираж 607 ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб, ПодписноеСР/5 Производственно-и еское предприятие, г. Ужгород, ул, Прое собственные векторы симметричных матриц, А А и А Асоответственно,сингулярные числа матрицыА индекс Т означаеттранспортирование.Таким образом, используя в предлагаемом устройстве при выходе из строя одного или нескольких частотных каналов или нахождение частот соответствующих автогенераторов не в допуске соответствующие псевдо- обратные матрицы, можно существенно повысить надежность устройства. Формула и з о б р е т е н и я Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля по авт. св, У 1307246, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышення надежности за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одно" го или нескольких измерительных каналов, введены шифратор и шесть цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных полосового фильтра, ампли тудного детектора, фильтра низких частот и формирователя прямоугольных импульсов, причем входы полосовых фильтров связаны с выходами смесителей, а выходы формирователей прямоугольных импульсов - с входами шифратора, выход и дополнительный вход которого соединены соответственно с входом и выходом вычислительного бло ка