Двухпараметровый частотный измерительный преобразователь

Союз .СоветсиикСоциалистически кРеслублыи ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п 900126(22)Заявлено 29.05.80 (21) 2933534/18-21с присоединением заявки ЭЙ -(51) М. Кд. С 01 К 7/32 //Н 03 К 13/20 Ьеудерстванный квинтет СССР ае делам нзобретеннй н открытнй) Авторы изобретения ститут,Харьковский ордена Ленина авиационный им. Н. Е. Жуковского(71) Заявител 4) ДВУХПАРАМЕТРОВЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ натора менте,ом эл крепленных на нерато та - к поминающее устр автогенераторов преобразователе ды которых подк ному блоку, сое ричем выходыны к входам ство,одключ од, выхочастот чены к пенном вычислительс запоминаюИзобретение относится к приборостроению и может быть использовано припостроении частотных систем управления и одновременного контроля двухпараметров, в частности силового воздействия и температуры,Известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьезорезонатора, укрепленных на торцевыхвыступах упругого кольца и подключенных к двум автогенераторам.10Измеряемое усилие прикладывается купругому элементу в виде кольца, а закрепление резонаторов на кольце диф ференциально по отношению к прилагаемому усилию 1.Однако, известное устройство непозволяет проводить одновременныеизмерения давления и температуры,хотя в значительной мере устраняеттемпературную погрешность.Наиболее близким к изобретениюявляется пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьезорезоподключенных к двум автогем, два преобразователя часто вычислительный блок и защим устройством 21.Однако известное устройство, позво ляющее производить одновременные измс рения температурных и силовых воздействий на исследуемый объект, имеет недостаточную точность измерения вследствие влияния приращения коэффициентов сило- и термочувствительностей при измерении.Кроме того, в известном устройстве необходимая точность .змерения может быть достигнута при использовании вЫ- сокоразрядных преобразователей частота - код, однако пробного рода ус-ложнения приводят к уменьшению надеж 3 900 ности схемкой реализации, повышению числа сбоев за одно измерение и, сле" довательно, снижению точности измерения параметров,Цель изобретения - повышение точности измерения исследуемых параметров. 126 4,мента И, выход которого соединен свторыми входами первого и второгоключей. На чертеже показа"а функциональная схема двухпараметрового частотного измерительного преобразователя, Указанная цель достигается тем, что в двухпараметровый частотный изме-О рительный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик, оба выхода которого подключены к входу своего автогенератора, и два преобразователя период - код, выходы которых соединены с первым и вторым входами вычислителя, введены дополнительный вычислитель, первый и второй смесители, источник опорной частоты, блок разделения сигналов, формирователь временных интервалов, первый и второй счетчики, первый и второй ключи, первый и второй делители, первый и второй блоки сравнения и элемент И, причем выходы обоих автогенераторов 25 через смеситель и блок разделения сигналов подключены к входам соответствующих счетчиков, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами основного и дополнительного вычислитеи лей, соответственно, а выход источника опорной частоты подключен к вторым входам первого и второго смесителей, к третьему входу блока разделения сигналов и к первому входу формирователя временных интервалов, первые четыре выхода которого подключены к установочным входам блока разделения сигналов, пятый и шестой выходы Формирователя временных интервалов соединены соответственно с третьим и четвертым входами дополнительного вычислителя, а седьмой и восьмой выходы соединены с пятым и шестым входами дополнительного вычислителя и с вхо 45 дами первого и второго делителей соответственно, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам основного вычислителя, выходы первого и второго смесителей50 соединены также с входами первого и второго преобразователей период - код оба выхода основного вычислителя через первый и второй ключи подключены соответственно к вторГ,у и третьему55 ,входам формирователя временных интервалов, а два выхода дополнительного вычислителя через первый и второй блоки сравнения подключены к входам элеДвухпараметровый частотный измерительный преобразователь состоит из двухпараметрового частотного датчика 1, автогенераторов 2 и 3, смесителей 4 и 5, предназначенных для выделения разностных частот Е и Е из сигналов высоких частот генерации К,1 и Е и сигнала опорной частоты К, поступающего с выхода источника 6 опорной частоты на смесители 4 и 5, блок 7 разделения сигналов, который предназначен для разделения во времени импульсов частот Г;1 и Г с целью предотвращения сбоев в моменты совпадения фронтов импульсов, формирователь 8 временных интервалов, служащий для формирования одиночных импульсов определенных длительностей по внешнему сигналу из импульсов опорной частоты/ поступающих с выхода источника 6, преобразователи 9 и 10 период - код, которые предназначены для преобразования в коды периодов частот Р 1 и Е с выходов смесителей 4 и 5, счетчик 11 для выполнения Функции преобразования в двоичный код информации о измеряемом параметре Т , счетчик 12 для преобразования в двоичный код информации о измеряемом параметре Р, вычислитель 13, ключи 14 и 15, предназначенные для пропускания сигнала коррекции временных интервалов на формирователь 8 с выхода вычислителя 13, вычислитель 16 предназначенный для вычисления сигнала ошибки измерения по каждому из измеряемых параметров, делители 17 и 18, которые позволяют из кодов интервалов 1 Т иТ получать коды чисел 1"1, и, блоки 19 и 20, которые сравнивают полученные сигналы ошибок по каждому из параметров с допустимым уровнем и, в случае если ошибка незначительна, выдают сигнал на элементы 21 И, Двухпараметровый частотный датчик выполнен в виде двух резонаторов 22 и 23 (кварцевых ЕС среза), вычислитель 13 - в виде двух умножителей 24 и 25, а вычислитель 16 - в виде двух блоков 26 и 27 вычитания и двух умножителей 28 и 29.900126 где РЕлО а,л л 2 ЬЕл = аР + ал 2 Т оЕ = а 2 л Р + аТ См СЮР = ьГ -- р Ь 1 Ь 2=-ТЕ+ТЕ 5Двухпараметровый частотный измерительный преобразователь работает следующим образом.Сигналы высоких частот генерации и .2 с выходов автогенераторов 2 и 5 Э поступают в смесители 4 и 5 соответственно, где смешиваются с сигналом опорной частоты 1 О, посзнающим на смесители 4 и 5 с выхода источника 6 опорной частоты, в результате чего 10 выделяются разностные частоты Е и Е ..Используемые в качестве чувствительных элементов кварцевые резонаторы 1 С среза имеют линейные зависимости частот резонансов от температурных 15 и силовых воздействий; оЕ 2- а 2,Р + а,тт + Е 20/ ои Т - измеряемые параметры; и Е - частоты генерации при2 оначальных условиях; и а - коэффициенты силочув-глствительности; и а - коэффициенты термогчувствительности. Систему уравнений (1) можно преобразовать следующим образом: После этого записываем обратноепреобразование где Ь= а 1 л а- а, а. Коэффициенть термо- и силочувстви тельностей, деленные на детерминанты,имеют размерность соответственно Н/Гц.и град/Гц, что дает возможность пе -рейти от системы уравнений (3) к сле-,дующей системе; 50 55где ТЛ, Т 2, Т и Т, - времена измере 422ния соответствующих частот ТлЯ, Дь фд Реальные коэффициенты силочувствительности а и а и термочувствительности а и аЛ кварцевых резонаторов зависят от измеряемых параметров Р и Т соответственно.С учетом этого, введя соответСтвующие обозначения относительных отклонений приращений С 1 Л и с( частот Е и Е появляющихся в результате изменений коэффициентов сило- и термочувствительности, получаем:ТР Г Р6,-1 4 Ч 2. р,2Р - Т Е (1 +.1 л)Т Е (1 + д) Т = -Т,Е (1 + дл)+Т 4 Е (1 + дг)(5) Отсюда видно, что равенства могут быть выполнены не только в результате изменения частот Е, и Ц , а также в результате измерений времен измерения частот Т 1, Т, Т. ТИз полученной системы уравнений ,(5) находим параметры ошибок измередТГ - б Т 2 2,;1,6)бл т Г,г дт 4 Р Непосредственно перед началом измерений по известным коэффициентамсило- и термочувствительностей рассчитываются времена Тл, Т- Т, Т,1 Т ,Т , 1 Т 1 в соответствии ссистемами (4) и (5) уравнений. Формирователь временных интервалов настраивается на формирование рассчитанныхвременных интервалов по внешней команде "Пуск". Рассчитанные интервалыформируются из импульсов опорнойчастоты Е, поступающих на вход фор,мирователя 8 с выхода источника 6опорной частоты.Преобразователь оценивает измеряемые параметры по интерполяционному принципу,Первый цикл вычисления сводится кнахождению параметров Р и Тиз системы линейных алгебраических уравнеоний (4) и оценке параметров (три бт.В течение времени Тл импульсы частоты Ел поступают на суммирование вреверсивн;.,: счетчик 11, а в течениевремени Т 2 импульсы частоты Е 2 поступают на вычитаюший вход реверсив-.ного счетчика 11. В результате вычитания двух импульсных последовательностей на выходе счетчика 119001 появляется двоичный код параметра Р. Аналогичным образом вычисляется двоичный код параметра Т . В этом случае импульсы частоты Г 2 в течение времени Т 4 поступают на суммирующий вход счетчика 12, а импульсы частоты Р 1 в течение времени Т поступают на вычитающий вход счетчика 2,Для совмещения во времени операций суммирования и вычитания, что, напри- О мер, при равных временах Т 1 и Т 2 повышает быстродействие в два раза в схеме введен блок 7 разделения сигналов, Блок 7 обеспечивает приоритет операции суммирования перед опе рацией вычитания в том случае, когда фронт импульса частоты Г 1 совпадает с фронтом импульса частоты Е и может пройти сбой информации. Для этих целей используются импульсы частоты Х 20 Совмещение во времени операций суммирования и вычитания значительно сокращает число разрядов счетчиков 11 и 12, что уменьшает аппаратурные затраты. 25 В соответствии с алгоритмом вычисления (4) приращение на единицу младшага разряда в двоичном коде соответствует приращению температуры и силы на 1 град и 1 Н. Следовательнопогрешность измерения температурысоставляет 1 град а погрешность вычисления силы составляет 1 Н. Дляуменьшения погрешности измерения35температуры в П раз, а силы в П 1 разнеобходимо увеличить времена измерения соответственно Т, и Т в 1 П раз,а Т в Т,1 в и раз,ЮПосле вычисления параметров Р и Т из системы линейных уравнений (Ц определяются поправки на времена измерений Т, Т,7, Ти Т 4 согласна алгоритму (5), Функцию вычисления вы 45 палняет основной вычислитель 13, который работает с двоичными кодамипараметров Р, Т , 1.1 , 12"2 Умножитель 24 вычислителя 13 позволяет получать на выходе двоичный код коэффициента с 1 . Умножитель 25 поз 50 валяет получать на выходе двоичный код коэффициента д. Полученные коэффициенты с выхода вычислителя 13 поступают на входы соответствующих ключей 14 и 15, Параметры 1 и55 необходимые для вычисления коэффициентов д и д, получаются в резуль ",ате деления кодов временных интерва 26 8лов , Т и 1 Т 4 на коды временных ийтервалов Т и Т 4 .В соответствии с алгоритмом вычисления (6) и с учетом соотношений (5) определяются параметры бр и б Функцию вычисления ошибок иэмере" ния выполняет дополнительный вычислитель 16, Блок вычитания 26 выделяет на выходе код разностного временного интервала 1 Т - 2 Т 2, аналогично на1 1 2.выходе узла вйчитания 27 имеем код разностного временного интервала 1 Т, - Ц Т,1. В соответствии с алгоритмом вычисленияполученные коды умножаются на коды параметров Т и Р, полученных после решения системы двух линейных алгебраических уравнений (4), умножителями 28 и 29. Таким образом, на выходах вычислителя 16 получаемО модули ошибок измерения бр и О коТ торые сравниваются в блоках 19 и 20 сравнения с заданными величинами бр 1ои Б и. В случае, если ошибка измерений больше допустимой, на выходах блоков 19 и 20 сравнения отсутствуют логические сигналы "Запрет коррекции" поступающие на элемент 21 И, на выходе которого имеется сигнал, открывающий ключи 14 и 15 дпя прохождения двоичного кода коэффициентов д и Й. на коррекцию временных интервалов Т, Тд Т и Т 4Сигнал "Запрет коррекции на выходе элемента 21 И появится в том случае, если погрешности измерения по обоим параметрам окажутся меньше допустимых.Первый цикл измерения параметров заканчивается коррекцией временных интервалов Т , Т , Т, и Т в соответствии с алгоритмом вычисления (5).Второй цикл вычисления протекает аналогичн с учетом скорректирован"ных времен. В том случае, если ошибка измерения па каждому из параметровменьше допустимой, на выходе элемента 21 И появляется сигнал "Запрет коррекции", а на выходах счетчиков 11 и 12 появляются двоичные коды иэмеояемых параметров. В противном случае измерительный цикл повторяетсяТаким образом, данный двухпараметровый частотный измерительный преобразователь позволяет измерять параметры Р и Т с высокой точностью, что особо важно при построении высоФкоточных систем контроля, Сравнительно небольшое число итерационных циклов, необходимых для получения требу емой точности измерениядва - пять циклов при изменении температуры от -100 С до +100 С и силы т 0 до ООН) позволяет считать предлагаемый измемерительный преобразователь достаточ 0 но быстродействующим, Время измерения исследуемых параметров при коэффициентах, принятых в расчете, равно примерно 8 мсек в одном цикле, следовательно время пяти циклов равно при 5 мерно 40 мсек, что определяет общее быстродействие измерительного преобразователя.20Формула изобретенияДвухпараметровый частотный измерительный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотныи датчик,25 оба выхода которого подключены к вхо1ду соответствующего автогенератора, и два преобразователя период - код, выходы которых соединены с первым и вторым входами вычислителя, о т л иф ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения исследуемых параметров, в него введены дополнительный вычислитель, два смесителя, источник опорной частоты, блок 35 разделения сигналов, формирователь временных интервалов, два счетчика, два ключа, два делителя, два блока сравнения и элемент И, причем выходы обоих автогенераторов через смеситель 40 и блок разделения сигналов подключены к входам соответствующих счетчиков,выходы которых соединены с первыми ивторыми входами основного и дополнительного вычислителей соответственно,а выход источника опорной частотыподключен к вторым входам первого ивторого смесителей, к третьему выходублока разделения сигналов и к первомувходу формирователя временных интервалов, первые четыре выхода которогоподключены к установочным входам блока разделения сигналов, пятый и шестой выходы формирователя временныхинтервалов соединены соответственнос третьим и четвертым входами дополнительного вычислителя, а седьмой ивосьмой входы соединены с пятым ишестым входами дополнительного вычислителя и с входом первого и второгоделителя соответственно,.выходы которых подключены соответственно ктретьему и четвертому входам основного вычислителя, при этом выходы первого и второго смесителей соединены также с входами первого и второго преобразователей период - код соответственно, оба выхода основного вычислителя через первый и второй ключи подключены соответственно к второму итретьему входам формирователя временных интервалов, а два выхода дополнительного вычислителя через первыйи второй блоки сравнения подключенык входам элемента И, выход которогосоединен с вторыми входами первогои второго ключей,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРУ 55889, кл. С О Ь 9/08, 1975.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Ф 2717368/18-10,кл. С 01 К 7/32, 31.07.79.900126 ставитель В. Мулярхред М, Рейвес . Коррек Редактор Н. Джуг Пож одписноемитета ССС з 12168/58 8 открытии".кая наб., д. 4/5 фППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная ТиражВНИИПИ Гпо дел1 13035, Мо ударс твенно го изобретений ва, Ж, Рауш