Измерительный частотно-импульсный преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ УБЛИН 51) 4 С 01 К 7/32 С 01 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ки(56)В 777 СССР79.СР79. 87 54) ЫЙ 57) ТЕЛЬНЫЙ ЧАСТЗОВАТЕЛЬ ИЗМЕР ПРЕОБР Изобр о при НО-ИМПУЛ споль- ричесжет быт ии теле ение зов ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 3976969/24-1019.11.8507,04,87. Бюп. Р 13Харьковский авиационныйм. Н,Е.ЖуковскогоФ.Ф.Колпаков, В.А.Писаревелев и В,Г,Тимошенко536.53(088,8)Авторское свидетельство422, кл, С 01 К 7/32, 1торское свидетельство С333, кл. С 01 К 7/32, 1 ЛО, .ддц 2 дц х систем одновременного контролятемпературных воздействийуемый объект. Цель изобреовьппение точности измерения Датчик 1, содержащий пьезорезонато-. ры 2 и 3 (П), находится под действием параметров силы и температуры. П 2 и 3 подключены к автогенераторам 4 и 5 и определяют частоты генерации После гетеродинирования в смесителях 6 и 7 с частотой опорного генератора 8 ийформационные частотные сигналы поступают на блок 9 разделения сигналов, куда поступает также сигнал опорной частоты. В блоке 9 опорная частота поступает на распределитель 15 импульсов, формирующий три сдви1302нутые одна относительно другой по фазе последовательности импульсов, двумя из которых синхронизируются частоты в схемах 16.1 и 16.2 привязки фронтов. Короткие импульсы синхронизированных частот, а также третий импульс с распределителя 15 поступа 149ют на коммутатор 17 сигналов, управляемый сигналами формирователя 10временных интервалов. В реверсивныхсчетчиках 11 и 12 образуются цифровые:,оды, пропорциональные искомым значениям измеряемых параметров силыи температуры. 6 ил, Изобретение относится к техникеизмерений неэлектрических величин иможет быть использовано при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемыйобъект,1Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызваннойнелинейностью характеристик частотного датчика.На Фиг, 1 приведена структурнаясхема измерительного частотно-импуль 15сного преобразователя, на фиг. 2функциональная схема и внешние связиблока разделения сигналов,на фиг,3и 4 - функциональная схема устройствауправления и временная диаграммаего работы соответственно, на фиг,5и 6 - функциональные схемы управляемого и неуправляемого счетчиков-делителей формирователя временных интервалов соответственно. 25Измерительный преобразователь(фиг. 1) содержит двухпараметровыйчастотный датчик 1 с двумя кварцевыми резонаторами 2 и 3 ЕС- или у-среза, характеризующимися высокой чувствительностью к силе и температуре,включенными в автогенераторы 4 и 5.Выходные сигналы автогенераторов 4и 5 с частотами й, и Е поступают напервые входы смесителей 6 и 7, навторые входы которых поступает сигнал опорного генератора 8 с частотойГ , На выходе смесителей образуютсяразностные частоты Р, = К 1 - Го иР = Г - Г, которые поступают наблок 9 разделения сигналов, СигналГ опорного генератора 8 также подается на блок 9 разделения сигналови, кроме того, на формирователь 10 2временных интервалов. С выходов блока 9 разделения сигналов сигналыпоступают на реверсивные счетчики11-14, выходы которых подключены квходам формирователя 10 временных интервалов,Для кварцевых резонаторов 2 и 3,в частности .С-среза, включенных вавтогенераторы 4 и 5, зависимостичастот Г, и 1 от воздействующихна датчик 1 силы Р и температуры Т сучетом сопряженных эффектов и нелинейностей, вносимых влиянием конструкции датчика, могут быть записаныв видей, = Г+ СР+ СТ + С,РТ+2 - ц + С, Р + С Т + СэРТ + + Со Р + С,Т,. (2) где Г, и 1 о - частоты первого и второго автогенераторов приР=О, Т=О,С (х = 1,2, 3 ; 1,5) - коэффициенты собственных и сопряженных чувствительностей первого и второго порядков.С учетом зависимостей (1) и (2) разностные частоты после гетеродинирования можно записатьР= Г, -1+СР+С Т+Система уравнений (3) и (4) описывает Функцию преобразования датчика при переходе из пространства не" зависимых измеряемых параметров Р и Т в пространстве сигналов Р, и Р .(б) где а (д = 1,12) - коэффициенты обратного преобразования.Коэффициенты а,(х = 1, 12), как и коэффициенты С," (1 = 1,2,= 1,5) системы уравнений (1) и (2), непосредственно определяются при аттестации датчика с требуемой высокой точностью.Подстановка Г 1 и Г в обратную функцию преобразования позволяет получить значения искомых параметров4Р и Т непосредственно из выражений (5) и (6) без организации итерационного процесса, что значительно упрощает алгоритм работы устройства и, следовательно, повышает его быстро% действие, Вычисление значений Р иТ искомых параметров Р и Т с приме,нением описанного подхода может быть относительно просто реализовано в частотно-импульсной форме. Сущность построения вычислителя с преобразованием сигнала в частотно-импульсной форме заключается в том, что если одновременно подать на счетчик п частотных сигналов Р;( = 1,п), каждый в течение своего временного интервала Т ( = 1,п), то к окончанию самого большого интервала в счетчике образуется код Ю, зависящий от Г, и Т, следующим образом:(7) Воэможность одновременной подачи и частотных сигналов на один счетчик обеспечивается блоком 9 разделения сигналов. Если имеется выражение, аналогичное выражению (7), описывающее зависимость какого-либо параметра от частот Г; и содержащее числовые коэффициенты а;(ь. = 1,п), то, поставив в соответствие длительность временных интервалов Т и величины коэффициентов, можно получить код И,3 13021 Для определения оценок измеряемых параметров Р и Т в предлагаемом устройстве используются. обратные по отношению к уравнениям (3) и (4) фнукции преобразования Р (Г Г ) и Т (Г Г ), образующие систему урав- нений 49 4пропорциональный этому параметру.Этот принцип положен в основу работыустройства,. где организован процессполучения в счетчиках кодов М, зависимость которых от Г; описываетсявыражениями, аналогичными выражениям(5) и (б),В случае применения пьезореэонаторов других срезов, например АТ-среза,и при работе датчика в широком интервале температур, например (-60)-120 С,выражения (1) и (2), а следовательно,(5) и (6) имеют несколько другой вид,что приводит к незначительным изменениям внутренней структуре блока 10.Таким образом, предлагаемое устройство обладает универсальностью, хотяи работает по жесткому алгоритму.На фиг. 1 приведены структуры блоков 9 и 10 для обратной функции преобразования, описанной выражениями(5) и (6).Блок 9 разделения сигналов содержит распределитель 15 импульсов, схемы 16. 1 и 16.2 привязки фронтов икоммутатор 17 сигналов.Формирователь 10 временных интервалов содержит устройство 18 управления, управляемые счетчики-делители19.1-19.6 и неуправляемые счетчикиделители 20,1-20.4,Управляемый счетчик-делитель 19(фиг, 5) состоит иэ двух 0-триггеров21 и 22, коммутатора 23, счетчика24 и ключа 25. Неуправляемый счетчикделитель 20 (фиг. 6) содержит ключ26, два П-триггера 27 и 28, счетчик29 и ключ 30.Для удобства объяснения принципаработы устройства преобразуем выражения (5) и (6) по схеме ГорнераР = (а 5 Р 1 + аР + а)Р 1 + + (аР + а 5)Р + а, (8) Т = (аГ 1 + а 1 ОР + ав)Р, + Устройство работает следующим образом.Пьезорезонансный датчик 1, содержащий пьезорезонаторы 2 и 3, находится под действием параметров силы Р и температуры Т. Пьезорезонаторы подключены к автогенераторам 4 и 5 и определяют их частоты генерации Е, и Г , каждая из которых содержит в себе информацию о воздействующих параметрах в соответствии с зависимостями (1) и (2).1302149 6С-вход 0-триггера 22 логическая "1" 1с 0-входа записывается в триггер 22 е и поступает. на выход Т,. Этот сигналоткрывает соответствующие ключи коммутатора 17 и ключ 25, что дает возможность поступать сигналу Г на вычитающий вход счетчика 24. После поступления на счетчик 24 числа импульсов частоты Г , равного И , код в10 нем становится равным нулю и на выходе 0" появляется сигнал, которыйустанавливает на выходе логический"0" и приводит схему в исходное состояние.Таким образом, длительность каж дога из формируемых временных интервалов Т; на выходах счетчиков-делителей 19 и 20 можно представить в виде20(10) После гетеродинирования в смесителях 6 и 7 частотой Г опорногогенератора 8 информационные частотньсигналы Г, и Г , описываемые выражениями (3) и (4), поступают на блок 9разделения сигналов, куда также поступает сигнал опорной частоты 1. . Вблоке 9 (фиг. 1 и 2) опорная частотаГ поступает на распределитель 15импульсов, который формирует трисдвинутых друг относительно друга пофазе последовательности импульсово,2 и , = о/ДВумя из которых Й,и 1 ) синхронизируются частоты Г и Г в схемах 16,1 и 16,2привязки фронтов. Это делается во ибежание совпадения фронтов импульсас частотами Г, и Г . Короткие импульсы синхронизированных частот Ги Г а также частота Е 9 поступают2на коммутатор 17 сигналов, управляемый сигналами Т-Т, формирователя 10временных интервалов,Вычисление значений Р и Т осуществляется за два такта. Устройствозапускается импульсом "Пуск" (фиг,2),поступающим на устройство 18 управления (фиг. 2), находящееся в формирователе 10 временных интервалов"Пуск" обнуляет реверсивные счетчики11-14. Устройство 18 управления формирует на втором и третьем выходахкод, поступающий на коммутаторы 23управляемых счетчиков-делителей 19.119,6 (фиг. 5), Коммутаторы подключают к установочным входам счетчиков24 коды констант И11 а р тви М и . Затем устройство 18 управления формирует на первом выходеинверсный импульс записи, по которому эти коды записываются в счетчики.Этим же импульсом в неуправляемыесчетчики-делители 20.1-20,4 (фиг. 6)записываются коды констант 1 З ьЯ 9 и И,которые непосредственноподаны на установочные входы счетчиков-делителей 20.1-20.4. По заднемуфронту этого же импульса срабатывает0-триггер 21, на 0-входе В-триггера22 появляется логическая "1", чемподготавливается включение формирователя 10 временных интервалов. В исходном состоянии на выходах Т счетчиков делителей действует сигнал логического "0", который запирает ключи коммутатора 17. С приходом ближайшего фронта импульса частоты Г на где То - период опорной частоты Г,Сигналы заданных временных интервалов открывают ключи коммутатора 17(фиг. 1 и 2), и на счетные входы реверсивных счетчиков 11-14 поступаютчастоты Г Г и Г , причем Г, подается на счетчики 11 и 12 в течение 30интервалов Т и Т соответственно,.Г - на счетчики 11-14 в течение ТТоТб и Т 12 соотВетстВенно 09на счетчики 11-14 в течение Т 2, Т 8,Тз и Т 9 соответственно.35 В результате окончания первоготакта, который определяется длительностью самого большого временногоинтервала, в реверсивных счетчиках11-14 образуются соответственно цифровые коды Б нИ И 9 и И 1 азаВисимость которых От чястот ГГ 2 иГ можно записать в виде Я -Т Г, +ТГ, +т(11) И= Т,Г 2 + Т,Г; (13)50Выражения (11)-(14) записаны вобщем виде без учета знаков коэффициентов а;(1 = 1,12) выражений (8)и (9), В конкретном случае частоты 55 ГГ 2 и .в зависимости от знаковкоэффициентов подаются коммутатором1 на суммирующие или вычитающиевходы счетчиков 11-14. В частности,на фиг.2 фукциональная схема комму); з. = 1,3, 7,9(25)а)э- епС(3 Ка; 11 = епС(К Г = 4,6, 10,12,(26) татора 17 реализована для конкретно го случая, когда коэффициенты а, а 6 а и а, меньше нуля.Поскольку выходы формирователей временных интервалов объединены на элементе ИЛИ устройства 18 управления (фиг. 3), то по окончании самого большого временного интервала на выходе этого элемента появляется фронт, по которому изменяется код на втором 10 и третьем выходах. При этом к установочным входам управляемых счетчиков-делителей 19 подключаются выходы реверсивных счетчиков 11-14, а также коды констант Ии 11 тт и запи раются неуправляемые счетчики 20, которые во втором такте не участвуют, Затем на первом выходе формируется импульс записи, по которому кодь МИг11 э11 м11 т и 1 т 20 записываются в счетчики-делители 19 вместо Ит ИтИт Ыт о Ита и Ит соответственно. Как и в первом такте, после записи по ближайшему фронту опорной частоты Г, начинается формирование сигналов на выходах счетчиков-делителей 19, длительностью мость которых от соответствующих кодов 11 т; с учетом выражений (11)-(14) З 0 может быть записана следующим образом: Т т То (15) О ( % 1 4 2 1 т, Т 4011 р (11 тв То Р + Хте ТОР + Приравняв соответствуюшие коэффициенты в выражения (8), (23) и (9), (24) и учитывая, что Го = Гэ , получим систему уравнений для определения значения кодов И , которые записываются в память формирователя 10 временных интервалов, по значениям коэффициентов а ( = 1,12), полученных при аттестации датчика где К - коэффициент, определяющийтребуемую точность получениязначений Р и Т параметровРиТ;епС - знак целой части числа.Таким образом, к окончанию второго такта в реверсивных счетчиках 11 12 образуются цифровые коды Мр и Ит, пропорциональные искомым значениям Р и Т измеряемых параметров Р и Т и вычисляемые с большей точностью благодаря учету нелинейных членов выражений (1) и (2). Формула изобретенияПо окончании самого длительного интервала на элементе ИЛИ устройства 18 управления (фиг, 3) появляется фронт, который останавливает работу устройства и подготавливает его к очередному запуску.К окончанию второго такта в счетчиках 11 и 12 образуются цифровые коды 11 р и И зависимость которых от частот Р, Р и Г можно записать в видеВ = Т" Р, + ТфР + т Г (21) 11 т Т) Р + Т,о Р + Ттоэ(22) Измерительный частотно-импульсныйпреобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик с двумя 4 кварцевыми резонаторами, включеннымив частотозадающие цепи двух автогенераторов, выходы которых подключены соответственно к первым входам двух смесителей, вторые входы которых соединены с выходами опорного генератора, а выходы подключены к входам блока разделения сигналов, соединенного с выходами опорного генератора и формирователя временных интервалов, вход которого подключен к выходу опорного генератора, два реверсивных счетчика, информационные входы которых соединены с выходами блока разделения сигналов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, 1302149 10что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нелинейностью характеристик частотного датчика, в неговведены два дополнительных реверсивных счетчика, информационные входыкоторых подключены к дополнительным выходам блока разделения сигналов,при этом выходы всех реверсивныхсчетчиков с.оединены с соответствующими входами формирователя временныхинтервалов, вход запуска которогосоединен с входами установки нуля всехреверсивных счетчиков.1302149 тель Б;Куликов Н.Глущенко К ктор М.Самборская овецк едакт Тираж 777 каз 1207/41 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и от113035, Москва, Ж, Раушская оектная,роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, у 2 8 Сос Тех тета Срытийаб., д писноеССР