ЦИФРОВОЙ ПРИБОР Российский патент 2001 года по МПК G01R13/02 G01R23/10 G01K7/00 

Изобретение относится к области измерения физических величин путем преобразования их в электрические величины, например в частоту переменного тока, преобразования ее в последовательность импульсов и их подсчета, в частности к модификации основных электрических элементов, приспособленных для использования в электрических измерительных приборах, к конструктивным сопряжениям таких элементов с этими приборами, а также к конструктивным соединениям электрических измерительных приборов с электронными устройствами общего назначения, например с устройствами для подсчета импульсов, и представления измеряемых электрических переменных величин в цифровом виде.

В настоящее время в технике измерений различных физических величин, таких как температура, освещение различного спектрального диапазона, постоянное магнитное поле, механическая деформация, состав газовой среды и т.п. , широко используются цифровые измерительные приборы с первичными преобразователями (датчиками), выходным параметром которых является частота переменного тока (Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гужников.B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. М., "Энергия", 1990). Использование таких датчиков позволяет существенно упростить их согласование с измерительными системами и устранить ряд конструктивных трудностей. Так, показания датчиков не зависят от сопротивления подводящих проводов, возможно эффективное применение фильтрации сигнала, не требуется прецизионных высокостабильных бездрейфовых усилителей постоянного тока, упрощается преобразование выходного сигнала датчиков в цифровой код (период - код).

Известен цифровой прибор (авт.свид. СССР N 1068389, МКИ G 01 K 7/32), содержащий первичный преобразователь с частотным выходом, подключенный ко входу ключа, управляющие входы которого соединены с формирователем интервала измерения и блоком управления, выходы которого подключены к установочным входам триггера знака и реверсивного счетчика, генератор опорной частоты, подключенный ко второму входу ключа, выход которого подключен к первому входу схемы ИЛИ, выход которой подключен ко входу реверсивного счетчика, к выходу которого подключен ждущий мультивибратор, первый выход которого подключен к счетному входу триггера, выход которого соединен со входом схемы индикации знака и на вход направления счета счетчика, выход которого соединен с цифровым индикатором, выходы блока управления подключены к дополнительным входам схем ИЛИ, реверсивного счетчика и триггера.

Основным недостатком этого цифрового прибора является сложность схемы и жесткие требования на параметры входных импульсов (скважность) и низкое быстродействие, обусловленное его структурой построения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является цифровой прибор (авт.свид. СССР N 1107009, МКИ G 01 K 7/32), содержащий первичный преобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, подключенный к формирователю временных интервалов, счетчик результата измерения с цифровым индикатором, первый триггер, первый вход которого соединен с выходом "нуль" счетчика результата измерения, а первый выход соединен с входом управления реверсом счетчика и через переключатель знака крутизны, соединенный с вторым выходом первого триггера, - с информационным входом второго триггера, выходы которого подключены к индикатору знака, а также распределитель импульсов, ключи, дополнительный триггер.

Недостатком этого цифрового прибора является сложность его схемы и низкое быстродействие, обусловленное наличием подготовительного этапа во временной диаграмме работы. Кроме того, этот цифровой прибор предназначен для работы только с частотными датчиками температуры.

Цель изобретения - повышение быстродействия, упрощение схемного решения и расширение функциональных возможностей цифрового прибора.

Поставленная цель достигается тем, что, в отличие от известного цифрового прибора, содержащего первичный преобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, подключенный к формирователю временных интервалов, счетчик результата измерения с цифровым индикатором, первый триггер, первый вход которого соединен с выходом "нуль" счетчика результата измерения, а первый выход соединен с входом управления реверсом счетчика и через переключатель знака крутизны, соединенный со вторым выходом первого триггера, - с информационным входом второго триггера, выходы которого подключены к индикатору знака, в заявляемом техническом решении введены синхронный счетчик результата измерения, синхронный регистр памяти и синхронный счетчик формирователя временных интервалов, выход которого соединен с его входом предустановки и со входом предустановки синхронного счетчика результата измерения, со входами синхронизации синхронного регистра памяти и триггера знака и входом установки триггера направления счета, и синхронный счетчик результата измерения, счетный вход которого соединен с выходом первичного измерительного преобразователя с частотным выходом, а выход - со входом регистра памяти, выход которого соединен с индикатором результата измерения, сигнал с выхода триггера направления счета поступает на вход направления счета счетчика результата измерения.

На чертеже приведена структурная схема цифрового прибора.

Цифровой прибор содержит первичный преобразователь с частотным выходом 1, счетчик результата измерения 2, включающий в себя синхронный реверсивный счетчик 3 с синхронной предустановкой. синхронный регистр памяти 4, дешифратор 5 с цифровым индикатором, триггер направления счета 6, триггер знака 7, дешифратор индикатора знака 8, переключатель знака крутизны 9, генератор опорной частоты 10, синхронный счетчик формирования временных интервалов 11 с синхронной предустановкой.

Частота следования импульсов f на выходе первичного преобразователя в зависимости от регистрируемой физической величины x определяется выражением f= ax+b, где а - крутизна частотной характеристики первичного преобразователя; b - свободный член (значение частоты f при входной физической величине x, равной нулю).

В качестве первичного преобразователя, например, состава газовой среды может быть применен частотный датчик на основе рекомбинационных волн (авт. свид. СССР N 1602189, МКИ G 01 N 27/12), построенный по дифференциальной автогенераторной схеме. В этом случае один канал является опорным и отрабатывает изменение параметров окружающей среды, а второй - является измерительным. На выходе такого датчика при наличии регистрируемой физической величины (в данном случае концентрации частиц газа - водорода) появляется разностный частотный сигнал. Он является входным для электронной части цифрового прибора.

В качестве материала для датчика на основе рекомбинационных волн использован кремний, содержащий мелкую донорную примесь, например фосфор или мышьяк с концентрацией N_d, и глубокий двойной акцептор - цинк - с концентрацией N_A, при выполнении следующего соотношения между ними (N_d/2)<NA<N_d, причем отношение концентраций электронов и дырок в кремнии менее отношения их времен жизни n/p < τ_n/τ_p. B датчике использовано сенсорное покрытие из металла платиновой группы, в частности палладия, а расстояние между омическими контактами не превышает пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда (дырок).

Частотный датчик по разностной автогенераторной схеме может быть выполнен и на основе линии задержки поверхностных акустических волн (A.D Amico, A. Palma and E.Verona. Proc.IEEE Ultrasonic Symp., CA, U.S.A., 1982, p. 312). В качестве материала звукопровода такого датчика мы предлагаем использовать LiNbO₃. Такой датчик тоже снабжен сенсорным покрытием, аналогичным приведенному выше, причем расстояние между центрами входного и выходного преобразователей поверхностных акустических волн равно длине входного преобразователя. Отличие этого датчика от датчика на основе рекомбинационных волн будет только в диапазоне частот на выходе первичного преобразователя и в относительном изменении частоты в рабочем интервале измеряемой физической величины. Если для датчика на основе рекомбинационных волн этот диапазон составляет Δ_f = (1-10³) Гц, то для датчика второго типа он равен Δ_f = (10³ - 10⁶) Гц. С другой стороны, относительное изменение частоты для датчиков первого типа равно δ_f = (Δ_f/f) = (10^-2-10)%, а для датчиков второго типа оно составляет δ_f = (10^-5 - 10^-2)%.

Для калибровки частотных датчиков различных типов (для измерения таких физических величин, как температура, освещение различного спектрального диапазона, постоянное магнитное поле, механическая деформация, состав газовой среды и т.п.) необходимо установить соответственно на входах предустановки счетчика результата измерения 2 D₁...D_n значение:
N₂ =F₀/a;
где F₀ - частота опорного генератора, а по входам предварительной установки D₁. . .D_k счетчика формирователя временного интервала 11 - значение рабочего временного интервала:
N₁ =-b/a.

Цифровой прибор работает следующим образом.

Частотный сигнал с выхода первичного преобразователя 1 поступает на счетный вход счетчика результата измерения 2. С выхода генератора опорной частоты 10 сигнал поступает на счетный вход формирователя временного интервала 11, в качестве которого используется синхронный счетчик с синхронной предустановкой. Каждый раз, когда наступает переполнение счетчика формирователя временного интервала 11, на его выходе появляется импульс, поступающий на входы загрузки счетчиков 2 и 11, регистра 4 и вход установки триггера 6 направления счета. При этом информация, накопленная в счетчике 2 за предыдущий период, записывается в регистр 4 и отображается на цифровом индикаторе 5, а знак фиксируется на триггере знака 7 и отображается на индикаторе знака 8. Одновременно производится предустановка счетчика 2 по входам предварительной установки D₁...D_n значением частоты, соответствующей нулевой точке измеряемого значения первичного преобразователя, а счетчика 11 - по входам предварительной установки D₁... D_k значением рабочего временного интервала. Счетчик 2 начинает работать в режиме вычитания из записанного в него кода, при переходе содержимого счетчика через нуль выходной сигнал с его выхода переноса поступает на счетный вход триггера направления счета 6, переводя его в другое состояние, при этом сигнал с выхода триггера 6 переводит счетчик 2 по входу направления счета в режим суммирования импульсов. Далее цикл измерения повторяется.

Диапазон рабочих частот цифрового прибора зависит от быстродействия и разрядности синхронных счетчиков и соотношения частот опорного генератора и первичного преобразователя.

Наличие в заявляемом техническом решении синхронных счетчиков с синхронной предустановкой, а также новых связей между его элементами позволяет существенно упростить конструкцию цифрового мультимера без снижения точности измерения регистрируемой физической величины, повысить его быстродействие, упростить процесс его градуировки и тем самым расширить его функциональные возможности.

Использование: в области измерения физических величин. Технический результат - повышение быстродействия, упрощение схемного решения и расширение функциональных возможностей цифрового прибора. Это достигается тем, что генератор опорной частоты подключен к формирователю временных интервалов. Первый вход первого триггера направления счета соединен с выходом "нуль" счетчика результата измерения, первый выход триггера соединен с входом управления реверсом счетчика и через переключатель знака крутизны с вторым выходом первого триггера - с информационным входом второго триггера, выходы которого подключены к индикатору знака. Синхронный счетчик формирователя временных интервалов соединен с входом предустановки синхронного регистра и с входом предустановки синхронного счетчика результата измерения, с входами синхронизации синхронного регистра памяти и триггера знака и входом установки триггера направления счетчика. Счетный вход синхронного счетчика результата измерения соединен с выходом первичного преобразователя с частотным выходом, а выход с входом регистра памяти. Его выход соединен с индикатором результата измерения, сигнал с выхода триггера направления счета поступает на вход направления счета счетчика результата измерения. 6 з. п. ф-лы,1 ил.

1. Цифровой прибор, содержащий первичный измерительный преобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, подключенный к формирователю временных интервалов, счетчик результата измерения с цифровым индикатором, первый триггер направления счета, первый вход которого соединен с выходом "Нуль" счетчика результата измерения, а первый выход - с входом управления реверсом счетчика и через переключатель знака крутизны с вторым выходом первого триггера - с информационным входом второго триггера, выходы которого подключены к индикатору знака, отличающийся тем, что в него введены синхронный счетчик результата измерения, синхронный регистр памяти и синхронный счетчик формирователя временных интервалов, выход которого соединен с его входом предустановки и с входом предустановки синхронного счетчика результата измерения, с входом синхронизации синхронного регистра памяти и триггера знака и входом установки триггера направления счета, и синхронный счетчик результата измерения, счетный вход которого соединен с выходом первичного измерительного преобразователя с частотным выходом, а выход - с входом регистра памяти, выход которого соединен с индикатором результата измерения, сигнал с выхода триггера направления счета поступает на вход направления счета счетчика результата измерения. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве первичного измерительного преобразователя с частотным выходом применен датчик на основе рекомбинационных волн. 3. Прибор по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала для датчика на основе рекомбинационных волн использован кремний, содержащий мелкую донорную примесь, например фосфор, с концентрацией N_d и глубокий двойной акцептор - цинк - с концентрацией N_A при выполнении следующего соотношения между ними: (N_d/2) < N_A < N_d, а отношение концентраций электронов n и дырок р в кремнии менее отношения их времен жизни n/p < τ_n/τ_p.
4. Прибор по п.3, отличающийся тем, что расстояние между омическими контактами не превышает пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда L_p. 5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве первичного измерительного преобразователя с частотным выходом использован датчик на основе линии задержки поверхностных акустических волн. 6. Прибор по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала для линии задержки поверхностных акустических волн использован LiNbO₃. 7. Прибор по п.6, отличающийся тем, что расстояние между центрами входного и выходного преобразователей поверхностных акустических волн датчика на основе линии задержки поверхностных акустических волн равно длине входного преобразователя.