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

Описание патента на изобретение RU2161805C1

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 Nd, и глубокий двойной акцептор - цинк - с концентрацией NA, при выполнении следующего соотношения между ними (Nd/2)<NA<Nd, причем отношение концентраций электронов и дырок в кремнии менее отношения их времен жизни n/p < τnp. 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 Δf = (1-103) Гц, то для датчика второго типа он равен Δf = (103 - 106) Гц. С другой стороны, относительное изменение частоты для датчиков первого типа равно δf = (Δf/f) = (10-2-10)%, а для датчиков второго типа оно составляет δf = (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...Dn значение:
N2 =F0/a;
где F0 - частота опорного генератора, а по входам предварительной установки D1. . .Dk 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...Dn значением частоты, соответствующей нулевой точке измеряемого значения первичного преобразователя, а счетчика 11 - по входам предварительной установки D1... Dk 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.

Похожие патенты RU2161805C1

название год авторы номер документа
Цифровой преобразователь импульсного напряжения 1989
  • Драбич Петр Петрович
SU1636783A1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА В НАПРЯЖЕНИЕ 1987
  • Счеславский В.П.
  • Грибанов Ю.И.
  • Панченко В.М.
  • Забегаев П.К.
RU2056700C1
ИМИТАТОР ПАССИВНОГО РАДИОЛОКАТОРА 1988
  • Липинский Анатолий Михайлович
  • Толстихин Николай Викторович
SU1841093A2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1992
  • Гуменюк Сергей Васильевич
RU2046367C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА В СКВАЖИНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1991
  • Шатунов А.С.
  • Шатунов А.А.
  • Муталов А.Р.
RU2013534C1
МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ 2001
  • Азмайпарашвили З.А.
  • Эфендиев И.М.
RU2210093C2
СПОСОБ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1990
  • Михалевич Владимир Сергеевич[Ua]
  • Кондратов Владислав Тимофеевич[Ua]
  • Палагин Александр Васильевич[Ua]
  • Скрипник Юрий Алексеевич[Ua]
  • Евстратов Валерий Федорович[Ua]
RU2025044C1
ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР 2001
  • Гончаренко А.М.
  • Васильев В.А.
  • Жмудь В.А.
RU2210785C2
Устройство для измерения давления 1988
  • Котляров Владимир Леонидович
  • Мотыжев Сергей Владимирович
  • Ольшевская Людмила Викторовна
  • Тешин Николай Анатольевич
SU1525503A1
СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ И СТЕПЕНИ ПРИРАБОТАННОСТИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ 1991
  • Гиберт А.И.
RU2029935C1

Реферат патента 2001 года ЦИФРОВОЙ ПРИБОР

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.

Формула изобретения RU 2 161 805 C1

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 Nd и глубокий двойной акцептор - цинк - с концентрацией NA при выполнении следующего соотношения между ними: (Nd/2) < NA < Nd, а отношение концентраций электронов n и дырок р в кремнии менее отношения их времен жизни n/p < τnp.
4. Прибор по п.3, отличающийся тем, что расстояние между омическими контактами не превышает пяти диффузионных длин неосновных носителей заряда Lp.
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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2161805C1

Цифровой термометр 1983
  • Шубин Валентин Евгеньевич
  • Кабиков Сергей Леонидович
  • Гришаков Валерий Константинович
SU1107009A1
ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР 1972
SU429354A1
Цифровой термометр 1983
  • Котляров Владимир Леонидович
  • Циммерман Клаус
SU1117463A1
Цифровое индикаторное устройство 1975
  • Нефедов Всеволод Николаевич
  • Головань Виталий Николаевич
  • Белоброва Галина Ивановна
  • Постол Василий Иванович
  • Жиляев Николай Ананьевич
SU535514A1
US 3791214 A, 12.02.1974
Устройство для распознавания образов 1977
  • Авдеев Владимир Пименович
  • Горьян Израиль Самуилович
  • Елистратов Илья Федорович
  • Сараджишвили Эрик Константинович
  • Смирнов Владимир Александрович
SU615508A1
US 4423968 A, 03.01.1984.

RU 2 161 805 C1

Авторы

Несмеянов С.С.

Привезенцев В.В.

Даты

2001-01-10Публикация

1999-06-25Подача