ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H03K5/00 H03B19/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям с частотной формой выходных сигналов.

Известен дифференциальный измерительный преобразователь (см. патент №2432671, опубликованный в БИ №30 27.10.2011 г.) содержащий два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому взято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности подстройки (нормирования) выходной характеристики преобразования дифференциального измерительного преобразователя при наличии технологического разброса параметров частотозадающих элементов на основе пьезорезонансных датчиков.

Решаемой технической задачей является повышение точности и расширение функциональных возможностей заявляемого дифференциального измерительного преобразователя.

Достигаемым техническим результатом является введение в схему дифференциального измерительного преобразователя дополнительного корректирующего блока, при помощи которого осуществляется подстройка (корректировка) выходной характеристики преобразования схемотехническим методом.

Для достижения технического результата в дифференциальном измерительном преобразователе, содержащем два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами, выходы которых соединены с входами формирователя сигналов разностной частоты, новым является то, что дополнительно введен блок коррекции, состоящий из последовательно соединенных делителя частоты и умножителя частоты, вход которого соединен с выходом формирователя сигналов разностной частоты, а его группа входов является группой входов устройства, выходом которого является выход делителя частоты.

Применение в составе дифференциального измерительного преобразователя блока коррекции, состоящего из умножителя частоты с подстраиваемым (задаваемым) коэффициентом умножения и делителя с фиксированным коэффициентом позволяет осуществлять подстройку характеристики преобразования с выхода формирователя сигналов разностной частоты, что расширяет функциональные возможности заявляемого устройства.

На фигуре 1 изображена функциональная схема дифференциального измерительного преобразователя.

На фигуре 2 изображена функциональная схема блока коррекции с использованием схемы фазовой автоподстройки частоты.

Дифференциальный измерительный преобразователь содержит два генератора частотных сигналов 1, 2 с частотозадающими элементами 3, 4, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты 5. Введен блок коррекции 6, состоящий из последовательно соединенных делителя частоты 7 и умножителя частоты 8, вход которого соединен с выходом формирователя сигналов разностной частоты 5, а его группа входов является группой входов устройства, выходом которого является выход делителя частоты 7.

Устройство работает следующим образом. С выходов генераторов 1, 2 (см. фигуру 1) на входы формирователя сигналов разностной частоты 5 подаются периодические сигналы прямоугольной формы, частоты которых соответственно определяются линеаризованными выражениями

где х - измеряемый параметр на входе частотозадаюших элементов 3, 4, на основе пьезорезонансных первичных преобразователей;

ƒ₀₁, ƒ₀₂ - начальные частоты частотозадаюших элементов 3, 4, образующих дифференциальную пару, при х=0;

k₁, k₂ - коэффициенты преобразования частотозадаюших элементов 3, 4 на основе пьезорезонансных первичных преобразователей.

Принцип работы формирователя сигналов разностной частоты 5 аналогичен прототипу.

Разностная частота с выхода формирователя сигналов разностной частоты 5 определяется по формуле

где ƒ₀ - начальная разность частот ƒ₁-ƒ₂ при х=0;

k - коэффициент преобразования измерительного преобразователя.

Значение частоты F_РАЗН на выходе формирователя сигналов разностной частоты 5 у разных образцов измерительных преобразователей будет разное и будет находиться в некотором диапазоне частот, обусловленном технологией подбора в дифференциальную пару частотозадающих элементов 3, 4 на основе пьезорезонансных датчиков.

Далее сигнал разностной частоты F_РАЗН с выхода формирователя сигналов разностной частоты 5 поступает на вход блока коррекции 6, который может функционировать в двух режимах:

Режим 1 - Нормирование (подстройка) начальной частоты ƒ₀ измерительного преобразователя;

Режим 2 - Нормирование (подстройка) коэффициента преобразования k измерительного преобразователя.

Частота на выходе F_ВЫХ заявляемого измерительного преобразователя определяется линеаризованными выражениями (без учета нелинейностей частотозадаюших элементов)

где k_кор - коэффициент передачи (поправки) блока коррекции 6.

В режиме 1 выбирается такой коэффициент передачи блока коррекции 6, при котором на выходе F_ВЫХ при отсутствии действия измеряемого параметра (х=0) у разных образцов измерительных преобразователей будет одинаковое (нормированное) значение частоты

где ƒ_0норм - нормированное значение начальной частоты;

ƒ₀ - значение частоты на выходе формирователя сигналов разностной частоты 5;

k_кор1 - коэффициент передачи (поправки) блока коррекции 6.

При этом в режиме 1, результирующее значение коэффициента преобразования k⋅k_кор1 всего измерительного преобразователя в целом будет для каждого из образцов заявляемого измерительного преобразователя разным.

В режиме 2, наоборот, коэффициент преобразования заявляемого дифференциального измерительного преобразователя подстраивается при помощи блока коррекции 6 и приводится к единому нормированному значению для разных образцов измерительных преобразователей, в соответствии с выражением

где k_кор2 - коэффициент передачи (поправки) блока коррекции 6;

k - коэффициент передачи без подстройки (фактический).

При этом, начальная частота ƒ₀=ƒ₀⋅k_кор2 в режиме 2 будет разной для каждого из образцов дифференциального измерительного преобразователя.

Для режима 1 и режима 2 в общем случае значение коэффициента передачи k_кор (поправки) определяется выражением

где N_уст - коэффициент передачи умножителя частоты 8;

N_дел - коэффициент передачи делителя частоты 7.

Коэффициент передачи N_уст задается на группе входов "Уст" умножителя частоты 8 (см. фигуру 1) в двоичном коде, а коэффициент передачи делителя частоты 7 выбирается постоянным (фиксированным).

При N_уст=N_дел коэффициент передачи блока коррекции 6 равен 1 и, при этом, подстройки частоты по (1) или коэффициента преобразования по (5) не происходит.

Значение кода подстройки N_уст, которое необходимо установить в виде двоичного кода на группе входов "Уст" можно определить по формуле

где N_подстр - необходимый код поправки.

Тогда выражение (7) можно записать в виде

Таким образом, шаг подстройки коэффициента передачи блока коррекции Δk_кор (при N_подстр=1) зависит от значения коэффициента деления делителя частоты 7

На фигуре 2 приведена функциональная схема варианта исполнения блока коррекции 6. Умножитель частоты 8 выполнен на базе схемы фазовой автоподстройки частоты, который включает в себя фазовый детектор 9, фильтр нижних частот 10, генератор управляемый напряжением 11, программируемый делитель частоты 12 с группой входов "Уст". Делитель частоты 13 выполнен с использованием микросхем счетчиков-делителей частоты.

Диапазон входных рабочих частот такой схемы будет определяться (задаваться) диапазоном рабочих выходных частот генератора управляемым напряжением 11, который обычно задается выбором значений внешних RC-цепочек (на фигуре 2 не показаны).

Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов дифференциального измерительного преобразователя.

Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат – повышение точности дифференциального измерительного преобразователя за счет введения блока коррекции, осуществляющего корректировку выходной характеристики преобразования. Дифференциальный измерительный преобразователь содержит два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами, выходы которых соединены с входами формирователя сигналов разностной частоты, и блок коррекции, состоящий из последовательно соединенных делителя частоты и умножителя частоты, вход которого соединен с выходом формирователя сигналов разностной частоты, а его группа входов является группой входов устройства, выходом которого является выход делителя частоты. 2 ил.

Дифференциальный измерительный преобразователь, содержащий два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты, отличающийся тем, что дополнительно введен блок коррекции, состоящий из последовательно соединенных делителя частоты и умножителя частоты, вход которого соединен с выходом формирователя сигналов разностной частоты, а его группа входов является группой входов устройства, выходом которого является выход делителя частоты.