Устройство для обработки сигналов частотных датчиков Советский патент 1984 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к автомати ке и цифровой измерительной технике и предназначено для автоматической коррекции погрешности измерения .сигналов частотных датчиков. . Известно устройство для обработк сигналов частотных датчиков, содерж щеа входной формирователь, элемент 2И-2ИЛИ, генератор эталонных импульсов, элемент И, счетчик, выходной регистр, блок индикации, схему контроля, таймер, блок управления, три группы элементов И, входы управ ления от ЦВМ. В данном устройстве достигается автоматическая коррекция результата измерения в зависимо ти от параметров установленого частотного датчика. При этом время измерения, определяется из соотношениягде t иэм -,время измерения для датчика, имеющего крутизну характеристики 5, , tpgp стандартный интервал времени измерения,зависящий от необходимой разрешающей способност SOBP - крутизна характеристик образцового датчика. В счетчике после окончания измерения записано значение измеряемог параметра . и - -j- i где и(р) - частота, получаемая с чайтотного датчика при значении параметра Р; { - ошибка измерения параметров от неидеальности характеристики датчика, обусловленная величиной частоты на его выходе, равной fo при значении измеряемого параметра, равном нулю 13. Недостаток устройства - низкая достоверность информации при обеспе чении быстродействия, -обусловленног применением способа измерения часто путем непосредственного счета импул сов измеряемой частоты. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения частоты и периода Гармонического сигнала, которым осуществляется одновременнь й счет импульсов образцовой и неизвестной частот, содержащее процессор, два счетчика, два дешифратора кодов, семь элементов И, элемент ИЛИ, три триггера, генератор образцовой частоты и входной формирователь, вход устройства через входной формирователь соединен с первыми входами третьего и шестого элементов И, второй вход последнего соединен с ВЬЕХОДОМ процессора, а выход - с первым входом второго триг гера, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, его инверсный выход соединен с первым входом процессора, а его прямой выход соеди нен с вторым входом третьего элемента И и первым входом второго элемента И, у которого, в свою очередь, второй вход соединен с выходом генератора образцовой частоты, а выход .через седьмой элемент И соединен с первым входом элемента ИЛИ, через первый элемент И, первый триггер и пятьвн элемент И - с вторым входом элемента ИЛИ и, кроме того, со счетным входом первого счетчика, выход которого соединен ;: вторым входом процессора и через первый дешифратор - с вторьм входом первого элемента И, кроме тоГо, выход третьего элемента И соединен с первым входом четвертого элемента И, вторьм входом пятого элемента И и счетным входом ,. второго счетчика, выход которого соединен с третьим входом процессора и входом второго дешифратора, выход которого, в свою очередь, соединен с вторым входом четвертого элемента И, у которого выход через третий триггер соединен с вторым входом седьмого элемента И С 21. Недостатко известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная отсутствием автоматической коррекции режима измерения в зависимости от крутизны характеристики конкретного датчика, что может привести к погрешности, превышающей допустимую. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрен автоматический контроль, что снижает достоверность результатов измерения и надежность функционирования устройства. 3 Цель изобретения - повышение точности измерения и повьшение достоверности получаемой информации Поставленная цель дьстигается тем, что в устройство для обработки игналов частотных датчиков, содержащее входной формирователь, вход которого является входом устройства, процессор, первый и второй счетчики, первый и второй элементы триггер, элемент ИЛИ и генератор образцовой частоты, выход которого соединен через первьй элемент И со счетным входом первого счетчика, вы ход последнего подключен к первому входу процессора, выход элемента ШШ соединен с Ъ-входом триггера,прямо выход которого через второй элемент И соединен со счетным входом; второго счетчика, инверсный выход триггера соединён с вторым входом процессора, третий вход последнего подключен к выходу второго счетчика введены таймер, делитель, коммутато элемент задержки, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, при этом выход генератора образцовой частоты соединен с первым входом таймера и через делитель с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом входного формирователя, третий вход коммутатора подключен к первому выходу процессора, выход коммутатора соединен с вторым входом второг элемента И через элемент задержки и с входом триггера непосредственно прямой выход которого подключен к второму входу первого счетчика и пе вому входу элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ второй вход которого соединен с выходом таймера, четвертым входом про цессора и первьм входом элемента ИЛИ, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ«соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход процессора подключен к второму вход таймера, третий выход процессора соединен с входами Сброс второго и первого счетчиков, знаковый выход первого счетчика подключен к втором входу элемента ШШ, четверт выход процессора является информационным выходом устройства. На фиг.1 показана схема устройства для обработки сигналов частотных датчиков, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устрой ства. 054 Устройство для обработки сигналов частотных датчиков содержит процессор 1, первый 2 и второй 3 счетчики, первый 4 и второй 5 элементы И, триггер 6, элемент ШШ 7, входной формирователь 8, генератор 9 образцовой частоты, элемент 10 задержки, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 11, коммута тор 12, таймер 13, делитель 14, вход 15 и выход 16 устройства. ВыходГенератора 9 соединен через первый элемент И 4 со счетным входом первого счетчика 2, выход последнего соединен с первым входом процессора 1, выход элемента 7 соединен с Ь -входом триггера 6, прямой выход которого через второй элемент И 5 соединен со счетным входом второго счетчика 3, инверсный выход триггера 6 соединен с вторым входом процессора 1, третий вход последнего соединен с выходом второго счетчика 3, выход генератора 9 - с первым входом таймера 13 и через делитель 14 - с первым входом коммутатора 12, второй вход которого соединен с выходом входного формирователя 8, третий вход коммутатора 12 подключен к первому выходу процессора 1, выход коммутатора 12 соединен через элемент 10 задержки с вторым входом второго элемента 5 с входом С-триггера 6, прямой выход которого подключен к второму входу первого счетчика 2 и первому входу элемента 11, второй вход которого соединен с выходом таймера 13, четвертым входом процессора 1 и первым входом элемента 7, а выход элемента 11 соединен с вторым входом первого элемента 4, второй выход процессора 1соединен с вторым входом таймера 13, третий выход процессора 1 соединен с входами Сброс счетчиков 2 и 3, а знаковый выход первого счетчика 2соединен с вторым входом з лемента 7, четвертый выход процессора 1 является информационным выходом устройства. Устройство работает следующим образом. При единичном уровне сигнала на первом выходе процессора 1 осуществляется режим измерения, когда сигнал с входа 15 через входной формирователь 8 и коммутатор 12 поступает на вход элемента 10 Задержки и С-вход триггера 6, на О -входе которого, а следоватешьно, и прямом выходе установлен нулевой уровень. Перед началом измерения импульсом с третьего выхода процессора 1 первый 2 и йторой 3 счетчики устанавливаются в нулевое состояние, первьй счетчик 2 нулевым уровнем ня входе управления реверсом переве ден в режим вычитания. После занесения значения временного интервала, вычисленного процессором 1, исходя из крутизны характеристики примененного частотного датчика, что осуществляется по цепи второй выход процессора 1 информационный (второй) вход таймера 13, на выходе таймера 13 устанав ливается единичный уровень, который подготавливает к установке в единич ное состояние триггер 6 и через эле мент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 11 разрешает прохождение импульсов образцовой частоты через первый элемент И 4 на счетный вход первого счетчика 2, ко торые вычитаются из содержимого этого счетчика. На его знаковом выходе после первого же поступившего импульса устанавливается единичный уровень (знак -). Режим сохраняет ся до прихода первого импульса с вх ного формирователя 8. По приходу первого импульса на С-вход триггера 6 на его прямом выходе появляется единичньй уровень, который в сочетании с единичным 5Фовнем на выходе таймера 13 запрещает прохождение импульсов образцов частоты на счетный вход первого сче чика 2, при этом первый счетчик 2 устанавливается в режим суммировани и разрешает прохождение импульсов с выхода элемента 10 задержки через второй элемент И 5 на счетньй вход второго счетчика 3. Процесс вычисле ния продолжается до окончания временного интервала, формируемого таймером 13. После окончания формирования заданного временного интервала на выходе таймера 13 устанавливаетс нулевой уровень, который разрешает прохождение импульсов образцовой частоты на счетный вход первого счетчика 2, суммирующего эти импуль Когда на его знаковом (втором) выходе появляется нулевой уровень, на /)-входе триггера 6 появляется О и триггер 6 по первому же импульсу, поступающему на С-вход, устанавливается в нулевое состояние, после чего запрещается прохождение импуль сов на счетные входы первого 2 и второго 3 счетчиков. Таким образом, время измерения Тма,ц;, не меньше заданного временного интервала иам , 4iVi M M tw5M+2TV , где Т - период импульсов на выходе входного формирователя 8. Это условие гарантирует достижение требуемой точности определения параметра. Процессор, определяющий по состоянию триггера 6 и таймера 13 конец измерения, по содержимь1м первого 2 и второго 3 счетчиков вычисляет частоту -РХ сигнала частотного датчика f Нг . Mj - содержимое второго счетчика 3, MI - содержимое первого счетчика 2f TO - период следования импульсов образцовой частоты, а величину самого параметра - по выражению (2). В режим контроля устройство переводится нулевым уровнем на первом выходе процессора, при этом на выходе коммутатора 12 появляются импульсы заданной частоты с выхода делителя 14. В остальном работа устройства протекает аналогично описанному. После вычисления частоты импульсов, поступающих с делителя 14, она сравнивается с известным ее значением и если измеренное и известное значение равны, устройство готово к работе. Полученная информация может быть через выход 16 переда на к другим устройствам для отображения или дальнейшей обработки, например для формирования управляюще го сигнала в системе автоматического, регулирования. В известном устройстве разрешающая способность измерения определяется дешифраторами кодов и задается при изготовлении устройства. Возможность ее автоматического изменения отсутствует. Однако при обработке сигналов частотных датчиков конечной величиной является не частота, а значение параметра. При этом пог7решность вычисления параметра рпределяется погрешностью измерения частоты и крутизной характеристики

;Р.др.,

где л В - погрешность измерения

частоты;

iLP - погрешность вычисления

параметра. Тогда, вычтя (2) из (5), получим

ЛР.«Из (6) видно, что задание фиксированного значения разрешающей способности измерения частоты не гарантирует требуемой точности определения параметра,, без предварительного подбора датчика по крутизне характеристики 5 Если разрешающа способность выбрана, исходя из применения датчика с крутизной характеристики SOBP, то для датчиков с крутизной характеристики, меньшей образцовой SiSoep, абсолютная погрешность выше допустимой.

Таким образом, для датчиков с S SOUP требуемая точность определения параметра достигнута не будет. Этого можно избежать, если разрешающую способность в известном устройстве задать, исходя из минимально возможного значения крутизны характеристик датчиков

Однако из (1) следует, что при этом в большинстве случаев имеет место избыточное время измерения .

Благодаря введенным блокам и взаимосчвязям в предлагаемом устройстве достигается требуемая точность независимо от параметров частотного датчика. К тому же, благодаря автоматическому контр олю, охватыванэдему все блоки устройства (кроме входног формирователя), достигается высокая достоверность получаемых результатов.

Известное устройство предназначено для измерения температуры в точньк технологических процессах. При разрешающей способности О,

и образцовой частоте 25 МГц время измерения превышает 1 с и зависит от крутизны характеристики примененного датчика.

W f f Н ,-;, Ч iPS

где - измеряемая частота; fo - образцовая частота. . Для датчика с крутизной характеристики 1000 и максимальной резонансной частотой 5 МГц время измерения, необходимое для достижения, заданной точности, составляет

15

S-H&

-0.2с

И1Ч25-10ГО,0(Л 1000

Как показали экспериментальные исследования для формирования управляющего воздействия по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону в системе автоматического регулирования температуры при выращивании монокристаллов достаточно 50 мс. Предлагаемое устройство по сравнению с базовым позволяет уменьпмть время измерения.

Увеличивая образцовую частоту, можно во столько же раз уменьшить время измерения, кроме того, програм мное выполнение алгоритма позволяет применять адаптивные методы измерения в зависимости от значения измеряемой частоты.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет достичь существенно большего быстродействия, что важно в случае применения его в системах регулирования.

Другим важным достоинством по сравнению с устройством обработки сигналов частотных датчиков МТ-1 является наличие внутреннего процессора, который позволяет существенно расширить его возможности (применение адаптивных алгоритмов, статической обработки, вычисление сопутствующих величин, например требуемого регулирующего воздействия в системе автоматического регулирования).

Предлагаемое устройство может найти широкое применение для таких областей, как прецизионное измерение теьтературы, давления, толщины осаждаемой пленки, измеряемых с помощью частотных датчиков с целью автоматического регулирования величины парат метров в технологическом процессе. 11123058 В предлагаемом устройстве для достижения указанных показателей время измерения составляет

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ЧАСТОТНЫХ ДАТЧИКОВ, содержащее входной формирователь, вход которого является вводом устройства, процессор, первый и второй счетчики, первый и второй элементы И, триггер, элемент Ш1И и генератор образцовой частоты, выход которого соединен через первый элемент И со счетным входом первого счетчика, выход последнего подключен к первому входу процессора, выход элемента ИЛИ соединен с D -входом триггера, прямой выход которого через второй элемент И соединен со счетным входом второго счетчика, инверсный выход триггера соединен с вторым входом процессорау третий вход последнего подключен к выходу- второго счетчика, отличающееся тем. что, с целью повышения точности измерения и достоверности полученной информации в него введены таймер, делитель, коммутатор, элемент задержки, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, при этом выход генератора образцовой частоты соединен с первым входом таймера и через делитель с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом входного формирователя, третий вход коммутатора подключен к первому выходу процессора, выход коммутатора, соединен с вторым входом второго элемента И через элемент задержки и с входом триггера непосредственно, прямой 1 выход которого подключен к второму входу первого счетчика и первому входу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,второй вход которого соединен с выходом таймера, четвертьм входом процессора и первым входом элемента ИЛИ, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход процессора подю ключен к второму входу таймера,третий выход процессора соединен с вхо00 дами Сброс второго и первого счето ел чиков, знаковый выход первого счетчика подключен к второму входу элемента ИЛИ, четвертый выход процессора является информа.ционным выходом устройства.