Измерительный частотно-импульсный преобразователь Советский патент 1987 года по МПК G01K7/32 G01L1/16 

нутые 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 поступа1

Изобретение относится к технике измерений незлектрических величин и может быть использовано при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемый

объект. (

Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нелинейностью характеристик частотного датчика.

На фиг о 1 приведена структурная схема измерительного частотно-импульсного преобразователя на фиг. 2 - функциональная схема и внешние связи блока разделения сигналовJна фиг.З и 4 - функциональная схема устройств управления и временная диаграмма его работы соответственно; на фиг.З и 6 - функциональные схемы управляемого и неуправляемого счетчиков-делителей формирователя временных интервалов соответственно.

Измерительный преобразователь (фиг. 1) содержит двухпараметровьш частотный датчик 1 с двумя кварцевыми резонаторами 2 и 3 LC- или у-сре- за, характеризующимися высокой чувствительностью к силе и температуре, включенными в автогенераторы 4 и 5. Выходные сигналы автогенераторов 4 и 5 с частотами f и f поступают на первые входы смесителей 6 и 7, на вторые входы которых поступает сигнал опорного генератора 8 с частотой f. На выходе смесителей образуются разностные частоты F f - f и Fj f2 fo которые поступают на блок 9 разделения сигналов. Сигнал f(j опорного генератора 8 также подается на блок 9 разделения сигналов и, кроме того, на формирователь 10

ют на коммутатор 17 сигналов, управляемый сигналами формирователя 10 врзменных интервалов, В реверсивных счетчиках 11 и 12 образуются цифровые : ,оды, пропор1у1онапьные искомым значениям измеряемых параметров силы и температуры. 6 ил.

временных интервалов. С выходов блока 9 разделения сигналов сигналы поступают на реверсивные счетчики 11-14, выходы которых подключены к входам формирователя 10 временных интервалов.

Для кварцевых резонаторов 2 и 3, в частности LC-cpesa, включенных в автогенераторы 4 и 5, зависимости частот f, и fj от воздействуюищх на датчик 1 силы Р и температуры Т с учетом сопряженных эффектов и нели- нейностей, вносимых влиянием конструкции датчика, могут быть записаны в виде

0

5

0

f ( f (О

+ С„Р

f 9 f jn

+ С

+ c,,TS

и Р - с,т

+ с,, Р +

1 т +

+ С,зРТ +

(1)

РТ +

+ С24Р + СгсТ

С- (i

(2)

где f,Q и f(j - частоты первого и второго автогенераторов

Р О, Т Oi

2, j ; 1,5) - коэффициенты собственных и сопряженных чувствитель- ностей первого и второго порядков.

С учетом зависимостей (1) и (2) разностные частоты после гетеродини- рования можно записать

F f.o + С

1Э

- fo + С„ Р + С, т + РТ + фР+ С,5Т%(3)

- fr

Cj, Р + С22 Т +

+

(4)

Система уравнений (3) и (4) описывает функцию преобразования датчика при переходе из пространства независимых измеряемых параметров Р и Т в пространстве сигналов Е и F .

Для определения оценок измеряемых параметров Р и Т в предлагаемом устройстве используются, обратные по отношению к уравнениям (3) и (4) фнукции преобразования Р (F, F) и Т (F, , F,j), образующие систему уравнений

Р а

. , + a,F

+ вП ;

т a + agF, -f + a,, F -f a,F,%

где a (i 1,12) - коэффициенты обратного преобразования,

Коэффициенты а , (i 1,12), как и коэффициенты С, ; (i 1,2, j 1,5) системы уравнений (1) и (2), непосредственно определяются при аттестации датчика с требуемой высокой точностью.

Подстановка F, и F,, в обратную функцию преобразования позволяет получить значения искомых параметров

Р и Т непосредственно из выражений (5) и (6) без организации итерационнго процесса, что значительно упрощает алгоритм работы устройства и,

следовательно, повышает его быстро- дерЧствие. Вычисление значений Р и Т искомых параметров Р и Т с применением 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 F; (i 1,п), каждый в течение своего временного интервала Т- (i 1 ,п) , то к окончанию самого большого интервала в счетчике образуется код N, зависящий от F; и Т следующим образом:

N 2IT.F;.(7)

1-1

Возможность одновременной подачи п частотных сигналов на один счетчик обеспечивается блоком 9 разделения сигналов. Если имеется выражение, аналогичное выражению (7), описывающее зависимость какого-либо параметра от частот F; и содержащее число- вые коэффициенты a;(i 1,п), то, поставив в соответствие длительность временных интервалов Т и величины коэффициентов, можно получить код N,

JO

f5

20

25

о

30

35

40

пропорциональный этому параметру. Этот принцип положен в основу работы устройства,. где организован процесс получения в счетчиках кодов N, зависимость которых от F, описывается выражениями, аналогичными выражениям (5) и (6).

В случае применения пьезорезонато- ров других срезов, например АТ-среза, и при работе датчика в широком интервале температур, например (-60)-120С 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, хотя и 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 и коммутатор 17 сигналов.

Формирователь 10 временных интервалов содержит устройство 18 управления, управляемые счетчики-делители 19.1-19.6 и неуправляемые счетчики- делители 20.1-20.4.

Управляемый счетчик-делитель 19 (фиг. 5) состоит из двух D-триггеров 21 и 22, коммутатора 23, счетчика 24 и ключа 25. Неуправляемый счетчик- делитель 20 (фиг. 6) содержит ключ 26, два D-триггера 27 и 28, счетчик 29 и ключ 30.

Для удобства объяснения принципа работы устройства преобразуем выражения (5) и (6) по схеме Горнера

Р (asF, + ,j + а), +

+ ( + a,)F + а, (8)

Т (а„ F, + a,oFj + a8)F, +

+ (a,i F a,)F2 + a. (9)

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 f и f, каждая из которых содержит в себе информацию о воздействующих параметрах в соответствии с зависимостями (1) и (2).

После гетеродинирования в смесителях 6 и 7 частотой f опорного генератора 8 информационные частотные сигналы FI и F, описываемые выражениями (3) и (4), поступают на блок 9 разделения сигналов, куда также поступает сигнал опорной частоты f. В блоке 9 (фиг. 1 и 2) опорная частота fj, поступает на распределитель 15 импульсов, который формирует три сдвинутых друг относительно друга по фазе последовательности импульсов foi , fo и fo3 -fo/3 двумя из которых (f, и 02 ) синхронизируются частоты F, и F в схемах 16.1 и 16.2 привязки фронтов. Это делается во избежание совпадения фронтов импульсов с частотами F и F. Короткие импульсы синхронизированных частот F( и F , а также частота f, поступают на коммутатор 17 сигналов, управляемый сигналам Т,-Т, формирователя 10 временных интервалов.

i

Вычисление значений Р и Т осу-

ществляется за два такта. Устройство запускается импульсом Пуск (фиг.2) поступающим на устройство 18 управления (фиг. 2), находящееся в формирователе 10 временных интервалов (фиг. 3 и 4). Одновременно импульс Пуск обнуляет реверсивные счетчики 11-14. Устройство 18 управления формирует на втором и третьем выходах код, поступающий на коммутаторы 23 управляемых счетчиков-делителей 19.1 19.6 (фиг. 5). Коммутаторы подключают к установочным входам счетчиков 24 коды констант N , N , N. , , N-p,Q и NT,, . Затем устройство 18 уп- равления формирует на первом выходе инверсный импульс записи, по которому эти коды записываются в счетчики. Этим же импульсом в неуправляемые счетчики-делители 20.1-20.4 (фиг. 6) записываются коды констант N., N , N,-9 и которые непосредственно поданы на установочные входы счетчиков-делителей 20.1-20.4. По заднему фронту этого же импульса срабатывает D-триггер 21, на О-входе D-триггера 22 появляется логическая 1, чем подготавливается включение формирователя 10 временных интервалов. В исходном состоянии на выходах Т счет- чиков делителей действует сигнал логического О, которьш запирает ключи коммутатора 17, С приходом ближайшего фронта импульса частоты f на

С-вход D-триггера 22 логическая 1 j с D-входа записывается в триггер 22 и поступает, на выход Т; . Этот сигнал открывает соответствующие ключи коммутатора 17 и ключ 25, что дает возможность поступать сигналу f на вычитающий вход счетчика 24, После поступления на счетчик 24 числа импульсов частоты f(j , равного , код в нем становится равньм нулю и на выходе :.0 появляется сигнал, который устанавливает на выходе логический О и приводит схему в исходное состояние ,

Таким образом, длительность каждого из формируемых временных интервалов Tj. на выходах счетчиков-дели-. телей 19 и 20 можно представить в виде

Т: N,

1,12,

(10)

где TO - период опорной частоты f.

Сигналы заданных временных интервалов открывают ключи коммутатора 17 (фиг. 1 и 2), и на счетные входы реверсивных счетчиков 11-14 поступают частоты F, , F и f,, , причем F, подается на счетчики 11 и 12 в течение интервалов и соответственно, F - на счетчики 11-14 в течение Т., , Tg и Т,2 соответственно, f на счетчики 11-14 в течение Tj, Tg, T.J и Tg соответственно,

В результате окончания первого такта, который определяется длительностью самого большого временного интервала, в реверсивных счетчиках 11-14 образуются соответственно цифровые коды NI, , N,2, N,3 и Ni4 , зависимость которых от частот F , Е и можно записать в виде

N,

Tj F, + + Т, f

03

(11)

N, Т„ F, + T,oF + Tgf (12)

N,3 TjF + T,f ; NH T,,F, + т,„.

(13) (14)

Выражения (11)-(14) записаны в общем виде без учета знаков коэффициентов a;(i 1,12) выражений (8) и (9), В конкретном случае частоты FJ , FJ и в зависимости от знаков коэффициентов подаются коммутатором 17 на суммирующие или вычитающие входы счетчиков 11-14. В частности, на фиг,2 фукциональная схема коммутатора 17 реализована для конкретного случая, когда коэффициенты а, а, ag и а,о 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 и третьем выходах. При этом к установочным входам управляемых счетчиков-делителей 19 подключаются выходы реверсивных счетчиков 11-14, а также коды констант N и К-гт и заик- раются неуправляемые счетчики 20, которые во втором такте не участвуют. Затем на первом выходе формируется импульс записи, по которому коды N,, , N, , N,, , N,,, N, и NTT записываются в счетчики-делители 19 вместо NT,, , N-r4, т г Nfg соответственно. Как и в первом

такте, после записи.по ближайшему

фронту опорной частоты f начинается

формирование сигналов на выходах счетчиков-делителей 19, длительность Т,, Т, Т, Т, Т, и Т , зависимость которых от соответствующих кодов с учетом вьфажений (11 )-(14) может быть записана следующим образом:

Т,. N,

(15)

(T,F2 + T,f, )Т,;(16

(TjF, + ,, +

(17)

-(18)

40

T,o N,4 ( + T,f „,),;( 19) T, N,TO (Т„ F, + T,, F +

+ Tgf,, )Т„.

(20)

45

По 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 NP и NT, зависимость которых от частот F,, FJ и можно записать ,, в виде

NP , + + T,foj , (21) NT Tt, F, + T.F + T,f,, (22)

Подставив зависимости (15)-(20) в (21) и (22), получим выражения вида

N

Р

+ Nr

(Nre Т.,, + NT, .о-г

+ NT, ToFj + Tofo,)F, + (КтбТ„Р, +

+ Н„Т,„з)Р,-ь N,, ,;

тз

NT (N,, Т„Г, +

+ N.. , + (N,, ToF, +

Nr,oToF, +

Tg

N Т f Ж т -LO -оз

NT7 ,.

Приравняв соответствующие коэффициенты в выражения (8), (23) и (9), (24) и учитывая, что f, , получим систему уравнений для определения значения кодов N , которые записываются в память формирователя 10 временных интервалов, по значениям коэффициентов а;(i 1,12), полученных при аттестации датчика

N,, ent(3-Ka;)i i 1,3, 7,9(25)

(26)

NT; ent(K-fp. aj); j 4,6, 10,12,

где К - коэффициент, определяющий

требуемую точность получения значений Р и Т параметров Р и Т;

ent - знак целой части числа. Таким образом, к окончанию второго такта в реверсивных счетчиках 11 12 образуются цифровые коды Np и NT, 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 изобретения

Измерительный частотно-импульсный преобразователь, содержащий двухпа- раметровый частотный датчик с двумя кварцевыми резонаторами, включенными в 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, отличающийся тем.

91302

что, с целью повьшения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нелинейностью характеристик частотного датчика, в него введены два дополнительных реверсив- 5 ных счетчика, информационные входы которых подключены к дополнительным

4910

выходам блока разделения сигналов, при этом выходы всех реверсивных счетчиков соединены с соответствующими входами формирователя временных интервалов, вход запуска которого соединен с входами установки нуля всех реверсивных счетчиков.

Изобретение может быть использовано при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемый объект. Цель изобретения - повышение 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 сдви (Л

Tl2

9иг.з

VLLZ.

- Код от редерсивного счетчика Фиг. 5

Редактор О.Юрковецкая

Составитель В.Куликов

Техред Н.Глущенко Корректор М.Самборская

Заказ 1207/41Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. 6