Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля Советский патент 1988 года по МПК G01K7/32 

Л}43

12

fs

лительный блок 7. Сигналы с вькода каждого из смесителей 4 поступают также на вход соответствуищей цепочки, состоящей из последовательно соединенных полосового фильтра 9j амплитудного детектора 10, фильтрэ низкт частот il и формирователя 12 прямоугольных импульсов. Сигналы на выходе последних указьшают на работоспособность (логическая единица) либо неисправностьV(логический нуль) данного измерительного канала« Выходы формирователей I2 связаны с

входами шифратора 1 3, вьгход и допол- нительньй вход которого соединены соответственно с входом и выходом вычислительного блока 7. Шифратор 13 вырабатывает двоичный код, отражающий работоспособность измерительных каналов. На основании этого кода в вычислительном блоке 7 реализуется основной или один из вспомогательньк алгоритмов обработки сигналов с преобразователей частота - код 5 в соответствии с хранящейся з блоке па- мяти 8 информацией,2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить надежность систем одновременного контроля нескольких физических величин за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одного или-нескольких измерительных каналов. Воздействие измеряемых параметров приводит к изменению частот шести пьезокварцевых резонаторов 2 и автогенераторов 3, сигналы с которых поступают на смесители 4 и далее на преобразователи частота - код 5 и вьгчис

Изобретение относится к измеритш ной технике, может быть использовано при построении высоконадежных систем одновременного контроля кескольки х физических величин в локальном объеме измерительного поля ir является усовершенствованием устрснотва по

основному авт. св. № 1307246, I

Цель изобретения - повьшение надежности за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одного или нескольких измеритедьнызс каналов,

На фиг, показана функциональ-- ная схема устройства для одновременного измерения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного .поляI на фиг. 2 - функциональная схема дополнительных цепочек и шифраторов.

Устройство для одновременного измерения температуры и давления (а также ускорения) в локальном объеме измерительного поля содер сит трехпа- раметровый чувствительный элемент (датчик) I с шестью кварцевыми резонаторами 2, подключенньши к соот- ветствутащим автогенераторам, 3,шесть цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных автогенераторов 3, смесителя 4 и преобразователя 5 частота-код, опорньш генератор б, связанный с вторьи ги входами смесителей 4 и преобразователей 5 частота - код, при этом каждый из Шести частотных каналов, состоящих

из автогенератора 3, смесителя 4 и преобразователя 5 частота - код, связаны входом и выходом с вычислитель- ным блоком 7, которьм соединен входом и выходом с блоком 8 памяти. Кроме того,, предлагаемое устройство со- шесть цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных

по.досового фильтра 9, амплитудного детектора 10, фильтра 11 низких частот и формирователя 12 прямоугольных импульсов и связанных входом и выходом соответствующего смесителя 4, а

выходом - с входом шифратора 13, до- полыительный вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом вычислительного блока 7.

Фильтры I1 низких частот собраьзы (фиг, 2.; на D1...D6, С1...С6, формирователи 12 Прямоугольных импульсов собраны на D2.1,o.D2.6, шифратор состоит из собственно схемы шифратора, собранной на D4.2, D5,2,

и схемы дешифратора адреса, собранной на D3, D4, 1 , 1)6. I , i

Устройство работает следующим образом.

Воздействие измеряемьгх температуры Т(Х() , давления Р(У.} и ускорения g(X) на трехпараметровый чувствительньш элемент 1 с пьезоквар- цевыми резонаторами 2 приводит к изменению резонансных частот последних,

а следовательно, к изменению частот на выходах автогенераторов 3. Сигналы с выходов автогенераторов 3 почетвертого частотного канала; 101 - вьпиел из строя элемент или узел пятого частотного канала; ПО - вышел из строя элемент или узел шестого частотного канала.

Адрес блока может быть жестко задан распайкой свободных ножек элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D3 на н-Е или на

15

ступают на первые входы соответствующих смесителей 4. На вторые входы смесителей 4 поступают сигналы частоты TO с выхода опорного генератора 6. На выходах смесителей 4 имеются низкочастотные сигналы F,, F, ...,Fg которые поступают на соответствующие преобразователи 5 частота - код, на выходе которых приобретают кодовую ю землю. При появлении на шине адреса (цифровую) форму, и на входы соот- ЭВМ адреса блока срабатьшает схема дё- ветствующих полосовых фильтров 9. шифрации D3, D4.1, D6.1 и на элементы

шифратора D4.2, D5.2 поступает сигнал разрешения, по которому на шину данных ЭВМ вьщается двоичный код (сигналы Y, Y, Y,). Если все каналы в допуске, то код будет 000. Если какой-либо из каналов вышел из допуска, то.амплитуды сигнала на вы- 20 ходе соответствующего полосового

фильтра 9 не хватит для срабатывания амплитудного детектора 10. На его выходе устанавливается сигнал Лог. О. При этом и на соответствующий вход 25 шифратора пост упает сигнал Лог. О и при запросе ЭВМ шифратор 13 вьща- ет на шину данных двоичньш код, соответствующий номеру вьшгедшего из строя канала.

Двухвходовый преобразователь частоты в код представляет собой обычный электронносчетньш частотомер, который за определенный интервал времени, определяемый частотой опорного генератора, подсчитывает количество импульсов измеряемой частоты.

Сигналы с выходов смесителей 4 поступают на входы соответствующих полосовых фильтров 9. Полоса пропускания каждого полосового фильтра 9 .выбирается такой, чтобы перекрыть весь возможный диапазон рабочего измерения частоты соответствующего смесителя 4, обусловленной любой возможной комбинацией воздействующих на трехпараметровый чувствительньгй элемент 1 измеряемых температуры Т(Х), давления 7(х и ускорения .g(X5) из их диапазонов изменения (Х- ..„

). - . МлН

(i 1,3). После детектирова MU КС

ния амплитудными детекторами 10, прохождения сигналов через низкочастотные фильтры II и формирователи 12 прямоугольных импульсов на выходе последних имеются либо логические единицы, если все частотные каналы работоспособны или частоты на выходах о смесителей находятся в вполе допуска (в полосе пропускания полосовых фильтров 9), либо на одном или нескольких выходах формирователей 12 прямоуголь30

35

Приведенная схема шифратора D4,2, D5.1, D5.2 работает при выходе из строя только одного из каналов. Если же необходимо работать при выходе из строя двух или более каналов, то она может быть соответствующим образом изменена.

Предварительно для каждой из возможных ситуаций (работоспособы все частотные каналы, неработоспособен один или несколько каких-то частотных каналов) определяются элементы обратной матрицы и различных.

ных импульсов устанавливаются логиче- 45 соответствующих различным ситуациям.

.ские нули. Выходы формирователей 12 связаны с входами шифратора 13. Шифратор преобразует код, образованный нулями и единицами формирователей 12 и двоичный код номера ситуации. При этом предусмотрена следующая кодировка возможных ситуаций, 000-всё частотные каналы исправны; 001 - вьшел из строя элемент или узел первого

псевдообратных матриц

50

А. Коды элементов этих матриц хранятся в определенных ячейках (зонах) памяти блока 8 памяти.

Работой устройства для одновременного измерения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля управляет вычис- лительньш блок 7, который связан с

частотного канала; 010 - вьш1ел из строя (.(. блоком 8 памяти, преобразователями 5 элемент или узел второго частотного частота - код и шифратором 13 по канала; 011 - из строя элеме нт двухшинной системе, или узел третьего частотного канала; 100 - из строя элемент или узел

Многопараметровый (в предлагаемом устройстве трехпараметровый)ме8947

четвертого частотного канала; 101 - вьпиел из строя элемент или узел пятого частотного канала; ПО - вышел из строя элемент или узел шестого частотного канала.

Адрес блока может быть жестко задан распайкой свободных ножек элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D3 на н-Е или на

ю землю. При появлении на шине адреса ЭВМ адреса блока срабатьшает схема дё- шифрации D3, D4.1, D6.1 и на элементы

15

20

30

о

5

Приведенная схема шифратора D4,2, D5.1, D5.2 работает при выходе из строя только одного из каналов. Если же необходимо работать при выходе из строя двух или более каналов, то она может быть соответствующим образом изменена.

Предварительно для каждой из возможных ситуаций (работоспособы все частотные каналы, неработоспособен один или несколько каких-то частотных каналов) определяются элементы обратной матрицы и различных.

соответствующих различным ситуациям.

псевдообратных матриц

А. Коды элементов этих матриц хранятся в определенных ячейках (зонах) памяти блока 8 памяти.

Работой устройства для одновременного измерения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля управляет вычис- лительньш блок 7, который связан с

блоком 8 памяти, преобразователями 5 частота - код и шифратором 13 по двухшинной системе,

Многопараметровый (в предлагаемом устройстве трехпараметровый)метод измерения основан на совместном использовании нескольких многопара- метровых выходных сигналов автогенераторов, кварцевые резонаторы которых включены в трехпараметровый чувствительный элемент. Эти выходные многомерные сигналы с автогенераторов различным образом зависят от одf -

f,o + (Х,-Х,„) + a;,(,J - а, (X,-X,J.a(X,-X, ) ()

+ а, (Х,-Х,о )(,„ ) + а°, (,, )(,о)

е al, (X,-X,J + а°() + а,, (Х,-Х,J + а ;(Х,-Х.„ )(X.,-X,J + -ь а°,(Х,-Х,(Х,-Хзо) + ,)(Xj- Х),

где 1,6, J 1,3) - коэффициенты термо-, тензо-, массочувстви- тельности 1сварцевых резонаторов,

a(i 1, 6, J 4,6) - коэффициенты смешанных чувствительностей; X, , X,j, Х - измеряемые температура, давление и ускорение;

Х,, , X ,0 - координаты репер- ной. точки XQ , в которой определялись коэффициенты чувствительно- сти а| (i 1 ,6и J 1 ,6), f,ti 1,6) - начальные частоты

J

о

J

1

е-Лр О

fZlK (Xp-Xg )|, (1 1,6, J 1,6)

J

К. - коэффициент взаимного влия1-го измеряемого параметра на соА

ответствующий коэффициент чувствительности а,-| . .

Наличие первичных многомерных сигналов с автогенераторов (1) позволяет сформировать из них информационные сигналы о каждой из измеряемых величин

X Х/

А F

А ;

(3)

где X - XQ - вектор измеряемых физи- jg ческих величин Х,(т), Х2(Р), X,fg), Х4(Т.Р), .g), .g),

F. - вектор частот с автогенератора;

- матрица, обратная матрице преобразователя

них и тех же измеряемых физические величин Т{Х, ), P(X,j,), gCX), и благодаря возможности варьировать в широких пределах избирательность кварцевых резонаторов (коэффициенты чувствительности измеряемым физическим параметром) образуют систему из шести линейных независимых уравнений

(I)

автогенераторов или частоты автогенераторов в реперной точке.

В выражениях системы (1) учтено имеющееся на практике взаимное влияние измеряемых параметров на соответствующие коэффициенты чувствительности, Т.е. температуры на тензо- и массо- чувствительность, силы на термо- и массочувствительность, ускорения на термо- и тензочувствительность, которое выражается в первом приближении в виде.

)|, (1 1,6, J 1,6)

(2)

А

(4)

45

jg

55

В нормальном режиме работы устройства под действием на трехпараметровый чувствительный элемент измерительных температуры, давления и ускорения изменяются резонансные частоты кварцевых резонаторов, а следовательно, и частоты автогенераторов в соответствии с выражениями (1). Сигналы с частотами , f, ,,., fg с выходов автогенераторов поступают на первые входы соответствующих смесителей, на вторые входы которых поступает сигнал частоты Гд с опорного генератора, в результате чего на выходах смесителей имеются низкочастотные сигналы вида

, (f,o-fo) + a; (X,-X,J + a:,(.J + . Fe (ffeo- o) , (Xi-X,J + a°,(.X,J+.

Эти сигналы поступают на входы соответствующих преобразователей частотаY, а; (Х,-Х,„) + a:,(,J +...+ аГ, ( ,J(X, -Х„ ) Y, а, (X, -Х„) + a:(,J-b...+ а ,(Х,-Х,, )(Х,-Х, J

или

Y А(Х - Xj

(7)

гдеY - вектор сигналов с преобразователя частота - код. С выходов преобразователей частота - код сигналы Y поступают в вычислительный блок, где происходит перемножение вектора сигналов Y на обратную матрицу коэффициентов преобразования А

(X - X,)

A- Y,- (8)

вызьгоаемую из блока памяти. В результате получается оценка (Х,)

(х,-х,„)% (Xj-x,,...; С ()X

( ) одновременно действующих на многопа раметровый чувствительный элемент измеряемых физических величин X,, Х, Х,. В этом режиме, когда все элементы и узлы (кварцевые резонаторы, автогенераторы, смесители, опорный генератор всех частотных ка- налов) работоспособы, оценка измеряемых физических величин, определяемая согласно (8), оказывается точной, поскольку погрешности определяются лишь конечной разностью преобразова- телей частота - код, конечностью разрядной сетки вычислительного блока и в меньшей степени нестабильностью

А ( (А А) .,

которыми она определяется единствен- . ным образом. Важным качеством псевдо- обратной матрицы Мура A J является то, что она существует для любой матрицы 50 А и поэтому, получая оценку параметров X - Хр по формуле

{9)

X - X, А ,

где Y - вектор частот не вьцпедщих из строя частотных каналов, можно не сомневаться в существовании и единственности решения недоопреде.H-a, (,J(X,-X,J .+ a°,(X,(X,-X,J

(5)

код, на выходе которых приобретают кодовую (цифровую) форму

(6)

частот рабочих и опорного автогенераторов .

В случае, когда выходят из строя один или несколько частотньгх каналов, либо частоты одного или нескольких автогенераторов находятся не в допус- ке, более целесообразно не использовать информацию из неработоспособных частотных каналов, т.е. коэффициенты чувствительности и частоту, соответствующие неработоспособному частотному каналу. В этом случае исходная матрица преобразования А становится прямоугольной А размера (п 1б), а матричное уравнение X - Х А Y имеет бесчисленное множество решений, поскольку число неизвестных в (1) становится больше числа уравнений в (1). . Одним из способов уменьшения трудностей, связа:нных с некорректностью возникающей задачи, является использование псевдообразных матриц А . Матрица - -не единственная для данной At. Однако из всех

можных псевдообратньгх матриц А.представляет наибольший интерес матрица Мура, обозначаемая А и обладающая свойствами

ленной системы уравнений . Получае- маемая таким образом оценка (9) является наилучшим приближенным решением (по методу наименьших квадратов) матричного уравнения А X Y .

Матрица Мура , псевдообратная к А,имеет следующее разложение

f

.+ - .т

А, Zf ;q;t;, где R - ра нг матрицы А ,

(10)

qj и

t:.

A A

- собственные векторы симметричных матриц, соответственно j /К; - сингулярные числа матрицы

и А; А

А, индекс т означает транспортирование. Таким образом, используя в предлагаемом устройстве при выходе из строя одного или нескольких частотных каналов или нахождение частот соответствующих автогенераторов не в допуске соответствующие псевдообратные матршды, можно существенно повысить надежность устройства,

Ф, ормула изобретени

Устройство для одновременного измерения температуры и давления в ло

кальном объеме измерительного поля по авт. св. № 1307246, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одного или нескольких измерительных каналов введены шифратор и шесть цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных полосового фильтра, ампли- тудного детектора, фильтра низких частот и формирователя прямоугольных импульсов, причем входы полосовых фильтров связаны с выходами смесителей, а выходы формирователей прямоугольных импульсов - с входами шифратора, выход и дополнительный вход которого соединены соответственно с входом и выходом вычислительного блока.

01-Iff т

sj-fssnns

Dif,SS- -ISSMI

ss-isfM