Устройство для измерения параметров частотных датчиков Советский патент 1992 года по МПК G01R23/00 

VJ О

ел VJ

ел

VJ

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может быть использовано для измерения давления, объемного расхода жидкостей и газов, угловой скорости, а также других параметров, преобразуемых первичными преобразователями в частотно-импульсную форму.

Цель изобретения - повышение точности устройства и расширение его функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - схема преобразователя частота-код; на фиг. 3 - диаграммы следования измерительных и эталонных импульсов, поясняющие принцип его действия.

Устройство содержит частотные датчики 1-1...1-п, преобразователи 2-1...2-п частота-код, блок 3 деления кодов, первый- третий блоки 4-6 умножения чисел, сумматор 7 чисел, первый-четвертый блоки 8-11 памяти, первый и второй коммутаторы 12 и 13, генератор 14 тактовых импульсов, первый и второй счетчики 15 и 16 импульсов, триггер 17, переключатель 18 и регистры 19-1...19-п.

Выходы частотных датчиков 1-1...1-п соединены с первыми входами соответствующих преобразователей 2-1 ...2-п частота-код, первые информационные выходы которых объединены на первых входах блока 3 деления кодов, а их вторые информационные выходы - на вторых входах этого блока 3 деления кодов соответственно, выходы которого через первый блок 4 умножения чисел подключены к первым и вторым информационным входам второго и к первым информационным входам третьего блоков 5 и 6 умножения чисел, выходы которых соединены с первыми и вторыми информационными входами сумматора 7 чисел соответственно, выходная шина которого соединена с входными шинами регистров 19-1...19-п, входы записи которых соединены с соответствующими выходами разрядов второго коммутатора 13, входная шина которого соединена с выходной шиной второго счетчика 16, входными шинами первого-четвертого блоков 8-11 памяти и входной шиной первого коммутатора 12, управляющий вход которого соединен со входом управления блока 3 деления и выходом переключателя 18, а 1-п-выходы - со вторыми входами соответствующих преобразователей 2-1...2-п частота-код, синхронизирующие выходы которых соединены со вторым входом триггера 17, выход которого соединен с управляющим входом переключателя 18, выход генератора 14 тактовых

импульсов соединен с суммирующим входом первого счетчика 15 импульсов, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами переключателя

18, второй-четвертый - с управляющими входами соответственно первого-третьего блоков 4-6 умножения, а пятый - со входом управления сумматора 7, первый вход которого соединен с выходной шиной четверто0 го блока 11 памяти, выход второго блока памяти соединен со вторым входом первого блока 4 умножения, выход переполнения первого счетчика 15 соединен с первым входом триггера 17, входом обнуления первого

5 счетчика 15 и суммирующим входом второго счетчика 16, выход переполнения которого соединен со входом обнуления.

Каждый из преобразователей 2-1-2-п содержит формирователь 20 импульсов.

0 счетчик 21 импульсов измеряемой частоты, основной и дополнительный счетчики 22 и 23 импульсов эталонной частоты, элементы И 24 и 25, триггеры 26 и 27, генератор 28 эталонной частоты, переключатель 29, эле5 менты 30 и 31 задержки, регистры 32 и 33, блок 34 элементов совпадения, блоки 35 и 36 памяти и коммутатор 37.

Вход преобразователя через формирователь 20 импульсов соединен с суммирую0 щим входом счетчика 21 импульсов измеряемой частоты и первым входом элемента И 24, второй вход которого соединен с выходом триггера 27, а выход - с первым входом первого триггера 26 и через первый

5 элемент задержки 30 - с входами записи регистров 32 и 33 с первым входом второго элемента И 25 и входом второго элемента 31 задержки, выход которого соединен со входом обнуления счетчика 21 импульсов изме0 ряемой частоты, с входом начальной установки счетчика 22 импульсов эталонной частоты и первым входом второго триггера 27, выходы генератора 28 эталонной частоты через соединенные последовательно

5 коммутатор 37 и переключатель 29 соединен с суммирующим входом счетчика 22 им- пульсов эталонной частоты и с вычитающим входом дополнительного счетчика 23 импульсов, выход заема которого соединен со

0 входом начальной установки этого счетчика 23 и со вторым входом первого триггера 26, выходом соединенным с управляющим входом переключателя 29, информационные выходы счетчика 21 импульсов измеряемой

5 частоты через первый регистр 32 соединены с первыми информационными выходами преобразователя, информационные выходы счетчика 22 импульсов эталонной частоты соединены с первыми входами блока 34 элементов совпадения и через второй регистр 33 - со вторыми информационными выходами преобразователя, выходы первого блока 35 памяти соединены с информационными входами счетчика 22 импульсов эталонной частоты и дополнительного счетчика 23 импульсов, выходы второго блока 36 памяти соединены со вторыми входами блока 34 элементов совпадения, выход которого соединен со вторым входом второго триггера 27, а выход управления чтением преобразователя соединен с входами чтения регистров 32 и 33 и вторым входом второго элемента И 25, выход которого является синхронизирующим выходом преобразователя.

Датчик 1-1 предназначен, например, для измерения давления PI. Его характеристика, записываемая в общем случае полиномом 2-ой степени:

Pi- Aafxi + Aifxi + АО,

0)

где PI - текущие значения измеряемого параметра;

Аа, Аь АО - коэффициенты полинома, аппроксимирущие характеристику частотного датчика.

Второй канал предназначен, например, для измерения объемного расхода жидкости.

Qi B2fxl + Blfxl + Во.

(2)

где QI - текущие значения объемного расхода:

fxi - частота измерительного сигнала, формируемая на выходе ТПР 1-2 (измеряется в пределах от 30 до 500 Гц);

Bz, BL Во- коэффициенты, аппроксимирующие проливочную характеристику датчика 1-2.

Последний измерительный канал предназначен, например, для контроля величины оборотов электропривода и снабжен импульсным датчиком 1-п скорости с числом вставок, равным Z.

При использовании устройства в системах отображения информации выходы регистров 19-1.,.19-п подключаются к входам блока индикации, а в других вариантах его применения, например, в системах автоматического регулирования - к входам соответствующих элементов обработки измерительной информации.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно осуществляют настройку его схемных элементов на режим работы, обеспечивающий наименьшую погрешность преобразования измерительных

сигналов в код, исходя из выбранной емкости счетчиков 21, 22 и ожидаемого диапазона формируемых частот fx(1...n). Для этого устанавливают длительности Гх(1...п) измерительных циклов для каждого из измерительных каналов.

За время гх счетчики 22 преобразователей 2-1...2-п должны быть максимально заполнены импульсами эталонной частоты fa, т.е.

fa(1...n) Tx(1...n) S(241-1)

(3)

где qi 16 - число разрядов счетчика 22 импульсов.

С другой стороны за этот же временной интервал тх в счетчик 21 должно быть считано не более ( 2 ч2 - 1 ) импульсов входного сигнала fx(1...n), т.е.

rx(l...n)fa(l..n)S(242-1), (4)

где q2 8 - число разрядов счетчика 21 импульсов;

fx(1...n) - максимальное значение измеряемой частоты.

Из соотношения (4) получают

2 Ч2 1

М1-)ЈоЗГГ

а соотношение (3) принимает вид

(5)

35

о-) Јтт5г) 6

откуда

4i)f ffMi---). Ю

Для 1-го измерительного канала fxinaicc - 8 кГц и расчетное значение эталонной частоты, полученное из соотношения (7), будет равно 2,048 мГц. Из ряда фиксированных частот, формируемых генератором 28, выбирают fsi -2,0 мГц и устанавливают коммутатор 37 преобразователя 2-1 в положении 7.

Расчетная длительность rxi цикла измерений для 1-го канала согласно уравнению (3) равна

Гх1 2S

216-1 2 106

0.032 с

За этот интервал времени генератор 28 формирует Мц1 импульсов эталонной частоты fai:

Мц1-2 106 -0,032 64000 имп.5

Кодовое значение числа Nui записывают в блок 36 памяти преобразователя 2-1.

Для 2-го измерительного канала fx2Ma c - 500 Гц и расчетное значение эталонной 10 частоты равно 128 кГц. Выбирают f92 - 125 кГц и устанавливают коммутатор 37 преобразователя 2-2 в положение 3.

Расчетная длительность ГХ2 измерительного цикла для этого канала15

Тх2

216-1 125 10

з 0,524 с ,

Принимают Гх2 равным 0,4 с. Тогда Мц2 -125 103 0,4 50000 имп.

Кодовое значение числа Мц2 записывают в блок 36 памяти преобразователя 2-2.

Настройка преобразователя 2-п при числе вставок Z импульсного датчика 1-п скорости, равном, например, шести fxnMaKc 600 Гц(, аналогична преобразователю 2-2, т.е. fan - 125 кГц; гхп 0,4 с; Мцп 50 тыс. импульсов.

В блоки 35 памяти преобразователей 2-1...2-п записывают коды NH(1...n), считывание которых импульсами эталонной частоты fa(1...n) производится за время, несколько большее суммарного времени настройки элементов 30 и 31 задержки и переключения счетчиков 22 в начальное состояние.

В блок 8 памяти считывают значения выбранных частот fai. fa2, fa3 и т.д.. включая fan, а в блоки 9,10 и 11 - последовательности коэффициентов А, В2...С2, Ai, Bi...Ci и АО, Во...Со рабочих характеристик датчиков 1-1, 1-2...1-п, причем для n-го измерительного канала коэффициенты С2 и С0 равны нулю, а коэффициент Ci определяют по формуле

Ci об/мин , (8)

В исходном состоянии счетчик 15 им- пульсов и триггер 17 обнулены, переключатель 18 установлен в положение, в котором его выход соединен с первым выходом счетчика 15, на выходах счетчика 16 сформирован первый адресный код, по которому коммутаторы 12 и 13 переводятся в первое положение, а на выходы блоков 8-11 памяти считываются значения эталонной частоты fai и соответственно коэффициентов А2, Ai, АО градуировочной характеристики датчика

0

5

0

5 0

5

0 5

0 5

1-1. В преобразователях 2-1...2-п элементы И 24 и 25 закрыты; выходы триггеров 26 и 27 обнулены, выходы коммутаторов 37 соединены с суммирующими входами счетчиков 22, Регистры 32 и 33 содержат произвольную информацию.

Преобразователи 2-1...2-п работают асинхронно по отношению друг к другу и другим элементам схемы. Например, в произвольный момент времени ti (фиг, 3) счетчик 21 преобразователя 2-1 заполняется импульсами входного сигнала fxi, а счетчик

22 - импульсами эталонной частоты f9i. При считывании в последний импульса Nui на выходе блока 34 элементов совпадения формируется электрический сигнал, соответствующий логической единице, который устанавливает триггер 27 в единичное состояние и открывает элемент И 24 (момент времени t2). Вследствие этого очередной импульсный сигнал, возбуждаемый на выходе формирователя 1 в момент времени t3, не только увеличивает на 1 содержимое счетчика 21, ной, проходя через открытый элемент И 24, изменяет состояние подключенных к его выходу триггера 26, переключателя 29, счетчиков 22 и 23 и т.д., а именно: триггер 26 устанавливается в единичное состояние и посредством переключателя 29 подсоединяет выход генератора 28 к вычитающему входу дополнительного счетчика 23; последний начинает работать в режиме вычитания, а счетчик 22 останавливается; через интервал времени, равный уставке элемента 30 задержки и достаточный для прохождения переходного процесса в счетчике 21. связанного с записью в него последнего измерительного импульса, его содержимое тХ1, а также содержимое счетчика 22, переписываются в регистры 32 и 33; по истечении интервала времени, соответствующего настройке другого элемента задержки и достаточного для устойчивого переключения указанных регистров, на его выходе формируется импульсный сигнал, по которому производится обнуление счетчика 21 и запись в основной счетчик 22 кода NH1 начальной уставки, хранящегося в памяти блока 35; при считывании содержимого счетчика

23 до нуля на его выходе возбуждается сигнал переноса в виде логической единицы, который адресуется на вход триггера 26 и на свой S-вход; по этой команде триггер 26 обнуляется, возвращая в исходное состояние переключатель 29, а в счетчик 23 переписывается код начальной уставки NH1.

Далее вновь задействуется в работу счетчик 22, причем накопление им импульсов эталонной частоты fai производится не

с нуля, а с учетом начальной уставки NH1 и измерительный цикл повторяется.

Преобразователи 2-2...2-п работают аналогичным образом. Каждый из них организует последовательность измерительных циклов длительность гх(2...п). которая колеблется в пределах от тх(2...п) до гх(2...п) + ТХ(2...п), накапливает в каждом цикле поступающие импульсы входного сигнала fx(2...n). а получаемые при этом результаты считывает в регистр 32 в виде двоичных кодов mx(2...n). Одновременно в другой регистр 33 записывается число Nx(2...n) импульсов эталонной частоты f3(2...n). выделенное генератором 28 за время гхр...п).

Обработка измерительной информации, формируемой преобразователями 2- 1.,.2-п, производится по командам счетчика 15, работающего в циклическом режиме. При считывании в него первого импульса тактовой частоты fT на его 1-ом выходе возбуждается электрический сигнал, соответствующий логический единице, который через переключатель 18 адресуется на управляющий вход блока 3, а через коммутатор 12 - на вход управления чтением преобразователя 2-1. По этой команде содержимое регистров 32, 33 считывается в блок 3, который делит код mxi на число Nxi накопленных импульсов эталонной частоты fai:

П3

mxi

Nxi

(9)

Если момент вывода информации из преобразователя 2-1 совпадает с окончанием измерительного цикла и записью в регистры 32 и 33 новых значений mxi, NX1, то открывается элемент И 25 и на синхронизирующем выходе преобразователя 2-1 появляется импульсный сигнал, который переводит триггер 17 в единичное состояние, подсоединяя выход переключателя 18 к второму выходу счетчика 15.

Возбуждаемый на нем импульс напряжения вновь адресуется на вход управления чтением преобразователя 2-1 и управляющий вход блока 3 для дублирования операции деления кодов mxi и Nxi.

По команде, формируемой на 3-ем выходе счетчика 15, блок 4 умножает число П3 (9) на частоту , значение которой считывается с выхода блока 8 памяти. Произведение П3Тэ1 эквивалентно искомой частоте входного сигнала

« , -п , - mxi fai fxi-n3f3i --pj-p

Следующие три команды поступают на управляющие входы блоков 5-7, которые преобразуют полученное значение частоты fxi в физическую размерность параметра, используя градуировочную характеристику (1) датчика 1-1: блок 5 возводит fxi в квадрат и полученный результат умножает на коэффициент А2, значение которого считывается с выхода блока 9;

2

П5 - A2fxi2;

другой блок 6 умножения вычисляет произведение Aifxi; блок 7 суммирует поступив- шие на его входы данные, определяя окончательный результат, который переписывается затем в регистр 19-1:

Pl A2fxr + Aifxi + A0.

20

По заполнению счетчика 15 на его последнем выходе возбуждается импульсный сигнал, который переводит в следующее положение счетчик 16, а соответственно и коммутаторы 12 и 13 с блоками 8-11 памяти, подготавливая схему устройства к обработке информации, накопленной преобразователем 2-2. Одновременно триггер 17 с переключателем 18 возвращаются в исходное состояние, если они были задействованы в работу, и производится обнуление самого счетчика 15.

Вторая серия команд, выдаваемых счетчиком 15, адресуется на управляющие входы блоков 3-7 в той же последовательности, что и первая, при этом блоки 3 и 4 вычисляют частоту fX2, остальные схемные элементы преобразуют ее в объемный расход Q согласно уравнению (2). Полученное значение

расхода считывается в регистр 19-2.

Обработка измерительной информации, формируемой третьим и последующими преобразователями частота-код, производится по аналогичному алгоритму,

причем в n-ном канале значения коэффициентов С2 и Со. считаемых с выходов блоков 9 и 11, равны нулю и конечный результат определяется соотношением

50

w fx

60

об/мин

По заполнению счетчиком 1 б импульсов производится его обнуление и цикл обра- 55 ботки измерительной информации повторяется.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения параметров частотных датчиков, содержащее первый и второй счетчики импульсов, а также

генератор тактовых импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства и расширения его функциональных возможностей, в него введены частотные датчики преобразователи частота-код по числу частотных датчиков, блок деления кодов, первый-третий блоки умножения чисел, сумматор чисел, первый и второй коммутаторы, триггер, регистры по числу измеряемых параметров и переключатель, выходы частотных датчиков соединены с входами соответствующих преобразователей, при этом первые информационные выходы всех преобразователей частота-код объединены на первых входах блока деления кодов, а их вторые информационные выходы - на вторых входах этого блока соответственно, выходы которого через первый блок умножения чисел подключены к первым и вторым информационным входам второго и к первым информационным входам третьего блоков умножения чисел, выходы которых соединены с первыми и вторыми информационными входами сумматора чисел соответственно, выходы блоков памяти соединены с вторыми информационными входами первого и третьего блоков умножения чисел, с третьими информационными входами второго блока умножения чисел и с третьими информационными входами сумматора чисел соответственно, выход генератора тактовых импульсов связан с суммирующим входом первого счетчика импульсов, первый и второй выходы которого через переключатель соединены с информационным

входом первого коммутатора и с управляющим входом блока деления кодов, последующие четыре выхода этого счетчика подключены соответственно к управляющим входам блоков умножения чисел и к входу управления сумматора чисел, его седьмой выход через второй коммутатор соединен с входами записи регистров, а выход переполнения - с своим входом обнуления, с первым входом триггера и с суммирующим входом второго счетчика импульсов, выходы первого коммутатора подключены к входам управления чтением преобразователей частота-код, синхронизирующие выходы которых объединены на втором входе триггера, выходом подключенного к управляющему входу переключателя, выходы сумматора чисел соединены с информационными входами регистров, выходы второго счетчика импульсов соединены с адресными входами коммутаторов и блоков памяти, выход переполнения этого счетчика подключен к своему входу обнуления, а выходы регистров являются выходами устройства.

2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что каждый из преобразователей

частота-код содержит формирователь импульсов, вход которого является входом преобразователя, генератор эталонной частоты, переключатель, счетчики импульсов измеряемой и эталонной частот, дополнительный счетчик импульсов, два элемента И, два триггера, два регистра, блок элементов совпадения, два блока памяти, два элемента задержки и коммутатор, при этом выход формирователя импульсов соединен с суммирующим входом счетчика импульсов измеряемой частоты и первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго триггера, выход этого элемента И соединен с первым входом первого триггера и через первый элемент задержки - с входами записи регистров, с первым входом второго элемента И и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к входу обнуления

счетчика импульсов измеряемой частоты, к входу начальной установки счетчика импульсов эталонной частоты и к первому входу второго триггера, выходы генератора эталонной частоты через соединенные последовательно коммутатор и переключатель связаны с суммирующим входом счетчика импульсов эталонной частоты и с вычитающим входом дополнительного счетчика импульсов, выход заема которого соединен со

своим входом начальной установки и с вторым входом первого триггера, выходом под- ключенного к управляющему входу переключателя, информационные выходы счетчика импульсов измеряемой частоты через первый регистр соединены с первыми информационными выходами преобразователя, информационные выходы счетчика импульсов эталонной частоты соединены с первыми входами блока элементов совпадения и через второй регистр - с вторыми информационными выходами преобразователя, выходы первого блока памяти подключены к информационным входам счетчика импульсов эталонной частоты и дополнительного счетчика импульсов, выходы второго блока памяти соединены с вторыми входами блока элементов совпадения, выходом подключенного к второму входу второго триггера, а выход управления чтением

преобразователя соединен с входами чтения регистров и с вторым входом второго элемента И, выход которого является синхронизирующим выходом преобразователя.

А.

п

фиг. 2

Изобретение может быть использовано для измерения параметров частотных датчиков и в системах автоматического регулирования параметров. Устройство для измерения параметров частотных датчиков содержит первый и второй счетчики 15, 16 импульсов и генератор 14 тактовых импульсов. Введение частотных датчиков 1, преобразователей 2 частота-код, блока 3 деления кодов, блоков 4, 5. 6 умножения, сумматора 7 чисел, блоков 8, 9, 10, 11 памяти коммутаторов 12, 13. триггера 17, переключателя 18 и регистров 19 и позволяет расширить функциональные возможности и точность устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

фиг. 3 Ј/

Составитель Е.Соловьев Редактор Н.ГорватТехред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Заказ 191Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, 4/5