Двухпараметровый частотный измерительный преобразователь Советский патент 1982 года по МПК G01K7/32 H03K13/20 

Изобретение относится к приборост роению и может быть использовано при построении частотных систем управления и одновременного контроля двух параметров, в частности силового воз действия и температуры. Известен пьезоэлектрический преоб разователь, содержащий два пьезорезонатора, укрепленных на торцевых выступах упругого кольца и подключен ных к двум автогенераторам. Измеряемое усилие прикладывается упругому элементу в виде кольца, а з крепление резонаторов на кольце дифференциально по отношению к прилагаемому усилию р. Однако .известное устройство не позволяет проводить одновременные измерения давления и температуры, хотя в значительной мере устраняет температурную погрешность. Наиболее близким к изобретению является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьезорезонатора, укрепленных на упругом элементе, и подключенньтх к двум автогенераторам, два преобразователя частота - код, вычислительный блок и запоминающее устройство, причем выходы автогенераторов подключены к входам преобразователей частота - код, выходы которых подключены к вычислительному блоку, соединенному с запоминающим устройством 2. Однако известное устройство, позво ляющее производить одновременные изме рения температурных и силовых воздействий на исследуемый объект, имеет недостаточную точность измерения вследствие влияния приращения коэффициентов сило- и термочувствительностей при измерении. Кроме того, в известном устройстве необходимая точность измерения может быть достигнута при. использрвании stiсокоразрядных преобразователей частота - код, однако пробного рода усложнения приводят к уменьшению надежности схемной реализации, повышению числа сбоев за одно измерение и, следовательно, снижению точности измере ния параметров. Цель изобретения - повышение точности измерения исследуемых параметров . Указанная цель достигается тем, что в двухпараметровый частотный изм рите.иьный преобразователь, содержащи двухпараметровый частотный датчик, оба выхода которого подключены к вхо ду своего автогенератора, и два преобразователя период - код, выходы которых соединены с первым и вторым входами вычислителя, введены дополнительный вычислитель, первый и второй смесители, источник опорной частоты, блок разделения сигналов, формирователь временных интервалов, первый и второй счетчики, первый и второй ключи, первый и второй делители, первый и второй блоки сравнения и элемент И причем выходы обоих автогенераторов через смеситель и блок разделения сигналов подключены к входам соответствующих счетчиков, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами основного и дополнительного вычислите лей, соответственно, а выход «источника опорной частоты подключен к вторым входам первого и второго смесителей, к третьему входу блока разделения сигналов и к первому входу формирователя временных интервалов, первые четыре выхода которого подключены к установочным входам блока разделения сигналов, пятый и шестой выходы форми рователя временных интервалов, соединегш соответственно с третьим и четвертым входами дополнительного вычислителя, а седьмой и восьмой выходы соединены с пятым и шестым входами дополнительного вычислителя и с входами первого и второго делителей соответственно, которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам основного вычислителя выходы первого и второго смесителей соединены также с входами первого и второго преобразователей период - код оби выхода основного вычислителя через первый и второй ключи подключены соответственно к BTOpftiiy и третьему .входам формирователя временных интервалов, а два выхода дополнительного вычислителя через первый и второй бло ки сравнения подключены к входам элемента И, выход которого соединен с торьми входами первого и второго лючей. На чертеже показала функциональная схема двухпараметрового частотного измерительного преобразователя. Двухпараметровый частотный измерительный преобразователь состоит из двухпараметрового частотного датчика 1, автогенераторов 2 и 3, смесителей 4 и 5, предназначенных для выделения разностных частот F. и F из сигналов высоких частот генерации и f, и сигнала опорной частоты о, поступающего с выхода источника 6 опорной частоты на смесители 4 и 5, блок 7 разделения сигналов, который предназначен для разделения во времени импульсов частот F.( и с целью предотвращения сбоев в моменты совпадения фронтов импульсов,формирователь 8 временных интервалов, служащий для формирования одиночных импульсов определенных длительностей по внешнему сигналу из импульсов опорной частоты поступающих с выхода источника 6, преобразователи 9 и 10 период - код, которые предназначены для преобразования в коды периодов частот F / и Р с выходов смесителей 4 и 5, счетчик 11 для выполнения функции преобразования вдвоичный код информации о измеряемом параметре т, счетчик 12 для преобразования в двоичный код информации о измеряемом параметре Р, вычислитель 13, ключи 14 и 15, предназначенные для пропускания сигнала коррекции временных интервалов на формирователь 8 с выхода вычислителя 13, вычислитель 1 6 предназначенный для вычисления сигнала ошибки измерения по каждому из измеряемых параметров, делители 17 и 18, которые позволяют из кодов интервалов i Т, и получать коды чисел и , Плоки 19 и 20, которые сравнивают полученные сигналы ошибок по ка;кдому из параметров с допустимым уровнем и, в случае если ошибка незначительна, выдают сигнал на элементы 21 И. Двухпараметровый частотный датчик выполнен в виде двух резонаторов 22 и 23 (кварцевых LC среза), вычислитель 13 - в виде двух умножителей 24 и 25, а вычислитель 16 - в виде двух блоков 26 и 27 вычитания и двух умножителей 28 и 29. 5 Двухпараметровый частотный измери тельный преобразователь работает сле дующим образом. Сигналы высоких частот генерации и fj с выходов автогенераторов 2 3 поступают в смесители 4 и 5 соотве ственно, -где смешиваются с сигналом опорной частоты fо, пост/пающим на смесители 4 и 5 с выхода источника 6 опорной частоты, в результате чего выделяются разностные частоты F и И.Используемые в качестве чувствительных элементов кварцевые резонато ры LC среза имеют линейные зависимос ти частот резонансов от температурны и силовых воздействий: F. а,,Р + F где Р и Т измеряемые параметры F и F - частоты генерации пр начальных условиях; а . и а 2 коэффициенты силочув ствительности; а и коэффициенты термочувствительности . Систему уравнений (1) можно преоб разовать следуклцим образом: uF, а.Т uF. а.Р + После этого записываем обратное преобразование ,. где А а а,22- . Коэффициенты термо- и силочувстви тельностей, деленные на детерминанты имеют размерность соответственно Н/Г и град/Гц, что дает возможность пе - рейти от системы уравнений (3) к еле дующей системе; Р Т F, - Т + , где Т , Т, Т и Т4 - времена -измере ния соответствующих частот T д г т - оц т - т - , а д м U 4- л 6« Реальные коэффициенты силочувствительности а, и а и термочувствительности а.2-2, кварцевых резонаторов зависят от измеряемых параметров Р и т соответственно.С учетом этого введя соответствующие обозначения относительных отклонений приращений к с. частот F и F2 появляющихся в результате изменений коэффициентов сило- и термочувствительности, получаем: Т°р Т°р Г-П. -, Р T,F; (1 cf,-V(i -vdii 1 -T, (1 +cf,)T4F (1 )(5) Отсюда видно, что равенства могут быть выполнены не только в результате изменения частот и F , а также в результате измерений времен измерения частот Tj , Т2, Т, Tjj. Из полученной системы уравнений I (5) находим параметры ошибок измерения гОт с гС т г Ifv- I- Oi чЬ -Ог2Ь2. IJpl- , I- . ( Непосредственно перед началом измерений по известным коэффициентам сило- и термочувствительностей рассчитываются времена Т , Т, Т, Т , Чг. соответствии с системами (4) и (5) уравнений. Формирователь временных интервалов настраивается на формирование рассчитанных временных интервалов по внешней команде Пуск. Рассчитанные интервалы формируются из импульсов опорной частоты fо, поступающих на вход формирователя 8 с выхода источника 6 опорной частоты. Преобразователь оценивает измеряемые параметры по интерполяционному принципу. Первый цикл вычисления сводится к нахождению параметров Р и Т из системы линейных алгебраических уравнений (4) и оценке параметров Gp и (Т-,-. В течение времени Т- импульсы частоты F. поступают на суммирование в реверсивнмГ; счетчик 1 , а в течение времени Т импульсы частоты F поступают на вычитающий вход реверсив-. ного счетчика 11. В результате вычитания двух импульсных последовательностей на выходе счетчика 1 1 79 появляется двоичный код параметра Р, Аналогичным образом вычисляется двоичный код параметра Т. В этом случа импульсы частоты F в течение времен Т поступают на суммирующий вход сче чика 12, а импульсы частоты F;| в течение времени Т-, поступают на вычитающий вход счетчика 12. Для совмещения во времени операци суммирования и вычитания, что, напри мер, при равных временах Tj и Т повышает быстродействие в два раза, в схеме введен блок 7 разделения сигналов. Блок 7 обеспечивает приори тет операции суммирования перед oneрацией вычитания в том случае, когда фронт импульса частоты F- совпадает с фронтом импульса частоты р2. и може пройти сбой -информации. Для этих целей используются импульсы- частоты f (J Совмещение во времени операций суммирования и вычитания значительно сокращает чи.сло разрядов счетчиков 1 и 12, что уменьшает аппаратурные атраты. В соответствии с алгоритмом вычис ления (4) приращение на единицу млад шего разряда в двоичном коде соответ ствует приращению температуры и силы на 1 град и } Н. Следовательно погрешность измерения температуры составляет 1 град., а погрешность вы числения силы составляет 1 Н. Для уменьшения погрешности измерения температуры в п раз, а силы в ГО раз необходимо увеличить времена измерения соответственно Т и Т в раз, а T-J, в Т в П раз. п После вычисления параметров и Т из системы линейных уравнений (4) определяются поправки на времена измерений T , Т2., Т 5 и Т согласно алгоритму (5). Функцию вычисления выполняет основной вычислитель 13, который работает с двоичными кодами параметров Р, Т, , , Р Умножитель 24 вычислителя 13 позволяет получать на выходе двоичный код коэффициента сС( - Умножитель 25 позволяет получать на выходе двоичный код коэффициента d. Полученные коэффициенты с выхода вычислителя 13 поступают на входы соответствующих ключей 14 и 15, Параметры 1 и 2необходимые для вычисления коэффициентов сА и 2 , получаются в резул тате деления кодов временных интерва 68 лов ц , Т к Vjg 14 на коды временных интервалов Т и Т. В соответствии с алгоритмом вычисления (6) и с учетом соотношений (5) определяются параметры Сзр и ffj /0р|--(ЧД,-ПаТ2)То; iG-To |--()P Функцию вычисления ошибок измерения выполняет дополнительный вычислитель 16. Блок вычитания 26 выделяет на выходе код разностного временного интервала l.T - 12.2 аналогично на выходе узла вычитания 27 имеем код разностного временного интервала 1яТ,з-VI-Tj. В соответствии с алгоритМ I г , -. мом вычисления (7J полученные коды умножаются на коды параметров Р, полученных после решения системы двух линейных алгебраических уравнений (4), умножителями 28 и 29, Таким образом, на выходах вычислителя 16 получаем модули ошибок измерения Qp и G которые сравниваются в блоках 19 и 20 сравнения с заданными величинами QptYi, и ,, В случае, если ошибка измерений больше допустимой, на выходах блоков I9 и 20 сравнения отсутствуют логические сигналы Запрет коррекции поступающие на элемент 21 И, на вьпсо-. де которого имеется сигнал, открывающий ключи 14 и 15 дпя прохождения двоичного кода коэффициентов сА и 01. на коррекцию временных интервалов Т, Т;г Т и Тд, Сигнал Запрет коррекции на выходе элемента 21 И появится в том случае, если погрешности измерения по обоим параметрам окажутся меньше допустимых. Первый цикл измерения параметров заканчивается коррекцией временных интервалов Т , Т,, Т и Т в соответствии с алгоритмом вычисления (5). Второй цикл вычисления протекает аналогично с учетом скорректированных времен. В том случае, если ошибка измерения по каждому из параметров меньше допустимой, на выходе элемента 21 И появляется сигнал Запрет коррекции, а на выходах счетчиков 11 и 12 появляются двоичные коды измеояемых параметров. В противном случае измерительный цикл повторяется. Таким образом, данный двухпараметровый частотный измерительный преобразователь позволяет измерять пара99метры Р и Т с высокой точностью, что особо важно при построении высокоточных систем контроля. Сравнитель но небольшое число итерационньгх циклов, необходимых для получения требу емой точности измерения Сдва - пять циклов при изменении температуры от до и силы JT О до 100Н позволяет считать предлагаемый измемерительный преобразователь достаточ но быстродействующим. Время измерени исследуемых параметров при коэффициентах, принятых в расчете, равно при мерно 8 мсек в одном цикле, следовательно время пяти циклов равно при мерно 40 мсек, что определяет общее быстродействие измерительного преобразователя. Формула изобретения Двухпараметровый частотный измери тельный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик, юба выхода которого подключены к вхо ду соответствующего автогенератора, и два преобразователя период - код, 1выходы которых соединены с первым и вторым входами вычислителя, о т л и |чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения исследуемых параметров, в него введены до полнительный вычислитель, два смесителя, источник опорной частоты, блок разделения сигналов, формирователь временных интервалов, два счетчика, два ключа, два делителя, два блока сравнения и элемент И, причем выходы обоих автогенераторов через смесител и блок разделения сигналов подключен к входам соответствующих счетчиков. выходы которых соединены с первыми и вторыми входами основного и дополнительного вычислителей соответственно, а выход источника опорной частоты подключен к вторым входам первого и второго/смесителей, к третьему выходу блока разделения сигналов и к первому входу формирователя временных интервалов, первые четыре выхода которого подключены к установочным входам блока разделения сигналов, пятый и шестой выходы формирователя временных интервалов соединены соответственно с третьим и четвертым входами дополнительного вычислителя, а седьмой и восьмой входы соединены с пятым и шестым входами дополнительного вычислителя и с входом первого и второго делителя соответственно, выходы которых подключешл соответственно к третьему и четвертому входам основного вычислителя, при этом выходы первого и второго смесителей соединены также с входами первого и второго преобразователей период - код соответственно, оба выхода основного вычислителя через первый и второй ключи подключены соответственно к второму и третьему входам формирователя временных интервалов, а два выхода дополнительного вычислителя через первый и второй блоки сравнения подключены к входам элемента И, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго ключей. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР № 558589, кл. G 01 L 9/08, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2717368/18-10, кл. G 01 К 7/32, 31.07.79.