Частотный измерительный преобразователь Советский патент 1982 года по МПК G01K7/32 

(54) ЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

1

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических параметров и может быть использовано при построении быстродействующих телеметрических систем, предназначенных для высокоточного контроля в одной точке исследуемого объекта пара- 5 метров давления и температуры.

Известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьезорезонатора, укрепленных на торцовом упругом элементе и подключенных к двум автогенераторам, два преобразователя частота-код, вычислительный блок и запоминающее устройство, причем выходы автогенераторов подключены к вычислительному блоку, соединенному с запоминающим устройством 1.

Известное устройство позволяет прово- 15 дить одновременные измерения параметров давления и температуры в одной точке, однако имеет недостаточную точность измерения.

Известен также измерительный частотный преобразователь, содержащий двух- 20 параметрОБЫй частотный датчик, выходы которого соединены с входами первого и второго автогенераторов, два реверсивных счетчика, источник эталонной частоты, первый и второй смесители, блок разделения сигналов и формирователь временных интервалов, причем выходы первого и второго автогенераторов через соответствующие смесители подключены к блоку разделения сигналов, выходы источника эталонной частоты соединены с входами первого и второго смесителей, блока разделения сигналов и формирователя временных интервалов, выходы которого подключены к управляющим входам блока разделения сигналов, а его выходы соединены с соответствующими информационными и управляющими входами первого и второго реверсивных счетчиков 2.

Известный преобразователь позволяет определять медленно меняющиеся параметры давления и температуры, однако при измерении быстрых температурных изменений точность измерения крайне мала, что объясняется высокой температурной постоянной времени кварцевых резонаторов, используемых в качестве чувствительных элементов. Температурная инерционность кварцевых резонаторов - физическое свойство материала кварца, поэтому в достаточной мере не может быть уменьшена непосредственно.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является частотный измерительный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик, первый и второй автогенераторы, входы которых соединены с выходами частотного датчика, а выходы подключены к входам двух смесителей, первый и второй преобразователь частоты, делитель, вход которого соединен с выходом первого смесителя, а выход - с первым входом третьего смесителя, опорный генератор, выход которого соединен с вторым входом третьего смесителя, причем преобразователь частоты соединен соответственно с вторым и первым смесителем 3.

Известный преобразователь не обеспечивает требуемой точности при повышении его быстродействия.

Цель изобретения - повышение точности при измерении быстрых изменений те.мпературы. .Поставленная цель достигается те.м, что в частотный измерительный преобразователь, состоящий из двухпараметрового частотного датчика, первого и второго автогенераторов, входы которых соединены с выходами двухпараметрового частотного датчика, а выходы подключены к первым входам первого и второго смесителей, двух преобразователей частоты, входы которых подключены к выходам первого и второго автогенераторов, а выходы - соответственно к вторым входам второго и первого смесителей, делителя частоты, соединенного с выходо.м первого смесителя, и соединенных последовательно опорного генератора и третьего смесителя, введены соединенные последовательно линия задержки, фазовый детектор, дифференциатор и сумматор, причем выход делителя подключен к линии задержки, к второму входу фазового детектора и к второму входу су.мматора, выход которого соединен с вторым входо.м третьего смесителя.

На фиг. 1 показана функциональная схема частотного измерительного преобразователя; на фиг. 2-вре.менные диаграм.мы, поясняющие принцип повышения точности измерения температуры при быстрых ее изменениях.

Частотный измерительный преобразователь состоит из двухпараметрового частотного датчика 1, первого 2 и второго 3 автогенераторов, подключенных к датчику 1. Входы первого 4 и второго 5 преобразователей частоты соединены соответственно с выходами первого 2 и второго 3 автогенераторов. Входы первого смесителя 6 соединены с выходами первого автогенератора 2 и второго преобразователя 5 частоты. Входы второго смесителя 7 соединены с выходами второго автогенератора 3 и первого преобразователя 4 частоты. Вход делителя 8 подключен к выходу первого смесителя 6. Вход линии 9 задержки подключен к выходу делителя 8. Входы фазового детектора 10 соединены с выходами линии 9 задержки и делителя 8. Выход фазового детектора 10 подключен к входу дифференциатора 11, выход которого соединен с входом сумматора 12, второй вход, которого подключен к выходу делителя 8. Один вход третьего смесителя 14 соединен с выходом сумматора 12, а другой вход смесителя 14 подключен к опорному генератору 13. Кроме этого, двухпараметровый частотный датчик выполнен в виде двух кварцевых резонаторов 15 и 16 (фиг. 1).

Частоты на выходах автогенераторов в случае, когда один из коэффициентов силочувствительности отрицателен (что обеспечивает высокую точность определения параметров Р и Т°) могут быть записаны в виде

fi ,Р+а,2Т

0) 2 5п-аг,Р+а,Д°

где,л, f.

начальные частоты генерации:

20

°-12. а г2- -коэффициенты термочувствительности;11 21 --коэффициенты снлочувствительности.

Вычтя из первого уравнения второе, умноженное на коэффициент Кг, который выбирается таким образом, чтобы в результате вычитания взаимоуничтожились слг1-аемые, содержащие параметр Т°

f.-K (2 1;о К

,2 ViO

при 3TOjM полученная pa:uit)CTH.-iK частота -(Р) линейно зависит от па)аметра Р.

F (Р) {а,Жа)Р

(2)

Сложим первое уравнение со вторы.м, -м ноженным на коэффициент Ki, который выбирается таким образом, чтобы слагаемые, содержащие параметр Р, в резу.чьтате слс.1жения взаимоуничтожились

К,И2 K,f,(K,a,jVa52)T

Если после этого найти среднюю частоту суммы двух частот -(К затем гетеродинировать ее в область более низких частот (Т°) , .можно получить результирующую низкую частоту, линейно зависящую от пара.метра Т с коэффиниенто.м чувствительности -4 (К, ) F|(l°i f (K,a,)r. (i.)

Таким образом, получают два )ывH)ix частотных си1нала каждая .; i iiavroi которых (2) и (3) зависит только от o;iii(.j м из исследуе.мых параметров.

При измерении быстрых изменений параметров дагзления выход ая 4dCTor,i f-;(j в силу высоких упрутих свойств кнарцёрзых резонаторов линейно изменяется на выходе

преобразователя. Однако при измерении температуры, изменяющейся сравнительно быстро, выходная частота F|(T°) изменяется по закону, определяемому постоянной времени инерционного температурного звена резонатора. При этом появляется значительная погрешность измерения в динамике, которая может быть существенно уменьшена.

При скачкообразном изменении температуры частота генерации изменяется по закону интегрирующего звена. Если постоянная интегрирующего звена известна и выходную функцию интегрирующего звена продифференцировать с той же постоянной времени (сигнал с выхода интегрирующего звена подать на диффренцирующее звено), то суммарная функция двух сигналов с выходов интегрирующего и дифференцирующего звеньев равна функции изменения температуры на входе интегрирующего звена.

Частотный измерительный преобразователь работает следующим образом.

Изменение информационных параметров вызывает изменение частот генерации f) и f2, связанных с исследуемыми параметрами соотношения (1). Первый 4 и второй 5 преобразователи частоты преобразуют частоты fi и f2 соответственно в KI fi и Операция преобразования частот может быть аналоговой или импульсной. В последнем случае к последовательности импульсов добавляется (или отнимается) определенное число импульсов, определяемое коэффициентами преобразования KI и К2. Частоты f) и подаются на первый смеситель 6. На .выходе смесителя 6 в аналоговой или импульсной форме выделяется суммарная частота которая затем делится с коэффициентом п 2 в делителе 8. Средняя частота fcp (2 2) зависит только от температурного параметра Т°(3).

Сигналы с частотами f и Kifj подаются на входы второго смесителя 7, на выходе которого выделяется разностная частота. Полученная частота зависит только от параметра Р.

Сигнал средней частота fq,(t) с выхода делителя 8 подается на один из входов фазового детектора 10. На другой вход фазового детектора 10 подается задержанный сигнал средней частоты fcp(t - tj) На выходе фазового детектора выделяется напряжение, пропорциональное разности фаз между задержанным и прямым сигналами.

При изменении частоты на выходе делителя 8 изменяется напряжение на выходе фазового детектора 10. Таким образом, преобразуется в напряжение функция изменения частоты колебаний. Напряжение, пропорциональное разности фаз между задержанным и прямым сигналами, фактически пропорциональное функции изменения частоты, подается в дифференциатор 11, постоянная времени дифференцирования в простейшем

случае равна постоянной времени эквивалентного звена кварцевого резонатора по температуре. Дифференцированное напряжение с выхода дифференциатора 11 подается на сумматор, который выполнен в виде преобразователя напряжение - частота и смесителя частот с выделением суммарной частоты. На второй вход сумматора подается сигнал с выхода делителя. Суммарная частота в идеальном случае изменяется по закону изменения функции изменения температуры. В двух случаях, при использовании апериодических звеньев, функции изменения частоты и температуры показаны на фиг. 2. Сигнал высокой частоты с выхода сумматора 12 подается на один из входов третьего

смесителя 14, на второй вход которого подается сигнал опорной частоты foТаким образом, на выходе частотного измерительного преобразователя получают

0 две частоты, каждая из которых зависит только от одного исследуемого параметров, причем точность измерения быстроизменяюшейся температуры существенно повышается введением новых узлов и связей. Погрешность инерционности при измерении температуры может быть уменьшена на порядок и более.

Предлагаемый частотный измерительный преобразователь может найти щирокое 0 применение в разработках перспективных телеметрических систем высокого быстродействия, предназначенных для одновременного измерения параметров давления и температуры в одной точке.

35

Формула изобретения

Частотный измерительный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик, первый и второй автогенераторы, входы которых соединены с выходом двухпараметрового частотного датчика, а выходы подключены к первым входам первого и второго смесителей, два преобразователя частоты, входы которых подключены к

выходам первого и второго автогенераторов, а выходы - соответственно к вторым входам первого и второго смесителей, делитель частоты, соединенный с выходом первого смесителя, и соединенные последовательно опорный генератор и третий смеситель, огличающийся тем, что, с целью повыщения точности при измерении быстрых изменений температуры, в измеритель введены соединенные последовательно линия задержки, фазовый детектор, дифференциатор и сумматор, причем выход делителя подключен к линии задержки, к второму входу фазового детектора и к второму входу сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего смесителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 3224607/18-10, кл. G 01 К 7/32, 1980 (прототип).