Измерительный частотно-импульсный преобразователь

 

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 пьезорезонаторы 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИНОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTQPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3976969/24-10 (22) 19.11.85 (46) 07 ° 04.87. Бюл. N - 13 (7i) Харьковский авиационный институт им. Н.Е.Жуковского (72) Ф.Ф.Колпаков, В.А.Писарев, В.А.Шевелев и В.Г.Тимошенко (53) 536.53(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 777422, кл. С 01 К 7/32, 1979.

Авторское свидетельство СССР

N - 879333, кл. С 01 К 7/32, 1979. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение может быть использовано при построении телеметричес(51) 4 С 01 К 7/32 С 01 Ь 1/16 ких 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 сдви1302 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 поступа149 ют на коммутатор 17 сигналов, управляемый сигналами формирователя 10

Bpэменных интервалов. В реверсивных счетчиках 11 и 12 образуются цифровые

:.оды, пропорциональные искомым значениям измеряемых параметров силы и температуры. 6 ил.

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

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

На фиг. 1 приведена структурная схема измерительного частотно-импуль15 сного преобразователя, на фиг. 2 функциональная схема и внешние связи блока разделения сигналов, на фиг.3 и 4 — функциональная схема устройства управления и временная диаграмма его работы соответственно, на фиг.5 и 6 — функциональные схемы управляемого и неуправляемого счетчиков-делителей формирователя временных интервалов соответственно. 25

Измерительный преобразователь (фиг. 1) содержит двухпараметровый частотный датчик 1 с двумя кварцевыми резонаторами 2 и 3 LC- или у-среза, характеризующимися высокой чувствительностью к силе и температуре, включенными в автогенераторы 4 и 5.

Выходные сигналы автогенераторов 4 и 5 с частотами f u 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< — fo u

Е = fz — f() которые поступают на блок 9 разделения сигналов. Сигнал

f опорного генератора 8 также подается на блок 9 разделения сигналов и, кроме того, на формирователь 10

2 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-среза, включенных в автогенераторы 4 и 5, зависимости частот f u f от воздействующих на датчик 1 силы P и температуры Т с учетом сопряженных эффектов и нелинейностей, вносимых влиянием констр укции датчика, мог ут быт ь з апис а ны в виде

+ Си Р + С, Т + С„ РТ + 2 f2o + C

+ C«P + С, Т, (2) где f u f о — частоты первого и второго автогенераторов приР=О,Т=О, С (i = 1,2, j; 1,5) — коэффициенты собственных и сопряженных чувствительностей первого и второго порядков.

С учетом зависимостей (1) и (2) разностные частоты после гетеродинирования можно записать

F„= fto - fo+C«P+C«T+

Рг f„— fo + C„P + C„T +

Система уравнений (3) и (4) описывает функцию преобразования датчика при переходе из пространства независимых измеряемых параметров Р и

Т в пространстве сигналов F u Fz .

P =a< +aF, +

«

+ a6Е

5 < 6 2 7

Т = a7+ a F< +

a Fz + a F„F, + (5) 10

a Fz+ a

Коэффициенты à (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

P и Т непосредственно из выражений (5) и (6) без организации итерационного процесса, что значительно упрощает алгоритм работы устройства и, следовательно, повышает его быстро% действие, Вычисление значений P u

«

Т искомых параметров P и Т с приме,нением 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,n), каждый в течение своего временного интервала Т;(i = 1,n), то к окончанию самого большого интервала в счетчике образуется код N, зависящий от F, и

Т, следующим образом: и

Ы= Т„.F;

1=< (7) Воэможность одновременной подачи и 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 числовые коэффициенты a;(i = 1,n), то, поставив в соответствие длительность временных интервалов Т и величины коэффициентов, можно получить код И, 3 1302 l

Для определения оценок измеряемых параметров P и Т в предлагаемом устройстве используются. обратные по отношению к уравнениям (3) и (4) фнукции преобразования P (F,, F ) и

T (F,, F ), образующие систему уравнений

49 4 пропорциональный этому параметру.

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

В случае применения пьезореэонаторов других срезов, например AT-среза, и при работе датчика в широком интервале температур, например (-60)-120 С, 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 счетчикиделители 20,1-20.4.

Управляемый счетчик-делитель 19 (фиг. 5) состоит иэ двух D-триггеров

21 и 22, коммутатора 23, счетчика

24 и ключа 25. Неуправляемый счетчикделитель 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 (a6F< a„Fz az)F<

+ (аeFz + a )F + а„, (8)

T = (а„F< + а<о Р + ав)Р< +

Устройство работает следующим образом.

Пьезорезонансный датчик 1, содержащий пьезорезонаторы 2 и 3, находится под действием параметров силы

P и температуры Т. Пьезорезонаторы подключены к автогенераторам 4 и 5 и определяют их частоты генерации f u

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

1302149 6

С-вход D-триггера 22 логическая "1" 1 с D-входа записывается в триггер 22

<е и поступает. на выход Т, . Этот сигнал открывает соответствующие ключи коммутатора 17 и ключ 25, что дает возможность поступать сигналу Г на вычитающий вход счетчика 24. После поступления на счетчик 24 числа импульсов частоты f, равного N», код в нем становится равным нулю и на выходе "<0" появляется сигнал, который устанавливает на выходе логический

"0< и приводит схему в исходное состояние.

Таким образом, длительность каждого из формируемых временных интервалов Т; на выходах счетчиков-делителей 19 и 20 можно представить в виде

20 (10) После гетеродинирования в смесителях 6 и 7 частотой Г опорного генератора 8 информационные частотнь сигналы F u 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

f поступает на распределитель l5 импульсов, который формирует три сдвинутых друг относительно друга по фазе последовательности импульсов

f <>< > о H оз о/ > двумя рых (f,è f ) синхронизируются частоты Р„ и F в схемах 16,1 и 16.2 привязки фронтов. Это делается во и бежание совпадения фронтов импульсо с частотами F, и Р . Короткие импульсы синхронизированных частот F< и F а также частота f поступают

> на коммутатор 17 сигналов, управляемый сигналами Т„-Т, формирователя 10 временных интервалов. !

Вычисление значений Р и Т осуществляется 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). Одновременна импульс

"Пуск" обнуляет реверсивные счетчики

11-14. Устройство 18 управления формирует на втором и третьем выходах код, поступающий на коммутаторы 23 управляемых счетчиков-делителей 19.119.6 (фиг. 5), Коммутаторы подключают к установочным входам счетчиков

24 коды констант И» > И»а > »р > 1»з >

Nr< и N»« . Затем устройство 18 управления 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 13> ><» >

N» и N»« которые непОсреДственнО поданы на установочные входы счетчиков-делителей 20.1-20.4. По заднему фронту этого же импульса срабатывает

D-триггер 21, íà D-входе D-триггера

22 появляется логическая "1", чем подготавливается включение формирователя 10 временных интервалов. В исходном состоянии на выходах T„ счетчиков делителей действует сигнал логического "0", который запирает ключи коммутатора 17. С приходом ближайшего фронта импульса частоты Г на где То — период опорной частоты

Сигналы заданных временных интервалов открывают ключи коммутатора 17 (фиг. 1 и 2), и на счетные входы реверсивных счетчиков 11-14 поступают частоты F< > F u f, причем Р, подается на счетчики 11 и 12 в течение

30 интервалов Т и Т„ соответственно, .à — на счетчики 11-14 в течение Т4, T, Тб и Т, соответственно, на счетчики 11-14 в течение Т > Т8, Тз и Т9 соответственно.

35 В результате окончания первого такта, который определяется длительностью самого большого временного интервала, в реверсивных счетчиках

11-14 образуются соответственно циф40 ровые коды N„, N < > N» и N<4, за— висимость которых от частот F F и

f можно записать в виде н 5 < 4 2 2 03 >

И< = Т,Р + Т,Г„; (13) (14) 50

Выражения (11)-(14) записаны в общем виде без учета знаков коэффициентов а;(i = 1,12) выражений (8) и (9). В конкретном случае частоты 5 Р< > Р и f в зависимости от знаков коэффициентов подаются коммутатором

17 на суммирующие или вычитающие входы счетчиков 11-14. В частности, на фиг.2 фукциональная схема комму1302149 8

Подставив зависимости (15)-(20) в (21) и (22), получим выражения вида (23) ); i =1 3, 7 9 (25) а );

ent(3 Ка;

И = ent(K f

= 4,6, 10,12, (26) (15) татора 17 реализована для конкретно

ro случая, когда коэффициенты а„, а6 а и а, 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 10 и третьем выходах. При этом к установочным входам управляемых счетчиков-делителей 19 подключаются выходы реверсивных счетчиков 11-14, а также коды констант И „ и И 7 и запи- 15 раются неуправляемые счетчики 20, которые во втором такте не участвуют. Затем на первом выходе формируется импульс записи, по которому кодь! N« ° И<г < N<,» N>< пт< и Nò 20 записываются в счетчики-делители 19 вместо И N < Ит Ы р И и

Nqя соответственно. Как и в первом такте, после записи по ближайшему фронту опорной частоты f, начинается формирование сигналов на выходах счетчиков-делителей 19, длительностью

5 мость которых от соответствующих кодов И ; с учетом выражений (11)-(14) может быть записана следующим образом:

Т< = 1т< То

Т = N,з ° То (ТьР2 + Т>йоэ )То (16)

Т5 И<< То (Т5Р< + 4 2

Ту NÒ7 То Э (18) 4О

Хр (ИТ5 ТОР< + Х ТОР2 +

Приравняв соответствующие коэффициенты в выражения (8), (23) и (9), (24) и учитывая, что Го = f <> получим систему уравнений для определения значения кодов И, которые записываются в память формирователя 10 временных интервалов, по значениям коэффициентов а (i = 1,12), полученных при аттестации датчика где К вЂ” коэффициент, определяющий требуемую точность получения

+ значений P и Т параметров

Р и T

ent — знак целой части числа.

Таким образом, к окончанию второго такта в реверсивных счетчиках 11

12 образуются цифровь)е коды N, и Ит, пропорциональные искомым значениям

<

Т и вычисляемые с большей точностью благодаря учету нелинейных членов выражений (1) и (2).

Формула изобретения

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 N р и N,, зависимость которых от частот F„, F u f можно записать в виде

Np = ТР, + ТР, +Т,йо, (21)

1<1т = I 13 Р, + Тю F7. + Tt fî

Измерительный частотно-импульсный преобразователь, содержащий двухпараметровый частотный датчик с двумя

4 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, 1302149

Риг. 4 что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нелинейностью характеристик частотного датчика, в него введены два дополнительных реверсивных счетчика, информационные входы которых подключены к дополнительным выходам блока разделения сигналов, при этом выходы всех реверсивных счетчиков с.оединены с соответствующими входами формирователя временных интервалов, вход запуска которого соединен с входами установки нуля всех реверсивных счетчиков.

1302149

Редактор О.Юрковецкая

Заказ 1207/41

Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

2

Составитель Б;Куликов

Техред Н.Глущенко Корректор М.Самборская