Дифференциальный измерительный преобразователь
Владельцы патента RU 2672793:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям с частотной формой выходных сигналов. Дифференциальный измерительный преобразователь содержит два генератора частотных сигналов с частотозадаюшими элементами, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты, формирователь сигналов суммарной частоты, входы которого соединены с выходами генераторов частотных сигналов, при этом выходы формирователей сигналов разностной и суммарной частот являются выходами устройства. Достигаемым техническим результатом заявляемого измерительного преобразователя является использование дополнительного блока для диагностики частотозадающих элементов, по анализу уровня сигнала с его выхода проводится оценка правильности работы частотозадающих элементов, образующих дифференциальную пару. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям с частотной формой выходных сигналов.
Известен измерительный преобразователь (см. патент №2432671, опубликованный в БИ №30 27.10.2011 г.), содержащий два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты. Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому взято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невозможность диагностики отказа частотозадающих элементов из состава дифференциального измерительного преобразователя на всем этапе его использования.
Решаемой технической задачей является расширение функциональных возможностей заявляемого измерительного преобразователя в части диагностики работоспособности частотозадающих элементов.
Достигаемым техническим результатом заявляемого измерительного преобразователя является использование дополнительного блока для диагностики частотозадающих элементов, по анализу уровня сигнала с его выхода проводится оценка правильности работы частотозадающих элементов, образующих дифференциальную пару.
Для достижения технического результата в дифференциальном измерительном преобразователе, содержащем два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты, новым является то. что дополнительно введен формирователь сигналов суммарной частоты, входы которого соединены с выходами генераторов частотных сигналов, при этом выходы формирователей сигналов разностной и суммарной частот являются выходами устройства.
Применение в составе измерительного преобразователя формирователя сигналов суммарной частоты позволяет по значению суммарной частоты проводить проверку состояния частотозадающих элементов на основе пьезорезонансных силочувствительных датчиков и задать критерий работоспособности или отказа всего измерительного преобразователя.
На фигуре изображена функциональная схема заявляемого дифференциального измерительного преобразователя.
Устройство содержит два генератора частотных сигналов 1 и 2 с частотозадающими элементами 3 и 4, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты 5, формирователь сигналов суммарной частоты 6, входы которого соединены с выходами генераторов частотных сигналов 1 и 2, при этом выходы формирователей сигналов разностной 5 и суммарной 6 частот являются выходами устройства.
Устройство работает следующим образом. С выходов генераторов частотных сигналов 1, 2 (см. фигуру) на входы формирователей 5, 6 сигналов разностной и суммарной частоты подаются периодические сигналы прямоугольной формы.
Выходной величиной дифференциального измерительного преобразователя по выходу FВЫХ1 с формирователя 5 сигналов разностной частоты, аналогично прототипу, является разность частот, которая определяется по формуле
где х - измеряемый параметр на входе частотозадающих элементов 3, 4, на основе пьезорезонансных первичных преобразователей;
ƒ0 - начальная разность частот ƒ1 - ƒ2 при х = 0.
Значения частот на выходах генераторов 1, 2 определяются выражениями
где ƒ01,ƒ02 - начальные частоты частотозадающих элементов 3, 4;
k1 k2 - коэффициенты преобразования частотозадающих элементов 3, 4 на основе пьезорезонансных первичных преобразователей.
Выражения (2), (3) приведены без учета нелинейностей характеристик преобразования частотозадающих элементов 3,4.
Выходной величиной дифференциального измерительного преобразователя по выходу FВЫХ2 с формирователя 6 сигналов суммарной частоты 6, является сумма частот, которая определяется по формуле
С учетом равенства коэффициентов преобразования кл=кг частотозадающих элементов 3, 4
Таким образом, при действии измеряемого параметра х и равенстве коэффициентов преобразования суммарная частота на выходе FВЫХ2 постоянна и не зависит от величины измеряемого параметра.
На практике иногда возникает трудность в обеспечении равенства коэффициентов преобразования k1 = k2 первичных преобразователей 3, 4. вследствие их технологического разброса при изготовлении. С учетом этого, выражение (5) можно записать в виде
где Δk(х) - коэффициент, определяющий неравенство коэффициентов преобразования ки к2, зависящий от измеряемого параметра х.
Критерием работоспособности частотозадающих элементов 3, 4 и всего измерительного преобразователя в целом можно считать нахождение суммарной частоты на выходе FВЫХ2 формирователя 6 сигналов суммарной частоты в диапазоне, определяемом по формуле (6) при действии измеряемого параметра.
Преимуществом данного измерительного преобразователя является возможность проверки частотозадающих элементов 3, 4 на основе пьезорезонансных силочувствительных датчиков в процессе эксплуатации, т.е. в момент действия измеряемого параметра.
При выходе из строя одного или обоих частотозадающих элементов 3, 4, образующих дифференциальную пару, значение суммарной частоты на выходе формирователя 6 сигналов суммарной частоты изменится и выйдет за пределы, установленные по формуле (6), а при этом на выходе FВЫХ2 будет формироваться ложный сигнал, не соответствующий (не пропорциональный) величине измеряемого параметра по формуле (1). Например, при отказе одного из частотозадающих элементов 3 или 4 произошло изменение коэффициента преобразования k1 или k2 и на выходе FВЫХ1 формирователя 5 сигналов разностной частоты будет присутствовать сигнал, частота которого не будет соответствовать значению величины измеряемого параметра х.
Таким образом, по первому (измерительному) выходу FВЫХ1 измерительный преобразователь выдает значение частоты, которая меняется в зависимости от значения измеряемого параметра, в соответствии с формулой (1), а по второму (контрольному) выходу FВЫХ2 значение частоты, которое свидетельствует о правильной работе частотозадающих элементов 3,4.
Такой метод проверки (оценки) работоспособности можно применять для построения отказоустойчивых измерительных систем с резервированием, в составе которых имеется несколько идентичных заявляемых измерительных преобразователей. Устройство-потребитель, контролируя частоту с выходов FВЫХ2 измерительных преобразователей, выбирает из них работоспособный и считывает частоту с соответствующего выхода FВЫХ1. При отказе одного из измерительных преобразователей в процессе эксплуатации устройство-потребитель производит переключение на выход FВЫХ1 другого работоспособного измерительного преобразователя.
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов дифференциального измерительного преобразователя.
Дифференциальный измерительный преобразователь, содержащий два генератора частотных сигналов с частотозадающими элементами, выходы которых соединены со входами формирователя сигналов разностной частоты, отличающийся тем, что дополнительно введен формирователь сигналов, выполненный с возможностью формирования сигнала суммарной частоты в заданном диапазоне, входы которого соединены с выходами генераторов частотных сигналов, при этом выходы формирователей сигналов разностной и суммарной частот являются выходами устройства.