Устройство для измерения физической величины

 

Изобретение относится к радиоэлектронной измерительной технике и предназначено для использования при многоканальных измерениях, проводимых, в частности, в охранных системах режимных объектов. В предложенном устройстве производятся возбуждение резонансных индуктивно-емкостных датчиков, настроенных на необходимую резонансную частоту, сравнение фаз возбуждающего и выходного сигналов и выделение моментов появления резонансной частоты по изменению знака разности фаз. Введение в устройство микропроцессорного блока позволяет совмещать процесс измерения с функциональным преобразованием сигналов. Повышение точности измерения достигается за счет исключения коммутации аналоговых цепей, обеспечения питания датчиков импульсами тока и выделения полосы пропускания датчиков фазовым методом. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к одно- или многоканальным системам контроля и измерения, и может быть использовано в составе систем охранно-пожарной сигнализации различных объектов.

Известно устройство для измерения физической величины, содержащее блоки измерительных преобразователей, коммутаторы, компараторы, инвертор, делитель (Якимов В. Н., Нестеров В.Н. Устройство для автономных измерений физических величин. Авторское свидетельство СССР N 1824521, МКИ G 01 D 21/00, 1993 г.).

Точность данного измерительного устройства ограничивается погрешностями, возникающими при коммутации аналоговых сигналов, поступающих от измерительных преобразователей. Кроме того, наличие большого числа аналоговых узлов, применяемых для функционального преобразования, также приводит к снижению метрологических характеристик и, одновременно, к его малой надежности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство измерения, содержащее индуктивно-емкостные датчики, коммутаторы, генераторы импульсов, счетчики и делители частоты, одновибратор и устройство управления. В данном устройстве осуществляются цифровое измерение и функциональное преобразование частотных сигналов, зависящих от контролируемых входных величин (Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы. - М.: Высшая школа, 1977, стр. 142-147).

Так, в процессе измерения LC-датчики поочередно подключаются к генератору, причем каждый датчик предварительно настраивается каждый раз на одну и ту же начальную частоту, измеряемую с помощью счетчика. Воздействие контролируемой величины изменяет резонансную частоту LC-датчика, которая снова измеряется счетчиком, поэтому результат измерения, пропорциональный разности двух частот, зависит от контролируемого параметра.

Недостатком рассмотренного устройства является малая точность измерения, которая практически ограничивается стабильностью настройки датчиков на одну и ту же начальную резонансную частоту. Кроме того, при использовании нескольких датчиков, расположенных на различном расстоянии от входного коммутатора, необходима индивидуальная настройка датчиков непосредственно на контролируемом объекте, что приводит к большой трудоемкости настройки и непригодности таких изделий для серийного производства.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение точности оценки измеряемой физической величины и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемое устройство, состоящее из задающего генератора, управляемого генератора импульсов, делителя частоты и резонансных LC-датчиков, введены блок преобразователей напряжения в ток, формирователь импульсов, D-триггеры, логические элементы ИЛИ-НЕ и микропроцессорный блок.

Это позволяет унифицировать использование индуктивно-емкостных датчиков с относительно большим технологическим разбросом параметров за счет выделения не амплитудно-частотной, а фазочастотной характеристики, снять ограничения по точности настройки их резонансных частот и снизить трудоемкость настройки при их большом количестве, повысить в значительной степени точность измерения за счет обеспечения питания пассивных датчиков импульсами тока, что исключает влияние сопротивлений соединительных проводов на результат преобразования, а также реализовать поочередный опрос датчиков, имеющих разные или одинаковые резонансные частоты, без аналоговой коммутации измерительных каналов, с исключением их влияния на результат измерения физических величин.

Блок-схема устройства изображена на фиг. 1, а диаграммы, поясняющие его работу, показаны на фиг. 2.

Устройство содержит задающий генератор 1, управляемый генератор импульсов 2, подключенный к делителю частоты 3 на основе триггеров 4, 5, блок преобразователей напряжения в ток 6, имеющий N выходов для подключения необходимого количества измерительных каналов. В качестве примера на фиг. 1 показан один канал, содержащий индуктивно-емкостной датчик 7, соединенный с входом формирователя импульсов 8. Выход формирователя импульсов 8 подключен к D-входам триггеров 9, 10, выходы которых соединены с логической схемой ИЛИ-НЕ 11. Выходы делителя частоты 3 связаны с первыми и вторыми входами логических схем ИЛИ-НЕ 12, 13, третьи входы которых подключены к управляющему генератору импульсов 2. Микропроцессорный блок 14 подключен к выходам управляемого генератора 2 и схемы ИЛИ-НЕ 11, один из входов которой соединен с выходом микропроцессорного блока 14.

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор 1 в каждом такте преобразования формирует линейно-падающее (или линейно-нарастающее) напряжение, которым изменяется частота f_и импульсов на выходе управляемого генератора 2. После прохождения через делитель 3, реализуемый, к примеру, на последовательно включенных триггерах 4, 5, частота импульсов уменьшается в четыре раза. Этот импульсный сигнал поступает с выхода делителя частоты на блок преобразователей напряжения в ток 6, имеющий N выходов для возможного подключения N разных LC-датчиков резонансного типа. Как известно, особенность таких датчиков состоит в том, что при частоте возбуждающего сигнала, меньшей по сравнению с резонансной частотой f_р эквивалентное сопротивление контура имеет индуктивный характер, т.е. фаза выходного напряжения контура опережает фазу возбуждающего сигнала, а на большой частоте f_в > f_р сопротивление контура становится емкостным, что приводит к отставанию фазы его выходного напряжения от фазы возбуждающего сигнала.

При изменении частоты в полосе пропускания резонансного контура фаза сигнала между импульсами питающего тока и напряжением на контуре изменяется от -45 до +45^o. Следовательно, сравнивая значения фазы выходного напряжения контура с задаваемыми уровнями 45^o можно обеспечить высокоточное выделение полосы пропускания с последующим цифровым измерением резонансной частоты.

Делитель частоты 3 совместно с логическими схемами ИЛИ - НЕ 12, 13 служит для формирования двух последовательностей. При этом передний фронт импульсов на выходе элемента 12 сдвинут на +45^o относительно начала каждого импульса тока на выходе блока 6, в то время как элементом 13 формируются импульсы с задержкой на 45^o относительно переднего фронта импульсов тока блока 6. Сформированные схемами 12, 13 импульсы служат для стробирования схемы выделения интервала измерения Т_изм, реализованной на триггерах 9, 10 и элементе 11.

В процессе развертки частоты возбуждающего сигнала на выходе преобразователя напряжения в ток формируются импульсы тока, приводящие к появлению гармонических колебаний напряжения на датчике 7. При этом на выходе формирователя импульсов 8, подключенного к резонансному контуру 7, получаются прямоугольные импульсы сигнала с положительным сдвигом фазы (при f_в > f_р), а затем - с отрицательным фазовым сдвигом (при f_в > f_р). При подаче данных импульсов на D-входы триггеров 9 и 10, стробируемых по C-входам выходными сигналами элементов ИЛИ - НЕ 12 и 13, происходит поочередное во времени срабатывание этих триггеров, выделяемое элементом ИЛИ-НЕ 11, служащим для формирования сигнала, подаваемого на микропроцессорный блок 14, на интервале измерения Т_изм резонансной частоты, подаваемой на второй вход блока 14 от управляемого генератора 2.

К достоинствам такой схемы относится независимость результатов преобразования от амплитудно-частотной характеристики контура и нестабильности амплитуды импульсов возбуждающего тока, формируемого преобразователем напряжения в ток 6. Сравнением фаз возбуждающего и выходного сигнала резонансных датчиков с пороговыми значениями 45^o обеспечивается выделение их полосы пропускания, причем точность измерения резонансной частоты повышается за счет того, что на микропроцессорный блок подается фактически частота f₂ = 4f_р, превышающая в четыре раза резонансную частоту. Использование такого выделения f_р для низкочастотных датчиков, совмещенное с цифровым измерением n периодов T₂ = 1/4f_р резонансных колебаний, с последующим вычислением в микропроцессорном блоке частоты f_р = n/4Т₂ позволяет обеспечить высокую достоверность измерений даже при наличии датчиков с нестабильными во времени параметрами.

Устройство можно применять в системах контроля параметров на охраняемых объектах с датчиками, работающими в коротковолновом диапазоне частот возбуждения 3-30 МГц при использовании быстродействующих логических КМОП элементов, например, серии КР1554.

При увеличении числа измерительных каналов в устройстве предусмотрен режим последовательного опроса, реализуемый посредством подачи запрещающего сигнала на третий вход схемы ИЛИ-НЕ 11 с выхода микропроцессорного блока 14. При этом производится подключение только одного из опрашиваемых каналов (на который подан сигнал логической 1 от блока 14), в то время как остальные каналы выключаются посредством подачи сигнала логической 1 от блока 14.

Использование преобразователя напряжения в ток с высоким выходным сопротивлением позволяет исключить его влияние на добротность колебательных контуров и тем самым повысить точность контроля резонансной частоты датчиков и, соответственно, точность измерения физической величины.

Устройство измерения может быть реализовано на следующей элементной базе: делитель частоты и триггеры - на ИМС КР1554ТМ2, элементы ИЛИ-НЕ - на ИМС КР1554ЛР2, преобразователь напряжения в ток - на транзисторах КТ3107. Экспериментально установлено, что при использовании напряжения питания +5 В ток потребления устройства не превышает 2 мА, т.е. потребляемая мощность составляет не более 10 мВТ.

Формула изобретения

Устройство для измерения физической величины, содержащее резонансные LC-датчики, задающий генератор, управляемый генератор импульсов и делитель частоты, отличающееся тем, что в него введены блок преобразователей напряжения в ток, формирователь импульсов, три трехвходовых элемента ИЛИ-НЕ, два D-триггера и микропроцессорный блок, при этом задающий генератор выполнен в виде генератора линейно-падающего или линейно-нарастающего напряжения, а микропроцессорный блок - с возможностью вычисления резонансной частоты, выход задающего генератора подключен через управляемый генератор импульсов к делителю частоты, имеющему два двоичных разряда, выходы и вход делителя частоты через два элемента ИЛИ-НЕ подключены к С-входам D-триггеров, D-входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов, вход формирователя импульсов соединен с LC-датчиками и выходом блока преобразователей напряжения в ток, вход которого подключен к выходу делителя частоты, выходы D-триггеров через третий элемент ИЛИ-НЕ соединены с одним из входов микропроцессорного блока, другой вход которого связан с выходом управляемого генератора импульсов, а выход - с одним из входов третьего элемента ИЛИ-НЕ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2