Устройство 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 применяются импульсы тока для возбуждения резонансных индуктивно-емкостных датчиков, настроенных на необходимую резонансную частоту, при этом осуществляется выделение частоты колебаний с амплитудой, превышающей установленный уровень. Введение в устройство микропроцессорного блока позволяет совмещать процесс измерения с операциями самотестирования работоспособности датчиков. Повышение точности измерения достигается за счет исключения коммутации аналоговых цепей и обеспечения питания пассивных датчиков импульсами тока, что исключает влияние сопротивлений соединительных проводов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к 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, счетчики и делители частоты, одновибратор и устройство управления. В данном устройстве осуществляется измерение и функциональное преобразование частотных сигналов, зависящих от контролируемых входных величин (Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы. Высшая школа. 1977, стр. 142-147).

Так, в процессе измерения LC-датчики поочередно подключаются к генератору, который 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 пропорционален разности двух частот и зависит от контролируемого параметра.

Недостатком рассмотренного устройства являются малая точность измерения, которая практически ограничивается стабильностью настройки датчиков на одну и ту же резонансную частоту, и отсутствие самоконтроля. Кроме того, при использовании N 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 генератора тактовых импульсов, счетчика импульсов, делителя частоты и одновибратора, введены генератор пилообразного напряжения, управляемый генератор импульсов, блок преобразователей напряжения в ток, блок логических схем И, триггеры Шмитта, дешифратор, логический элемент ИЛИ, цифровой таймер, регистр памяти и микропроцессорный блок.

Это позволяет унифицировать использование индуктивно-емкостных датчиков, 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 наряду с измерениями самотестирование устройства, т.е. расширить его функциональные возможности.

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

Устройство содержит генератор тактовых импульсов 1 (фиг. 1), генератор пилообразного напряжения 2, подключенный к счетчику импульсов (делителю частоты) 3 и соединенный с входом управляемого генератора импульсов 4, дешифратор 5, блок логических схем И 6 и 7, блок преобразователей напряжения в ток 8 и 9, имеющий N выходов для подключения необходимого количества индуктивно-емкостных датчиков 10, 11 (LC-преобразователей), соединенных с первыми входами триггеров Шмитта 12 и 13. Выходы триггеров Шмитта подключены к логической схеме ИЛИ 14, выход которой соединен с первым входом цифрового таймера 15, ко второму входу которого подключен одновибратор 16. Выход таймера подключен к D-входам регистра памяти 17, управляемого микропроцессорным блоком 18. Выход генератора тактовых импульсов 1 связан с С-входом счетчика импульсов 3, управляющим входом генератора пилообразного напряжения 2, с С-входом одновибратора 16 и стробирующим V-входом регистра памяти 17. Выход счетчика импульсов 3 связан с входом дешифратора 5 и с адресным входом регистра памяти 17, а выход управляемого генератора импульсов 4 соединен с вторыми входами логических схем И 6, 7, первые входы которых подключены к выходам дешифратора 5. Выходы дешифратора 5 соединены с вторыми (стробирующими) входами триггеров Шмитта 12, 13, а выход одновибратора 16 подключен к второму входу цифрового таймера 15.

Устройство работает следующим образом.

Тактовый генератор 1 формирует импульсы большой скважности, которые поступают на делитель частоты 3 и одновременно используются для синхронизации генератора пилообразного напряжения 2, служащего для управления генератором импульсов 4 (фиг. 2).

В каждом такте преобразования частота выходных импульсов управляемого генератора 4 линейно возрастает от минимального f_min до максимального f_max значения, причем диапазон f_max-f_min выбирают исходя из рабочего диапазона частот применяемых LC-преобразователей 10, 11.

Резонансная частота каждого преобразователя зависит от его LC-параметров и соответственно от контролируемых физических величин, влияющих на емкость С_x или индуктивность L_x датчиков.

Делитель частоты 3 и дешифратор 5 выполняют функцию распределителя тактовых импульсов. Сигналы с N выходов дешифратора 5 поочередно подаются на первые входы блока схем совпадения 6, 7 (логических схем И), на вторые входы которых поступают импульсы линейно изменяющейся частоты от управляемого генератора 4.

На выходах схем И 6, 7 установлены N преобразователей напряжения в ток 8, 9, имеющих большое выходное сопротивление. Токовые импульсы с выходов N преобразователей напряжения в ток поочередно подаются на N резонансных преобразователей 10, 11, имеющих близкие резонансные частоты f_pj, соответствующие номинальным значениям контролируемых параметров.

В процессе развертки частоты токовых импульсов, подаваемых на датчики 10, 11, по мере приближения к резонансной частоте f_pj каждого датчика возрастает амплитуда колебаний, подаваемых на первые входы стробируемых двухвходовых триггеров Шмитта 12, 13.

В окрестности частоты резонанса датчиков 10, 11 амплитуда колебаний превышает порог срабатывания триггеров Шмитта 12, 13, на выходе которых появляется последовательность импульсов, поступающих через многовходовую схему ИЛИ 14 на цифровой таймер 15.

С помощью цифрового таймера 15 определяется длительность одного (или нескольких N_к) периодов резонансных колебаний, а на его выходе формируется код пропорциональный значениям индуктивности L_x и емкости С_x датчиков 10, 11. Этот код подается на шину данных регистра памяти 17, стробируемого передним фронтом тактовых импульсов, поступающих от генератора 1. На вторую (адресную) группу входов регистра памяти 17 подается выходной код делителя частоты 3, указывающий на номер опрашиваемого датчика. После этого выполняется сброс цифрового таймера 15 с помощью одновибратора 16, формирующего короткие импульсы по задним фронтам тактовых импульсов генератора 1. В результате за N тактов преобразования в регистре памяти 17 фиксируются значения контролируемых параметров с соответствующими номерами опрашиваемых датчиков, которые в дальнейшем подаются на микропроцессор 18 для оценки контролируемых параметров и обработки информации.

В данном устройстве исключена коммутация аналоговых цепей и обеспечено питание пассивных датчиков импульсами тока, позволяющими исключить влияние сопротивлений соединительных проводов на точность контроля. Кроме этого, упрощена настройка устройства, так как исходное отклонение резонансной частоты датчиков при номинальных значениях параметров учитывается микропроцессорным блоком обработки данных.

Отсутствие импульсов резонансной частоты в каком-либо такте преобразования указывает на его неисправность, при этом самотестирование устройства выполняется непосредственно в процессе измерения без дополнительных затрат времени.

В качестве преобразователя напряжения в ток может быть использован транзисторный каскад, регулировкой эмиттерного сопротивления которого можно установить требуемую амплитуду резонансных колебаний LC-датчика, превышающую порог срабатывания триггера Шмитта в полосе пропускания или в окрестности резонансной частоты. Фактически триггеры Шмитта выполняют функцию стробируемых компараторов, реализуемых на двухвходовых логических элементах.

В случае применения однотипных преобразователей напряжения в ток для подстройки уровня срабатывания триггеров Шмитта можно подключить один вывод датчиков не к общей шине, а к регулируемому источнику напряжения либо применять вместо триггеров Шмитта стробируемые компараторы с подстройкой уровня срабатывания.

Таким образом, в предлагаемом устройстве измерения повышается точность измерения за счет обработки частотных параметров сигналов и компенсации погрешностей от влияния каналов связи при использовании в качестве возбуждающих сигналов тока, исключены ограничения, связанные с трудоемкостью настройки однотипных датчиков, обеспечена возможность реализации на КМОП-элементах, что уменьшает потребляемую мощность и повышает надежность устройства, реализованы выдача информации о неисправности каналов и дополнительно вывод информации о номерах датчиков, т.е. совмещены операции измерения и самотестирования, при одновременном расширении функциональных возможностей. Это позволяет использовать разработанное устройство в различных областях, например для контроля металлических предметов, температуры, влажности, объема и т.п., посредством подключения соответствующих частотных датчиков.

Устройство измерения может быть реализовано на следующей элементной базе: тактовый генератор, управляемый генератор, триггеры Шмитта на ИМС К561ТЛ1, делитель частоты и дешифратор на ИМС К561ИЕ8 или К561ИЕ9, схема И на ИМС К561ЛА7, схема ИЛИ на ИМС К561ЛЕ6, цифровой таймер на ИМС К561ИЕ14 и К56ТМ2, регистр памяти на ИМС К561ИР9 или К572РУ2, преобразователь напряжения в ток на транзисторах КТ3107, одновибратор на триггере К561ТМ2 и RC-цепи. При использовании напряжения питания +5 В ток потребления не превышает 2 мА, т.е. потребляемая мощность составляет не более 10 мВт.

Формула изобретения

Устройство для измерения физической величины, содержащее резонансные LC-датчики, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, управляемый генератор импульсов, дешифратор, одновибратор, отличающееся тем, что в него введены генератор пилообразного напряжения, блок логических схем И, блок преобразователей напряжения в ток, триггеры Шмитта, логический элемент ИЛИ, цифровой таймер, регистр памяти и микропроцессорный блок обработки данных, причем преобразователи напряжения в ток установлены на выходах логических схем И и подключены выходами к индуктивно-емкостным датчикам, соединенным с первыми входами триггеров Шмитта, подключенных к логическому элементу ИЛИ, выход которого соединен с первым входом цифрового таймера, выход цифрового таймера подключен к D-входам регистра памяти, соединенного с микропроцессорным блоком, выход генератора тактовых импульсов связан с С входом счетчика импульсов, входом генератора пилообразного напряжения, С входом одновибратора и стробирующим входом регистра памяти, выход генератора пилообразного напряжения подключен к входу управляемого генератора, выход счетчика импульсов связан с входом дешифратора и адресными входами регистра памяти, выход управляемого генератора соединен с одними входами логических схем И, другие входы которых связаны с выходами дешифратора и подключены к вторым входам триггеров Шмитта, а выход одновибратора связан с вторым входом цифрового таймера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2