Устройство для одновременного измерения температуры и давления в локальном объеме измерительного поля

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить надежность систем одновременного контроля нескольких физических величин за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одного или-нескольких измерительных каналов . Воздействие измеряемых параметров приводит к изменению частот шести пьезокварцевых резонаторов 2 и автогенераторов 3, сигналы с которых поступают на смесители 4 и далее на преобразователи частота - код 5 и вьгчис

CCNO3 СОНЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А2

su4 G 01 К 7/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНЙЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTVM (61 ) 1307246 (21) 4144160/24-10 (22) 10.11 ° 86 (46) 07 ° 10.88. Бюл. 11 37 (71) Харьковский авиационный институт им. Н.Е. Жуковского (72) Ф.Ф. Колпаков, В.А. 111евелев, В.А. Писарев и В, М. Читова (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1015267, кл. G 01 К 7/32, 1982.

Авторское свидетельство СССР

11 1307246, кл. G 01 К 7/32, 16.12.85. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ

В ЛОКАЛЬНОМ ОБЪЕМЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО

ПОЛЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет ловысить надежность систем одновременного контроля нескольких Физических величин за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одного или нескольких измерительных каналов. Воздействие измеряемых параметров приводит к изменению частот шести пьезокварцевых резонаторов 2 и автогенераторов 3, сигналы с которых поступают на смесители 4 и далее на преобразователи частота — код 5 и вычисl 4 28947 лительный блок 7. Сигналы с выхода каждого из смесителей 4 поступают также на вход соответствующей цепоч- . ки, состоящей из последовательно соединенных полосового фильтра 9, амплитудного детектора !О, фильтра низких частот 11 и формирователя 12 прямоугольных импульсов. Сигналы на выходе последних указывают на работоспособность (логическая единица) либо неисправность,(логический нуль) данного измерительного канала, Выходы формирователей 12 связаны с

Изобретение относится к измеритель-. ной технике, может быть использовано при построении высоконадежных систем одновременного контроля нескольких физических величин в локальном объеме измерительного поля::" является усовершенствованием устp.,:.i.."òâà по основному авт. св. ih 1307?46, I

Цель изобретения -- повышение надежности за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одного или нескольких измеритедьных каналов, На фиг. 1 показана функциональ1» ная схема устройства,цля одновременного измерения температуры,,цавления и ускорения в локальном объеме измерительного .поля, на фиг. 2 функциональная схема дополнительных цегочек и шифраторов.

Устройство для одновременного из— мерения температуры и давления (а также ускорения) в локальном объеме

25 измерительного поля содержит трехпараметровый чувствительный элемент (датчик) 1 с шестью кварцевыми резонаторами 2, подключенными к соответствующим автогенераторэм З,шесть цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных анто-генераторов 3, смесителя 4 и преобразователя 5 частота — код, опорньпг генератор 6, связанный с вторыми входами смесителей 4 и преобразователей 35

5 частота — код, при этом каждый из

Шести частотных каналов, состоящих входами шифратора 13, выход и дополнительный вход которого соединены соответственно с входом и выходом вычислительного блока 7. Шифратор

13 вырабатывает двоичный код, отражающий работоспособность измерительных каналов. На основании этого кода в вычислительном блоке 7 реализуется основной или один из вспомогательных алгоритмов обработки сигналов с преобразователей частота — код 5 в соответствии с хранящейся в блоке памяти 8 информацией.2 ил. из автогенератора 3, смесителя 4 и преобразователя 5 частота — код, связаны входом и выходом с вычислительным блоком 7, который соединен входом и выходом с блоком 8 памяти. Кроме того,. предлагаемое устройство содержит шесть цепочек, состоящих каж,цая из последовательно соединенньгх полосового фильтра 9, амплитудного детектора !0, фильтра 11 низких частот и формирователя 12 прямоугольньгх импульсов и связанных входом и выходом соответствующего смесителя 4, а выходом — с входом шифратора 13, дополнительный вход и выход которого соединены соответственно с вьгходом и входом вычислительного блока 7.

Фильтры 11 низких частот собраьъ (фиг. 2,1 на Dl...D6, С1...С6, формирователи 12 прямоугольных импульсов собраны на D2.1...D2.6, шифратор состоит из собственно схемы шифратора, собранной íà D4,2, D5.2, и схемы дешифратора ацреса, собранной íà а3 Л4.1, П6 1, 1

Устройство работает следующим об— разом.

Воздействие измеряемых температуры T(X,), давления Р(Х ) и ускорения g(X>) на трехпараметровый чувствительный элемент 1 с пьезокварцевыми резонаторами 2 приводит к изменению резонансных частот последних, а следовательно, к изменению частот на вьгходах автогенераторов 3. Сиги»лы с выходов автогенераторов 3 по25 з 14289 ступают на первые входы соответствующих смесителей 4. На вторые входы смесителей 4 поступают сигналы частоты Г с выхода опорного генератора

6. На выходах смесителей 4 имеются низкочастотные сигналы F,, Е,р,...,Р р которые поступают на соответствующие преобразователи 5 частота — код, на выходе которых приобретают кодовую 10 (цифровую) форму, и на входы соответствующих полосовых фильтров 9 °

Двухвходовый преобразователь частоты в код представляет собой обычный электронносчетный частотомер, 15 который за определенный интервал времени, определяемый частотой опорного генератора, подсчитывает количество импульсов измеряемой частоты.

Сигналы с выходов смесителей 4 2р поступают на входы соответствующих полосовых фильтров 9 ° Полоса пропускания каждого полосового фильтра 9 выбирается такой, чтобы перекрыть весь возможный диапазон рабочего измерения частоты соответствующего смесителя 4, обусловленной любой возможной комбинацией воздействующих на

I трехпараметровый чувствительный элемент 1 измеряемых температуры Т(Х ), 30 давления Р(Х ) и ускорения g(X>) из их диапазонов изменения (Х )мин . Х, „ ) (i = 1,3). После детектирования амплитудными детекторами 10, прохождения сигналов через низкочастотные фильтры 11 и формирователи 12 прямоугольных импульсов на выходе последних имеются либо логические единицы, если все частотные каналы работоспособны или частоты на выходах смесителей находятся в вполе допуска (в полосе пропускания полосовых фильтров 9), либо на одном или нескольких выходах формирователей 12 прямоугольных импульсов устанавливаются логиче- 45 ские нули. Выходы формирователей 12 связаны с входами шифратора 13. Шифратор преобразует код, образованный нулями и единицами формирователей 12 и двоичный код номера ситуации. При этом предусмотрена следующая кодировка возможных ситуаций, 000 -все частотные каналы исправны; 001 — вьппел из строя элемент или узел первого частотного канала; 010 — вьппел из строя 5

- --55 элемент или узел второго частотного канала; 011 — вышел из строя элемент или узел третьего частотного канала;

100 — вышел из строя элемент или узел

47

4 четвертого частотного канала; 101 вышел из строя элемент или узел пятого частотного канала, ll0 — вьппел из строя элемент или узел шестого частотного канала.

Адрес блока может быть жестко задан распайкой свободных ножек элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ D3 на +Е или на землю. При появлении на шине адреса

ЭВМ адреса блока срабатывает схема дешифрации D3, D4,1, D6 1 и на элементы шифратора D4.2, D5.2 поступает сигнал разрешения, по которому на шину данных ЭВМ выдается двоичный код (сигналы,, 7, Уз). Если все каналы в допуске, то код будет 000. ЕсI ли какой-либо из каналов вьппел из допуска, то амплитуды сигнала на выходе соответствующего полосового фильтра 9 не хватит для срабатывания амплитудного детектора 10. На его выходе устанавливается сигнал "Лог. 0".

При этом и на соответствующий вход шифратора поступает сигнал "Лог. 0" и при запросе ЭВМ шифратор 13 выдает на шину данных двоичный код, соответствующий номеру вышедшего из строя канала.

Приведенная схема шифратора D4.,2, D5.1, D5.2 работает при выходе из строя только одного из каналов. Если же необходимо работать при выходе из строя двух или более каналов, то она может быть соответствующим образом изменена.

Предварительно для каждой из возможных ситуаций (работоспособы все частотные каналы, неработоспособен один или несколько каких-то частотных каналов) определяются элементы обратной матрицы А и различных, соответствующих различным ситуациям, .+ псевдообратных матриц А . Коды элементов этих матриц хранятся в определенных ячейках (зонах) памяти блока 8 памяти.

Работой устройства для одновременного измерения температуры, давления и ускорения в локальном объеме измерительного поля управляет вычислительный блок 7, который связан с блоком 8 памяти, преобразователями 5 частота — код и шифратором 13 по двухшинной системе.

Многопараметровый (в предлагаемом устройстве трехпараметровый)ме1428947

6 тод измерения основан на совместном использовании нескольких многопараметровых выходных сигналов автогенераторов, кварцевые резонаторы котоФ рых включены в трехпараметровый чувствительный элемент. Эти выходные многомерные сигналы с автогенераторов различным образом зависят от одних и тех же измеряемых физических величин Т(Х,), Р(Х ), g(Xз), и благодаря возможности варьировать в ши5 роких пределах избирательность кварцевых резонаторов (коэффициенты чувствительности измеряемым физическим параметром) образуют систему из шести линейных независимых уравнений, I

+ а, (X-X„) „(X,-X, ) (X-X ) +

+ a,, (Õ„-Х„, )(Хэ-Х„) + а „(Х -Х„)(Хз-X„) ° ° Ф ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° Ф Ф Ф ° ° Ф ° Ф ° ° Ф ° Ф ° ° Ф ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° Ф ° Ф \ ° ° ° ° ° = + аь, (Х, -Х, ) + а (Х -Х,) + а, (Х -Х, ) + а6„(Х,-Х„)(Х -Х, ) +

+ або (Х,-Х î ) (Х -Х о ) + а (Ха-X„) (Х - X» )

30 э а; = а; 11 +Х.К, (Х -Х ) (i =1,6, 1 = 1,6) 3 1» =1 е

Be) (2) J где К. — коэффициент взаимного влияЕ ния 1-го измеряемого параметра на соответствующий коэффициент чувствительности а;„

О О а„ а, .... а„

О о O а, а ° ° ° ° а,б (4) о о О а6

F — вектор частот с автогенеA ратора, 55

А — матрица, обратная матрице преобразователя где а. (j = 1,6, g = 1,3) — коэффициентй термо-, тензо-, массочувствительности кварцевых резонаторов; о а (i = 1,6, J =4 6) — коэффициенты смешанных чувствительностей;

Х,, Х, Х. — измеряемые температура, давление и ускорение;

Х о X о» Х зо координаты реперной точки Хо, в которой определялись коэффициенты чувствительности а (i = 1,6, g = 1,6)

1,6) — начальные частоты

Наличие первичных многомерных сигналов с автогенераторов (1) позволяет сформировать из них информационные сигналы о каждой иэ измеряемых величин

Х вЂ” Х„=АР (з) где Х вЂ” Х вЂ” вектор измеряемых физических величин Х)(Т), Х (P), Х (g), x„(T P), Х5(T g) Х6(P g) автогенераторов или частоты автогенераторов в реперной точке.

В выражениях системы (1) учтено имеющееся на практике взаимное влияние измеряемых параметров на соответствующие коэффициенты чувствительности, т.е. температуры на тенэо- и массочувствительность, силы на термо- и массочувствительность, ускорения на термо- и тенэочувствительность, которое выражается в первом приближении в виде.

В нормальном режиме работы устройства под действием на трехпараметровый чувствительный элемент измерительных температуры, давления и ускорения изменяются резонансные частоты кварцевых резонаторов, а следовательно, и частоты автогенераторов в соответствии с выражениями (1). Сигналы с частотами f,,f, ..., Г с выходов

1 2 автогенераторов поступают на первые входы соответствующих смесителей, на вторые входы которых поступает сигнал частоты f с опорного генератора, в результате чего на выходах смесителей имеются низкочастотные сигналы вида

)428947 (Гщ -Г ) + а„(Х,-Х„,) + (ГМ-Г,) + а (Х -X,.) + (Х -Х )+...+а, (Х вЂ” Х )(Х,-Х, ) (5) F

Эти сигналы поступают на входы соответствующих преобразователей частота. 7 = а„(Х,-X„+ а, (Х, -Х ) +...+ (6) а,б (X -Х20)(Х -Хз ) Y = a, (Х„-Х,О + аь (Х -Х )+...+ < 6(X -Х )(Х -Х с ) .15 частот рабочих и опорного автогенераторов.

Y = А(Х вЂ” Хо) (7) вызываемую из блока памяти. В результате получается оценка (Х,-Х, )" к(Х Х. Д +, одновременно действующих на многопараметровый чувствительный элемент измеряемых физических величин Х,, Х>, Х>. В этом режиме, когда все элементы и узлы (кварцевые резонаторы, автогенераторы, смесители, опорный генератор всех частотных каналов) работоспособы, оценка измеряемых физических величин, определяемая согласно (8), оказывается точной, поскольку погрешности определяются лишь конечной разностью преобразователей частота — код, конечностью разрядной сетки вычислительного блока и в меньшей степени нестабильностью (9) е 55

А„„= p. q t.

s=l где R — ранг матрицы А+, (10) где Y — вектор сигналов с преобразователя частота — код. С выходов преобразователей частота — код сигналы

Y поступают в вычислительный блок, где происходит перемножение вектора сигналов Y на обратную матрицу коэффициентов преобразования А (Х вЂ” Хд)" = A Y9 (8) J которЫми она определяется единственным образом. Важным качеством псевдообратной матрицы Мура А является то, что она существует для любой матрицы

А» и поэтому, получая оценку параметров Х вЂ” Х по формуле

Х вЂ” Х = АУк где — вектор частот не выш дщщ из строя частотных каналов, можно не сомневаться в существовании и единственности решения недоопреде. код, на выходе которых приобретают кодовую (цифровую) форму

В случае, когда выходят из строя один или несколько частотных каналов, 20 либо частоты одного или нескольких автогенераторов находятся не в допуске, более целесообразно не использовать информацию иэ неработоспособных частотных каналов, т.е ° коэффициенты

25 чувствительности и частоту, соответствующие неработоспособному частотному каналу. В этом случае исходная матрица преобразования А становится прямоугольной А» размера (и (6), а

Зр матричное уравнение Х вЂ” Хо = А Y имеет бесчисленное множество решений, поскольку число неизвестных в (1).становится больше числа уравнений в (1)., Одним из способов уменьшения трудностей, связанных с некорректностью возникающей задачи, является использование псевдообразных матриц А„ . Матрица A» — не единствен+ ная для данной А+. Однако из всех воз-t

4р можных псевдообратных матриц А .представляет наибольший интерес матрица

Мура, обозначаемая А и обладающая

Ф свойствами

| ленной системы уравнений. Получаемаемая таким образом оценка (9) является наилучшим приближенным решением (по методу наименьших квадратов) матричного уравнения А+ Х = Т» °

Матрица Nypa+, псевдообратная к А„,имеет следующее разложение! 428947

q; и

Формула и з о б р е т е н и я

Устройство для одновременного измерения температуры и давления в лоОТ/72 ияю

5ОП5

D5УЛЛ7

1Я,Щ

Составитель Е. Рязанцев

Техред М,Дндык

Редактор Е. Папп

Корректор А.Обручар

Заказ 5114/37 Тираж 607

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4. собственные векторы симметричных матриц. Л А и А А „ соответственно, 1 сингулярные числа матрицы

А! индекс Т означает транспортирование.

Таким образом, используя в предлагаемом устройстве при выходе из строя одного или нескольких частотных каналов или нахождение частот соответствующих автогенераторов не в допуске соответствующие псевдообратные матрицы, можно существенно повысить надежность устройства. кальном объеме измерительного поля по авт. св, N 1307246, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыше5 ння надежности за счет обеспечения работоспособности при выходе из строя одно"

ro или нескольких измерительных каналов, введены шифратор и шесть цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных полосового фильтра, ампли° тудного детектора, фильтра низких частот и формирователя прямоугольных импульсов, причем входы полосовых фильтров связаны с выходами смесителей, а выходы формирователей прямоугольных импульсов — с входами шифратора, выход и дополнительный вход которого соединены соответственно с входом и выходом вычислительного бло20