Устройство диагностики измерительного преобразователя
Владельцы патента RU 2743481:
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. Технический результат заключается в обеспечении возможности проверки в импульсном режиме работоспособности частотозадающих элементов измерительного преобразователя и тем самым преобразователя в целом на всех этапах эксплуатации. Устройство содержит два частотозадающих элемента, выполненных в виде пьезорезонансных датчиков с токопроводящими дорожками, и введен блок диагностики частотозадающих элементов, обеспечивающий импульсный метод диагностики токопроводящих дорожек, в связи с чем исключено искажение частотной характеристики преобразования измеряемого параметра. 3 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 частотозадающих элемента, первый и второй выводы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого и второго генераторов, выходы которых соединены с вхедами формирователя сигналов разностной частоты.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому взято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является отсутствие контроля работоспособности частотозадающих элементов в составе измерительного преобразователя.
Решаемой технической проблемой является обеспечение возможности проверки работоспособности составных частей измерительного преобразователя на всех этапах его эксплуатации.
Достигаемым техническим результатом заявляемого устройства является использование элементов диагностики, при помощи которых осуществляется проверка работоспособности частотозадающих элементов и всего измерительного преобразователя.
Для достижения технического результата в устройстве диагностики измерительного преобразователя, содержащего два частотозадающих элемента, первый и второй выводы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого и второго генераторов, выходы которых соединены с входами формирователя сигналов разностной частоты, новым является то, что каждый частотозадающий элемент выполнен в виде пьезорезонансного датчика с токопроводящими дорожками, дополнительно введен блок диагностики частотозадающих элементов, включающий в себя блок управления, формирователь одиночных импульсов, первый и второй буферные каскады, первый и второй D-триггеры, первый, второй, третий, четвертый резисторы и логический элемент "2ИЛИ-НЕ", выход которого является первым выходом устройства, вторым выходом устройства является выход формирователя сигналов разностной частоты, первый выход блока управления соединен с "R" входами первого и второго D-триггеров, прямые выходы которых соединены с входами логического элемента "2ИЛИ-НЕ", "С" входы первого и второго D-триггеров соединены с выходами первого и второго буферных каскадов, входы которых соединены через первый и второй резисторов с выходами формирователя одиночных импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока управления, управляющий вход которого является первым входом устройства, "S" входы первого и второго D-триггеров соединены с общей шиной питания, a "D" входы соединены с плюсовой шиной питания, первые выводы третьего и четвертого резисторов " соединены соответственно с входами первого и второго буферных каскадов и с третьими выводами частотозадающих элементов, которые являются выводами токопроводящих дорожек, четвертые выводы которых и вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с общей шиной питания.
Применение в составе устройства диагностики измерительного преобразователя частотозадающих элементов в виде пьезорезонансных датчиков с токопроводящей дорожкой, а также блока диагностики обеспечивает возможность выявления дефектов конструкции частотозадающих элементов на всех этапах эксплуатации измерительного преобразователя, т.е. позволяет осуществлять контроль работоспособности устройства.
На фигуре 1 изображена функциональная схема устройства диагностики измерительного преобразователя. На фигуре 2 приведена схема делителя напряжения. На фигуре 3 изображен один из возможных вариантов реализации частотозадающего элемента с токопроводящей дорожкой.
Устройство диагностики измерительного преобразователя содержит два частотозадающих элемента 1 и 2, первый и второй выводы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого 3 и второго 4 генераторов, выходы которых соединены с входами формирователя сигналов разностной частоты 5, частотозадающие элементы 1 и 2 выполнены в виде пьезорезонансных датчиков с токопроводящими дорожками, блок диагностики частотозадающих элементов 6, включающий в себя блок управления 7, формирователь одиночных импульсов 8, первый 9 и второй 10 буферные каскады, первый 11 и второй 12 D-триггеры, первый 13, второй 14, третий 15, четвертый 16 резисторы и логический элемент "2ИЛИ-НЕ" 17, выход которого является первым выходом устройства, вторым выходом устройства является выход формирователя сигналов разностной частоты 5, первый выход блока управления соединен с "R" входами первого 11 и второго 12 D-триггеров, прямые выходы которых соединены с входами логического элемента "2ИЛИ-НЕ" 17, "С"входы первого 11 и второго 12 D-триггеров соединены с выходами первого 9 и второго 10 буферных каскадов, входы которых соединены через первый 13 и второй 14 резисторы с выходами формирователя одиночных импульсов 8, вход которого соединен со вторым выходом блока управления 7, управляющий вход которого является первым входом устройства, "S" входы первого 11 и второго 12 D-тригтеров соединены с общей шиной питания, a "D" входы соединены с плюсовой шиной питания, первые выводы третьего 15 и четвертого 16 резисторов соединены, соответственно, с входами первого 9 и второго 10 буферных каскадов и с третьими выводами частотозадающих элементов 1 и 2, которые являются выводами токопроводящих дорожек, четвертые выводы которых, а также вторые выводы третьего 15 и четвертого 16 резисторов соединены с общей шиной питания.
Устройство работает следующим образом. С выходов первого 3 и второго 4 генераторов (см. фигуру 1) на входы формирователя сигналов разностной частоты 5 подаются периодические сигналы прямоугольной формы. Резонансные частоты частотозадающих элементов 1 и 2 на основе пьезорезонансных датчиков и, соответственно, частоты с выходов генераторов 3 и 4, зависят от значения преобразуемой (измеряемой) величины. Принцип работы формирователя сигналов разностной частоты 5 аналогичен прототипу.
На выходе формирователя сигналов разностной частоты 5 формируется частотный выходной сигнал Fвых измерительного преобразователя. Частота на выходе формирователя сигналов разностной частоты 5 определяется выражением
где х - измеряемый параметр на входе частотозадающих элементов 1, 2;
ƒ0 - начальная разность частот при х=0;
k - коэффициент преобразования измерительного преобразователя.
При подаче пускового сигнала на управляющий вход блока управления 7 на его первом выходе формируется сигнал сброса для первого 11 и второго 12 D-триггеров, а на втором выходе стартовый сигнал для формирователя одиночных импульсов 8. При этом одновременно на каждом из выходов формирователя одиночных импульсов 8 формируются одинаковые прямоугольные импульсы длительностью ТИ и амплитудой Uф.
Импульсные сигналы с первого и второго выходов формирователя одиночных импульсов 8 длительностью Ти и амплитудой Uф подаются на первый и второй делители напряжения (см. фигуру 2), первое плечо которых образовано первым 13 и вторым 14 резисторами, соответственно.
Второе плечо первого делителя образовано параллельно соединенной токоведущей дорожкой первого частотозадающего элемента 1 и третьим резистором 15. Второе плечо второго делителя образовано параллельно соединенной токоведущей дорожкой второго частотозадающего элемента 2 и четвертым резистором 16.
Амплитуда импульсных сигналов Uдел1, Uдел2 на выходах первого и второго делителей напряжения, соответственно, определяется выражениями
где Uф - амплитуда на выходах формирователя одиночных импульсов 8;
R13, R14 - сопротивление первого 13 и второго 14 резисторов, соответственно;
- сопротивление токопроводящей дорожки первого 1 и второго 2 частотозадающих элементов, соответственно;
R15, R16 - сопротивление третьего 15 и четвертого 16 резисторов, соответственно.
Сопротивление R15, R16 третьего 15 и четвертого 16 резисторов выбирается много больше сопротивления 
токопроводящих дорожек частотозадающих элементов 1, 2, соответственно.
Соотношение сопротивлений 
токопроводящих дорожек частотозадающих элементов 1, 2 и сопротивлений R13, R14 первого 13 и второго 14 резисторов выбирается таким образом, чтобы амплитуда импульса на выходе делителей соответствовала по уровню напряжения низкому логическому уровню "Лог.0".
В схеме устройства применяются первый 9 и второй 10 буферные каскады, которые выполняют роль преобразователей логических уровней для тактового входа "С" первого 11 и второго 12 D-триггеров.
В случае, когда токопроводящая дорожка и первого 1 и второго 2 частотозадающего элемента не повреждена и не оборвана электрическая цепь, амплитуда на выходе делителя соответствует уровню "Лог.0". Сигналы 
с выходов делителей, соответственно, проходят через первый 9 и второй 10 буферные каскады на входы "С" первого 11 и второго 12 D-триггеров. При этом первый 11 и второй 12 D-триггеры не срабатывают, и на их прямых выходах устанавливаются сигналы низкого логического уровня "Лог.0". Далее во состоянию сигналов на прямых выходах первого 11 и второго 12 D-триггеров на выходе логического элемента "2ИЛИ-НЕ" 17 устанавливается сигнал с уровнем соответствующим высокому логическому уровню "Лог.1", что свидетельствует о работоспособности частотозадающих элементов и всего устройства.
В случае, когда повреждена токоведущая дорожка частотозадающего элемента, то ее электрическое сопротивление многократно увеличивается (становится бесконечно большим) и при этом амплитуда сигнала на выходе соответствующего делителя 
или 
будет приблизительно равна амплитуде Uф с первого и второго выходов формирователя сигналов. Далее по положительному перепаду импульса на входе "С" соответствующего D-триггера (первого 11 или второго 12) происходит установка на его прямом выходе сигнала с высоком логическим уровнем "Лог.1".
Когда повреждена одна из токоведущих дорожек частотозадающих элементов 1, 2 или обе токоведущие дорожки, происходит срабатывание одного из D-триггеров (первого 11 или второго 12) или их обоих. При данных комбинациях логических сигналов на прямых выходах первого 11 и второго 12 D-триггеров на выходе логического элемента "2ИЛИ-НЕ" будет сформирован сигнал с низким логическим уровнем "Лог.0", что свидетельствует о неисправности частотозадающих элементов 1, 2 и всего измерительного преобразователя в целом.
При повторной подаче пускового сигнала на управляющий вход устройства происходит сброс состояния первого 11 и второго 12 D-триггеров, на выходах формирователя одиночных импульсов 8 формируется импульсный сигнал заданной длительности и далее выполняется диагностика целостности состояния токоведущих дорожек частотозадающих элементов 1 и 2, после чего на выходе Uвых устройства устанавливается соответствующий логический сигнал.
Таким образом, в заявляемом устройстве применяется импульсный метод диагностики токопроводящих дорожек. Длительное или постоянное пропускание через них тока может приводить к изменению резонансной частоты частотозадающего элемента 1 и 2 и, соответственно, к искажению его характеристики преобразования.
На фигуре 3 изображен один из возможных вариантов - частотозадающего элемента 1, 2 с токопроводящей дорожкой 18, которая проходит через элементы конструкции, наиболее подверженные дефектам.
Частотозадающий элемент 1, 2 (см. фигуру 3) имеет четыре вывода. Первый и второй выводы включены в схему генератора. Третий и четвертый выводы являются выводами токопроводящей дорожки 18, которая подключена к цепям блока диагностики 6 данного устройства.
Если в составе отказоустойчивой измерительной системы имеется несколько измерительных каналов, построенных по данной схеме (см. фигуру 1), то при подаче пускового сигнала на управляющий вход устройства и последующему анализу логических сигналов с выхода Uвых каждого из измерительных преобразователей можно выбрать работоспособный измерительный канал перед началом применения.
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов устройства диагностики измерительного преобразователя.
Устройство диагностики измерительного преобразователя, содержащее два частотозадающих элемента, первый и второй выводы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого и второго генераторов, выходы которых соединены с входами формирователя сигналов разностной частоты, отличающееся тем, что каждый частотозадающий элемент выполнен в виде пьезорезонансного датчика с токопроводящими дорожками, дополнительно введен блок диагностики частотозадающих элементов, включающий в себя блок управления, формирователь одиночных импульсов, первый и второй буферные каскады, первый и второй D-триггеры, первый, второй, третий, четвертый резисторы и логический элемент "2ИЛИ-НЕ", выход которого является первым выходом устройства, вторым выходом устройства является выход формирователя сигналов разностной частоты, первый выход блока управления соединен с "R" входами первого и второго D-триггеров, прямые выходы которых соединены с входами логического элемента "2ИЛИ-НЕ", "С" входы первого и второго D-триггеров соединены с выходами первого и второго буферных каскадов, входы которых соединены через первый и второй резисторы с выходами формирователя одиночных импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока управления, управляющий вход которого является первым входом устройства, "S" входы первого и второго D-триггеров соединены с общей шиной питания, а "D" входы соединены с плюсовой шиной питания, первые выводы третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с входами первого и второго буферных каскадов и с третьими выводами частотозадающих элементов, которые являются выводами токопроводящих дорожек, четвертые выводы которых и вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с общей шиной питания.
