измеритель частоты резонаторного датчика технологических параметров

Формула изобретения

Измеритель частоты резонаторного датчика технологических параметров, содержащий первый сумматор, соединенный соответственно первым и вторым плечами с резонаторным датчиком и выходом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний, и генератор напряжения, отличающийся тем, что в него введены второй сумматор, преобразователь частоты в напряжение, указательный и измерительный блоки, причем третье плечо первого сумматора соединено со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого подключен к указательному блоку и первому плечу второго сумматора, второе плечо второго сумматора соединено с генератором напряжения, третье плечо второго сумматора соединено со входом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний, выход последнего подключен к измерительному блоку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен измеритель влажности газов, содержащий два клистронных генератора - измерительный и опорный, частоты которых определяются резонансными частотами соответственно измерительного и опорного объемных резонаторов (см. В.А.Викторов и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. Наука. М., 1978, с.255-256). В этом гигрометре разность частот обоих резонаторов, определяемая методом биений, является функцией влажности контролируемого воздуха, поступающего непрерывно в измерительный резонатор. Опорный резонатор закрыт и откачан до вакуума.

Недостатком этого известного устройства является низкая точность, связанная с нестабильностью частот клистронных генераторов и процедурой определения разности частот методом биений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятая автором за прототип устройство для измерения уровня по собственной частоте волноводного резонатора (см. В.А.Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. Энергоиздат, М.: 1989, с.87-88). Согласно принципу действия этого устройства, измерение резонансной частоты, связанной с уровнем контролируемой среды, состоит в том, что после возбуждения модулированных электромагнитных колебаний в волноводном резонаторе (датчике) резонансный импульс и два опорных импульса поступают на входы соответствующих формирователей, выходные сигналы которых используются для управления триггерами. Выходные импульсы триггеров далее поступают на входы фильтров низких частот соответственно. На выходах фильтров выделяются постоянные составляющие импульсов, которые затем подаются на соответствующие входы сумматора. С выхода последнего снимается напряжение, пропорциональное измеряемой величине. При этом количество триггеров и фильтров определяет точность измерения.

Недостатком этого измерителя можно считать сложность, связанную с формированием выходных импульсов триггеров и выделением из этих импульсов постоянных составляющих.

Техническим результатом заявляемого решения является упрощение процедуры измерения частоты резонаторного датчика.

Технический результат достигается тем, что в измеритель частоты резонаторного датчика технологических параметров, содержащий первый сумматор, соединенный соответственно первым и вторым плечами с резонаторным датчиком и выходом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний, и генератор напряжения, введены второй сумматор, преобразователь частоты в напряжение, указательный и измерительный блоки, причем третье плечо первого сумматора соединено со входом преобразователя частоты в напряжение, выход которого подключен к нулевому указателю и первому плечу второго сумматора, второе плечо второго сумматора соединено с генератором напряжения, третье плечо второго сумматора соединено со входом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний, выход последнего подключен к измерительному блоку.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого указанными выше признаками, состоит в том, что частота резонаторного датчика технологических параметров сравнивается с частотой перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний и при нулевой разности этих частот измерением частоты перестраиваемого по частоте генератора определяют искомый технологический параметр.

Наличие в заявляемом измерителе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу измерения частоты резонаторного датчика технологических параметров на основе сравнения частот резонаторного датчика и перестраиваемого по частоте генератора с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения.

На чертеже приведена структурная схема измерителя.

Измеритель, реализующий данное техническое решение, содержит первый сумматор 1, соединенный вторым плечом с измерительным блоком 2 и выходом перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний 3, преобразователь частоты в напряжение 4, соединенный выходом с указательным блоком 5 и первым плечом второго сумматора 6, и генератор напряжения 7. На чертеже цифрой 8 обозначен резонаторный датчик.

Измеритель работает следующим образом. Пусть на первое плечо сумматора 1 с резонаторного датчика 8 поступает сигнал частотой f_из, связанной с каким-нибудь технологическим параметром, а на второе плечо этого же сумматора с выхода перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных колебаний 3 - сигнал частотой f_пер. Тогда, ввиду того, что этот сумматор работает как вычитатель, с третьего плеча данного сумматора можно получить разность f указанных выше частот. После этого на выходе преобразователя частоты в напряжение 4 может формироваться постоянное напряжение, пропорциональное сигналу на входе этого преобразователя, поступающему с третьего плеча первого сумматора. При этом следует отметить, что при нулевой разности f на выходе преобразователя напряжение должно быть максимальным, и наоборот.

В предлагаемом измерителе наличие постоянного напряжения на выходе преобразователя контролируется указательным блоком 5. Далее напряжение с выхода преобразователя поступает на первое плечо второго сумматора 6, работающего также как вычитатель. Одновременно на второе плечо этого сумматора от генератора напряжения 7 поступает постоянное напряжение. В результате с третьего плеча второго сумматора снимается разность напряжений, которая далее дает возможность управлять перестраиваемым по частоте генератором электромагнитных колебаний. Для этого с третьего плеча второго сумматора разностное напряжение U поступает на вход перестраиваемого по частоте генератора. В качестве последнего может быть использован, например, генератор с варакторной перестройкой частоты ГЛПД-2. В силу этого частота на выходе данного генератора будет изменяться в зависимости от разностного напряжения U, поступающего на варактор (вход) генератора ГЛПД-2. Как уже отмечалось выше, сигнал с выхода перестраиваемого по частоте генератора подается на второе плечо первого сумматора. В соответствии с приведенными выше рассуждениями с помощью последнего можно вычислить f при изменении частот f_из и f_пер.

При f_из<f_пep можно записать

Согласно заявляемому техническому решению, сигнал частотой f далее преобразуется в постоянное напряжение. Обозначим это напряжение U₁, а постоянное напряжение, подаваемое от генератора напряжения на второе плечо второго сумматора, U ₂. Следовательно, разностное напряжение

U=U₂-U₁

(здесь принимается, что U₂>U₁), снимаемое с третьего плеча второго сумматора, становится функцией параметра f. В результате получаем, что при f 0, U 0 и перестраиваемый по частоте генератор перестраивает свою частоту до тех пор, пока частота f_пер не станет равной частоте f_из. При равенстве этих частот f=0 (см. формулу (1)) и по принципу действия преобразователя в напряжение на его выходе напряжение (U₁) должно быть максимальным и равным U₂. В силу этого U будет иметь нулевое значение, приводящее к остановке перестраивания частоты генератора 3. В результате всего этого, измерение частоты перестраиваемого по частоте генератора измерительным блоком 2 (установившийся режим работы измерителя) в момент отсутствия перестраивания частоты даст возможность определить частоту f _из, равную частоте f_пер.

В данном измерителе слежение за максимумом постоянного напряжения U ₁, при котором измеряется частота f_пер, производится указательным блоком.

В данном техническом решении независимо от соотношения частот f_из и f_пер обязательным условием является наличие максимума и минимума постоянного напряжения на выходе преобразователя частоты в напряжение при f=0 и f=макс соответственно при постоянном значении напряжения U₂.

Таким образом, в предлагаемом измерителе путем перестраивания частоты выходного сигнала генератора электромагнитных колебаний при определенных условиях можно обеспечить упрощение процедуры измерения частоты резонаторного датчика технологических параметров.

Реализация предлагаемого измерителя не требует сложных операций по преобразованию цифровых сигналов в аналоговые, и наоборот, что, несомненно, является одним из его достоинств по сравнению с прототипом и другими подобными устройствами.