Измеритель разности значений физических величин

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в измерителях разности значений или градиента электропроводности , температуры и др. физических величин, когда применяются два чувствительных элемента, входящие, в сосDO со о сд 00 СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Щ g)P| g ji Q

1д

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

11

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4032764/24-21

:(22) 05.03.86 (46) 15.08.87. Бюл. В 30 (71) Морской гидрофизический институт . АН УССР (72) В.П.Алексеев и 1О.П.Бутров (53) 550.83(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1143997., кл. С 01 К 7/00, 1985.

„„SU„„1330585 А1 (50 4 G 01 R 27/22, С 01 К 7/00 (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ЗНАЧЕНИЙ

ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (57) Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в измерителях разности значений или градиента электропроводности, температуры и др. физических величин, когда применяются дВа чувствительных элемента, входящие. в сос1330 тав первичных преобразователей с час-.

s àòHûìè выходами. Изобретение позволяет упростить устройство, исключив при этом потери информации. Устройство содержит преобразователи 1 и 2, элементы И 3, 4, 13 и 16, счетчики 5 и 6, коммутирующие элементы 7 и 8, элементы 9 и 10 совпадения, триггеры 1 I и 12, переключатель 14, генератор 15 опорной частоты, блок 17 управления с входами и выходами 2134, счетчик 18 разности, триггер 19 знака, цифровой индикатор 20 с опера585 тивным запоминающим устройством.

Предлагаемый измеритель может быть использован при исследовании физических процессо, пульсаций и фоновых характеристик пзи быстром перемещении измерительнэго контейнера в пространстве, например в морской воде при.получении "разреза по вертикали разностей электропроводности, температуры и др. Изобретение позволяет также увеличить быстродействие устройства и расширить области его применения. 1 3 ° и. ф-лы. 1 табл. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и.предназначено для использования в измерителях разности значений (или градиента) физических

5 величин (электропроводности, температуры и т.д.), когда применяются два чувствительных элемента, входящие в состав первичных преобразователей с частотными выходами. 10

Цель изобретения — упрощение и исключение потери информации.

На фиг. 1 и 2 приведены структурнЫе схемы соответственно устройства и блока управления; на фиг. 3 — временные диаграммы их работы.

Устройство содержит два преобразователя 1 и 2, элементы И 3 и 4, счетчики 5 и 6, коммутирующие элементы 7 и 8, элементы 9 и 10 совпадения, 20 триггеры 11 и 12, элемент И 13, переключатель 14, генератор 15 опорной частоты (ГОЧ), элемент И 16, блок 17 управления, счетчик 18 разности, триггер 19 знака и цифровой индика-. 25 тор 20 с оперативным запоминающим устройством.

В измерителе преобразователь 1, элемент И 3 и счетчик 5 соединены последовательно, преобразователь 2, элемент И 4 и счетчик 6 также соединены последовательно. Выходы счетчика 6 подключены через коммутирующий элемент 8 к входам элемента 10 совпадения, а выходы счетчика 5 — через коммутирующий элемент 7 к входам элемента 9 совпадения. Выход переключателя 14, первый вход которого соединен с выходом преобразователя 1, а второй вход — с выходом ГОЧ 15 и первым входом элемента И 16, подключен через элемент И 13 к С-входу триггера 11.

Инверсные выходы триггеров 11. и 12 подключены к своим D-входам, а инверсный выход триггера 11 объединен с С-входом триггера 12, Выходы счетчика 18 разности, счетный вход которого соединен с выходом элемента И 16, подключены к входам цифрового индикатора 20 с оперативным запоминающим устройством, знаковый выход которого соединен с выходом триггера 19 знака.

Выход 21 блока 17 управления соедине.н с R-входами триггеров 11 и 12, входы 22 и 23 — с выходами триггеров 11 и 12 соответственно, выходы 24 и 25 — с вторыми входами элементов

И 3 и 4 соответственно, входы 26 и 27 — с выходами элементов 9 и 10 совпадения, выходы 28 и 29 — с входами сброса счетчиков 5 и 6 соответственно, выходы 30 и 3 1 — с входом сброса счетчика 18 разности и тактирующим входом цифрового индикатора 20 с оперативным запоминающим устройством соответственно, выход 32 — с вторым входом элемента И 16, а выходы 33 и 34 — с R u S-входами триггера 19 знака соответственно.

Блок 17 управления содержит инверторы 35 и 36, элементы И 37 — 39, триггеры 40 и 41, элементы И 42-44 и

3 13305 схему 45 неравнозначности из элементов И-HE 46-49.

При разных вариантах исполнения устройства в нем может быть исполь5 зован специальный программатор длительности цикла измерений (не показан). Он может выполнять функцию рас пределителя тактовых импульсов, наI пример, между несколькими каналами измерений, расположенными в одном измерительном приборе (контейнере), или может быть предназначен только для измерителя разности значений с выбранной длительностью цикла. 15

Измеритель разности значений физических величин в случае, например, измерения электропроводности, определяемой в процессе зондирования в морской среде с помощью двух первич20 ных преобразователей аналог — частота, работает следующим образом.

Два четырехэлектродных датчика электрической проводимости жидкости, Ф чувствительные элементы которых разнесены в пространстве и измерительная .база которых может меняться экспериментатором в зависимости от требуемого пространственно-временного разре- 30 шения и степени изменчивости контролируемого параметра, погружаются с определенной скоростью в морскую среду, электропроводность которой изменяется произвольно по глубине. На выходе датчиков электропроводности

I изменяются амплитуды модулированных сигналов, которые затем детектируются прецизионными детекторами и в дальнейшем преобразуются в импульсы, часто- 40 та следования которых является информационным параметром электропроводности морской среды Х» и Х (или, например, температуры). Частота импульсов с преобразователей 1 и 2 че- 45 рез элементы И 3 и 4 (или, напрямую, минуя их) непрерывно поступает на счетные входы счетчиков 5 и 6 соответственно. С помощью коммутирующих элементов 7 и 8, положение которых определяют коэффициенты деления К, и К счетчиков 5 и 6 и элементов 9 и 10 совпадения, в блоке 17 управления формируются интервалы времени t—

t< (фиг. 3r, выход триггера 40) и (фиг. Зд, выход триггера 41), длительность которых зависит от элект. ропроводности морской среды Х, и Х соответственно. Схема 45 неравнознач-

4 ности выделяет разность между обоими интервалами времени -t5 (фиг. Зе) .

К моменту времени t триггеры 40 и 41 блока 17 управления находятся в нулевых состояниях и на входе 22 блока 17 управления появляется положительный потенциал с выхода триггера 11 после поступления первого импульса на его тактирующий вход через элемент И 13 (или минуя его) и переключатель 14 с преобразователя 1 или с

ГОЧ 15, на входе 23 — нулевой потенциал с выхода триггера 12, а на выходе элемента И 37 возникает положительный импульс (фиг. З,а, момент времени г. ), поступающий через выход 3 1 блока 17 управления на тактирующий вход цифрового индикатора 20 с оперативным запоминающим устройством, в результате чего в него записываются состояния счетчика 18. разности и триггера 19 знака, которые запоминаются и выдаются на индикацию (или в канал связи) до получения следующего результата измерения разности значений электрической проводимости.

После поступления следующего импульса с преобразователя 1 (или с

ГОЧ 15) на тактирующий вход триггера 11 на входе 22 блока 17 управления появляется нулевой потенциал, а на входе 23 — положительный, под воздействием которых на выходе элемента И 38 образуется положительный импульс, поступающий через выход 30 на установочный вход счетчика 18 разности, обнуляя его разряды (фиг. З,ж, момент t< ). С поступлением очередного импульса на тактирующий вход Dтриггера 11 на входы 22 и 23 поступает потенциал логической единицы, в результате чего на выходе элемента И 39 образуется положительный импульс, устанавливающий триггеры 40 и 41 в единичные состояния (фиг. 3, г,д, момент t ). Установкой триггеров 40 и 41 в единичные состояния, снимается нулевой потенциал с выходов 28 и 29 блока 17 управления, подключенных к входам установки в нуль счетчиков 5 и 6, одновременно с выходов 24 и 25 положительные потенциалы поступают соответственно на вторые входы элементов И 3 и 4, в результате чего с этого момента времени одновременно разрешается счет импульсов с выходов преобразователей 1 и 2 в счетчики 5 и 6. Элементом И 42, подключенным

13305

35 своими входами к инверсным входам триггеров 40 и 41, запрещается работа триггеров ll и 12 и работа элементов И 37 — 39 при единичном состоянии хотя бы одного из двух триггеров

40 и 41.

Непрерывный счет импульсов с выходов преобразователей 1 и 2 счетчиками 5 и 6 продолжается до появления положительного импульса на выходе эле-10 ментов И 9 и 10 соответственно. С появлением положительного импульса, . например, на выхбде элемента 10 совпадения, подключенного к входу 27, триггер 4 1 устанавливается в нуль 15 (фиг. 3,д, момент t„), В результате воздействия выходного нулевого сигнала с прямого выхода через входы 25 и 29 на управляющий вход элемента

И 4 и на вход установки в нуль счет- 20 чика 6 прекращается счет импульсов с выхода. преобразователя 2, счетчик 6 обнуляется, а на выходе 32 схемы 45 неравнозначности устанавливается положительный потенциал (фиг. З,е, мо-,25 мент t<), поступающий на второй управляющий вход элемента И 16, разрешая поступление импульсов с выхода

ГОЧ 15 через первый вход элемента

И 16 на счетный вход счетчика 18 раз- 30 ности (фиг. 3;ж, момент t<). При этом в соответствии с циклом вьщеления интервала времени счета и знака и состоянием уровней на выходах элементов (см. таблицу, позиция 3, .строка 3) блока 17 управления на выходе элемента И 43 появляется положительный потенциал, который поступает на S-вход триггера 19 знака, устанавливая его в единичное состояние, 40 что соответствует знаку минус (-) °

В противном случае (позиция 5) положительный потенциал появляется на выходе элемента И 44, который поступает на R-вход триггера 19 знака, уста- 45 навливая его в нулевое состояние, что соответствует знаку плюс (+).

А на выходе 32 схемы 45 неравнозначности в том и другом случае (позиции 3 и 5) устанавливается положи- 50 тельный потенциал, обеспечивающий условия прохождения счетных импульсов с ГОЧ 15 через элемент И 16 на счет- чик 18 разности (фиг. З„е,ж, момент

Са С )

С появлением положительного импульса на выходе элемента 9 совпадения, подключенного к входу 26, триггер 40 устанавливается в нуль

85 6 (фиг.3,г, момент t ), в результате чего на выходе 32 схемы 45 неравноэначности (позиция 4 таблицы) появляется нулевой потенциал, поступающий на второй управляющий вход элемента И 16 и запрещающий прохождение импульсов с ГОЧ 15 через элемент И 16 на счетчик 18 разности (фиг.3,г,е,ж).

Емкость счетчика 18 разности позволяет вместить с запасом информацию максимального значения разности (фиг, З,ж, момент а -t ), соответствующего на одном преобразователе максимальному значению, а на другом— минимальному. Интервал времени

I — время заполнения счетчика (5 или 6) при максимальной частоте следования импульсов с преобразователей 1 или 2. Нулевой потенциал с выхода триггера 40 через выходы 24 и 28 по1 ступает на управляющий вход элемента И 3 и на вход установки в ноль счетчика 5, прекращая счет импульсов с выхода преобразователя 1, счетчик 5 обнуляется. При этом с инверсных выходов триггеров 40 и 4 1 на входы элемента И 42 поступают положительные потенциалы, положительный потенциал на выходе которого снимает запрет счета триггеров 11 и 12 и запрет работы элементов И 37-39. Цикл измерений закончен. Новый цикл измерений в автоматическом динамическом режиме может начаться сразу по завершении предыдущего цикла (фиг. 3, а,з, момент С или момент t» соответствующий максимальной длительности цикла, который рассчитывается с некоторым запасом по максимальному и минималь ному значениям контролируемых физических величин) °

Длительность цикла в этом динамическом режиме определяется коэффициентами К, и К, а также величинами измеряемых параметров, преобразованных в частоту импульсов. Динамический цикл измерений возможен при условии, если элемент И 13 отсутствует или если второй вход элемента И 13 закорочен со своим первым входом и подключен к переключателю 14. Тогда первый импульс, поступающий через элемент И 13 с преобразователя 1 или с ГОЧ 15 на тактирующий вход триггера 11, устанавливает на входе 22 блока 17 управления положительный потенциал, на входе 23 — нулевой уровень, при этом на выходе элемента И 37

50

7 13 возникает положительный импульс (фиг. 3 а,з показано пунктиром, моменты или t ), поступающий через. выход 31 на тактирующий вход цифрового индикатора 20 с оперативным запоминающим устройством, в результате чего в него записываются состояния счетчика 18 разности и триггера 19 знака, которые запоминаются и выдаются на индикацию. После поступления следующего импульса на тактирующий вход триггера 11 на входе 22 появляется нулевой потенциал, а на входе 23 — положительный, под воздействием которых на выходе элемента

И 38 возникает положительный импульс, поступающий через выход 30 на установочный вход счетчика 18 разности, обнуляя,его разряды (фиг. Ç,б,ж, момент t ) °

С поступлением третьего импульса на тактирующий вход триггера 11 на входы 22 и 23 поступает потенциал логической единицы, в результате чего на выходе элемента И 39 появляется положительный импульс, устанавливающий триггеры 40 и 41 в единичные состояния (фиг.Ç,г,д, момент t ), и цикл повторяется.:

В том случае, когда длительность цикла измерений определяется специальным программатором (фиг. З,и, момент t -t ), который может быть встро-! ен в прибор, измеряющий несколько параметров, программатор будет распределять очередность взаимодействия каналов или включать их параллельно, задавая длительность цикла измерений и вывода информации. В этом случае второй. вход элемента И 13 подсоединяется к выходу программатора, который формирует положительный импульс длительностью, не менее самой большой длительности трех входных импульсов (фиг. Зи, моменты t --t> и t®-t, ), а по первому входу элемента И 13 поступают импульсы на тактирующий вход триггера 11 с преобразователя 1 или с ГОЧ 15.

1, Длительность цикла измерений при работе от программатора неизменна, т.е. остается постоянной. Рассмотрим работу измерителя с поступлением второго импульса с программатора после завершения первого цикла измерений (фиг. Зи, момент ta) на второй вход элемента И 13, снимающего запрет на прохождение импульсов с преобразова30585

8 теля 1 или ГОЧ 15 на тактирующий вход триггера 11. После поступления первого импульса на триггер 11 и согласно состояниям инверторов 35 и 36 и элементов И 37-39 (фиг. З,а, момент ), второго (фиг ° З,б, MQMpHT t p ) и третьего (фиг. З,в, момент t« ) повторяется последовательность описанных команд н цикл измерений.

В случае поступления тактирующих импульсов в динамическом режиме, т.е. в режиме, не зависящем от работы специального программатора, а только от динамики изменения измеряемых параметров, и при подаче тактирующих импульсов от ГОЧ 15 (имеющего более высокую частоту по сравнению с частотой следования импульсов с преобразователя) на вход триггера 11 через переключатель 14 (левое положение) и элемент И 13 (или минуя его, он мо. жет отсутствовать), начало счета счетчиками 5 и 6, определяемое йоложительным уровнем с прямых выходов

RS-триггеров блока 17 управления на вторых входах элементов И 3 и 4 (которые можно не вводить), начинается одновременно, независимо, а при относительно низкочастотных преобразователях, получивших наибольшее

1 применение, — быстрее, чем в известном устройстве, что обеспечивает относительное быстродействие цикла измерений.

Таким образом, в соответствии с циклами измерений и анализом состояний уровней элементов блока 17 управления (см. таблицу) и произведенного упрощения устройства счетчик 18 разности значений начинает производить счет при обнуленных весовых разрядах без переполнения счетчика во время измерений и с исключением функции переноса, а знак разности четко определяется элементами блока 17 управления и триггером 19 знака, при этом отпадает необходимость преобразовывать результат счета разности в обратный код, а при использовании низкочастотных преобразователей и работе двух триггеров 11 и 12 от ГОЧ 15 увеличивается быстродействие устройства. В устройстве предусмотрена возможность использования любых первичных преобразователей с частотным выходом, что обеспечивает универсальность и позволяет расширить. область

его применения.

1330585

Частота следования импульсов f

1 2 на выходе преобразователей 1 и 2, например, в зависимости от электропроводности морской воды ас, описывается соотношением

К; fÄ +Я(м;-ж) (1) где f — частота i-го первичного

<о преобразователя электропроводности при электропровод- 10 ности K

S — крутизна частотной характе1 ристики от изменения электропроводности i-ro первичного преобразователя;

Мо — электропроводность калибровки;

i=1,2 — номер первичного преобразователя электропроводности.

Обозначая длительность интервала

20 времени t2t< через Т„ в H длительность интервала времени t -Т через

Т,.можно записать:

К К2

2 т„,— ()

IÌ гх 25 где К, и К вЂ” коэффициенты деления счетчиков 5 и 6 соот(8) Таким образом, измеритель разности значений физических величин может быть применен .при исследовании физи-. ческих процессов, пульсаций и фонбвых характеристик, при быстром перемещении измерительного контейнера, в пространстве, например при погружении измерительного контейнера в морскую среду для получения "разреза" по вертикали разностей электропроводности, температуры, светопроницаемости, звукопроводимости двух сред и т.п., а также в метеорологии и при исследовании других физических процессов, где. необходимо определять разности значений параметров, например, пространственного распределения или изменения физического процесса. Устройство при-. менимо в лабораторной практике при ъ определении скорости изменения контролируемого параметра, например теплопроводности, электропроводности и т,п.

Разность длительностей Т„ и Т

40 выделяемая схемой 45 неравнозначности, равна:

К, К, 1 лт=т, -т, — — — - — -- — —х 12В f2 fon tIÆ èèí . 45

f 1 12ж 1 с+ < (Ж< «<о1 2

Х <у (4)

После разложения в степенной ряд и пренебрежения квадратичными и более высокими членами, допустимость чего подтверждается неравенством <(®мс<нс о) уравнение (4) преобразуется к виду:

f<Õ f2 ь т= — — — — —. (x2-at ., + — — — - —.

fon t< t«èí «ч1 82 (5) При использовании изобретения исключаются потери результата отсчетов и увеличивается быстродействие

55 измерений. Кроме того, изобретение обеспечивает упрощение измерителя, независимый и одновременный счет счетчиками и расширение области применения. ветственно.

Значейие коэффициента К; определяется по формуле

К

f<î (3)

8 ®«<нн fîn где ЬЖм« вЂ” разрешающая спосо<бность измерителя разности зна-чений электропроводности; — частота ГОЧ 15.

Значения К, и К2 реализуются при помощи коммутирующих элементов 7 и 8.

Содержимое счетчика 18 разности

И=ат f„ . (6)

Максимальная емкость счетчика 18 разности выбирается на основе соотношения: (М, - К< )мВ„с (7)

Nc Ъьж

1 где (Ж -at .,) — максимальное значение измеряемой разности электронроводности.

Длительность цикла измерения разности значений электропроводности предлагаемого устройства можно оценить выражением

1, f;

Т =Т +Т.

Ч чх < ма с в S< ìè÷ foï

При подключении триггеров 11 и 12 в динамическом режиме к ГОЧ 15 быстродействие устройства при использовании низкочастотных первичных преобразователей увеличится на величину

1 1 Т =3(— — — — — ) . (9) < Х fon

Номера элементов схемы управления

1I I I 11 I

Примечание пъ последовательнос ти цикла

40 41 42 43 44 46 47 48 49/45/

0 0 1 0 0 1 1 !

Начальное положение

1 1 0 0 0 0 1 1 0

Равнозначность

Счет, знак (-) 1 0 0 -1 0 1 1 0 1

0 0 1 0 0 1 1 1 0

Конечное положение

0 1 0 0 +1 1 0 1 1

Счет, знак (+) 13 1330585 14

Состояние цикла выделения интервала времени счета и знака и состоянйе уровней иа выходах элементов блока управления

1330585

Формула изобретения

1. Измеритель разности значений физических величин, содержащий два

5 канала, каждый из которьм состоит из преобразователя и последовательно соединенных счетчика, коммутирующего элемента и элемента совпадения, вьмод которого подключен к соответствующему номеру канала, входу блока управления, при этом выход блока управления с номером, соответствующим номеру канала, соединен с входом сброса счетчика канала, а также первый элемент И, два триггера, триггер знака, последовательно соединенные генератор опорной частоты, второй элемент И и третий счетчик, вьмоды которого подключены к входам цифрово- 20 го индикатора с оперативным запоминающим устройством, причем третий выход блока управления соединен с вторым входом второго элемента И, четвертый и пятый выходы - соответствен- 25 но с S-входами триггера знака, а тактирующий вход цифрового индикатора— с оперативным запоминающим устройством; к знаковому входу которого подключен выход триггера знака, о т л и- З0 .ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения и исключения потери информации, в него введены переключатель, третий и четвертый элементы И, а третий счетчик разности выполнен нереверсивным, причем шестой выход блока управления соединен с R-входом триггера знака, седьмой и восьмой выходы — соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, выходы и первые входы которых подключены соответственно к входам первого и второго счетчиков и выходам первого и второго преобразователей, девятый выход соединен с входом сбро45 са счетчика разности, десятый выход— с R-входами первого и второго триггеров, к выходам которых подключены соответственно третий и четвертый входы блока управления, при этом выход первого преобразователя через по50 следовательно соединенные переключатель и первый элемент И подключен к С-входу первого триггера, выход генератора опорной частоты соединен с вторым входом переключателя, инверсный выход первого триггера объединен с его же D-входом и С-входом второго триггера, инверсный выход которого подключен к своему же D âõîäó.

2. Измеритель по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что блок управления содержит два элемента НЕ, два

RS-триггера, шесть элементов И и четыре элемента И вЂ” НЕ, причем первый и второй входы блока управления соединены с R-входами соответственно первого и второго RS-триггеров, S-входы которых подключены к выходу третьего элемента И, третий вход соединен с первыми входами первого и третьего элементов И, а через первый элемент

НŠ— с первым входом второго элемента И, четвертый вход — с вторыми вхо- . дами второго и третьего элементов И, а через второй элемент НŠ— с вторым входом первого элемента И, первый и седьмой выходы блока управления объединены с выходом первого RS-триггера и первыми входами первого и третьего элементов И-НЕ и .пятого элемента И, второй и восьмой выходы блока управления .объединены с выходом второго

RS-триггера и вторыми входами первого, второго элементов И-НЕ и шестого эле1 мента И, выходы второго и третьего элементов И-НЕ соединены с входами четвертого элемента И-НЕ, выход которого является третьим выходом блока управления, четвертым, пятым, шестым и девятым выходами блока управления являются соответственно выходы пятого, первого, шестого и второго элементов И, а десятый выход объединен с третьими входами первого, второго, третьего элементов И и выходом четвертого элемента И, входы которого подключены к инверсным выходам RS-триггеров, при этом выход первого элемента И-НЕ соединен с первыми входами второго элемента И-НЕ, шестого эле-, мента И и вторыми входами третьего элемента И-НЕ, пятого элемента И.

1 330585 мал ежек. сн.

Ж Рие3

Составитель Н.Федоров

Редактор А.Лежнина Техред В.Кадар Корректор А.Обручар

Заказ 3579/48 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4