Способ автономных измерений физических величин

 

Использование: измерительная техника и может применяться при построении автономных измерительных систем физических величин для очувствления робототехнических систем, функционирующих автономно на всех этапах от восприятия до обработки и использования измерительной информации. Сущность изобретения состоит в том, что воспринимают физические величины с помощью первичных измерительных преобразователей, преобразуют их в удобную для сравнения форму, запоминают последовательно во времени или одновременно значения преобразованных физических величин, осуществляют их сравнение, выполняю деление большей величины на основание выбранной системы счисления, возведенное в соответствующую разряду положительную целую степень, сравнивают меньшую физическую величину с большей из полученных делением величин, при превышении первой вычитают из нее последнюю и записывают единичный бит информации в соответствующую ячейку памяти, и полученную после вычитания величину сравнивают со следующей по размеру из полученных делением величин, в противном случае в названную ячейку памяти записывают нулевой бит информации, а меньшую измеряемую физическую величину сравнивают со следующей по размеру из полученных делением величин, по результатам любого из последних сравнений записывают единичный или нулевой биты информации в следующую ячейку памяти, процесс вычитания и сравнения соответствующих величин с записью результирующей информации в соответствующую 1-му разряду ячейки памяти продолжают N раз, количество которых определяют количеством ячеек памяти. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении автономных измерительных систем физических величин для очувствления робототехнических систем, функционирующих автономно на всех этапах от восприятия до обработки и использования измерительной информации.

Известен способ автономных измерений (см. решение о выдаче авторского свидетельства 1755052, 1992 г. М. кл. G01 Д 21/01), заключающийся в том, что воспринимают физические величины с помощью первичных измерительных преобразователей, преобразуют их в удобную для сравнения форму, запоминают последовательно во времени или одновременно значения преобразованных физических величин, из первого значения вычитают второе, раздельно запоминают первый бит информации при положительном и отрицательном результатах, при положительном результате вычитания из этого результата вычитают второе значение преобразованной физической величины и в случае положительного результата запоминают второй бит информации, повторяя этот процесс с запоминанием соответствующих бит информации до получения отрицательного результата, в случае отрицательного результата вычитания из первого значения второго значения преобразованной физической величины этот результат суммируют с первым значением преобразованной физической величины и при полученном отрицательном результате суммирования запоминают второй бит информации, повторяя процесс суммирования получаемого результата с первым значением и запоминая соответствующие биты информации до получения положительного результата, при этом об изменении физической величины, значения которой запоминались последовательно во времени или о соотношении физических величин, значения которых запоминались параллельно во времени, судят по накопленным раздельно битам информации при положительном и отрицательном результатах вычитания и суммирования соответственно.

Недостатком данного способа является низкая точность измерения из-за невысокой разрешающей способности, определяемой целыми значениями измеряемой физической величины, принимаемой за меру.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ автономных измерений (см. решение о выдаче авторского свидетельства по заявке 1839098/ 92 г. М. кл. G01 Д 21/01), отличающийся от вышеизложенного способа тем, что с целью повышения точности измерения за счет увеличения разрешающей способности после запоминания последовательно во времени или одновременно значений преобразованных физических величин дополнительно сравнивают эти значения и производят деление меньшего значения или умножение большего значения на основание выбранной системы счисления, возведенное в заданную положительную целую степень.

Недостатком данного способа является низкое быстродействие из-за большого числа операций сравнения. Это связано с тем, что измерения представляют собой процесс последовательного приближения с постоянным шагом, величина которого определяется требуемой точностью представления результата. При этом, чем выше требуется точность, тем меньше должен быть шаг последовательного приближения, следовательно, тем больше число операций сравнения, и тем ниже быстродействие.

Целью изобретения является повышение быстродействия измерения физических величин.

На чертеже представлена структурная схема автономной измерительной системы, реализующей заявленный способ автономных измерений.

Автономная измерительная система интенсивностей излучения объектов 1 и 2 содержит первую и вторую системы 3 и 4 наведения и фокусировки, первую и вторую фотоприемные матрицы 5 и 6, первый и второй измерительные преобразователи 7 и 8, первый и второй блоки 9 и 10 памяти, первый и второй коммутаторы 11 и 12, компаратор 13, инвертор 14, делитель 15, третий коммутатор 16, стробируемый компаратор 17, четвертый коммутатор 18, блок 19 вычитания, распределитель 20 импульсов, выходной регистр 21, генератор 22 импульсов опроса.

Первая и вторая системы 3 и 4 наведения и фокусировки связаны соответственно с первой и второй фотоприемными матрицами 5 и 6, которые через первый и второй измерительные преобразователи 7 и 8 подключены соответственно к первому и второму блокам 9 и 10 памяти. Выход первого блока 9 памяти подключен к первым входам первого и второго коммутаторов 11 и 12 и к инверсному входу компаратора 13. Выход второго блока 10 памяти подключен ко вторым входам первого и второго коммутаторов 11 и 12 и к прямому входу компаратора 13. Выход компаратора 13 является информационным выходом и соединен с управляющим входом первого коммутатора 11 непосредственно, а с управляющим входом второго коммутатора 12 через инвертор 14. Выход первого коммутатора 11 соединен с первым входом четвертого коммутатора 18, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока 19 вычитания и с прямым входом стробируемого компаратора 17. Выход блока 19 вычитания соединен со вторым входом четвертого коммутатора 18. Выход второго коммутатора 12 соединен с входом делителя 15, N выходов которого соединены соответственно с N входами третьего коммутатора 16, выход которого соединен с инверсным входом стробируемого компаратора 17 и с входом вычитаемого блока 19 вычитания. Выход стробируемого компаратора 17 соединен с управляющими входами четвертого коммутатора 18 и блока 19 вычитания, а также с входом распределителя 20 импульсов, N выходов которого соединены соответственно с N входами выходного регистра 21, N выходов которого являются информационными выходами устройства. Выход генератора 22 импульсов опроса соединен с управляющими входами третьего коммутатора 16, стробируемого компаратора 17, распределителя 20 импульсов и выходного регистра 21.

Автономная измерительная система работает следующим образом.

Интенсивность излучения объекта 1 вследствие работы первой системы 3 наведения и фокусировки воспринимается первой фотоприемной матрицей 5 и после преобразования в первом измерительном преобразователе 7 записывается в первый блок 9 памяти. Одновременно интенсивность излучения объекта 2 вследствие работы второй системы 4 наведения и фокусировки воспринимается второй фотоприемной матрицей 6 и после преобразования во втором измерительном преобразователе 8 записывается во второй блок 10 памяти.

Пусть в первом блоке 9 памяти записано значение интенсивности излучения, равное U₁, а во втором блоке 10 памяти записано значение интенсивности излучения, равное U₂. Значения интенсивностей U₁ и U₂ с первого и второго блоков 9 и 10 памяти поступают соответственно на инверсный и прямой входы компараторов 13, который осуществляет операцию их сравнения. При этом его выходной сигнал несет информацию о том, какое из двух значений интенсивностей U₁ или U₂ больше (или меньше) по отношению друг к другу. Сигнал с выхода компаратора 13 управляет работой первого и второго коммутаторов 11 и 12. При этом на управляющий вход первого коммутатора 11 он поступает непосредственно, а на управляющий вход второго коммутатора 12 - через инвертор 14. Если U₁ < U₂, то на выход первого коммутатора 11 с его первого входа передается значение U₂, записанное в первом блоке 9 памяти, а на выход второго коммутатора 12 с его второго входа передается значение U₂, записанное во втором блоке 10 памяти. Если U₁ > U₂, на выход первого 11 коммутатора с его второго входа передается значение U₂, на выход второго коммутатора 12 с его первого входа передается значение U₁. Таким образом, на выход первого коммутатора 11 всегда передается меньшее из двух значений U₁ и U₂, записанных соответственно в первом и втором блоках 9 и 10 памяти, а на выход второго коммутатора 12 всегда передается большее из них.

Пусть для определенности U₁ < U₂. Тогда на выходе первого коммутатора 11 будет присутствовать значение интенсивности U₁, которое поступает на первый вход четвертого коммутатора 18, а на выходе второго коммутатора 12 будет присутствовать значение интенсивности U₂, которое поступает на вход делителя 15.

Делитель 15 осуществляет N раз деление значения интенсивности U₂ на основание системы счисления, в которой будет представлен результат измерений, возведенный в заданную положительную целую степень. При двоичной системе счисления на выходах делителя 15 будут присутствовать соответственно N значений Число выходов делителя 15 соответствует числу разрядов представления результата измерения. При этом точность представления результата измерения будет определяться младшим разрядом, вес которого равен U²/2^N. Таким образом, чем больше N тeм выше точность измерения, и, следовательно, лучше разрешающая способность данного способа.

N выходов делителя 15 соединены соответственно с N входами третьего коммутатора 16, выход которого соединен с входом вычитаемого блока 19 вычитания и с инверсным входом стробируемого компаратора 17.

B исходном состоянии четвертый коммутатор 18 подключен к выходу своим первым входом и передает информацию с выхода первого коммутатора 11. Поэтому на выходе четвертого коммутатора 18 будет присутствовать значение интенсивности U₁, которое поступает на вход уменьшаемого блока 19 вычитания и прямой вход стробируемого компаратора 17.

Генератор 22 импульсов опроса выдает последовательно N импульсов, которые управляют работой третьего коммутатора 16, стробируемого компаратора 17, распределителя 20 импульсов и выходного регистра 21.

Под воздействием первого импульса опроса третий коммутатор 16 передает на выход значение U₂/2¹ с первого своего входа, которое поступает на вход вычитаемого блока 19 вычитания и на инверсный вход стробируемого компаратора 17.

Стробируемый компаратор 17 под воздействием первого импульса опроса осуществляет операцию сравнения значения интенсивности U₁ и значения U₂/2¹.

Если U₁ < U₂, то на выходе стробируемого компаратора 17 будет уровень логического нуля, и под воздействием того же первого импульса опроса распределитель 20 импульсов со своего N-го выхода запишет нулевой бит информации в старший N-ый разряд выходного регистра 21. Уровень логического нуля с выхода стробируемого компаратора 17 поступает на управляющие входы четвертого коммутатора 18 и блока 19 вычитания, но не приводит к выполнению операций этими блоками. Они сохраняют свое предыдущее состояние.

Если U₁ > U₂/2¹, на выходе стробируемого компаратора 17 появится импульс, имеющий уровень логической единицы. Этот импульс поступает на вход распределителя 20 импульсов, который под воздействием первого импульса опроса со своего N-го выхода запишет единичный бит информации в старший N-ый разряд выходного регистра 21. Импульс c выхода стробируемого компаратора поступает на управляющие входы блока 19 вычитания и четвертого коммутатора 18. Блок 19 вычитания сформирует разность S₁ U₁ U₂/2¹. После этой операции четвертый коммутатор 18 подключаем на выход свой второй вход, так, что на вход "уменьшаемого" блока 19 вычитания будет поступать разность S₁.

Затем генератор 22 импульсов опроса выдает второй импульс опроса.

Под воздействием второго импульса опроса третий коммутатор 16 передает на выход значение U₂/2² со второго своего входа, которое поступает на вход вычитаемого блока 19 вычитания и на инверсный вход стробиpуемого компаратора 17.

Стробируемый компаратор 17 под воздействием второго импульса опроса вновь осуществляет операцию сравнения значений величин, поступающих на его входы. При этом в зависимости от предыдущего этапа работы возможны две ситуации. Если на предыдущем этапе работы было получено, что U₁ < U₂/2¹, то на прямой вход стробируемого компаратора 17 опять будет поступать значение интенсивности U₁. B соответствии с этим стробируемый компаратор 17 будет осуществлять операцию сравнения значения интенсивности U₁ и значения U₂/2². Если U₁ < U₂/2², то дальнейшая работа системы будет аналогична работе для случая, описанного выше, когда выполнялось условие U₁ < U₂/2¹. Отличие будет заключаться лишь только в том, что нулевой бит информации будет записан с (N-1)-го выхода распределителя 20 импульсов в (N-1)-ый разряд выходного регистра 21. Если окажется, что U₁ > U₂/2², то дальнейшая работа системы будет аналогична работе для случая, описанного выше, когда выполнялось условие U₁ > U₂/2¹. Отличие будет заключаться лишь в том, что единичный бит информации будет записан в ( N-1)-го выхода распределителя 20 импульсов, в ( N-1)-ый разряд выходного регистра 21, а блок 19 вычитания сформирует разность: S₂ U₁ U₂/2².

Если на предыдущем этапе работы было получено, что U₁ > U₂/2₁, то на прямой вход стробируемого компаратора 17 будет поступать разность S₁. В соответствии с этим стробируемый компаратор 17 будет осуществлять операцию сравнения значений S₁ и U₂/2². Если окажется, что S₁ < U₂/2², то на выходе стробируемого компаратора 17 будет уровень логического нуля, и распределитель 20 импульсов со своего ( N-1)-го выхода запишет нулевой бит информации в (N-1)-ый разряд выходного регистра 21. При этом четвертый коммутатор 18 и блок 19 вычитания операций не выполняют и сохраняют свое состояние. Если окажется, что S₁ > U₂/2², то на выходе стробируемого компаратора 17 появится импульс, имеющий уровень логической единицы. В соответствии с этим распределитель 20 импульсов со своего (N-1)-го выхода запишет единичный бит информации в ( N-1)-ый разряд выходного регистра 1. Под воздействием импульса с выхода стробируемого компаратора 17 блок 19 вычитания сформирует следующую разность: S₂ S₁ U₂/2². Полученная разность через второй вход четвертого коммутатора 18 поступает на прямой вход стробируемого компаратора 17 и на вход уменьшаемого блока 19 вычитания.

Далее генератор 22 импульсов опроса выдает третий импульс опроса, и начинается новый такт работы системы.

Вышеописанный процесс продолжается N тактов. Под воздействием последнего N-го импульса опроса будет сформирован и записан соответствующий бит информации (нулевой или единичный) в последний 1-ый разряд выходного регистра 21, соответствующий младшему разряду результата измерения. В итоге в выходном регистре 21 будет иметь результат измерения, представленный в цифровом коде. Математически результат измерения, связывающий два значения интенсивностей U₁ и U₂, можно записать в следующем виде: где U₁ и U₂ соответственно меньшая и большая измеряемые физические величины; а₁, а₂, а_N записанные в выходной регистр биты информации, соответствующие нулю или единице в зависимости от результата сравнения, полученного с помощью стробируемого компаратора 17.

Качественную информацию несет выходной сигнал компаратора 13. Информация с выхода компаратора 13 и цифровой результат измерения, записанный в выходной регистр 21, дают полное представление о соотношении значений величин U₁ и U₂.

Формула изобретения

Способ автономных измерений физических величин, заключающийся в том, что воспринимают физические величины с помощью первичных измерительных преобразователей, преобразуют их в удобную для сравнения форму, запоминают последовательно во времени или одновременно значения преобразованных физических величин и осуществляют их сравнение, отличающийся тем, что дополнительно выполняют деление большей величины на основание выбранной системы счисления, возведенное в соответствующую разряду положительную целую степень, сравнивают меньшую физическую величину с большей из полученных делением величин, при превышении первой вычитают из нее последнюю и записывают единичный бит информации в соответствующую ячейку памяти, а полученную после вычитания величину сравнивают со следующей по размеру из полученных делением величин, в противном случае в названную ячейку памяти записывают нулевой бит информации, а меньшую измеряемую физическую величину сравнивают со следующей по размеру из полученных делением величин, по результатам любого из последних сравнений записывают единичный или нулевой бит информации в следующую ячейку памяти, процесс вычитания и сравнения соответствующих величин с записью результирующей информации в соответствующую i-му разряду ячейку памяти продолжают N раз, количество которых определяют количеством ячеек памяти, а по рeзультатам записанных раздельно бит информации судят о соотношении измеренных физических величин на основании выражения: где U₁ и U₂ соответственно меньшая и большая измеряемые физические величины; q основание выбранной системы счисления; a₁,a₂,a_i,a_N записанные раздельно бит информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1