Способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации

 

Способ и устройство могут быть использованы для измерения параметров движения объекта. Технический результат заключается в повышении точности измерения скорости объекта. Способ и устройство основаны на измерении сигналов U1, U2 двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, и определении координатной функции для расчета скорости. Устройство также содержит два управляемых ключа, сумматор, вычитающее устройство, пороговый элемент, делительное устройство, устройство дифференцирования, два блока нелинейности и устройства умножения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров прямолинейного движения, в частности скорости объектов, а также определения закона изменения скорости объектов по траектории движения, с использованием распределенного регистрирующего контура в виде разнесенных вдоль траектории движения объекта датчиков положения, например индукционных датчиков с интегратором на выходе при контроле параметров движения проводников с током.

Известен способ измерения скорости движения объекта (авт. свид. СССР N 1744652, МПК G 01 P 3/64, БИ N 24, 1992 г.), заключающийся в измерении интервала времени t_j прохождения объектом заданного базового расстояния S_j и определении средней скорости на соответствующем j-м интервале траектории по отношению причем используют информацию о выходных сигналах пар идентичных датчиков положения с колоколообразной формой передаточной характеристики, расположенных вдоль траектории движения объекта, а перед измерением задают на траектории координаты X_i регистрации объекта, в которых необходимо определять значения скорости, таким образом, что S_j = (X_i - X_i-1), i = 1, 2, ... , N; j = 1, 2, ... , N-1. В процессе измерения скорости измеряют текущие знамения выходных сигналов датчиков соответствующей пары и непрерывно вычисляют координатную функцию R(X) как отношение дифференциального U и суммарного U сигналов датчиков, причем в моменты прохождения объектом заданных координат X_i определяют результирующий сигнал E_i, прибавляя к текущему значению сформированной координатной функции R_i, измеренному в координате X_i, рассчитанное заранее по формуле соответствующее значение напряжения сдвига i, что обеспечивает сдвиг в каждой из заданных координат X_i параллельно самой себе характеристики R(X) изменения сформированной координатной функции так, чтобы в каждой из заданных координат X_i значение результирующего сигнала E_i = R_i + i оказалось равным нулю, причем моменты прохождения объектом координат X_i определяют по равенству нулю результирующего сигнала.

Описанный способ является сложным в реализации и не обеспечивает измерение мгновенной скорости в каждый момент времени, позволяя измерять только среднюю на интервале пути скорость.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения скорости движения (авт. свид СССР N 1818588, МПК G 01 P 3/64, БИ N 20, 1993 г.), заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции F по формуле причем предварительно, до начала измерения, принимают значение масштабирующего коэффициента S_e численно равным перемещению объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в e раз, а скорость в процессе измерений определяют по формуле: Способ-прототип основан на аппроксимации выходного сигнала датчика положения простой экспоненциальной функцией U = e^x. При этом возникает большая методическая погрешность из-за грубой аппроксимации выходного сигнала датчика положения и, как следствие, способ-прототип обеспечивает низкую точность измерения скорости.

Известно устройство, реализующее способ измерения скорости движения объекта (авт. свид. СССР N 1744652, МПК G 01 P 3/64, БИ N 24, 1992 г.), содержащее два датчика положения объекта, блок определения разности двух сигналов (субтрактор), блок деления, двухвходовой сумматор, двухвходовой логический элемент ИЛИ, нуль-орган, измеритель временных интервалов, блок дифференцирования, управляемый источник опорного напряжения (УИОН), запоминающее устройство, вычислитель и двухвходовой сумматор. Выходы датчиков подключены к субтрактору, с выходом которого соединен вход "Делимое" блока деления, а вход "Делитель" последнего соединен с выходом сумматора к входам которого подключены выходы датчиков. Выход блока деления подключен к первому входу сумматора, выход которого через первый вход элемента ИЛИ соединен с входом нуль-органа, а второй вход сумматора подключен к выходу УИОН. Выход нуль-органа подключен к входу измерителя временных интервалов и входу "Строб 1" запоминающего устройства. Второй вход элемента ИЛИ соединен с выходом блока дифференцирования, вход которого подключен к выходу первого датчика. Вход УИОН соединен с первым выходом запоминающего устройства. Вход "Строб 2" запоминающего устройства подключен к выходу измерителя временных интервалов. Кроме того, второй вход запоминающего устройства подключен к первому информационному входу вычислителя, выход которого является выходом устройства для измерения скорости. К второму информационному входу вычислителя подключен выход измерителя временных интервалов.

Описанное устройство не обеспечивает измерение мгновенной скорости в каждый момент времени, позволяя измерять только среднюю на интервале пути скорость.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, реализующее способ измерения скорости (авт. свид СССР N 1818588, МПК G 01 P 3/64, БИ N 20, 1993 г. ), содержащее два идентичных датчика положения с колоколообразной передаточной характеристикой, два управляемых ключа, сумматор, вычитающее устройство, пороговый элемент, делительное устройство, устройство дифференцирования, блок нелинейности с передаточной функцией и устройство умножения, причем каждый датчик подключен через соответствующий управляемый ключ к входам сумматора и вычитающего устройства. Управляющие входы управляемых ключей подключены к выходу порогового элемента, вход которого подключен к выходу первого по ходу движения датчика. Выходы сумматора и вычитающего устройства подключены, соответственно, к первому и второму входам устройства деления, выход которого соединен с входами устройства дифференцирования и первого блока нелинейности. Выходы устройства дифференцирования и первого блока нелинейности подключены соответственно к первому и второму входам устройства умножения, выход которого является выходом всего устройства для измерения скорости, а третий вход устройства умножения подключен к входу устройства для измерения скорости, предназначенному для подачи сигнала, пропорционального величине масштабирующего коэффициента S_e.

Основным недостатком данного устройства является низкая точность измерения скорости, связанная с большой погрешностью аппроксимации выходных сигналов датчиков экспоненциальными функциями.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости движения объекта.

Намеченная цель достигается тем, что в способе измерения скорости объекта, заключающемся в непрерывном измерении сигналов U1, U2 двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции F по формуле c предварительным, до начала измерения заданием значения масштабирующего коэффициента S_e, указанный коэффициент выбирают численно равным перемещению объекта, соответствующему изменению амплитуды выходного сигнала датчика положения в 1/e раз а скорость в процессе измерений определяют как: где l - расстояние между датчиками.

Заявляемое техническое решение отличается от способа-прототипа тем, что масштабирующий коэффициент S_e выбирают численно равным величине перемещения объекта, соответствующего изменению амплитуды выходного сигнала датчика положения в 1/e раз, а скорость определяют как: где l - расстояние между датчиками.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Предлагаемый способ измерения скорости и устройство для его реализации представлены на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 показаны графики выходных сигналов U1 и U2 датчиков Д1 и Д2 в функции координаты X объекта в процессе его движения, и график координатной функции F(X).

На фиг. 2 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Как показали исследования, пересекающиеся ветви передаточных характеристик датчиков положения объекта, реагирующих на поле, создаваемое им, могут быть с высокой степенью точности описаны обратно экспоненциальными функциями. Таким образом, выходные сигналы U1 и U2 пары датчиков (см. фиг. 1), установленных вдоль траектории движения объекта при его нахождении между ними, могут быть описаны выражениями: U1 = U0e^1/x и U2 = U0e^1/(d-X), где U0 - постоянный масштабирующий коэффициент, зависящий от конфигурации датчиков, конструктивных параметров объекта, величины протекающего в нем тока, если объектом является проводник с током, и т.п.; относительная координата положения объекта; S(t) - текущее значение расстояния объекта от начала координат, соответствующего положению датчика Д1; S_e - масштабирующий коэффициент, численно равный интервалу траектории, на границах которого сигнал датчика изменяется в 1/e/ раз.

В соответствии с этим координатная функция будет равна: или с использованием гиперболических функций согласно (Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике дня научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973 г., стр. 725-726):
Разрешая уравнение (2) относительно координаты X 0 получаем:

Скорость движения объекта может быть определена как производная расстояния по времени:

или, принимая во внимание, что получаем:

Продифференцировав по времени t относительную координату X из выражения (3) и подставив результат в (5), после упрощения окончательно получим:

или, учитывая что

Точность способа измерения скорости определяется методической погрешностью аппроксимации выходных сигналов датчиков функциями вида e^1/X. Математическое моделирование на ЭВМ показало, что при прочих равных условиях точность такой аппроксимации в 1,5-2,0 раза выше, чем при аппроксимации экспоненциальными функциями вида e^X, которая использовалась в способе-прототипе.

Таким образом, непрерывно измеряя сигналы пары датчиков положения объекта, находящегося между ними и выполняя обработку сигналов датчиков в соответствии с формулой (7), получаем мгновенные значения скорости как непрерывную функцию, с высокой точностью соответствующую закону изменения скорости движения объекта.

Устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости (см. фиг. 2), содержат датчики положения (Д) 1 и 2, подключенные через управляемые ключи (К) 3 и 4 к входам суммирующего (СУ) 5 и вычитающего (ВУ) 6 устройств. Управляющие входы ключей 3, 4 подключены к выходу порогового элемента (ПЭ) 7, вход которого подключен к выходу первого по ходу движения датчика, а выходы СУ 5 и ВУ 6 подключены соответственно к первому и второму входам ДУ 8, выход которого соединен с входами устройства дифференцирования (Диф) 9 и первого блока нелинейности (БН1) 10. Выходы Диф 9 и БН1 10 соединены соответственно с первым и вторым входами устройства умножения (УУ) 11, выход которого является выходом всего устройства для измерения скорости, а третий вход УУ 11 является входом всего устройства для измерения скорости, предназначенным для подачи сигнала, пропорционального величине S_e. Устройство содержит также второй блок нелинейности (БН2) 12, первый вход которого подключен к выходу делительного устройства, второй вход является входом всего устройства для измерения скорости, предназначенным для подачи сигнала, пропорционального величине расстояния между датчиками, а выход подключен к четвертому входу устройства умножения.

Устройство функционирует следующим образом.

При подходе объекта к первому по ходу движения датчику 1 устройство запускается для измерения скорости объекта путем воздействия на управляемые ключи 3, 4 сигнала с выхода сработавшего ПЭ 7, который срабатывает при нарастании сигнала датчика 1 до максимума. В результате этого управляемые ключи 3, 4 включаются и выходы датчиков 1 и 2 подключаются к схеме измерения. В СУ 5 вырабатывается суммарный сигнал (U1 + U2) от датчиков 1 и 2, а в ВУ 6 - их разностный сигнал (U1-U2). На выходе ДУ 8 появится сигнал отношения разностного и суммарного сигналов, представляющий собой координатную функцию
Блок Диф 9 осуществляет дифференцирование по времени координатной функции и непрерывно выдает сигнал, пропорциональный Кроме того, сигнал F поступает на БН1 10, в котором формируется сигнал, пропорциональный величине Этот сигнал поступает на второй вход УУ 11. На первый вход УУ 11 с выхода Диф 9 поступает сигнал, пропорциональный а на четвертый - сигнал с выхода БН2 12, пропорциональный где
Сигналы, пропорциональные значениям величин S_e и d в зависимости от конкретной схемной реализации, могут вводиться в устройство (соответственно на третий вход УУ 11 и на второй вход БН2 12) извне или жестко задаваться в УУ 11 и БН2 12 соответственно. Таким образом, на выходе УУ 11, совмещенном с выходом устройства для измерения скорости, формируется сигнал пропорциональный текущему значению скорости движения объекта.

Использование заявляемых технических решений (способа и устройства для его реализации) позволит в 1,5-2 раза повысить точность измерения скорости объекта по сравнению с прототипом.

Наиболее целесообразно применение заявляемых технических решений при измерении скорости движения проводников с током.

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости объекта, основанный на непрерывном измерении сигналов U1(X), U2(X) двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, разнесенных друг от друга на расстояние l вдоль траектории движения, определении координатной функции F по формуле

где относительная координата положения объекта;
S(t) - текущее значение расстояния объекта от начала координат, соответствующего положению первого по ходу движения датчика;
S_e - масштабирующий коэффициент,
причем предварительно, до начала измерения выбирают значение масштабирующего коэффициента S_e для последующего расчета скорости в зависимости от координатной функции, отличающийся тем, что масштабирующий коэффициент S_e выбирают численно равным величине перемещения объекта, соответствующего изменению амплитуды выходного сигнала датчика положения вl/e раз, а скорость v определяют как

где l - расстояние между датчиками.

2. Устройство для измерения скорости объекта, содержащее два идентичных датчика положения с колоколообразной передаточной характеристикой, два управляемых ключа, сумматор, вычитающее устройство, пороговый элемент, делительное устройство, устройство дифференцирования, блок нелинейности с передаточной функцией и устройство умножения, причем каждый датчик подключен через соответствующий управляемый ключ к входам сумматора и вычитающего устройства, управляющие входы управляемых ключей подключены к выходу порогового элемента, вход которого подключен к выходу первого по ходу движения датчика, выходы сумматора и вычитающего устройства подключены соответственно к первому и второму входам устройства деления, выход которого соединен со входами устройства дифференцирования и первого блока нелинейности; выходы устройства дифференцирования и первого блока нелинейности подключены, соответственно к первому и второму входам устройства умножения, выход которого соединен с выходом всего устройства для измерения скорости, а третий вход устройства умножения является входом всего устройства для измерения скорости, предназначенным для подачи сигнала, пропорционального величине масштабирующего коэффициента S_e, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено вторым блоком нелинейности с передаточной функцией

первый вход которого подключен к выходу устройства деления, второй вход является входом всего устройства для измерения скорости, предназначенным для подачи сигнала, пропорционального величине расстояния l между датчиками, а выход подключен к четвертому входу устройства умножения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2