способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации
Классы МПК: | G01P3/64 приборы, выполняющие измерения путем определения времени, необходимого для прохождения заданного расстояния |
Автор(ы): | Кириевский В.Е., Кириевский Е.В., Щедрин В.Н. |
Патентообладатель(и): | Государственное учреждение Южный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-11-22 публикация патента:
27.08.2001 |
Способ и устройство могут быть использованы для измерения параметров движения, в том числе закона изменения скорости по траектории движения, в частности движущегося проводника с током. Способ и устройство основаны на непрерывном измерении сигналов двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции, зависящей от выходных сигналов датчиков и положения (координаты) объекта, и использовании при вычислении скорости в качестве масштабирующего коэффициента величины перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в e раз. Устройство, кроме двух датчиков, двух управляемых ключей, делительного устройства, порогового элемента, дифференцирующего устройства и устройства управления, снабжено логарифмическим устройством, выход которого подключен к входу дифференцирующего устройства, а вход логарифмирующего устройства подключен к выходу делительного устройства, первый и второй входы которого соединены с выходами соответствующих управляемых ключей. Техническим результатом изобретений является повышение точности измерения за счет применения линеаризованной координатной функции и упрощение технической реализации способа. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Способ измерения скорости объекта, заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1(X), U2(X) двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении в процессе измерения скорости координатной функции F, зависящей от выходных сигналов датчиков и положения (координаты X) объекта, и использовании при вычислении скорости в качестве масштабирующего коэффициента Sс, величины перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала в e раз, отличающийся тем, что координатную функцию определяют по формуле![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-24t.gif)
а скорость V определяют как
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-25t.gif)
2. Устройство для измерения скорости объекта, содержащее два идентичных датчика положения с колоколообразной передаточной характеристикой, два управляемых ключа, пороговый элемент, делительное устройство, дифференцирующее устройство и устройство умножения, причем выходы первого и второго датчиков подключены к информационным входам соответствующих управляемых ключей, управляющие входы которых подключены к выходу порогового элемента, вход которого подключен к выходу первого по ходу движения датчика, выход дифференцирующего устройства подключен к первому входу устройства умножения, второй вход которого является входом всего устройства для измерения скорости, предназначенным для подачи сигнала, пропорционального величине масштабирующего коэффициента, а выход устройства умножения является выходом всего устройства для измерения скорости, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено логарифмирующим устройством, выход которого соединен с входом дифференцирующего устройства, выходы управляемых ключей подключены к соответствующим входам делительного устройства, выход которого соединен с входом логарифмирующего устройства.
Описание изобретения к патенту
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 движения проводников с током. Известен способ измерения скорости движения (авт. свид. СССР N 1744652, МПК G 01 P 31/64, БИ N 24, 1992 г.), заключающийся в измерении интервала времени tj прохождения объектом заданного базового расстояния![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172002/916.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-2t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172002/916.gif)
В процессе измерения скорости измеряют текущие значения выходных сигналов датчиков соответствующей пары и непрерывно вычисляют координатную функцию R(X) как отношение дифференциального U
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172942/8706.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172011/931.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-3t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172002/916.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172002/916.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-4t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-5t.gif)
Этот способ имеет следующие недостатки:
- низкая точность из-за существенной нелинейности координатной функции и возникновения большой погрешности при вычислении скорости;
- сложный вид зависимостей координатной функции от выходных сигналов датчиков F(U1, U2) и скорости от координатной функции v(F), что приводит к трудностям в технической реализации. 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, двухвходовый сумматор, двухвходовый логический элемент ИЛИ, нуль-орган, измеритель временных интервалов, блок дифференцирования, управляемый источник опорного напряжения (УИОН), запоминающее устройство, вычислитель и двухвходовый 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
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-6t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-7t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-8t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-9t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-10t.gif)
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна". Предлагаемый способ измерения скорости и устройство для его реализации представленны фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показаны графики выходных сигналов датчиков Д1 и Д2 в зависимости от координаты объекта U1(X) и U2(X) и график координатной функции
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-11t.gif)
На фиг. 2 приведена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа измерения скорости на участке траектории, ограниченном двумя датчиками положения. Пересекающиеся ветви передаточных характеристик датчиков положения объекта, реагирующих на поле, создаваемое им, могут быть с некоторой степенью точности описаны экспоненциальными функциями. На такой аппроксимации выходных сигналов датчиков положения основаны способ-прототип и заявляемый способ. Таким образом, выходные сигналы пары датчиков (см. фиг. 1), установленных вдоль траектории движения объекта при его нахождении между датчиками, могут быть описаны выражениями: U1 = U0
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172003/8226.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172003/8226.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-12t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-13t.gif)
Разрешая уравнение (1) относительно координаты X
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172073/8805.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-14t.gif)
Скорость движения объекта может быть определена как производная расстояния по времени:
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-15t.gif)
или, принимая во внимание, что
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-16t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-17t.gif)
Продифференцировав относительную координату X из выражения (2) и подставив результат в (4), окончательно получим:
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-18t.gif)
Точность предлагаемого способа, как и способа-прототипа, определяется методической погрешностью аппроксимации выходных сигналов, а также погрешностями вычисления значений F и v. Учитывая существенное упрощение математических выражений зависимостей F(U1, U2) и v(F) по сравнению со способом-прототипом, а также абсолютно линейный вид последней (как видно на графике фиг. 1) в отличие от существенно нелинейной аналогичной зависимости, используемой в способе-прототипе, точность измерения скорости в соответствии с предлагаемым способом будет выше, чем при использовании способа-прототипа. Устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости (см. фиг. 2), содержит датчики положения (Д) 1 и 2, подключенные через управляемые ключи (К) 3 и 4 к входам делительного устройства (ДУ) 5. Управляющие входы ключей 3 и 4 подключены к выходу порогового элемента (ПЭ) 6, вход которого подключен к выходу датчика 1, который является первым по ходу движения объекта. Выход ДУ 5 подключен к входу логарифмирующего устройства (ЛУ) 7, выход которого соединен с входом устройства дифференцирования (Диф) 8. Выход Диф 8 подключен к первому входу устройства умножения (УУ) 9, на которой вход которого подается сигнал, пропорциональный масштабному коэффициенту Se. Выход УУ 9 является выходом всего устройства для измерения скорости. Устройство работает следующим образом. При попадании движущегося объекта в створ траектории между двумя датчиками 1 и 2, а точнее, при подходе объекта к первому по ходу движения датчику 1, устройство запускается для измерения скорости путем воздействия на управляемые ключи 3 и 4 сигнала с выхода сработавшего ПЭ 6 (последний срабатывает при нарастании сигнала датчика 1 до максимума). В результате этого управляемые ключи 3 и 4 включаются и выходы обоих датчиков 1 и 2 подключаются к схеме измерения. На выходе ДУ 5 появляется сигнал отношения напряжений датчиков
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-19t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-20t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-21t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-22t.gif)
![способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации, патент № 2172960](/images/patents/299/2172960/2172960-23t.gif)
- повысить точность измерения за счет применения линеаризованной координатной функции;
- существенно упростить техническую реализацию способа.
Класс G01P3/64 приборы, выполняющие измерения путем определения времени, необходимого для прохождения заданного расстояния