Измеритель разности значений физических величин

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЩРсвРлЧ РОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ БАР.А,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Морской гидрофизический институт(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ЗНАЧЕНИЙФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН(57) Изобретение относится к областиизмерительной техники и может бытьиспользовано в измерителях разностизначений или градиента электропроводности, температуры и др. физическихвеличин, когда применяются дВачувствительных элемента, входящие. в сос1330 тав первичных преобразователей с час-.1 отными выходами, Изобретение позволяет упростить устройство, исключивпри этом потери информации. Устройство содержит преобразователи 1 и 2,элементы И 3, 4, 13 и 16, счетчики 5и 6, коммутирующие элементы 7 и 8,элементы 9 и 10 совпадения, триггеры 11 и 12, переключатель 14, генератор 15 опорной частоты, блок 17управления с входами и выходами 2134, счетчик 18 разности, триггер 19знака, цифровой индикатор 20 с опера 585тивным запоминающим устройством.Предлагаемый измеритель может бытьиспользован при исследовании физических процессо , пульсаций и фоновыххарактеристик пзи быстром перемещении измерительнэго контейнера в пространстве, например в морской водепри.получении "разрезапо вертикалиразностей электропроводности, температуры и др. Изобретение позволяеттакже увеличить быстродействие устройства и расширить области его применения. 1 з.п. ф-лы. 1 табл. 3 ил, Изобретение относится к измерительной технике и.предназначено дляиспользования в измерителях разностизначений (или градиента) физических5величин (электропроводности, температуры и т.д.), когда применяются двачувствительных элемента, входящие всостав первичных преобразователейс частотными выходами. 10Цель изобретения - упрощение иисключение потери информации.На фиг. 1 и 2 приведены структурнЫе схемы соответственно устройстваи 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 7и 8, элементы 9 и 10 совпадения,20триггеры 11 и 12, элемент И 13, переключатель 14, генератор 15 опорнойчастоты (ГОЧ), элемент И 16, блок 17управления, счетчик 18 разности,триггер 19 знака и цифровой индика-. 25тор 20 с оперативным запоминающимустройством.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 коммутирующийэлемент 8 к входам элемента 10 совпадения, а выходы счетчика 5 - черезкоммутирующий элемент 7 к входамэлемента 9 совпадения. Выход переключателя 14, первый вход которого соединен с выходом преобразователя 1,а второй вход - с выходом ГОЧ 15 ипервым входом элемента И 16, подключен через элемент И 13 к С-входутриггера 11.Инверсные выходы триггеров 11.и 12 подключены к своим Р-входам,а инверсный выход триггера 11 объединен с С-входом триггера 12,Выходы счетчика 18 разности, счетный вход которого соединен с выходомэлемента И 16, подключены к входамцифрового индикатора 20 с оперативным запоминающим устройством, знаковый выход которого соединен с выходомтриггера 19 знака. Выход 21 блока 17 управления соединен с К-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 К и Б-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 и3 13305 схему 45 неравнозначности из элементов И-НЕ 46-49.При разных вариантах исполнения устройства в нем может быть исполь 5 зован специальный программатор длительности цикла измерений (не показан), Он может выполнять функцию распределителя тактовых импульсов, например, между несколькими каналами измерений, расположенными в одном измерительном приборе (контейнере), или может быть предназначен только для измерителя разности значений с выбранной длительностью цикла. 15Измеритель разности значений физических величин в случае, например, измерения электропроводности, определяемой в процессе зондирования в морской среде с помощью двух первич 20 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 шения и степени изменчивости контролируемого параметра, погружаются с определенной скоростью в морскую среду, электропроводность которой изменяется произвольно по глубине, На выходе датчиков электропроводностиЭизменяются амплитуды модулированных сигналов, которые затем детектируются прецизионными детекторами и в дальнейшем преобразуются в импульсы, часто та следования которых является информационным параметром электропровод- ности морской среды Х и Х (или, например, температуры). Частота импульсов с преобразователей 1 и 2 че 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 С - й (фиг. Зг, выход триггера 40) ис -е (фиг. Зд, выход триггера 41), длительность которых зависит от электропроводности морской среды Х, и Х соответственно. Схема 45 неравнознач-854ности выделяет разность между обоими интервалами времени-е (фиг. Зе),К моменту времени Т 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 , ). С поступлением очередного импульса на тактирующий вход 0- триггера 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 вединичные состояния (фиг. 3, г,д, момент). 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 счетчи" ков 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, подключенным13305своими входами к инверсным входамтриггеров 40 и 41, запрещается работа триггеров 11 и 12 и работа элементов И 37 - 39 при единичном состоянии хотя бы одного из двух триггеров40 и 41.Непрерывный счет импульсов с выходов преобразователей 1 и 2 счетчиками 5 и 6 продолжается до появленияположительного импульса на выходе эле-Юментов 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, З,д, момент гд). В результатевоздействия выходного нулевого сигнала с прямого выхода через входы 25и 29 на управляющий вход элементаИ 4 и на вход установки в нуль счетчика 6 прекращается счет импульсовс выхода. преобразователя 2, счетчик 6обнуляется, а на выходе 32 схемы 45неравнозначности устанавливается положительный потенциал (фиг. З,е, мо-,25мент Т), поступающий на второй управляющий вход элемента И 16, разрешая поступление импульсов с выходаГОЧ 15 через первый вход элементаИ 16 на счетный вхоц счетчика 18 раз- ЗОности (фиг. 3;ж, момент С), Приэтом в соответствии с циклом вьщеления интервала времени счета и знакаи состоянием уровней на выходах элементов (см. таблицу, позиция 3,35.строка 3) блока 17 управления на выходе элемента И 43 появляется положительный потенциал, который поступает на Я-вход триггера 19 знака, устанавливая его в единичное состояние, 40что соответствует знаку минус (-)В противном случае (позиция 5) положительный потенциал появляется на выходе элемента И 44, который поступает на Н-вход триггера 19 знака, устанавливая 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 положительный потенциал, обеспечивающийусловия прохождения счетных импульсовс ГОЧ 15 через элемент И 16 на счет-чик 18 разности (фиг. Зе,ж, момент).55С появлением положительного импульса на выходе элемента 9 совпадения, подключенного к входу 26, триггер 40 устанавливается в нуль 85 6(фиг,З,г, момент ), 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- ), соответствующего на одном преобразователе максимальному значению, а на другом - минимальному. Интервал времени- 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 поступает 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 Г., соответствующий максимальной длительности цикла, который рассчитывается с некоторым запасом по максимальному и минимальному 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 375 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 7 13 возникает положительный импульс (фиг, З,а,з показано пунктиром, моментыили), 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. З,б,ж, момент 1 )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.З,г,д, момент с:), и цикл повторяется.:В том случае, когда длительность цикла измерений определяется специальным программатором (фиг. З,и, момент 1 -й ), который может быть встроен 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 й -й и с -й, ), а по первому входу элемента И 13 поступают импульсы на тактирующий вход триггера 11 с преобразователя 1 или с ГОЧ 15.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 с 8) на второй вход элемента И 13, снимающего запрет на прохождение импульсов с преобразова 305858 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 1), второго (фигЗ,б, момент 11 О ) и третьего (фиг, З,в, момент) 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 КБ-триггеров блока 17 управленияна вторых входах элементов И 3 и 4(которые можно не вводить), начинается одновременно, независимо, а приотносительно низкочастотных преобразователях, получивших наибольшее1применение, - быстрее, чем в известном устройстве, что обеспечиваетотносительное быстродействие циклаизмерений.Таким образом, в соответствии с циклами измерений и анализом состояний уровней элементов блока 17 управления (см. таблицу) и произведенного упрощения устройства счетчик 18разности значений начинает производить счет при обнуленных весовых разрядах без переполнения счетчика вовремя измерений и с исключением функции переноса, а знак разности четко определяется элементами блока 17 управления и триггером 19 знака, приэтом отпадает необходимость преобразовывать результат счета разностив обратный код, а при использованиинизкочастотных 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 областьего применения.1330585 Частота следования импульсов Г1 ге на выходе преобразователей 1 и 2, например, в зависимости от электропроводности морской воды Ж, описывается соотношениемЕ; Ю+Б (м; - ге,)(1) где Е - частота 1-го первичного1 Опреобразователя электропроводности при электропроводности ЖБ - крутизна частотной характе 1ристики от изменения электропроводности -го первичного преобразователя;дно - электропроводность калибровки;1=1,2 - номер первичного преобразователя электропроводности.Обозначая длительность интервала20 времени й -С через Т и длительность интервала времени С -Т через Т ,.можно записать:К 1 , Ка2( )1% гх 25 где К, и К - коэффициенты делениясчетчиков 5 и 6 соот(8) Разность длительностей Т и Т40 выделяемая схемой 45 неравнозначности, равна: К 1 Кг 1Р=Тх1 ге гм оп"мин 451 яжх1К щгеее щ е (4)После разложения в степенной ряди пренебрежения квадратичными и болеевысокими членами, допустимость чегоподтверждается неравенствомЮ. 8. (ж -ж.),уравнение (4) преобразуется к виду:1 й, ГгТ= -----(м - .,+ --о 11 Мин 1 г(5) При использовании изобретенияисключаются потери результата отсчетов и увеличивается быстродействие 55 измерений. Кроме того, изобретениеобеспечивает упрощение измерителя, независимый и одновременный счет счетчиками и расширение области применения. ветственно.Значейие коэффициента К; определяется по формуле2К. е.1 Е;,(3)8,гемнн о 11где йЖ- разрешающая способностьизмерителя разности зна чений электропроводности;- частота ГОЧ 15.оо Значения К, и Кг реализуются припомощи коммутирующих элементови 8,Содержимое счетчика 18 разностиМ=ьТ Г. (6)Максимальная емкость счетчика 18 разности выбирается на основе соотношения;мокс (мю е.)маркс111 сЧ ЬаЕмнн1 где (Ж -Ж,) - максимальное значениеизмеряемой разности электронроводности.Длительность цикла измерения разности значений электропроводности предлагаемого устройства можно оценить выражением 1, Г;Т =Т +ТЧ ч х 1 максв 81 емнн о 11 При подключении триггеров 11 и 12 в динамическом режиме к ГОЧ 15 быстродействие устройства при использовании низкочастотных первичных преобразователей увеличится на величину1 1ОТ=3( -- ), (9)1 Х О Таким образом, измеритель разностизначений физических величин можетбыть применен .при исследовании физи-.ческих процессов, пульсаций и фонбвыххарактеристик, при быстром перемещении измерительного контейнера, в пространстве, например при погруженииизмерительного контейнера в морскуюсреду для получения "разреза" по вертикали разностей электропроводности,температуры, светопроницаемости, звукопроводимости двух сред и т.п., атакже в метеорологии и при исследовании других физических процессов, где.необходимо определять разности значений параметров, например, пространственного распределения или измененияфизического процесса. Устройство применимо в лабораторной практике приопределении скорости изменения контролируемого параметра, например теп- .лопроводности, электропроводностии т,п, 1330585 12Формула изобретения 1. Измеритель разности значений физических величин, содержащий два5 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 го индикатора с оперативным запоминающим устройством, причем третий выход блока управления соединен с вторым входом второго элемента И, четвертый и пятый выходы - соответствен но с Б-входами триггера знака, а тактирующий вход цифрового индикатора - с оперативным запоминающим устройством; к знаковому входу которого подключен выход триггера знака, о т л и- З 0 .ч а ю щ и й с я 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 К-входом триггера знака, седьмой и восьмой выходы - соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элемен 1тов .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 сбро 45 са счетчика разности, десятый выход - с К-входами первого и второго триггеров, к выходам которых подключены соответственно третий и четвертый входы блока управления, при этом .выход первого преобразователя через по 50 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 В-входом и С-входом второго триггера, инверсный выход которого подключен к своему же О-входу.2, Измеритель по и. Ъ, о т л ич а ю щ и й с я тем, что блок управления содержит два элемента НЕ, два КЯ-триггера, шесть элементов И и четыре элемента И-НЕ, причем первый и второй входы .блока управления соединены с К-входами соответственно первого и второго К 8-триггеров, Я-входы которых подключены к выходу третьего элемента И, третий вход соединен с первыми входами первого и третьего элементов И, а через первый элемент НЕ - с первым входом второго элемента И, четвертый вход - с вторыми вхо- . дами второго и третьего элементов И, а через второй элемент НЕ - с вторым входом первого элемента И, первый и седьмой выходы блока управления объединены с выходом первого КЯ-триггера и первыми входами первого и третьего элементов И-НЕ и .пятого элемента И, второй и восьмой выходы блока управления .объединены с выходом второго КЯ-триггера и вторыми входами первого, второго элементов И-НЕ и шестого элемента 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 КБ-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.Номера элементов схемы управления11 1 1 Примечание В последовательности цикла 40 41 42 43 44 46 47 48 49/45/ О 0 1 0 0 1 1Начальное положение 1 1 0 0 0 0 1 1 0 Равнозначность Счет, знак (-) 1 0 0 -1 0 1 1 0 1 О О 1 0 0 1 1 1 0 Конечное положение О 1 О 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