СПОСОБ АВТОНОМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 1995 года по МПК G01D21/00 

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, 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 резервуарах, 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 [1] Недостатком данного способа является низкая точность измерения из-за невысокой разрешающей способности, определяемой целыми значениями измеряемой физической величины, принимаемой за меру.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ автономных измерений, отличающийся от вышеизложенного способа тем, что с целью повышения точности измерений, 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, т.к. процесс измерения представляет собой процесс последовательного приближения с постоянным шагом, величина которого определяется требуемой точностью результата измерения. При этом, чем выше требуется точность, тем меньше должен быть шаг последовательного приближения, и следовательно, тем ниже будет быстродействие.

Целью изобретения является повышение быстродействия измерения физических величин.

Достигается это тем, что в известном способе, заключающемся 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, 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 вторую суммируют со следующей по размеру из полученных делением величин и записывают единичный бит памяти, а меньшую физическую величину заново сравнивают с полученной суммированием величиной, в противном случае в названную ячейку памяти записывают нулевой бит информации, а меньшую измеряемую величину сравнивают с разностью двух упомянутых соседних по размеру полученных делением величин, по результатам любого из последующих сравнений записывают единичный или нулевой бит информации в следующую ячейку памяти, процесс суммирования, 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 результатам записанных раздельно бит информации судят о соотношении измеряемых физических величин на основании выражения
U₁= Ua₁ + a₂ +.+ a_i +.+ a_N где U₁ и U₂ соответственно меньшая и большая измеряемые физические величины;
q основание выбранной системы счисления;
а₁, а₂,а_i,a_N записанные раздельно биты информации.

На чертеже представлена структурная схема автономной измерительной системы, осуществляющей предлагаемый способ автономных измерений.

Автономная измерительная система интенсивностей излучений 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, первый инвертор 14, делитель 15, третий коммутатор 16, второй инвертор 17, четвертый коммутатор 18, сумматор 19, стробируемый компаратор 20, распределитель 21 импульсов, выходной регистр 22 и генератор 23 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 первый инвертор 14. Выход второго коммутатора 12 соединен с входом делителя 15, N выходов которого соединены соответственно с N входами третьего коммутатора 16, выход которого соединен с первым входом четвертого коммутатора 18 непосредственно, а со вторым входом через второй инвертор 17. Выход четвертого коммутатора 18 соединен с первым входом сумматора 19, выход которого замкнут на собственный второй вход и соединен с инверсным входом стробируемого компаратора 20, прямой вход которого подключен к выходу первого коммутатора 11, а выход соединен с управляющим входом четвертого коммутатора 18 и с входом распределителя 21 импульсов, N выходов которого соединены соответственно с N входами выходного регистра 22, N выходов которого являются информационными выходами. Выход генератора 23 импульсов опроса соединен с управляющими входами третьего коммутатора 16, сумматора 19, стробируемого компаратора 20, распределителя 21 импульсов и выходного регистра 22.

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 преобразователя 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 компаратора 13. Компаратор 13 осуществляет операцию сравнения значений интенсивности U₁ и интенсивности U₂. 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 второго коммутатора 12 он поступает через инвертор 14, а на управляющий вход первого коммутатора 11 непосредственно. Если U₁ < U₂, то на выход первого коммутатора 11 с его первого входа передается значение U₁, 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, то на выход первого коммутатора 11 с его второго входа передается значение U₁, а на выход второго коммутатора 12 с его первого входа значение U₂. Таким образом, на выход первого коммутатора 11 всегда передается меньшее из двух значений U₁ и U₂, записанных соответственно в первом и во 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 прямой вход стробируемого компаратора 20, 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 измерения, возведенное в заданную положительную целую степень. В случае двоичной системы счисления на N выходах делителя 15 будут присутствовать соответственно N значений
U₂/2¹, U₂/2², U₃/3³,U₂/2^N Число выходов N делителя 15 соответствует числу разрядов представления результатов измерения. При этом точность представления результата измерения будет определяться младшим разрядом, вес которого равен U₂/2^N. Таким образом, чем больше N, тем выше точность измерения и, следовательно, лучше разрешающая способность данного способа измерения.

N выходов делителя 15 соединены соответственно с N входами третьего коммутатора 16, выход которого соединен с первым входом четвертого коммутатора 18 непосредственно, а со вторым его входом через второй инвертор 17. Работой четвертого коммутатора 18 управляет сигнал с выхода стробируемого компаратора 20, который осуществляет операцию сравнения значений сигналов, поступающих на его прямой и инверсный входы соответственно с выходов первого коммутатора 11 и сумматора 19. Если значение, поступающее на прямой вход стробируемого компаратора 20, превышает значение, поступающее на его инверсный вход, то четвертый коммутатор 18 передает на свой выход значение с первого своего входа, в противном случае со второго своего входа.

Перед началом работы в исходном состоянии содержимое сумматора 19 равно нулю, т.е. S_o 0, именно оно первоначально поступает на инверсный вход стробируемого компаратора 20, на прямой вход которого в данном случае поступает значение U₁. Так как в исходном состоянии U₁ > S_o, то четвертый коммутатор 18, управляемый сигналом с выхода компаратора 20, передает на выход значение со своего первого входа.

Генератор 23 импульсов опроса выдает последовательно N импульсов, которые управляют работой третьего коммутатора 16; сумматора 19, стробируемого компаратора 20, распределителя импульсов 21 и выходного регистра 22.

Под воздействием первого импульса опроса третий коммутатор 16 передает на выход значение U₂/2¹ с первого своего входа. Так как в исходном состоянии четвертый коммутатор 18 подключает к выходу свой первый вход, то значение U₂/2¹ непосредственно поступает на первый вход коммутатора 19 и суммируется с его содержимым S_o, т.е.

S₁ S_o + U₂/2¹. Так как S_o 0, то сигнал на выходе сумматора равен
S₁ U₂/2¹.

Новое содержимое S₁ сумматора 19 поступает на инверсный вход стробируемого компаратора 20 и под воздействием того же первого импульса опроса сравнивается со значением U₁, поступающим на прямой вход. Если U₁ < S₁, то распределитель 21 импульсов со своего N-го выхода записывает единичный бит информации в старший N-ый разряд выходного регистра 22. Если U₁ < S₁, то распределитель 21 импульсов со своего N-го выхода записывает нулевой бит информации в N-й разряд выходного регистра 22. Работа распределителя 21 импульсов опроса и выходного регистра 22 осуществляется под управлением импульса опроса.

Далее под воздействием второго импульса опроса третий коммутатор 16 передает на выход значение U₂/2² со второго своего входа. Если в предыдущем такте работы выполнялось условие U₁ > S₁, то значение U₂/2² непосредственно с первого входа четвертого коммутатора 18, управляемого компаратором 20, поступает на первый вход сумматора 19 и суммируется с его содержимым S₁:
S₂ S₁ + U₂/2² U₂/2¹ + U₂/2². Если же в предыдущем такте работы выполнялось условие U₁ < S₁, то значение U₂/2² проинвертированное вторым инвертором 17 со второго входа четвертого коммутатора 18, управляемого компаратором 20, поступает на первый вход сумматора 19 и суммируется с его содержимым:
S₂ S₁ + (-U₂/2²) U₂/2¹ U₂/2².

Вновь полученное содержимое S₂ сумматора 19 поступает на инверсный вход стробируемого компаратора 20 и заново сравнивается со значением U₁, поступающим на его прямой вход. Если U₁ > S₂, то распределитель 21 импульсов со своего (N-1)-го выхода записывает единичный бит информации в (N-1)-й разряд выходного регистра 22. Если U₁ < S₂, то распределитель 21 импульсов со своего (N-1)-го выхода записывает нулевой бит информации в (N-1)-й разряд выходного регистра 22. Работа стробируемого компаратора 20, распределителя 21 импульсов и выходного регистра 22 синхронизируется импульсами опроса.

Описанный процесс продолжается N тактов. Под воздействием последнего N-го импульса опроса формируется и записывается соответствующий бит информации в последний 1-ый разряд выходного регистра 22, соответствующий младшему разряду результата измерения.

Таким образом, в выходном регистре 22 записывается результат измерения, представленный в цифровом коде. Математически результат измерения, связывающий два значения интенсивностей U₁ и U₂, записывается в следующем виде
U₁= Ua₁ + a₂ +.+ a_N где U₁ и U₂ соответственно меньшая и большая измеряемые физические величины;
а₁, а₂,а_N записанные в выходной регистр 21 биты информации, соответствующие нулю или единице в зависимости от результата сравнения, полученного с помощью стробируемого компаратора 20.

Качественную информацию о том, какое из двух значений U₁ или U₂ является меньшим или большим по отношению друг к другу, несет выходной сигнал компаратора 13. Информация с выходов компаратора 13 и регистра 22 дает полное представление о соответствии значений величин U₁ и U₂.

Использование: измерительная техника, может быть использовано при построении автономных измерительных систем физических величин для очувствления работотехнических систем, функционирующих автономно на всех этапах от восприятия до обработки использования измерительной информации. Сущность изобретения: 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, 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 вторую суммируют со следующей по размеру из полученных делением величин и записывают единичный бит информации в соответствующую ячейку памяти, а меньшую физическую величину заново сравнивают с полученной суммированием величиной, в противном случае в названную ячейку памяти записывают нулевой бит информации, а меньшую физическую величину сравнивают с разностью двух упомянутых соседних по размеру полученных делением величин, по результатам любого из последних сравнений записывают единичный или нулевой бит информации в следующую ячейку памяти, процесс суммирования, 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 результатам записанных раздельно бит информации судят о соотношении измеряемых физических величин. 1 ил.

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 физической 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 второй суммируют со следующей по размеру из полученных делением величин и записывают единичный бит информации в соответствующую ячейку памяти, а меньшую физическую величину заново сравнивают с полученной суммированием величиной, в противном случае в названную ячейку памяти записывают нулевой бит информации, а меньшую измеряемую физическую величину сравнивают с разностью двух упомянутых соседних по размеру полученных делением величин, по результатам любого из последних сравнений записывают единичный или нулевой бит информации в следующую ячейку памяти, процесс суммирования, 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 результатам записанных раздельно бит информации судят о соотношении измеряемых физических величин на основании выражения


где U₁ и U₂ соответственно меньшая и большая измеряемые физические величины;
q основание выбранной системы счисления;
a₁, a₂, a_N записанные раздельно биты информации.