Трехканальная резервированная измерительная система Советский патент 1984 года по МПК G06F11/18 

Изобретение относится к области измерительной техники и средств автоматики и может быть использовано при построении систем измерения и регулирования повышенной надежности. Известна трехканальная резервированная измерительная система, содержащая восстанавливаюш;ч орган , че рез переключательные элементы соединенный с входами системы, схемы орав нения, одни входы которых подключены к выходам измерительных каналов, дру гие - к выходу восстанавливающего эл мента, а выходы схем сравнения соеди нены с управляю цими входами переключательных элементов ГП. о- -1 Недостатком этой системы является пониженная точность и достоверность. Недостаточно высокая точность обусловлена тем, что в этой;системе используется мажоритарный восстанавливающий орган, на выход которого пр отказе одного канала проходит выходной сигнал только одного исправного канала, т.е. погрешность системы при отказе одного канала не менее погреш ности измерительного канала. Недостаточно высокая достоверност обусловлена тем, что эта система обе печивает достоверность вьщаваемой информации с доверительной вероятностью не более 0,5 при поочередном отказе двух измерительных каналов не зависимо от характера их отказа. Кро ме того, эта система выдает недостоверную информацию при одновременггом отказе двух измерительных каналов. Известна также трехканальная резервированная измерительная система, содержащая устройство суммирования и масштабирования, выход которого соединен с первыми входами усилителей разност 1ого сигнала, а входы - с выходами переключательных элементов, управляюшие входы которых подключены к выходам компараторов, а первые информационные входы соединены с выходами измерительных каналов и вторыми входами соответствующих усилителей разностного сигнала,, первый выход каждого усилителя разностного сигнала соединен с первым входом своего компаратора непосредственно, а второй выход с вторым входом своего ком паратора соединен через ключ, управляющий вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, соединенного с выходами компараторов сосэдних канаЛОВ, при этом второй информационный вход переключательного элемента соединен с выходом переключательного элемента следующего канала 2. Недостатком такой системы является недостаточно высокая достоёерность, не более 0,9, и низкая точность выдаваемой информации при отказе двух измерительных каналов. Это обусловлено тем, что система при отказе двух каналов вьщает информацию, формируемую измерительным каналом, имеющим наибольши11 выходной сигнал, независимот от того, исправный это канал или нет, а при неисправности качала независимо первым или вторым он отказал. Особенно существенное отличие выходной информации системы от действительной появляется в этом случае, если неисправность канала с большим выходным сигналом вызвана внезапным отказом, так как внезапные отказы характеризуются большими бросками выходных сигналов отказавших каналов. Целью изобретения является повышение точности и достоверности информации, выдаваемой трехканальной резервированной измерительной системой при отказе двух измерительных каналов . Поставленная цель достигается Тем, что в трехканальную резервированную из.мерительную систему, содержащую устройство суммирования и масштабировать, входы которого соединены с выходами переключающих элементов, управляющие входы которых подключены к выходам первых компараторов каждого канала, первые информационные входы - к выходам измерительных каналов и к первым входам усилителей разностного сигнала, первые выходы которых соединены с первыми входами первых компараторов, а вторые выходь) через первые ключи - с вторыми входами первых компараторов, соед шеннь х выходом с первыми входами элемента ИЛИ соседнего канала, выход элемента ИЛИ каждого канала подютючен к управляющему входу первого ключа данного канала, второй информационный вход каждого переключающего элемента соеди1 ен с выходом перек/ ючающего элемента следующсго канала, устройстба суммирования и масштабирования является выходом системы, введены инерционное звено, а в каждьц канал 3-11вторые компараторы, вторые и третьи ключи, выход устройства суммирования и масштабирования через инерционное звено подключен к вторьи входам усилителей разностного сигнала в каждом канале, второй выход которых соединен с первым входом второго и третьего ключей и с входом второго компаратора, выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа, выход первого компаратора соединен с управляющим входом второго ключа в канале, выходы второго и третьего ключей соединены с вторым входом пер вого компаратора, выходы первых компараторов являются выходами системы. Постоянная времени инерционного звена должна быть равна постоянной времени измерительных каналов. Величина опорного сигнала вторых компараторов должна быть в несколько раз больше величины опорного сигнала первых компараторов. Повышение точности и достоверности информации, выдаваемой предлагаемой системой при отказе двух каналов обеспечивается тем, что с помощью ине ционного звена и вторых компараторов обеспечивается выявление внезапных отказов, характеризуемых большой величиной изменения выходного сигнала и малой постоянной времени нарастания отказа, а с помощью вторых ключе и первых компараторов исключается влияние внезапных отказов на информа ,, вьиаваемую системой..Третьи клю чи, управляющие входы которых соединены с выходами первых компараторов, обеспечивают исключение влияния на выходную информацию системы первого отказа при появлении второго отказа каналов. На чертеже представь ..па схема сие темы. Система содержит измерительные каналы 1-3, переключательные элементы 4-6, усилители 7-9 разностного си нала, вторые компараторы 10-12, юпючи 13-21, устройство 22 суммирования и масштабирования, инерционное звено 23, первые компараторы 24-26 и элементы ИЛ1-1 27-29. В качестве усилителей 7-9 используются дифференциальные усилители, выходные сигналы которых пропорциональны разности входных сигналов, на выходах этих усилителей для разде ления по различным направлениям сигналов различной полярности включены 11 4 два диода. Один диод подключен к выходу усилителя анодом, а другой катодом. Это позволяет при отказах, характеризуемых уменьшением выходного сигнала отказавшего канала, форм5-фовать на втором выходе соответствующего из усилителей 7-9 сигнал, например, отрицательной полярности, при этом величина выходного сигнала этого усилителя больше величины опорного сигнала соответствующего из компараторов 24-26, При этом при отказах, характеризуемых увеличением выходного сигнала отказавшего канала, на первом, выходе соответствующего из усилителей 7-9 формируется сигнал положительной полярности. Устройство суммирования и масштабирования 22 служит в системе для усреднения выходных сигналов каналов (реализует функцию U -i f.vpПри отсутствии отказов система работает следующим образом. Выходные сигналы каналов 1-3 поступают через нормально замкнутые ключи элементов 4-6 на входы устройства 22, с выхода которого сигнал поступает на информационный выход системы 30 и на вход звена 23, с выхода которого сигнал поступает на первые входы усилителей 7-9, на втоРые входы которых поступают сигналы каналов 1-3. Ключи 13, 16 и 19 замкнуты, и на входы компараторов 10-12 и 24-26 поступают сигналы с усилителей 7-9, на первых выходах которых с помощью диодов, анодами подключенных к выходу усилителей, формируются гчгналы положительной полярности, а на вторых с помощью диодов, катодами подключенных к выходу усилителей, формируются сигналы отрицательной полярности. При этом полярность . выходных сигналов усилителей 79 зависит от того, больше или меньше выходной сигнал канала выходного сигнала звена 23, равного усредненному значению выходных сигналов каналов. При сигнале канапа, большем усредненного значения, полярность на выходе соответствующего усилителя положительная и при меньшем значении отрицательная. Так как при отсутствии отказов сигнал на выходе усилителей 7-9 меньше опорных сигналов компарато5110ров 10-12 и 24-26, то на выходах компараторов 24-26 формируются сигналы, поступающие на выходы 31-33, сигнализирующие об отсутствии отказа каналов , на управляющие входы элементов 4-6, замыкающие нормально замкнутые ключи, на управлякщие входы ключей 14, 17, 20, размыкак1дие их, и на входы элементов 27-29, на выходе которых формируются сигналы, замыкающие ключи 13, 16, 19. На входах компараторов 10-12 формируются при этом сигналы, размыкающие ключи 15, 18,21. При появлении отказа, например канала 1, на выходе усилителя 7 формируется сигнал, который, если постоянная времени изменения выходного сигнала больще постоянной времени измерительного канала (постепенный отказ), не изменит состояние компара- 20 тора 10 и, поступив либо непосредственно на первьй вход компаратора 24, либо через замкнутый ключ 13 на второй его вход, изменит его состояние, так как величина выходного сигнала усилителя 7 при этом будет больше опорного сигнала компаратора 24. На выходе компаратора 24 формируется при этом сигнал, сигнализирующий об отказе канала 1, размыкающий нормаль но замкнутый и замыкающий нормально разомкнутый ключи элемента 4, замыкающий ключ 14 и изменяющий состояние элементов 28 и 29, на выходе которых формируются сигналы размыкающие ключи 16 и 19. При этом на выходе 30 выдается достоверная информация у так как на вход устройства 22 не поступает информация с выхода отказавшего канала 1. На входы устро ства 22 в этом случае поступают сигналы канала 2 через нормально разомк нутый ключ элемента 4 и нормапьно замкнутый ключ элемента 5 и канала 3 через нормапьно замкнутый ключ элемента 6, так как выходные сигналы ус лителей 8 и 9 не превышают опорных сигналов компараторов 25 н 26 и компараторы находятся в исходном состоя При появлении второго отказа,, например канала 2, на выходах усилителей 8 и 9 в зависимости от характера отказа (постепенный или внезапный) будут формироваться различные сигналы. При постепенном отказе, характеризуемым, например, медленным увеличением выходного сигнала отказа 8 шего канала, на выходе усилителя 8 формируется сигнал положительной полярности, а на выходе усилителя 9 сигнал отрицательной полярности. При этом сигнал с выхода усилителя 8 через разомкнутые ключи 16-18 не поступает на вход компаратора 26 и изменяет нал усилителя 9 больше опорного сигнала компаратора 26. Величина опорного сигнала компараторов 24-26, определяемая разностью выходного сигнала канала и усредненного значения выходных сигналов каналов, устанавливается таким образом, чтобы отказ канала фиксировался при превьшении этой разности величины удвоенного или утроенного значения погрешности канала. В этом случае на выходе 33 системы сигнализируется отказ канала 3, размыкается нормально замкнутый и зам-ыкается нормально разомкнутый ключ элемента 6, замыкается ключ 20 и изменяется состояние элемента 27, на выходе которого формируется сигнал, размыкающий ключ 13. При этом на входы устройства 22 через нормально разомкнутые ключи элементов 4 и 6 и нормально замкнутьш ключ элемента 5 поступает сигнал канала 2, и на выходе 30 системы формируется сигнал, равный выходному сигналу канала 2. Выходная информация в этом случае отличается от действительной на незначительную величину, не более удвоенного или утроенного значеггия погрешности канала. При внезапном отказе канала 2, характеризуемом большим и быстрым изменением выходного сигнала, постоянная времени нарастания отказа не более постоянной времени канала. При этом на выходе усилителя 8 в первый момент времени сформируется сигнал положительной полярности, величина которого превышает выходной сигнал компаратора 11, а на выходе усилителя 9 в это же время вькодной сигнал не изменитсяj так как на выходе звена 23 сигнал еще не успел измениться. На выходе компаратора 11 сформируется при этом сигнал , замыкающий ключ 18, и на вход компаратора 25 через замкнутый ключ 18 поступит сигнал, превышающий опорный сигнал. На выходе компаратора 25 сформируется сигнал, сигнализирующий об отказе канала 2, замыкающий ключ 17, размыкающий нормально замкнутый и замыкающий нормально разомкнутый ключи элемента 5 .На; входы устройства 22 при этом Поступает через норма но разомкнутые ключи элементов 4 и 5 и нормально замкнутый ключ элемента сигнал исправного канала 3. Так как выходной сигнал звена 23 при этом становится равным сигналу канала 3, то на выходе усилителя 9 формируется сигнал, меньший опорных сигналов компаратора 12, 26 и компараторы 12, 26 сохраняют свое состояние. На выхо де системы 3, в этом случае присутст вует действительная информация о измеряемом параметре, а на выходах 3 и 32 - действительная информация об отказе каналов 1 и 2. Аналогичным.образом система работает при отказе любых других двух каналов. Инерционное звено 23 необходимо для выявления внезапного отказа изме рительного канала при наличии отказа другого канала, когда разомкнуты нор мально замкнутые ключи 13, 16 и 19, связанные через усилители 7-9 с выхо дами исправных каналов, и отсутствует возможность появления на входе соответствующих компараторов 24-26 „ сигналов положительной полярности, появляющихся при отказах, вызывающих увеличение выходных.сигналов отказав ших каналов. Она обеспечивает уменьшение скорости изменения сигнала, поступающего на первые входы усилите лей 7-9, что позволяет при быстром увеличении выходного сигнала измерительного канала, происходящем при его внезапном отказе, сформировать на выходе соответствующего из усилителей 7-9 в момент появлення отказа сигнал, достаточный для изменения состояния соответствующего из компараторов 10-12, который формирует сигнал, обеспечивающий замыкание соответств.ющего из ключей 15, 18, 21 и который в свою очередь обеспечивает прохождение выходного сигнала соответствующего из усилителей 79 положительной полярности на вход соответствующего из компараторов 2426. Так как выходной сигнал усилителя 7, 8 или 9, связанного с выходом внезапно отказавшего канала. превышает опорный сигнал соответству-55

ющего из компараторов 24-26, то на выходе этого компаратора формируется сигнал, сигнализирукяций на соотна вход компаратора 25 и изменит его состояние, так как выходной сигнал усилителя 8 больше опорного сигнала ветствующем из выходов 31-33 отказ .неисправного канала и обеспечивающий переключение соответствующего из элементов 4-6. При этом на выходе устройства 22 формируется сигнал, равный сигналу исправного канала, так как выходной сигнал исправного канала поступает через элементы 4-6 на все его входы, а функция преобразования устройства 22 определяется зависимостью. Выходной сигнал звена 23 при этом через время, определяемое инерционностью звена 23, будет также равеН выходному сигналу исправного качала. Это обеспечит то, что выходной сигнал усилителя 7-9. на вход которого поступает выходной сигнал внезапно отказавшего канала, будет иметь положительную полярность и величину, большую величины опорного сигнала соответствующих из компараторов 10-12 и 24-26, и через замкнутые соответствующие ключи 14, 15, 17, 18 и 20, 21 поступит на вход соответствующего из компараторов 24-26. При этом выходной сигнал усилителя 7-9, связанного с исправным каналом, практически не изменится. Величина инерционности звена 23 равна инерционности измерительного канала потому, что минимальная скорость изменения выходного сигнала отказавшего канала определяется инерционностью канала и что для исключения влияния на точность измерения динамической погрешности каналов, каналы выбирают с инерционностью существенно меньшей времени изменения измеряемого параметра. При этом использование инерционного звена с инерционностью, равной инерционности измерительного канала, обеспечивает устойчивую работу системы независимо от скорости изменения измеряемого параметра. При отказах, характеризуемых уменьшением выходного сигнала отказавшего канала, например 2, при наличии отказа-канала, например 1, система работает следующим образом. На выходе усилителя 8 формируется сигнал отрицательной полярности, а на выходе усилителя 9 - сигнал положительной полярности. При этом выходной сигнал усилителя 8 поступит непосредственно 91 компаратора. В этом случае на выход© компаратора 25 формируется сигнал, переключающий элемент 5 и сигнализи рующий на выходе системы 32 отказ канала 2. Выходной сигнал усилителя 9 в этом случае не сможет поступить на вход компаратора 26 через разомкнутые ключи 19-21. При этом н выходе системы 30 формируется сигнал, равный выходному сигналу неправ ного канала 3, При появлении одновр манного отказа каналов 1 и 2 система работает также как при поочередном отказе двух каналов и принимает такое же состояние. Таким образом, предлагаемая сист ма обеспечивает выявление внезапных отказов и исключает их влияние на выходную .информацию системы при от ка.зе двух каналов, кроме того, в системе исключается влияние постепен ных отказов, вызывающих увеличение выходного сигнала отказавших первыми каналов при появлении второго отказа измерительных каналов. В сравнении с лучшей из трехканал ных резервированных измерительных систем, сохраняющих работоспособност при отказе двух каналов 2, предлагае мая система выдает в соответствии с -расчетами достоверную информацию при отказе двух каналов с вероятностью 0,96 вместо 0,9 у известной,, причем погрешность вьщаваемой информации не превышает удвоенного (утрое 1ного) значения погрешности канала 8 В то время как недостоверность информации, выдаваемой известной системой, может быть сколь угодно велика. Отсутствие погрешности, превышающей удвоенное (утроенное) значение погрешности канала на выходе системы при отказе двух каналов, позволяет использовать выходную информацию предлагаемой системы по прямому назначению даже при отказе двух каналов. Наиболее эс1к|)ективно использование предлагаемого решения в системах управления и защиты ядерных рвактороНэ так как в такой системе даже при отказе двух из трех каналов измерения можно не включать аварийную защиту, как это делается в настоящее время. Это позволит уменьшить число срабатываний аварийной запреты, которое ограничено, и тем самым увеличить срок службы системы управления и защиты. В результате испытаний макета предлагаемой системы установлено, что система имеет погрешность, не превышающую удвоенного значения погрешности измерительного канала при величине опорного сигнала первых компараторов, соответствующей погрешности канала, и величине опорного сигнала вторых компараторов, соответствующей, утроенному значению погрешности, при любых видах отказа двух измерительных каналов.

ТРЕХКАНАЛЬНАЯ РЕЗЕРВИРОВАННАЯ -ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, содержащая устройство суммирования и масштабирования, входы которого соединены с выходами переключающих элементов, управляющие входы которых подключены к выходам первых компараторов каждого канала, первые информационные входы - к выходам измерительных каналов и к первым входам усилителей разностного сигнала, первые выходы которых соединены с первыми входами первых компараторов, а вторые выходы через первые ключи - с вторыми входами первых компараторОБ, соединенных выходом с первь и входами элемента ИЛИ соседнего канала, выход элемента ИЛИ каждого канала подключен к управляющему входу первого ., ключа данного канала, второй информационный вход каждого переключающего злемента соединен с выходом перекдючающего элемента следующего кана-, ла, выход устройства cy миpoвaния и масштабирования является выходом системы, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и достоверности выдаваемой системой информации при отказе двух каналов, в систему введены инерционное звено, а в каждаш канал - вторые компараторы, вторые и третьи ключи, выход устройства суммирования и масштабирования через инерционное звено подключен к вторым входам усилителей сл разностного .сигнала в каждом канале, второй выход которых соединен с пер- вым входом второго и третьего ключей и с входом второго компаратора, выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа, выход первого компаратора соединен с управля- кщим в :одом второго ключа в канале, выходы второго и третьего ключей X соединены с вторым входом первого о компаратора,выходы первых компараторов являются выходами системы.