Устройство для измерения промежутков времени Советский патент 1947 года по МПК G04F10/04 

Измерение малых промежутков времени по числу контрольных колебаний, зарегистрированных в течение измеряемого промежутка, широко известно. Равным образом широко известны безинерционные схемы счета числа колебаний (Хенней, «Электронные и ионные приборы в промышленности, 1937 г., стр. 220).

Устройство для измерения промежутков времени, составляющее предмет настоящего изобретения, также работает по методу определения числа стабилизированных электрических колебаний, зарегистрированных в течение измеряемого промежутка времени. Оно, как обычно, состоит из датчика контрольных колебаний и их приемника.

Отличительной его особенностью, составляющей сущность настоящего изобретения, является то, что с целью измерения весьма малых - порядка микросекунд - промежутков времени в качестве датчика применен генератор электрических колебаний весьма высокой частоты, а в качестве приемника высокоскоростный счетчик электрических импульсов, автоматически включаел1ЫЙ в начале измеряемого промежутка времени и выключаемый в конце его.

Устройство поясняется дальнейший описанием и фиг. 1-9.

Скелетная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. I.

В исходном состоянии готовности устройства к измерениям контрольный стабилизированный генератор (КСГ) находится в рабочем состоянии, однако его колебания не воздействуют на счетную схему благодаря заблокированному состоянию входного элемента. С началом измеряемого промежутка времени внещний импульс снимает блокировку с входного элемента, и КГС начинает воздействовать на счетную ламповую схему. Действие счетной схемы таково, что прохождение каждого очередного цикла колебаний контрольного генератора вызывает срабатывание в ней и блокировку соответствующего фиксирующего элемента, а совокупное состояние всех элементов схемы свидетельствует в любой момент времени о количестве зафиксированных полных колебаний генератора.

Окончание измеряемого промежутка

453

времени восстанавливает блокировку входного элемента устройства и тем прекращает работу счетной схемы. Конечное состояние элементов счетной схемы определяет показание индикатором величины измеренного промежутка времени. После ручного или автоматического сброса на нуль элементов счетной схемы может начаться следующее измерение.

Указанные операции в схеме осуществляются с помощью применяемых в ней блокирующегося реле с двумя анодными напряжениями, блокирующегося реле с одним источником анодного напряжения и релеразделителя дуального (двоичного) счета, описываемых ниже.

а)Блокирующееся электронное реле с двумя анодными напряжениями, изображенное на фиг. 2, представляет собой реле мгновенного действия, могущее выполнять функции нейтрального или поляризованного реле. Оно состоит из ламп Л, Л (возможно, конечно, применение двух раздельных триодов) и сопротивлений R, R.,, / зРеле работает следующим образом.

В исходном состоянии по одной из анодных цепей проходит ток, создавая падение напряжения на соответствующем сопротивлении, вследствие чего другая анодная цепь заперта отрицательным смещением на сетку.

Напряжение внещнего (управляющего) импульса, подаваемое на сетку Cj, будучи отрицательньш в случае открытой лампы Л или положительным в случае закрытой лампы Л, вызывает прекращение тока в одной анодной цепи и мгновенное появление в другой цепи. После прекращения импульса ламповое реле остается в новом рабочем состоянии, будучи заблокированным появивщимся падением напряжения на другом из сопротивлений (R,, или ).

Внещние импульсы чередующейся полярности вызывают работу лампового реле как поляризованного реле.

б)Блокирующееся электронное реле с одним источником анодного напряжения, изображенное на фиг. 3, представляет собой реле мгновенного

«4

действия по типу каллиротрона Турнера, могущее выполнять функции нейтрального или поляризованного реле. Оно состоит из ламп Л и Л, и сопротивлений /, R, R, R

Rail Ra, Rag И Rk.

В ИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ одна лампа этого реле открыта и имеет нулевой потенциал на сетке благодаря компенсации автоматического смещения с Rk положительным потенциалом, снимаемым со средней точки одного из потенциометров или , а другая ламна закрыта, так как положительный потенциал, снимаемый на ее сетку со средней точки другого потенциометра, уменьщен шунтирующим действием первой лампы и не компенсирует смещение с сопротивления .

Подавая на сетку открытой лампы внещний импульс напряжения отрицательной полярности, можно вызвать прекращение анодного тока этой лампы, а значит и шунтирующее действие ее на связанный с ней потенциометр из или / з-/ 4Вследствие этого смещение на сетке ранее закрытой лампы скомпенсируется увеличивающимся положительным напряжением, снимаемым со средней точки упомянутого потенциометра, и в анодной цепи этой лампы пойдет ток. Шунтирующее действие вновь открытой лампы создает состояние в схеме, аналогичное исходному, но с перевернутым (симметричным) распределением по участкам схемы токов и напряжений, иричем прекращение внещнего импульса не изменяет нового устойчивого состояния схемы.

При поступлении на сетку той же лампы (теперь закрытой) внещнего импульса положительного напряжения или на сетку другой лампы отрицательного импульса, ламповое реле переводится в исходное состояние.

в) Реле-разделитель дуального (двоичного) счета, изображенное на фиг. 4, представляет собой элемент, могущий автоматически разделять приходящие последовательные импульсы на нечетные и четные. Это реле состоит из двух ламповых реле Л и Л2, подобных описанным в пунктах (а и «б (для упрощения на фиг. 4

изображена комбинация разделителя только из реле типа «а), входного импульсного трансформатора Тр-1 и трансформаторов связи Тр-2 и Тр-3, включенных между отдельными реле.

В этом реле начало любого (нечеткого или четного по порядку поступления) импульса в первичной обмотке трансформатора Тр-1 не изменяет состояния реле схемы. Конец любого нечетного импульса переключает реле Б положение, обратное исходному (стрелки, изображенные над сетками ламп, условно обозначают анодные цепи, замкнутые в исходном состоянии), конец любого четного импульса приводит схему в исходное состояние. Неизменность состояния схемы в начале импульсов создается тем, что подаваемый на сетки положительный импульс напряжения, индуктированного во вторичных цепях трансформатора Тр-1, лишь увеличивает анодный ток уже открытой лампы I не может полностью скомпенсировать большое запирающее напряжение в цепи сетки другой лалгпы. Необходимое запаздывание момента появления напряжения во вторичных обмотках трансформаторов Тр-2 и Тр-3 относительно пиков напряжения во вторичных обмотках Тр-1 достигается за счет междувитковых емкостей трансформаторов Тр-2 или Тр-3 или путем шунтирования первичной или вторичной обмоток vrrnx трансформаторов конденсаторами соответствующей емкости.

Подавая в первичную обмотку Тр-1 полное число импульсов, получим в любой из анодных цепей Л, или Л, половинное число импульсов, причем импульсы в цепях правых анодов ламп Л или Л., соответствуют нечетным управляющим импульсам, а импульсы в цепях левых анодов - 1етным.

Реле-разделитель, подобное описанному, может быть также получено комбинированием двух блокирующихся ламповых реле, изображенных на фиг. 3. Кроме того, вполне возможно построение реле-разделителя с использованием емкостного способа передачи внешних воздействий и емкостной связи между лампами разделителя.

Электронные реле, типа описанных выше (фиг. 2 и 3), пригодны для использования в любых условиях, где необходима практически мгновенная фиксация однократных воздействующих импульсов или повторяющиеся скачковые переключения за счет поступающих поляризованных импульсов. Задача счета количества поступающих импульсов, возникающая при измерении малых промежутков времени, может быть решена путем комбинирования ряда таких реле в общие электронно-счетные схемы.

Общее свойство любого счетного устройства или схемы (в том числе и электронно-счетной) состоит в том, что прохождение каждого отмечаемого явления (например, импульса), имеющего определенный порядковый номер в цепи других считаемых явлений, вызывает определенную, лищь ему присущую комбинацию положений или состояний счетных элементов устройства, удерживаемую до прихода следующего отмечаемого явления. Выполнение отмеченного свойства обеспечивается определенной закономерностью в связях отдельных элементов устройств. Ограниченность числа счетных элементов (или их положений, состояний) определяет цикличность действия счетного устройства.

Предлагаемые счетные схемы по характеру связей между отдельными элементами можно подразделить на схемы с гальваническими, индуктивными и емкостными связями. В зависимости от системы счисления, положенной в основу действия той или иной схемы, их можно также подразделить на схемы десятичного и двоичного счета.

Ниже дается описание следующих счетных схем:

A.Схема десятичного счета с гальваническшш связями.

Б. Схема десятичного счета с индуктивными и емкостными связями.

B.Схема дуального (двоичного) счета с индуктивными связями.

455

С целью упрощения начертания схем они содержат неполное число счетных элементов. Так например, в десятичных схемах ил еется всего по 4 счетных элемента, а в дуальной схеме три разделительных элемента вместо 10, необходимых для счета до 1023.

В схемах не отображены также следующие не ил1еющие принципиального значения элементы:

1)устройство съема и индикации,

2)устройство управления началом и концом счета,

3)устройство сброса на нуль.

А. Схема десятичного счета

с гальваническими связями

счетных элементов

Эта схема, изображенная на фиг. 5, содержит ряд счетных ламп Л-, Л, Лз . . . 10 (нэ фиг. 5 только до Л, вспомогательные лампы ЛВО ЛВЛ В.,, и т. д., лампу ЛС сброса схемы на нуль в конце сосчитанного десятка импульсов, а также входной трансформатор, сопротивления и ряд обозначенных на схеме источников напряжения.

Лампы Л, 2 . . . представляют собой блокирующиеся ламповые реле по типу реле, изображенных на фиг. 2.

Данная схема также может быть построена с использованием реле, изображенного на фиг. 3.

Для правильного действия схемы нужно, чтобы считаемые ею внещние импульсы подавались по очереди сначала на сеточные сопротивления нечетных лалш Л, Лд, Лз. . ., а затем на те же сопротивления четных ламп. В случае счета однополярных импульсов их разделение на нечетные и четные может быть достигнуто с помощью приведенного на фиг. 4 реле-разделителя.

Если на счетную схему воздействовать напряжением меняющейся полярности (в частности, синусоидальным), то задача счета облегчается.

456

На фиг. 5 представлен именно этот случай. Здесь в качестве воздействующего напряжения используется синусоидальное напряжение, подаваелюе на «вход импульсов от контрольного стабилизованного генератора (фиг. 1).

Схема считает число полупериодов колебаний стабилизованного генератора, укладывающееся в пределах измеряемого промежутка времени.

С началом измеряемого промежутка времени с сеток лампы ЛВО запирающее напряжение снимается. Вследствие этого э. д. с. вторичных обмоток трансформатора смогут замыкаться не только через сопротивления и , но также и через сопротивления нечетных и четных ламп и включенные последовательно с ними аноды лампы ЛВО.

Первый полупериод воздействующей э. д. с., создавая падение напряжения на сопротивлениях К ламп Л, Лд и т. д., вызовет срабатывание лампы Л и блокировку ее в новом состоянии.

Срабатывание других нечетных ламп при этом невозможно благодаря дополнительному смещению, подаваемому на их сетки с сопротивлений / (за счет действия напряжений 3 общ.).

Срабатывание и блокировка Л- вызовет запирание цепи левого анода ЛВ. Вследствие этого запирающее напряжепие в цепи лампы Л будет уменьщено, и очередной полупериод управляющей э. д. с. заставит сработать и заблокироваться эту лампу.

Другие четные лампы при этом не сработают благодаря дополнительному смещению, подаваемому на их сетки с сопротивлений / (за счет действия напряжения 4 общ.). Легко видеть, что срабатывание Л подготовит действие лампы Лд, которое произойдет с началом третьего (вновь нечетного) полупериода и т. д.

Таким образом, действие счетной схемы сводится к тому, что срабатывание и блокировка любой счетной лампы при полупериоде управляющей э. д. с. одного направления подго тавливает с полюшью вспомогательной

лампы ЛВ, ЛВ. и т. д. срабатывание и блокировку следующей счетной лампы при следующем полупериоде э. д. с. другого направления.

Действие счетной схемы прекращается запиранием лампы ЛВО в конце измеряемого промежутка времени. По количеству счетных ламп, находящихся в состоянии срабатывания, можно судить о числе сосчитанных полупериодов колебаний стабилизированного генератора.

Рассмотренная схема пригодна для счета импульсов меньще десяти. Прохождение десятого полупериода вызовет отпирание лампы ЛС и сброс всей схемы в исходное состояние.

Поступивший одиннадцатый импульс будет при этом отмечен как первый.

Пределы счета можно расширить путем декадного включения двух, трех и т. д. десятичных схем, что даст соответственно возможность осуществить счет до 100, 1000 и т. д. импульсов.

Декадное включение может быть осуществлено двумя способами. По одному варианту каждая более быстрая декада принудительно управляет переключениями счетных элементов следующей более медленной декады. Связь между декадами может быть гальваническая, индуктивная или емкостная.

По другому варианту принудительная связь между счетными декадами отсутствует. Контрольный стабилизированный генератор управляет не только первой (самой быстрой) декадой, но также рядом мультивибраторов с частотами в 10, 100 и т. д. раз меньшими частоты генератора.

Каждый из этих мультивибраторов управляет своей счетной декадой. Совместное действие счетных декад позволит и в этом случае по их конечным состояниям определить количество сосчитанных воздействующих импульсов стабилизованного генератора, а значит и величину измеряемого промежутка времени.

Б, Схемы десятичного счета

с индуктивными и емкостными

связями элементов и схема

перехода на следующую

декаду

Эти схемы изображены на фиг. 6 и 7.

В отличие от схемы с гальваническими связями, рассматриваемые здесь схемы построены на ламповых реле, изображенных на фиг. 3, т. е. с одним источником анодного напряжения. Режим ламповых счетных реле и амплитуда воздействующих импульсов при этом подобраны таким образом, что положительный импульс, подаваемый на запертую сетку реле, не вызывает изменения его состояния, а отрицательный импульс, подаваемый на нормально отпертую сетку, вызывает срабатывание реле и блокировку его в новом состоянии.

На обеих счетных схемах (фиг. 6 и 7) воздействующие импульсы подаются через трансформатор То, но возможен также и другой выход. В исходном состоянии той и другой счетной схемы во всех реле (кроме первого) ток течет через правые половины ламп, а левые заперты.

Воздействующее напряжение от КСГ подается на левые сетки всех нечетных реле в одной фазе, а на те же сетки четных реле - в обратной фазе.

Действие схемы в начале измеряемого промежутка времени начинается со срабатывания 1-го реле, так как только оно было подготовлено к действию тем, что у него левая половина пропускала ток. Первое реле, сработав, через трансформатор Тп(в схеме по фиг. 6) или через конденсатор Сл (в схеме фиг. 7) подготовит второе реле, т. е. приведет его в такое состояние, когда по левой стороне Лз ток идет, а по правой нет.

Следующая полуволна воздействующего напряжения заставит сработать 2-е реле. Это реле, сработав, через трансформатор Тп., (в схеме фиг. 6) или конденсатор Сл (в схеме фиг. 7) подготовит 3-е реле (т. е. Лд). Реле Л., сработает от

57

следующей полуволны напряжения и подготовит работу реле Л и т. д.

В полной десятичной схеме должно быть 10 реле типа 77, У/з и т. д. Срабатывание Ю-го реле полной десятичной схемы приводит в исходное состояние 1-е реле, после чего может начаться счет второго десятка полупериодов КСГ.

На фиг. 6 и 7 в целях упрощения изображены четыре реле. Реле Л, . сработав, приводит 1-е реле в исходное состояние, после чего все явления повторяются. Из разбора действия схем видно, что в каждый момент ее работы ток проходит через левую половину только лишь в каком-либо одном реле. Именно это реле будет указывать число сосчитанных единиц (полуволны КСГ).

На фиг. 8 приведена схема второй или третьей декады полной схемы лампового счетчика импульсов. Лампы Л, Л.,, Л, Л на этой схеме представляют собой уже рассмотренную десятичную счетную схему с емкостными связями, в целях упрощения сокращенную до четырех элементов. Лампа 5 служит для подачи воздействующих импульсов на левые сетки счетных ламп Л . . . Л. Нормально обе сетки этой лампы (Лд) заперты падениями напряжения на анодных сопротивлениях лампы Л,. Импульсное напряжение на сопротивлении , подаваемое с помощью конденсаторов Qo с Ю-й ламны более быстрой декады, вызывает кратковременное отпирание левой или правой стороны Лд в зависимости от того, по какой анодной цепи лампы У7, идет ток. Лампа Л управляется импульсами напряжения, снимаемого с промежуточной счетной лампы (положим, с 5-й) более быстрой декады с помощью конденсаторов Cg, и напряжением, снимаемым с анодного сопротивления лампы Л. Эта лампа (Лд) срабатьшает при возникновении тока в цепях левых анодов четных ламп счетчика импульсов и приходит в исходное состояние с прекращением тока в этих цепях.

Указанное действие реле Л обеспечивается конденсаторной связью цепи левой сетки с общим сопротивлением в цепях левых анодов всех четырех ламп.

Рассмотрев связи между отдельными элементами схемы, легко проследить общую автоматику действия схемы. При первом цикле работы более быстрой декады импульсы напряжения с ее 5-й лампы не вызовут изменения в состоянии лампы Л, так как на сопротивлении R лампы Лб нормально нет падения напряжения. Поэтому илшульс, снимаемый с 10-й лампы в конце 1-го цикла быстрой декады, вызовет отпирание левой половины Лд, вследствие чего сработает лампа Л медленной декады и подготовится лампа Л. Возникновение тока в цепи левого анода Л создает импульс напряжения на сопротивлении и благодаря наличию конденсаторов Сд, вызовет изменение состояния реле Ле. Появление тока в правой половине ламны Лц создаст падение на сопротивлении R. и этим уменьшит отрицательное смещение на левой сетке лампы Л.

Импульсы с 5-й лампы во время второго цикла быстрой декады теперь вызовут изменение состояния лампы Л,. Вследствие этого импульс с 10-й лампы быстрой декады вызовет при втором цикле отпирание правой анодной цепи лампы Лд, срабатывание Л.-, медленной декады и подготовку лампы Лд.

Прекращение тока в левой анодной цепи лампы Лд возвратит лампу Лб в исходное состояние. На ее сопротивлении R пропадет имевшееся нанряжение, и по этой причине импульсы с 5-й лампы быстрой декады в течение третьего цикла ее работы приведут в исходное состояние также и лампу Л,. Таким образом, импульс с Ю-й лампы быстрой декады в конце 3-го цикла заставит сработать лампу Лд медленного счетчика и т. д.

В. Схема дуального (двоичного) счета с индуктивными связями

Схема дуального (двоичного) лампового счета импульсов может быть легко получена путем каскадного

включения нескольких реле-разделителей, подобных приведенному на фиг. 4.

Полная схема дуального счетчика, пригодная для счета числа импульсов до 7 включительно, дана на фиг. 9. Она состоит из трех разделительных каскадов, разграниченных пунктиром.

В отличие от фиг. 4 каждый из разделителей этой схемы собран на реле с общим источником анодного напряжения по типу реле, изображенного на фиг. 3. По действию и принципиальным связям его элементов он вполне аналогичен описанному выше (фиг, 4).

Как видно из схемы, связь между соседними каскадами обеспечивается включением первичной цепи управляющего трансформатора Тр-1 последующего каскада в цепь правого анода лампы Л предыдущего каскада. Отличительные особенности приведенной дуальной схемы заключается в следующем.

1.Каждый переход с одного каскада на следующий характерен уменьшением вдвое частоты воздействующих импульсов при одновременном увеличении также в два раза длительности импульсов и интервалов.

2.Изменение рабочих состояний отдельных каскадов происходит по окончании подаваемых на вход первого каскада импульсов.

3.В процессе фиксации очередных импульсов каждый из счетных элементов (разделителей) может любое число раз занимать как рабочее, так и исходное положение.

4.О количестве сосчитанных импульсов в данном случае следует судить по комбинации рабочих состояний всех разделительных элементов схемы.

5. Уменьшение в два раза числа воздействующих импульсов при переходе с каскада на каскад эквивалентно переходу с разряда на разряд в двоичной системе счисления.

Поэтому настоящую схему можно назвать схемой двоичного или дуального счета импульсов.

Рабочее состояние каждого из каскадов определяет некоторое количество сосчитанных единиц, равное двойке в степени п-7, где п - порядковый номер каскада считая от самого быстрого. Для того, чтобы определить полное число импульсов, сосчитанных всей схемой, необходимо просуммировать степени двойки, соответствующие конечным рабочим состояниям счетных каскадов.

Предмет изобретения

Устройство для измерения промежутков времени по методу определепия числа стабилизированных контрольных колебаний, зарегистрированных в течение измеряемого промежутка времени, состоящее из датчика контрольных колебаний и приемника их, отличающееся тем, что с целью измерения весьма малых - порядка микросекунд - промежутков времени, в качестве датчика применен генератор электрических колебаний весьма высокой частоты, а в качестве приемника - высокоскоростной счетчик электрических импульсов (например, электронная счетная схема типа Вин-Вильямса), автоматически включаемый в начале измеряемого промежутка времени и выключаемый в конце его.

Фиг. 1

-

:,,з1

и ч i

f i-f

t4 о

Фиг. 5

Фиг. 6

Фиг. 7