Трехканальная резервированная измерительная система

 

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 первым входом второго и третьего ключей и с входом второго компаратора, выход которого подключен к управляющему входу третьего ключа, выход первого компаратора соединен с управлякщим 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(59 С 06 F 11 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ ! (-, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОткРытий (21) - 3535925/18 — 24 (22) 07.01.83 (46) 07.07.84. Бюл. Ф 25 (72) В.Д.Смирнов (53) 621.396(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 335668, кл. G 06 Р 11/18, 19?0.

2. Авторское свидетельство СССР . по заявке Ф 3297008/24, кл. С 06 F 11/20, 1981 (прототип). (54) (57) TPEXKAHAJIÜÍAß 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 компараторов, соединенных выходом с первыми входами элемента ИЛИ соседнего канала, выход элемента ИЛИ каждого канала подключен к управляющему входу первого,, ключа данного канала, второй информационный вход каждого переключающего элемента соединен с выходом переключающего элемента следующего канала, выход устройства суммирования и масштабирования является выходом системы, отличающаяся тем, что, с целью повыпения точности и достоверности выдаваемой системой информации при отказе двух каналов, в систему введены инерционное звено, а в каждый канал — вторые компараторы, вторые и третьи ключи, выход устройства суммирования и масштабирования через инерционное звено подключен к вторым входам усилителей разностного .сигнала в каждом канале, второй выход которых соединен с пер- . вым входом второго и третьего ключей и с входом второго компаратора, вы- ход которого подключен к управляющему входу третьего ключа, выход первого компаратора соединен с управляющим в .одом второго ключа в канале, выходы второго и третьего ключей соединены с вторым входом первого компаратора, выходы первых компараторов являются выходами системы.

1101828

Изобретение относится к области измерительной техники и средств автоматики и может быть использовано при построении систем измерения и регулирования повышенной надежности. 5

Известна трехканальная резервированная измерительная система, содержащая восстанавливают:;.й орган, через переключательные элементы соединенный с входами системы, схемы срав- 1О нения, одни входы которых подключены к выходам измерительных каналов, другие — к выходу восстанавливающего элемента, а выходы схем сравнения соединены с управляющими входами переключательных элементов (11 .

Недостатком этой системы является пониженная точность и достоверность.

Недостаточно высокая точность обусловлена тем, что в этой системе используется мажоритарный восстанавливающий орган, на выход которого при отказе одного канала проходит выход-. ной сигнал только одного исправного канала, т.е. погрешность системы при 2 отказе одного канала не менее погрешности измерительного канала.

Недостаточно высокая достоверность обусловлена тем, что эта система обеспечивает достоверность выдаваемой Зр информации с доверительной вероят— чостью не более 0,5 при поочередном отказе двух измерительных каналов не-зависимо от характера их отказа. Кроме того, эта. система выдает недостоверную информацию при одновременном отказе двух измерительных каналов.

Известна также трехканальная резервированная измерительная система, содержащая устройство суммирования и масштабирования, выход которого соединен с первыми входами усилителей разностного сигнала, а входы — с выходами переключательных элементов, управляющие 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 р"".çíîñòíoãî сигнала соединен с первым входом своего компаратора непосредственно, а второй вьгход с вторым входом своего KG!. паратора соединен через ключ, управ- > ляющий вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, соединенного с выходами компараторов соседних каналов, при этом второй информационный вход переключательного э.пемента соединен с выходом переключательного элемента следующего канала (2j.

Недостатком такой системы является недостаточно высокая достоверность, не более 0,9, и низкая точность выдаваемой информации при отказе двух измерительных каналов.

Это обусловлено тем, что система при отказе двух каналов выдает информацию, формируемую измерительным каналом, имеющим наибольший 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 измерительную систему, содержащую устройство суммирования и масштабирование, входы которого соединеHLJ 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 разностното сигнала, первые выходы которых соединены с первыми входами первых компараторов, а вторые выходы через первые ключи — с вторыми входами перьых компараторов, саединенш»х вьглодом с первыми входами элемента ИЛИ соседнего Këíàëà, выход элемента ИЛИ каждого канала подключен к управляющему входу первого ключа данного канала„ второй информационный вход каждогo переклнчающего эл мента соединен с выходом переключающего элемента следующего канала, вьк од устройства суммирования и масштабирования является выходом системы, введены инерционное звено, а в каждый канал. 1101828 вторые ком араторы, вторые и третьи ключи, выход устройства суммирования и масштабирования через инерционное звено подключен к вторым 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, 10 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 ком- 15 параторов 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

-.<омпараторов.

Повышение точности и достоверности информации, выдаваемой предлагае- 25 мой системой при отказе двух каналов, обеспечивается тем, что с помощью инерционного звена и вторых компараторов обеспечивается выявление внезапных отказов, характеризуемых большой величиной изменения выходного сигнала и малой постоянной времени нарастания отказа, а с помощью вторых ключей и первых компараторов исключается влияние внезапных отказов на информацию, выдаваемую системой. Третьи ключи, управляющие входы которых соединены с выходами первых компараторов, обеспечивают исключение влияния на выходную информацию системы первого

40 отказа при появлении второго отказа каналов.

На чертеже представл.i:а схема сис. темы. Система содержит измерительные каналы 1-3, переключательные элементы 4-6, усилители 7-9 разностного сигнала, вторые компараторы 10 12, ключи 13-2 1, устройство 22 суммирования и масштабирования, инерционное звено 23, первые компараторы 24-26 и 50 элементы ИЛИ 27-29.

В качсстве усилителей 7-9 используются дифференциальные усилители, выходные сигналы которых пропорциональны разности входных сигналов, 55 на выходах этих усилителей для разде ления по различным направлениям сигналов различной полярности включены два диода. Один диод подключен к выходу усилителя анодом, а другой катодом. Это позволяет при отказах, характеризуемых уменьшением выходного сигнала отказавшего канала, формировать на втором выходе соответствующего из усилителей 7-9 сигнал, на— пример, 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 i 3 (реализует функцию U

Вшх.

3 х

При 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 вторыс 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, формируютс". сигналы положительной полярности, а на вторых с помощью диодов, катодами подключенных к выходу усилителей, формируются сигналы отрицательной полярности. При этом полярность вьходных сигналов усилителей 79 зависит от того, больше или меньше выходной сигнал канала выходного сигнала звена 23, равного усредненному значению выходных сигналов каналов.

При сигнале канала, 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 компарато1101828 ров 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 элемен- 5 тов 4-6, замыкающие нормально замкну тые ключи, на управляющие входы ключей 14, 17, 20, размыкающие 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 больше постоянной времени измерительного канала (постепенный отказ), не изменит состояние компара- >о тора 10 и, поступив либо непосредственно на первый 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 кампаратора 24 формируется при этом сигнал, сигнализирующий аб отказе канала 1, размыкающий нормаль. 30 на замкнутый и замыкающиЙ нормально разомкнутый ключи элемента 4, замыкающий ключ 14 и изменяющий состояние элементов 28 и 29, па выходе которых формируются сигналы, размыкающие ключи 16 и 19. При этом на выходе 30 выдается достоверная информация, так как на вход устройства 22 не поступает информация с выхода отказавшего канала 1. На входы устрайцб ства 22 в этом случае поступают сигналы канала ? через нормально разомкнутый ключ элемента 4 и нормальна замкнутый ключ элемента 5 и канала 3 через нормально замкнутый ключ элемента 6, так как выходные сигналы уси1 лителей 8 и 9 не превышают опорных сигналов компараторов 25 и 26 и кампараторы находятся в исходном состоянии.

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 отказавшего 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 компаратара 26 и изменяет его состояние, так как выходной сигнал усилителя 9 больше опорного сигнала кампаратора 26. Величина опорного сигнала компараторав 24-26, определяемая разностью выходного сигнала канала и усредненного значения выходных сигналов каналов, устанавливается таким образом, чтобы отказ канала фиксировался при превышении этой раз— ности величины удвоенного или утроенного значения погрешности канала.

В этом случае на выходе 33 системы сигнализируется отказ канала 3, размыкается нормально замкнутый и замыкается нормально разомкнутый ключ элемента б, замыкается ключ 20 и изменяется состояние элемента 2?, на выходе которого формируется сигнал, размыкающий ключ 13. При этом на входы устройства 22 через нормальна разомкнутые ключи элементов 4 и 6 и нормальна замкнутый 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 значения погрешности канала. При внезапном отказе канала 2, харак:еризуемам большим и быстрым изменением выходного сигнала, постоянная времени нарастания отказа не более постоянной времени канала. При этом на выходе усилителя 8 в первый мамеHT времени сформируется сигнал положительной полярности, величина которого превышает выходной сигнал кампаратара i 1, а на выходе усилителя 9 в эта же время выходной сигнал не изменится, так как на выходе звена 23 сигнал еще не успел измениться. На выходе кампаратара 11 сформируется при этом сиг— пал, замыкающий ключ 18, и на вход кампаратара 25 через замкнутый ключ 18 поступит сигнал, превышающий опорный сигнал. На выходе компаратара 25 сформируется сигнал, сигнализирующий аб отказе капала 2, замыкающий ключ 17„ размыкающий нормально замкнутый

7 - 11018 и замыкающий нормально разомкнутый ключи элемента 5. На. входы устройства 22 при этом поступает через нормально разомкнутые ключи элементов 4 и 5 и нормально замкнутый ключ элемента 6 5 сигнал исправного канала 3. Так как выходной сигнал звена 23 при этом становится равным сигнапу канала 3, то на выходе усилителя 9 формируется сигнал, меньший опорных сигналов 10 компаратора 12, 26 и компараторы 12, 26 сохраняют свое состояние. На выходе системы 3, в этом случае присутствует действительная информация о измеряемом параметре, а на выходах 3115 и 32 — действительная информация

oG отказе каналов 1 и 2.

Аналогичным образом система работает при отказе любых других двух каналов.

Инерционное звено 23 необходимо для выявления внезапного отказа измерительного канала при наличии отказа другого канала, когда разомкнуты нормально замкнутые ключи 13, 16 и 19, 25 связанные через усилители 7-9 с выходами исправных каналов, и отсутствует возможность появления на входе соответствующих компараторов 24-26 сигналов положительной полярности, появляющихся при отказах, вызывающих увеличение выходных. сигналов отказавших каналов. Оно обеспечивает уменьшение скорости изменения сигнала, поступающего на первые входы усилите-35 лей 7-9, что позволяет при быстром увеличении выходного сигнала измерительного канала, происходящем при его внезапном отказе, сформировать на выходе соответствующего из усили- 4о телей 7-9 в момент появления отказа сигнал, достаточный для изменения состояния соответствующего из компа. раторов 10-12, который формирует сигнал, обеспечивающий замыкание 45 соответствующего из ключей 15, 18, 21 и который в свою очередь обеспечивает прохождение выходного сигнала соответствующего из усилителей 79 положительной полярности на вход 50 соответствующего из компараторов 2426. Так как выходной оигнал 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, сигнализирующий на соот28 ветствующем из выходов 31-33 отказ t неисправного канала и обеспечиваю щий переключс ние 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 соответствующи 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 умень. шением 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 на вход компаратора 25 и изменит его состояние, так как выходной сигнал усилителя 8 больше опорного сигнала

1101828

10 компаратора. В этом случае на выходе компаратора 25 формируется сигнал, переключающий элемент 5 и сигнализирующий 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 на выходе системы 30 формируется сигнал, равный выходному сигналу исправ-10 ного канала 3. При появлении одновременного отказа каналов 1 и 2 система работает также как при поочередном отказе двух каналов и принимает такое же состояние. 15

Таким образом, предлагаемая систе ма обеспечивает выявление внезапных отказов и исключает их влияние на выходную информацию системы при отказе двух каналов, кроме того, в системе исключается влияние постепен. ных отказов, вызывающих увеличение выходного сигнала отказавших первыми каналов при появлении второго отказа измерительных каналов. 25

В сравнении с лучшей из трехканальных резервированных измерительных систем, сохраняющих работоспособность при отказе двух каналов ", предлагаемая система выдает в соответствии с расчетами достоверную информацию при отказе двух каналов с вероятностью 0,96 вместо 0,9 у известной, причем погрешность выдаваемой информации не превышает удвоенного (утро1

35 енного) значения погрешности канала, в то время как недостоверность информации„ выдаваемой известной систе. мой, 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 эффективно использование предлагаемого решения в системах управления и защиты ядерных реакторов„ 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 защиты, 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 сигчала первых компараторов, соответствующей погрешности канала, и величине опорного сигнала вторых компараторов, соответствующей утроенному значению погрешности, при любых видах отказа двух измерительных каналов..1101828

Составитель И.Швед ехред С Легеза КорректОР ТигоР

Редактор В.Иванова

Заказ 4769/33 Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Ужгород, ул.Проектная, 4