Способ измерения скорости движения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров движения, в том числе закона изменения скорости по траектории движения, например, движущегося проводника с током. Способ основан на непрерывном измерении сигналов U1(X), U2(X) двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении в процессе измерения скорости координатной функции F, зависящей от положения (координаты X) объекта, по формуле определении скорости движения объекта как величины, прямо пропорциональной производной dF/dt упомянутой координатной функции по времени, и использовании при вычислении скорости заранее заданного масштабирующего коэффициента. Причем упомянутый масштабирующий коэффициент выбирают равным расстоянию l между датчиками, далее в процессе измерения скорости запоминают значение F₀ координатной функции в момент прохождения объектом точки траектории, соответствующей расположению первого по направлению движения датчика, а скорость v движения объекта определяют как Достигаемый технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения скорости движения объекта. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров прямолинейного движения, в частности скорости объектов, а также определения закона изменения скорости объектов по траектории движения, с использованием распределенного регистрирующего контура в виде разнесенных вдоль траектории движения объекта датчиков положения, например индукционных датчиков с интегратором на выходе при контроле движения проводников с током.

Известен способ измерения скорости движения объекта (авт. свид. СССР 1818588, МПК G 01 Р 3/64, БИ 20, 1993 г.), заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1,U2 двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции F по формуле , причем предварительно до начала измерения принимают значение масштабирующего коэффициента S_e, численно равным перемещению объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в e раз, а скорость v в процессе измерений определяют по формуле .

Измерения скорости движения согласно этому способу имеют низкую точность из-за существенной нелинейности координатной функции и возникновения большой погрешности при вычислении скорости. Кроме того, сложный вид зависимостей координатной функции от выходных сигналов датчиков F(Ul,U2) и скорости от координатной функции v(F) приводит к трудностям в технической реализации описанного способа.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ измерения скорости движения объекта (Патент РФ (положительное решение по заявке на изобретение 99124539/28 (025956) от 22.11.99), МПК 7 G 01 Р 3/64), заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1(X), U2(X) двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении в процессе измерения скорости координатной функции F, зависящей от положения (координаты X) объекта, по формуле и использовании при вычислении скорости заранее заданного масштабирующего коэффициента.

Согласно способу-прототипу, упомянутый масштабирующий коэффициент выбирают равным величине S_e перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика в e раз, а скорость движения объекта определяют как .

Недостатком способа-прототипа является необходимость использования в качестве задаваемого заранее масштабирующего коэффициента величины перемещения объекта, соответствующей изменению выходного сигнала датчика в e раз. Для определения этой величины необходимо выполнение предварительных расчетов с использованием ряда параметров, в том числе геометрических параметров контролируемого объекта, которые априорно могут быть не известны или известны с малой точностью, что, в свою очередь, может обуславливать существенное снижение точности измерения скорости.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости движения объекта.

Решение задачи достигается тем, что в способе измерения скорости движения объекта, заключающемся в непрерывном измерении сигналов U1(X), U2(X) двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении в процессе измерения скорости координатной функции F, зависящей от положения (координаты X) объекта, по формуле , определении скорости движения объекта как величины, прямо пропорциональной производной dF/dt упомянутой координатной функции по времени, и использовании при вычислении скорости заранее заданного масштабирующего коэффициента, упомянутый масштабирующий коэффициент выбирают равным расстоянию l между датчиками, далее в процессе измерения скорости запоминают значение F₀ координатной функции в момент прохождения объектом точки траектории, соответствующей расположению первого по направлению движению датчика, а скорость v движения объекта определяют как .

Заявляемое техническое решение отличается от способа-прототипа тем, что масштабирующий коэффициент выбирают равным расстоянию l между датчиками, далее в процессе измерения скорости запоминают значение F₀ координатной функции в момент прохождения объектом точки траектории, соответствующей расположению первого по направлению движения датчика, а скорость v движения объекта определяют как .

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Пересекающиеся ветви передаточных характеристик датчиков положения объекта, реагирующих на поле, создаваемое им, могут быть с некоторой степенью точности описаны экспоненциальными функциями. На такой аппроксимации выходных сигналов датчиков положения основаны способ-прототип и заявляемый способ. Таким образом, выходные сигналы пары датчиков, установленных вдоль траектории движения объекта при его нахождении между датчиками, могут быть описаны выражениями: U1=U₀•e^x и U2=U₀•e^-х, где U_о- постоянный коэффициент, зависящий от конструкции и параметров датчиков, а также от величины протекающего в движущемся объекте тока (если контролируемым объектом является проводник с током); Х - относительная координата положения объекта, равная отношению текущего значения S(t) расстояния объекта от начала координат (за начало координат принимается центр участка траектории между двумя датчиками) к интервалу траектории, на границах которого сигнал датчика изменяется в e раз. Указанный интервал зависит от геометрических параметров движущегося объекта, а также от удаленности датчиков от траектории движения.

Согласно предлагаемому способу, аналогично способу-прототипу координатную функцию определяют по формуле а скорость движения объекта определяют как величину, пропорциональную производной dF/dt координатной функции по времени, причем из (1) следует Таким образом, как видно из (2), половина от производной координатной функции характеризует скорость изменения относительной координаты положения объекта. В то же время очевидно, что для определения скорости объекта как производной по времени его перемещения необходимо использовать абсолютные значения координат положения объекта на участке траектории между датчиками. Поэтому для перехода от относительных значений к абсолютным значениям координат положения необходимо при вычислении скорости использовать масштабирующий коэффициент.

Согласно предлагаемому способу, в качестве упомянутого масштабирующего коэффициента используется значение l расстояния между датчиками. Посредством этого коэффициента задается размерность абсолютных значений перемещения объекта на контролируемом участке траектории. Причем при таком выборе принимается, что интервал траектории, на котором сигнал каждого датчика изменяется в e раз, равен всей длине l участка траектории, на котором производится измерения скорости, а предполагаемая относительная координата положения объекта считается равной Отсюда видно, что относительному расстоянию между датчиками приписывается значение 1, а относительному расстоянию от каждого датчика до точки начала координат - соответственно значение 1/2. Реально упомянутый интервал траектории, соответствующий изменению сигнала датчика в e раз, может отличаться от выбранного заранее значения l. Таким образом, для определения в процессе измерения скорости истинной относительной координаты X, в общем случае отличающейся от предполагаемой Х*, необходимо использовать дополнительный поправочный коэффициент, который, учитывая линейный вид координатной функции (1), будет постоянным для всех точек контролируемого участка траектории. В заявляемом способе используется то обстоятельство, что в начале процесса измерения скорости, то есть в момент прохода объектом первого по ходу движения датчика, точно известна истинная координата положения объекта. Определив в этот момент значение F₀ координатной функции, в соответствии с (1) можно найти фактическое значение относительной координаты Х д1 в точке расположения упомянутого датчика как и сравнить его с предполагаемым значением Х^* _д1, которое, как было показано выше, равно
Сравнивая (4) и (5), видно, что
X_д1=X_д1* • F₀, (6)
то есть значение F₀ координатной функции в момент прохождения объектом первого по ходу движения датчика и есть необходимый поправочный коэффициент. Тогда, учитывая справедливость (6) для всех точек траектории вследствие отмеченного выше постоянства поправочного коэффициента, и используя (3), можно записать

Согласно (7), выражение для производной dX/dt относительной координаты по времени будет выглядеть следующим образом:

Учитывая, что множитель dS(t)/dt в правой части выражения (8) представляет собой искомую величину скорости, и сопоставляя (2) и (8), можно записать окончательное выражение для скорости v движения объекта:

Как видно из (9), использование в качестве масштабирующего коэффициента известного расстояния l между датчиками требует введения дополнительной операции запоминания значения F₀ координатной функции в момент прохождения объектом первого по направлению движения датчика положения.

Точность предлагаемого способа, как и способа-прототипа, определяется методической погрешностью аппроксимации выходных сигналов датчиков, а также погрешностями вычислений значений координатной функции и скорости движения объекта. Кроме того, на погрешность измерений по способу-прототипу влияет степень достоверности оценки интервала траектории, на границах которого сигнал каждого датчика изменяется в e раз. Величина этого интервала согласно способу-прототипу должна определяться заранее посредством расчетов и использоваться в качестве масштабирующего коэффициента при вычислении скорости. Причем для выполнения указанных расчетов необходимо использовать ряд параметров, в том числе геометрических параметров контролируемого объекта, которые априорно могут быть не известны или известны с малой точностью. В отличие от способа-прототипа, в предлагаемом способе в качестве масштабирующего коэффициента, задаваемого заранее, используется точно известное значение l расстояния между датчиками, а реальный интервал траектории, соответствующий изменению сигнала каждого датчика в e раз, учитывается посредством определения и запоминания значения F₀ координатной функции в момент прохода контролируемым объектом первого по направлению движения датчика. Это значение функционально связано со всеми параметрами, в том числе с реальными параметрами объекта, которые влияют на интервал траектории, на границах которого сигнал каждого датчика изменяется в e раз. Таким образом, упомянутый интервал учитывается автоматически в процессе измерения скорости, и выполнение предварительных расчетов не требуется, что обеспечивает при прочих равных условиях более высокую по сравнению со способом-прототипом точность измерения скорости движения объекта.

На чертеже приведена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа измерения скорости движения объекта на участке траектории длиной l, ограниченном двумя датчиками положения.

Устройство, реализующее заявляемый способ измерения скорости движения объекта (см. чертеж), содержит датчики положения (Д) 1 и 2 с колоколообразной передаточной характеристикой, подключенные соответственно к входу "Делимое" и входу "Делитель" первого делительного устройства (ДУ1)3, причем выход датчика положения 1 соединен с входом порогового элемента (ПЭ)4. Выход первого делительного устройства 3 подключен к входу логарифмирующего устройства (ЛУ) 5, выход которого соединен с информационным входом управляемого ключа (К)6 и информационным входом запоминающего устройства (ЗУ)7. Управляющие входы управляемого ключа 6 и запоминающего устройства 7 подключены к выходу порогового элемента 4. Выход запоминающего устройства 7 соединен с входом "Делитель" второго делительного устройства (ДУ2)8, вход "Делимое" которого является общим входом устройства для измерения скорости и предназначен для подачи сигнала, пропорционального расстоянию l между датчиками 1 и 2. Выход управляемого ключа 6 подключен к входу дифференцирующего устройства (Диф)9, выход которого соединен с первым входом устройства умножения (УУ)10. Выход второго делительного устройства 8 подключен к второму входу устройства умножения 10, выход которого является общим выходом устройства для измерения скорости.

Устройство функционирует следующим образом.

При движении объекта на участке траектории длиной l, ограниченном датчиками 1 и 2, на выходе ДУ1 3 присутствует сигнал U1/U2 отношения выходных сигналов датчиков, а на выходе ЛУ 5 - сигнал, представляющий собой текущее значение координатной функции . В начале процесса измерения скорости, то есть в момент прохода объектом первого по направлению движения датчика 1 на выходе ПЭ 4 вырабатывается управляющий сигнал (ПЭ 4 срабатывает при нарастании сигнала датчика 1 до максимума), воздействующий на управляемый ключ 6. В результате управляемый ключ 6 включается, и выход ЛУ 5 соединяется с входом Диф 9. Посредством этого же управляющего сигнала выдается команда "Запомнить" для ЗУ 7. В результате в последнем запоминается значение F₀ координатной функции, полученное в момент прохода объектом датчика 1, а на выходе ЗУ 7 формируется сигнал, пропорциональный указанному значению координатной функции, который поступает на вход "Делитель" ДУ2 8. На вход "Делимое" ДУ2 8 подается сигнал, пропорциональный расстоянию l между датчиками. Таким образом, на выходе ДУ2 8 будет присутствовать сигнал отношения l/F₀. Блок Диф 9 (его коэффициент усиления выбирается равным 1/2) осуществляет дифференцирование по времени координатной функции и непрерывно выдает сигнал , поступающий на первый вход УУ 10. На второй вход УУ 10 подается сигнал с выхода ДУ2 8. Таким образом, на выходе УУ10 непрерывно формируется сигнал , пропорциональный скорости движения объекта.

Использование заявляемого технического решения позволит повысить точность измерения скорости движения объекта.

Применение заявляемого технического решения наиболее целесообразно при контроле движения проводников с током.

Формула изобретения

Способ измерения скорости движения объекта, заключающийся в непрерывном измерении сигналов U1(X), U2(X) двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении в процессе измерения скорости координатной функции F, зависящей от положения (координаты X) объекта, по формуле

определении скорости движения объекта как величины, прямо пропорциональной производной dF/dt упомянутой координатной функции по времени, и использовании при вычислении скорости заранее заданного масштабирующего коэффициента, отличающийся тем, что упомянутый масштабирующий коэффициент выбирают равным расстоянию l между датчиками, далее в процессе измерения скорости запоминают значение F₀ координатной функции в момент прохождения объектом точки траектории, соответствующей расположению первого по направлению движения датчика, а скорость v движения объекта определяют как
а

РИСУНКИ

Рисунок 1