Способ измерения скорости линейного перемещения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости линейного перемещения объектов по заданной траектории. Способ измерения скорости линейного перемещения объекта основан на использовании датчиков положения, установленных вдоль траектории движения, предварительном формировании и запоминании эталонной функции как отношения зависимостей от координаты местоположения объекта выходных напряжений двух соседних датчиков положения, измерении текущих значений напряжений этих датчиков в процессе движения объекта, определении текущей функции от времени отношения этих напряжений, сравнении значений эталонной и текущей функции, определении и запоминании моментов времени t_i равенства значений текущей функции заданным значениям эталонной функции, определении по эталонной функции значений координат Х_i положения объекта, задании их в качестве точек Δt_i= t_i-t_i-1 регистрации, соответствующих упомянутым моментам, вычислении интервалов времени Δt_i=t_i-t_i-1 прохождения объектом расстояния Δx_i между соседними точками регистрации Х _i-1 и Х_i и определении значений средней скорости на интервале пути Δx_i по формуле где Δx_i = X_i-X_i-1 и Δt_i - соответственно, интервал пути и интервал времени между моментами регистрации t₁ и t_i-1; i=1,2,...N-1; N - количество точек регистрации, причем при задании координат Х_i регистрации с шагом Δx_i интервал пути Δx₁ между первым и вторым моментами регистрации, соответствующими координатам Х₂ и Х₁ местоположения объекта, определяют по формуле а интервалы пути Δx_i между последующими моментами регистрации определяют по формуле где σ_м1 - среднеквадратическое отклонение методической погрешности на 1-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта; - закон изменения отношения среднеквадратических отклонений методической погрешности σ_мi+1 на (i+1)-м и σ_{м i} на i-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта; σ_x - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности задания координаты регистрации объекта; σ_t - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности измерения интервала времени Δt;; Δt_i-1 - время прохождения объектом интервала пути Δx_i-1 между двумя соседними точками регистрации, предшествующего интервалу пути Δx_i, на котором измеряется текущее значение скорости V_i. Техническим результатом является повышение точности измерения скорости за счет создания условий, приводящих к минимизации суммы методической и инструментальной составляющих погрешности измерения скорости. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости линейного перемещения объектов по заданной траектории.

Известен способ измерения скорости движения объекта [Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 1, М., 1974. С.160], заключающийся в измерении интервала времени Δt прохождении объектом базового расстояния Δx между двумя датчиками и определении скорости как
Недостатком данного способа измерения скорости является низкая точность измерения скорости, поскольку он предполагает измерение среднего значения скорости на интервале пути Δx, которое отличается от мгновенного значения скорости движения объекта в соответствующей координате внутри интервала пути Δx на траектории движения объекта. Это приводит к большой (до 50%) методической погрешности измерения скорости. Снижение методической погрешности, в принципе, возможно путем уменьшения базового расстояния Δx (в пределе при стремлении Δx к нулю методическая погрешность также стремится к нулю, так как определенное согласно (1) на таком малом интервале пути значение скорости является мгновенной скоростью). Однако на практике такое уменьшение базового расстояния Δx до предельно малого значения сталкивается с проблемами не только экономического (требуется большое количество датчиков положения), но и технологического характера, когда из-за конечных размеров датчиков невозможно разместить их в непосредственной близости друг от друга.

Известен способ измерения скорости движения объекта, являющийся наиболее близким техническим решением к заявляемому (прототипом) [авт. свид. СССР 1672378, кл. G 01 P 3/64, БИ 31, 1991], который также основан на времяпролетном принципе измерения и использовании датчиков положения, установленных вдоль траектории движения. Этот способ позволяет измерять значения скорости, приближающиеся к мгновенным за счет уменьшения базовых интервалов пути без увеличения количества датчиков. Способ-прототип основан на использовании датчиков положения, установленных вдоль траектории движения, предварительном формировании и запоминании эталонной функции как отношения зависимостей от координаты местоположения объекта выходных напряжений двух соседних датчиков положения, измерении текущих значений напряжений этих датчиков в процессе движения объекта, определении текущей функции от времени отношения этих напряжений, сравнении значений эталонной и текущей функций, определении и запоминании моментов времени t_i равенства значений текущей функции заданным значениям эталонной функции, определении по эталонной функции значений координат Х_i положения объекта, задании их в качестве точек Δt_i=t_i-t_i-1 регистрации, соответствующих упомянутым моментам, вычислении интервалов времени Δt_i= t_i-t_i-1 прохождения объектом расстояния Δx_i между соседними точками регистрации Х_i-1 и X_i и определении значений средней скорости на интервале пути Δx_i по формуле

где Δx_i=X_i-Х_i-1, - соответственно, интервал пути и интервал времени между моментами регистрации t_i и t_i-1;
i=1, 2,..., N-1;
N - количество точек регистрации.

Согласно данному способу путем разбиения основного интервала между двумя соседними датчиками на достаточно большое количество (N-1) малых подинтервалов, ограниченных с обеих сторон заданными заранее точками (координатами) регистрации, можно достигнуть резкого уменьшения методической погрешности измерения скорости за счет уменьшения базового расстояния Δx_i=X_i-Х_i-1 при вычислении скорости по формуле и приближении тем самым измеренного значения скорости к мгновенному. Однако при таком способе одновременно со снижением методической составляющей погрешности измерения скорости так же резко возрастает относительная инструментальная составляющая погрешности, так как относительное значение погрешности измерения интервала пути (времени) увеличивается с уменьшением этих интервалов при использовании того же измерительного инструментария. (Например, при измерении (задании) расстояния между координатами регистрации, находящимися друг от друга на расстоянии 1 см прибором, абсолютная погрешность которого 1 мм, относительная погрешность измерения расстояния будет равна 10%, а при уменьшении этого расстояния с 1 см до 2 мм относительная погрешность измерения тем же прибором составляет уже 50%. То же относится и к измерению интервала времени). Таким образом, уменьшение расстояния между задаваемыми точками регистрации, с одной стороны, приводит к уменьшению методической погрешности измерения скорости, а с другой стороны, - к увеличению относительной инструментальной погрешности измерения интервалов пути и времени, а в конечном итоге - к снижению эффекта от уменьшения расстояния между точками регистрации: способ-прототип хотя и обеспечивает измерение почти мгновенных значений скорости, но с большой погрешностью из-за резкого увеличения доли относительной инструментальной погрешности.

Задачей изобретения является повышение точности измерения скорости за счет создания условий, приводящих к минимизации суммы методической и инструментальной составляющих погрешности измерения скорости. Указанные условия создаются путем выбора и задания непосредственно в процессе измерения вполне определенных (оптимальных) интервалов пути между соседними точками (координатами) регистрации на контролируемом участке траектории движения объекта, обеспечивающих минимизацию суммарной погрешности измерения.

Решение задачи достигается тем, что в способе измерения скорости движения объекта, основанном на использовании датчиков положения, установленных вдоль траектории движения, предварительном формировании и запоминании эталонной функции как отношения зависимостей от координаты местоположения объекта выходных напряжений двух соседних датчиков положения, измерении текущих значений напряжений этих датчиков в процессе движения объекта, определении текущей функции от времени отношения этих напряжений, сравнении значений эталонной и текущей функций, определении и запоминании моментов времени t_i равенства значений текущей функции заданным значениям эталонной функции, определении по эталонной функции значений координат Х_i положения объекта, задании их в качестве точек Δt_i=t_i-t_i-1 регистрации, соответствующих упомянутым моментам, вычислении интервалов времени Δt_i=t_i-t_i-1 прохождения объектом расстояния Δx_i между соседними точками регистрации Х_i-1 и X_i и определении значений средней скорости на интервале пути Δx_i по формуле

где Δx_i=X_i-Х_i-1, - соответственно, интервал пути и интервал времени между моментами регистрации t_i и t_i-1;
i=1, 2,..., N-1;
N - количество точек регистрации,
дополнительно при задании координат X_i регистрации с шагом Δx₁ интервал пути Δx₁ между первым и вторым моментами регистрации, соответствующими координатам Х₂ и Х₁ местоположения объекта, определяют по формуле

а интервалы пути Δx_i между последующими моментами регистрации определяют по формуле

где σ_м1 - среднеквадратическое отклонение методической погрешности на 1-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта;
i= 2, 3,..., N-1 - закон изменения отношения среднеквадратических отклонений методической погрешности σ_мi+1 на (i+1)-м и σ_мi на i-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта;
σ_x - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности задания координаты регистрации объекта;
σ_t - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности измерения интервала времени Δt;
Δt_i-1 время прохождения объектом интервала пути Δx_i-1 между двумя соседними точками регистрации, предшествующего интервалу пути Δx_i, на котором измеряется текущее значение скорости V_i.

Заявляемое решение отличается от способа-прототипа тем, что при задании координат X_i регистрации с шагом Δx_i интервал пути Δx₁ между первым и вторым моментами регистрации, соответствующими координатам Х₂ и Х₁ местоположения объекта, определяют по формуле

а интервалы пути Δx_i между последующими моментами регистрации определяют по формуле

где σ_м1 - среднеквадратическое отклонение методической погрешности на 1-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта;
, i= 2, 3,..., N-1 - закон изменения отношения среднеквадратических отклонений методической погрешности σ_мi+1 на (i+1)-M и σ_мi на i-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта;
σ_x - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности задания координаты регистрации объекта;
σ_t - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности измерения интервала времени Δt;
Δt_i-1 - время прохождения объектом интервала пути Δx_i-1 между двумя соседними точками регистрации, предшествующего интервалу пути Δx_i, на котором измеряется текущее значение скорости V_i.

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

В соответствии с предлагаемым способом для определения условий измерений, обеспечивающих снижение общей погрешности измерения скорости, необходимо учитывать, кроме относительной методической погрешности γ_м, составляющие относительной погрешности измерения средней скорости, зависящие от Δx, а значит и от количества n контролируемых интервалов траектории и количества N точек регистрации при заданной длине S контролируемого участка траектории движущегося объекта. К составляющим относительной погрешности измерения средней скорости относится, во-первых, приведенная относительная погрешность γ_x измерения интервала Δx пути (погрешность из-за неточности задания точек регистрации на траектории движения)
γ_x = Δ_x/Δx, (2)
где Δ_x - абсолютное значение погрешности измерения интервала Δx.
Второй составляющей погрешности измерения средней скорости является приведенная относительная погрешность γ_t измерения временного интервала Δt_i
γ_i = Δ_t/Δt = V_cpiΔ_t/Δx, (3)
где Δ_t - абсолютное значение погрешности измерения времени на i-м интервале Δx.
Учитывая, что при оценке погрешностей измерения скорости прямолинейного движения необходимо в качестве расчетного режима рассматривать равноускоренное движение [статья: Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Выбор расчетного режима для оценки методической погрешности измерителей скорости времяпролетного типа // Известия Сев. - Кавк. Научн. Центра высш. шк., сер. "Техн. науки", 3-4, 1993, с.92-98], значение методической погрешности измерения на i-м интервале траектории принимаем равным величине aΔt_i/2, откуда можно представить относительную приведенную методическую погрешность γ_мi на i-м интервале как:

где V_{ср i} - средняя скорость на i-ом интервале траектории.

Как отмечалось выше, из выражений (2)-(4) видно, что величины обеих составляющих инструментальной погрешности прямо пропорциональны, а величина методической погрешности обратно пропорциональна количеству интервалов n=N-1 на контролируемом участке пути. Тогда, выбирая в качестве критерия оптимальности интервала пути Δx минимум суммы методической и инструментальной погрешности измерения скорости, можно определить удовлетворяющие этому критерию значения Δx, n, N.

Более строгий подход предполагает учет случайного характера соответствующих погрешностей. Прологарифмируем и продифференцируем по времени t левую и правую части формулы (1) для средней скорости, в которой для простоты опустим индексы при Δt и V_ср:

Отсюда после несложных преобразований получаем

или, полагая, что погрешности достаточно малы и поэтому допускается переход от дифференциалов к соответствующим приращениям, получаем общее выражение для относительной погрешности косвенного измерения среднего значения скорости

Как видно из (5), относительная погрешность измерения средней скорости состоит из двух составляющих: погрешности Δ_x/Δx задания точек (координат) регистрации на траектории движения и погрешности Δ_t/Δt определения момента времени для каждого из концов временного интервала Δt_i. В свою очередь, погрешность Δ_t/Δt также состоит из двух составляющих: собственно погрешности измерения временного интервала и погрешности формирования старт-стопных сигналов таймера.

Выражение (5) для относительной погрешности косвенного измерения среднего значения скорости имеет вид

где σ_и,σ_x,σ_t - соответственно, с.к.о. погрешности измерения средней на интервале скорости, с. к. о. погрешности измерения интервала пути и с.к.о. погрешности измерения времени.

Кроме с. к.о. составляющей погрешности измерения среднего значения скорости σ_и, введем в рассмотрение с.к.о. методической составляющей погрешности измерения скорости σ_м. После возведения в квадрат левой и правой частей уравнения (6), добавления в левую и правую части полученного уравнения слагаемого σ²_м/V²_cp извлечения квадратного корня из левой и правой частей последнего уравнения, получим:

В левой части уравнения (7) числитель представляет собой характеристику случайной погрешности измерения скорости, состоящей из методической погрешности σ_м и погрешности измерения средней скорости Левую часть уравнения (7) можно трактовать как нормированное значение с.к.о. случайной погрешности измерения скорости представляющее собой сумму двух составляющих - нормированных значений с.к.о. методической γ_σм погрешности и с. к. о. погрешности γ_σи измерения средней скорости. Здесь - с.к.о. суммарной погрешности измерения скорости.

Таким образом, выражение (7) может быть представлено в виде:

где γ²_σи = (σ_x/Δx)²+(σ_t/Δt)².
Исследуем функционал (8) на экстремум с целью определения условий возникновения минимума γ_σΣ на i-м интервале пути Δx_i. В результате получаем:

Тогда правая часть уравнения (7) для i-го интервала пути может быть представлена как:

где индексы "i" обозначают i-й интервал пути.

Определим минимум γ_σΣ на i-м интервале пути, приравняв нулю производную по Δx_i от выражения (9):

Преобразуем данное выражение к форме, в которой правая часть будет содержать только погрешности измерения и ускорение на данном интервале пути. Полагая, что расчетный закон движения разгоняемого объекта - равноускоренный [статья: Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Выбор расчетного режима для оценки методической погрешности измерителей скорости времяпролетного типа // Известия Сев. - Кавк. Научн. Центра высш. шк., сер. "Техн. науки", 3-4,1993, с. 92-98] и используя очевидные выражения для i-го интервала пути 2аΔ_i=(V_к+V_н) (V_к-V_н), V_{ср 1}=(V_к+V_н)/2, σ_мi = (V_к-V_н)/2, имеем
V_cpi = aΔx_i/2σ_мi. (11)
После несложных преобразований из (11) получаем

Учитывая, что при равноускоренном движении

имеем
Подставляя последнее выражение в (12), получаем расчетное выражение для оптимальных значений интервалов пути между соседними точками (координатами) регистрации на контролируемом участке пути:

Выбирая расстояние Δx_i между соседними точками (координатами) регистрации в соответствии с выражением (13), можно обеспечить измерение скорости на i-том интервале пути (начиная со 2-го) с минимальной суммарной погрешностью γ_σΣ. (Предполагается, что погрешности измерения расстояния Δx_i(σ_x) и времени Δt_i(σ_t) на всех интервалах измерения одинаковы, так как измерения производятся одними и теми же приборами).

Анализ выражения (13) показывает, что для определения оптимальных значений интервалов пути Δx_i между соседними точками (координатами) регистрации необходимо знать закон изменения методической погрешности от интервала к интервалу пути и постоянные значения инструментальных погрешностей σ_t и σ_x приборов для измерения времени и интервалов пути соответственно, а в процессе контроля движения объекта измерять время Δt_i-1 прохождения объектом расстояния между соседними точками (координатами) регистрации на предшествующих интервалах пути Δx_i-1. Закон изменения отношения методических погрешностей согласно [Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Исследование методической погрешности измерителей скорости времяпролетного типа// Известия Сев. - Кавк. Научн. Центра высш. шк., сер. "Техн. науки", 3-4,1993, с.84-92] определяется из выражения

Тогда, получая из последнего выражения имеем окончательное выражение для закона измерения отношения методических погрешностей на соседних интервалах, начиная со второго:

Особо следует отметить, что осуществить на первом интервале пути (между первой и второй точками регистрации) требуемую согласно (13) операцию измерения интервала времени прохождения объектом участка траектории, предшествующего участку, на котором измеряется скорость, невозможно в принципе из-за того, что измерения начинаются только с места установки первого датчика. Поэтому необходимо предложить иной механизм определения оптимального интервала пути между первым и вторым датчиками, также обеспечивающий минимизацию суммы методической и инструментальной погрешностей, но не требующий измерения интервала времени прохождения интервала пути, предшествующего первому интервалу пути. Для этого исследуем функционал (8) на экстремум с целью определения условий возникновения минимума γ_σΣ на 1-м интервале пути Δx₁, для которого, как известно [статья: Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Исследование методической погрешности измерителей скорости времяпролетного типа// Изв. Сев. - Кавк. науч. центра высш. шк. Техн. науки. 1993. 3-4. С. 84-92], характерна максимальная методическая погрешность измерения скорости.

Учитывая, что (как отмечалось выше), в качестве расчетного следует принимать режим равноускоренного движения, а также то, что согласно [там же] с. к.о. методической погрешности на 1-м интервале пути где Δ_м1max = a•Δt/2 - максимальное значение абсолютной методической погрешности на 1-м интервале пути [там же], получаем:

где Δt₁ - время движения объекта на 1-м интервале пути.

С учетом (14) правая часть уравнения (7) для 1-го интервала пути имеет вид:

где индексы "1" обозначают 1-й интервал пути.

Определим экстремум описывающей суммарную погрешность функции, взяв производную по Δx₁ от выражения (15) и приравняв результат нулю. В результате получаем условие обеспечения минимума суммарной погрешности γ_σΣ на 1-м интервале пути:

Учитывая, что для равноускоренного движения V²_cp1 = a•Δx₁/2, из (16) имеем:
Δx²₁ = 12(σ²_x+V²_cp1σ²_t). (17)
Так как согласно [статья: Кириевский Е.В., Михайлов А.А. Исследование методической погрешности измерителей скорости времяпролетного типа// Изв. Сев. - Кавк. науч. центра высш. шк. Техн. науки. 1993. 3-4. С.84-92] причем, V_cp1 = Δ_м1max или выражение (17), в свою очередь, может быть представлено как

Таким образом, выбирая расстояние Δx между первой (совпадающей с местом установки первого датчика) и второй точками регистрации в соответствии с выражением (18), можно обеспечить измерение скорости на первом интервале пути Δx₁ с минимальной суммарной погрешностью γ_σΣ.
Как видно из сравнения выражений (13) и (18), для определения оптимального интервала пути между первой и второй точками регистрации в отличие от последующих интервалов не требуется операции измерения интервала времени на предшествующем первому интервалу ("несуществующем") интервале пути.

Таким образом, суть предлагаемого технического решения заключается в том, что, в отличие от способа-прототипа, согласно которому точки регистрации располагают с равномерным шагом вдоль траектории движения объекта, в предлагаемом способе точки регистрации располагают с неравномерным шагом таким образом, что выбор интервалов пути между соседними точками регистрации в соответствии с выражениями (13) на первом интервале пути и (18) на всех последующих интервалах пути обеспечивает минимизацию суммы методической и инструментальной погрешностей измерения скорости, а значит по сравнению со способом-прототипом заявляемый способ обеспечивает повышенную точность.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 - пример схемной реализация блока памяти 13, на фиг.3 - пример реализации измерителя временных интервалов 8.

Устройство для измерения скорости по данному способу (фиг.1) содержит два датчика положения 1 и 2 (например, индукционных), подключенных к первому и второму входам блока деления (БД) 3. Кроме того, выход второго датчика подключен к блоку выделения (БВ) максимума сигнала 4. Выход БВ 4 соединен с входом управляемого ключа (K₁) 5, второй вход которого объединен с входом управляемого ключа (К₂) 6, выход которого подключен к входу схемы сравнения (СС) 7. Выход СС 7 соединен с измерителем временных интервалов (ИВИ) 8. Кроме того, устройство содержит счетчик импульсов (СЧ) 9, к входу которого подсоединен выход первого элемента "ИЛИ1" 10, вход которого соединен с выходом СС 7. К двум другим входам ИВИ 8 подключены соответственно выход второго элемента "ИЛИ2" 11 и генератор импульсов (ГИ) 12. К выходу СЧ 9 подключены вход управляемого источника опорного напряжения (ИОН) 13, вход вычислителя (ВЫЧ) 14. Выход ИОН 13 подключен к другому входу СС 7. Устройство содержит также шину управления 15, к которой подключены другой вход ИОН 13 и входы ключей 5 и 6. Выход БД 3 соединен с дополнительным входом ИОН 13 и другим входом ключа 6.

Кроме того, устройство содержит шину установки устройства в исходное состояние 16, к которой подключен другой вход СЧ 9 и вход ИЛИ2 11. К входу ВЫЧ 4 подсоединен выход элемента задержки импульсов (τ₁) 17, вход которого соединен с выходом СС7 и входом ИЛИ1 10.

К другому входу ИЛИ2 11 подключен выход элемента задержки импульсов (τ₂) 18, к входу которого подключен выход ВЫЧ 14. К этому же выходу последнего подключен вход регистра памяти (РП) 19, два других входа которого соединены, соответственно, с выходом ИВИ 8 и шиной установки устройства в исходное состояние 16, а выход РП 19 соединен с входом ВЫЧ 19.

К соответствующим входам ВЫЧ 14 подводятся задаваемые значения х_i и скорости V_э. Один выход ВЫЧ 14 подключен к другому входу ИЛИ1 10 и входу ИОН 13. Другой выход ВЫЧ 14 является выходом устройства.

ИОН 13 (фиг.2) содержит блок управления (БУ) 20, одним выходом подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 21, а вторым выходом - к первому входу блока памяти (БП) 22, к второму входу которого подключен выход АЦП 21, а выход блока памяти 22 - к входу цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 23. Третий выход БУ 20 подключен к первому входу блока ключей (БК) 24, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выходами вычислителя 14 и второго счетчика 9 (фиг.1). Вход БУ 20 соединен с шиной 15, другой вход АЦП 21 - с БД 3 (фиг.1), а выход БК 24 соединен с другим входом БП 22. Выход ЦАП 23 является выходом ИОН 13 и подключен к СС 7 (фиг.1).

Измеритель временных интервалов 8 (фиг.3) содержит триггер 25, R- и S-входы которого соединены соответственно с R- и S- входами ИВИ 8 (фиг.1). Выход триггера 25 подключен к первому входу элемента "И" 26, второй вход которого соединен с выходом ГИ 12 (фиг.1). Выход элемента "И" 26 соединен со счетным входом счетчика СЧ 27, вход установки в исходное состояние которого через элемент τ 28 задержки импульса соединен с S - входом ИВИ 8. Выходы СЧ 27 являются выходом устройства ИВИ 8 и соединены с входом ВЫЧ 14 (фиг.1).

Устройство по предлагаемому способу работает следующим образом. Этап калибровки устройства осуществляется так же, как и в прототипе, а именно, до начала измерения в вычислитель 14 заносят координаты X_i точек регистрации объекта, на которые разбивают весь путь и величину постоянной скорости V_э. На шину 16 подают сигнал установки устройства в исходное состояние, а на шину 15 управления подают сигнал установки устройства в исходное состояние в режиме калибровки. При этом ключ 5 замыкается, блок ключей источника опорного напряжения 13 переключается на подключение выходов второго счетчика 9 к адресным входам блока памяти источника опорного напряжения 13, а ключ 6 размыкается. В этот момент запускается эталонный объект по траектории движения. В момент прохождения объектом датчика 1 в последнем возбуждается сигнал и при достижении его максимального значения срабатывает БВ 4, с выхода которого сигнал через замкнутый ключ 5 поступает на вход вычислителя 14, который начинает отсчитывать интервал времени t_i, за который эталонный объект достигает точек траектории с координатами X_i. В момент равенства величины t_i и величины t_iэ, рассчитанной вычислителем 14 по величинам X_i и V_э, на выходе ВЫЧ. 14 появляется сигнал, который поступает на управляемый ИОН 13. По этому сигналу осуществляется запись в БП 21, входящий в ИОН 13, кода, соответствующего сигналу, поступающему с выхода БД 3, и через первый элемент "ИЛИ" 10 - на счетный вход первого счетчика 9. Код на выходе последнего увеличивается на единицу и поступает в ИОН 13 для выбора следующей ячейки памяти, а также в вычислитель 14 для выбора следующего значения t_i+1э для следующей расчетной точки с координатой Х_i+1 и так далее, пока не произойдет запись величин сигналов, поступающих из БД 3 в ИОН 13, для всех расчетных точек, расположенных на траектории движения объекта между двумя датчиками.

Отличие между способом-прототипом и заявляемым способом на этапе калибровки заключается лишь в том, что расстояние между точками калибровки выбираются, исходя из необходимой погрешности задания координаты регистрации движущегося объекта при определении скорости, т.е. при калибровке создается "линейка" из точек (координат) регистрации с необходимой дискретизацией, на которой на этапе измерения и производят выбор координат (точек) регистрации движущегося объекта. В результате калибровки устройства в блоке памяти 21 ИОН 13 будут записаны значения отношений напряжений двух соседних точек регистрации на траектории движения с заданными координатами X_i.

В исходном состоянии в устройстве производится расчет и ввод в вычислитель 14 постоянного для всех интервалов между соседними точками регистрации абсолютного значения погрешности измерения средней на каждом интервале скорости, состоящей из погрешности измерения интервала времени и погрешности задания интервала пути между датчиками.

Для осуществления измерения скорости перемещения контролируемого объекта снимают сигнал с шины 15 управления, в результате чего ключ 5 размыкается, а ключ 6 замыкается, и подают сигнал на шину 16, т.е. переключают устройство из режима калибровки в рабочий режим и приводят устройство в исходное состояние. На входе СС 7 с выхода ИОН 13 устанавливается напряжение, соответствующее нахождению объекта в точке траектории с координатой Х₁. В процессе измерения скорости контролируемого объекта происходит сравнение на элементе 7 непрерывного сигнала F_k1, получаемого в результате деления сигналов двух датчиков в блоке 3, и фиксированного значения сигнала f_1э, поступающего с выхода ИОН 13. При этом на второй вход ИВИ 8 поступают импульсы от ГИ 12, заполняя счетчик 27 до момента прихода переднего фронта следующего импульса от СС 7, т. е. происходит подсчет количества импульсов от ГИ 12 за время между двумя импульсами от СС 7, а код на выходе ИВИ 8 пропорционален времени прохождения объекта между двумя соседними точками регистрации Х₁ и Х₂ на траектории движения. При наступлении равенства этих сигналов на выходе СС 7 формируется импульс калиброванной длительности, который поступает на вход "ОСТАНОВ" ИВИ 8, на счетный вход счетчика 9 и через первый элемент задержки импульса τ₁ 17 на вход "ЗАПУСК ВЫЧИСЛЕНИЯ" вычислителя 14. Импульс с выхода СС 7, пройдя через первый элемент "ИЛИ" 10 на вход счетчика 9, увеличивает выходной код последнего на единицу, после чего этот код поступает на адресный вход вычислителя 14. Определенный вычислителем 14 код координаты Х_i, поступая на адресные входы ИОН 13, обеспечивает выборку из памяти последнего следующего значения F_2Э для фиксации движущегося объекта в следующей точке с координатой X_i и т.д. до тех пор, пока объект не пройдет мимо всех точек регистрации X_i до датчика 2.

После окончания измерения временного интервала в ИВИ 8 вычислитель 14 по импульсу с выхода первого элемента τ₁ 17 задержки импульса определяет новый интервал Δx_i измерения скорости. После окончания вычислений измеренное значение временного интервала запоминается также в РП 19, а через задержку, величина которой определяется вторым элементом задержки импульса τ₂ 18, осуществляется обнуление счетчика 27 в ИВИ 8 и включение его на подсчет импульсов с ГИ 12, т.е. измерение нового интервала времени. Запомненное в РП 19 значение временного интервала используется для расчета в вычислителе 14 расстояния Δx_i между последующими парами точек (координат) регистрации. В вычислителе 14 определяется значение новой координаты регистрации местоположения объекта в соответствии с выражением X_i=Х_i-1+Δx_i. По данному значению координаты осуществляют выбор каждого значения эталонной функции для соответствующей точки регистрации.

Таким образом, в процессе измерения скорости объекта в ИВИ 8 определяют временной интервал прохождения объектом расстояния между соответствующими точками регистрации, а в вычислителе 14 определяют скорость движения объекта на текущем интервале регистрации скорости. После этого интервал времени Δt_i, в течение которого объект двигался на i-м интервале измерения скорости, запоминается в РП 19. Вычисление и запоминание скорости на каждом интервале происходит в вычислителе 14 по формуле

По окончании процесса измерения с выхода вычислителя 14 получается информация о скорости объекта. Причем, согласно предлагаемому способу осуществляется последовательное определение интервалов пути Δx_i, начиная с интервала между второй и третьей точками регистрации объекта по формуле (13), и выбор на траектории движения соответствующей этому результату расчета точки регистрации объекта. После измерения на данном интервале движения временного интервала Δt_i осуществляется определение по формуле (19) средних значений скорости на заданных согласно формулам (13), (18) интервалах пути. В результате обеспечивается измерение средней на интервале скорости с минимальной суммарной погрешностью.

Наиболее целесообразно использование предлагаемого способа измерения скорости при решении задач управляемого разгона, например, в электродинамических ускорителях масс, когда необходимо иметь точную информацию о скорости объекта в реальном времени в процессе разгона для формирования команд управления подводом энергии к ускорителю масс и, особенно, на конечном участке контролируемой траектории движения.

Формула изобретения

Способ измерения скорости линейного перемещения объекта, основанный на использовании датчиков положения, установленных вдоль траектории движения, предварительном формировании и запоминании эталонной функции как отношения зависимостей от координаты местоположения объекта выходных напряжений двух соседних датчиков положения, измерении текущих значений напряжений этих датчиков в процессе движения объекта, определении текущей функции от времени отношения этих напряжений, сравнении значений эталонной и текущей функций, определении и запоминании моментов времени _i равенства значений текущей функции заданным значениям эталонной функций, определении по эталонной функции значений координат Х_i положения объекта, задании их в качестве точек Δt_i= t_i-t_i-1 регистрации, соответствующих упомянутым моментам, вычислении интервалов времени Δt_i= t_i-t_i-1 прохождения объектом расстояния Δx_i между соседними точками регистрации Х_i-1 и Х_i и определении значений средней скорости на интервале пути Δx_i по формуле где Δx_i = X_i-X_i-1 и Δt_i - соответственно, интервал пути и интервал времени между моментами регистрации t₁ и t_i-1; i=1, 2,... N-1; N - количество точек регистрации, отличающийся тем, что при задании координат Х_i регистрации с шагом Δx_i интервал пути Δx₁ между первым и вторым моментами регистрации, соответствующими координатам Х₂ и Х₁ местоположения объекта, определяют по формуле

а интервалы пути Δx_i между последующими моментами регистрации определяют по формуле

где σ_м1 среднеквадратическое отклонение методической погрешности на l-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта;
- закон изменения отношения среднеквадратических отклонений методической погрешности σ_мi+1 на (i+1)-м и σ_мi на i-м интервале пути между соседними точками регистрации объекта;
σ_x - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности задания координаты регистрации объекта;
σ_t - среднеквадратическое отклонение инструментальной погрешности измерения интервала времени Δt;
Δt_i-1 время прохождения объектом интервала пути Δx_i-1 между двумя соседними точками регистрации, предшествующего интервалу пути Δx_i, на котором измеряется текущее значение скорости V_i.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3