CZ287073B6 - Method and apparatus for measuring short time intervals - Google Patents

Description

Způsob a zařízení na měření malých časových intervalů

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu měření časového intervalu, kdy se v jednom měřicím cyklu pro měření použije nejméně N po sobě jdoucích vstupních impulzů šířky Δΐ; ze svazku impulzů a dále se týká zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Je známa řada digitálních a analogových měřicích metod na měření časových intervalů v nanosekundové oblasti. Digitální metody se vyznačují téměř neomezenou dynamikou, tj. poměrem nejmenšího měřitelného časového intervalu k největšímu. Rozlišovací schopnost těchto metod je však poměrně malá. U jednoduchých digitálních metod čítání je rozlišení omezeno maximální taktovou frekvencí čítače, která u moderních čítačů dosahuje asi 1 GHz. Tím je rozlišení jednoduché čítači metody omezeno na hodnoty větší než asi 1 ns. V publikaci Instruments & Control Systems 38 (P. Young, 1965) je na str. 105 v článku „1 ns nanosecond time interval counter“ popsáno, jak je možné dosáhnout vyššího rozlišení digitální interpolační metodou použitím namísto lychlých čítačích obvodů rychlých obvodů koincidenčních, realizovatelných snáze a levněji.

Podstatně vyšší rozlišení vyplývají z použití analogových interpolačních metod, přičemž je možné zmenšit chybu digitalizace o 3 až 4 řády. Tyto postupy zahrnují násobení délky impulzu, jak je popisuje G. Kramer v „Ein hochauflosender elektronischer Zeitmesser“; Nachrichtentechnische Zeitschrift 23 (1970), sešit 9, str. 433, nebo převod z času na amplitudu, známý např. z disertace J. W. Kleina „Elektronische Zeitmessung im Nanosekunden- und SubnanosekundenGebiet“; TH Aachen (1971). Těmito postupy jsou dosažitelná časová rozlišení až kaši 5 ps bez nákladných rychlých čítačích obvodů. Doba měření a spotřeba energie však rostou s přibývající délkou časového intervalu, takže u těchto metod musí být omezen poměr maximálního a minimálního časového intervalu, tj. dynamika, aby se dosáhlo rozumných dob měření a malé spotřeby energie. Dynamika těchto metod je tedy omezena na hodnoty pod 1000. Kromě toho vykazují tyto analogové měřicí metody špatnou dlouhodobou stálost.

V mnoha použitích je nutné měřit časové intervaly v nanosekundové oblasti s vysokým rozlišením a velkou dynamikou. Příkladem takového použití je měření průtoku v měřicí trubici ultrazvukem metodou rozdílu dob šíření, známou např. z CH 604 133. Průtok se zjišťuje z rozdílu dob šíření dvou ultrazvukových svazků vyzářených při vysílací fázi měřicího cyklu současně dvěma měřicími měniči uspořádanými v malé vzdálenosti od čelních stran měřicí trubice, které proběhnou měřicí trubicí protichůdnými směry, přičemž proudění média v měřicí trubici jeden ultrazvukový svazek zpomalí a druhý urychlí. Oba ultrazvukové svazky tedy dorazí s časovým posuvem k příslušnému protilehlému měřicímu měniči přepnutému mezitím pro přijímací fázi měřicího cyklu na přijímání, který převede zvukové vlnění na přijímaný signál. Oba přijímané signály tak vykazují fázový posun φ závislý na proudění, zjistitelný fázovým detektorem. Fázový detektor vyrobí z obou přijímaných signálů pro každou periodu ultrazvukových vln impulz, jehož trvání resp. šířka jsou úměrné fázovému posunu φ mezi oběma přijímanými signály. U této metody poměrná chyba roste s přibývající šířkou vstupních impulzů.

Cílem vynálezu je vytvořit hospodárný způsob a zařízení na měření malých časových intervalů, jímž je šířka impulzů svazku impulzů měřitelná s vysokým rozlišením a velkou dynamikou.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle se dosahuje způsobem měření časového intervalu Δζ kdy se v jednom měřicím cyklu pro měření použije nejméně N po sobě jdoucích vstupních impulzů šířky At; ze svazku

-1 CZ 287073 B6 impulzů, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se určí minimální počet vstupních impulzů k_mess, jejichž šířky At, sečtené do registračního součtu At_s jsou právě větší než předem pevně stanovený registrační interval R, registrační součet At_s se zvětší o činitel prodloužení z na vzorkovací dobu Át_mess₅ přičemž vzorkovací doba At_mess se měří pomocí vzorkovacích impulzů s dobou periody T_osc a délka časového intervalu At se vypočítává z poměru vzorkovací doby Atmess k součinu minimálního počtu vstupních impulzů k_mess a činitele prodloužení z.

Způsobem podle vynálezu lze měřit malé časové intervaly s vysokým rozlišením a velkou dynamikou.

Podle výhodného provedení se po předem určeném počtu měřicích cyklů vloží jeden kalibrační cyklus pro kalibraci činitele prodloužení, přičemž při kalibračním cyklu se místo vstupních impulzů neznámé šířky přivádějí kalibrační impulzy známé šířky.

Vycházejíc z definovaného referenčního napětí se podle dalšího výhodného provedení stanoví registrační interval jako rozdíl dvou referenčních napětí, registrační součet se načítá jako napětí na kondenzátoru přiváděním stálého proudu během šířky vstupních impulzů, přičemž po překročení registračního intervalu se pomocí zdroje stálého proudu s intenzitou I_L zvýší napětí představující registrační součet na referenční napětí a zároveň se měří k tomu potřebný čas jako doba vzorkování čítáním vzorkovacích impulzů s dobou periody T_osc, přičemž poměr proudů je stálý a roven činiteli prodloužení.

Podle dalšího výhodného provedení jsou vstupní impulzy tvořeny výstupními impulzy fázového detektoru, jejichž šířka je závislá na lychlosti proudění média.

Zařízení k provádění tohoto způsobu sestává z mikroprocesoru pro vyhodnocování výsledků měření a z řídicího zařízení pro řízení měřicích cyklů, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je dále opatřeno registračními prostředky pro vstupní impulzy a měřicími prostředky pro vstupní impulzy registrované v těchto registračních prostředcích, přičemž registrační prostředky jsou tvořeny sumačním členem a čítačem vstupních impulzů pro určení minimálního počtu vstupních impulzů, a měřicí prostředky zahrnují nejméně jeden měřicí oscilátor na vytváření vzorkovacích impulzů s dobou periody, dále čítač vzorkovacích impulzů a časový prodlužovací člen.

Podle výhodného provedení má zařízení vstupní přepínač, který je řízené přepínatelný, přičemž tento vstupní přepínač v jedné poloze propojuje sumační člen se zdrojem vstupních impulzů a ve druhé poloze se zdrojem kalibračních impulzů.

Podle dalšího výhodného provedení mají sumační člen a časový prodlužovací člen společný kondenzátor, a zařízení je dále opatřeno zdroji konstantního proudu pro nabíjení a vybíjení kondenzátoru.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů, na kterých jednotlivé obr. znázorňují:

obr. 1 a svazek impulzů, obr. lb příklad použití měřicího zapojení, obr. 2 příklad zařízení podle vynálezu, obr. 3 výhodné provedení zařízení, obr. 4 diagram závislosti napětí na času.

Příklady provedení vynálezu

Obr. la ukazuje napětí Up výstupních impulzů jako funkce času t během přijímací fáze na výstupu fázového detektoru 99 na obr. lb průtokoměru 98 popisovaného v úvodem zmíněném spisu CH 604 133. Fázový detektor 99 průtokoměru je zařízen na srovnávání doby šíření

-2CZ 287073 B6 ultrazvukového vlnění zpožděného příp. urychleného na dráze měřicí trubicí 97 rychlostí proudění média. Svazek impulzů, který se během měřicí fáze objeví na výstupu fázového detektoru 99. sestává z N jednotlivých impulzů, přičemž N je třeba volit s výhodou 50 nebo více. Všech N jednotlivých impulzů vtémže svazku impulzů vykazuje ideálně stejnou šířku časového intervalu At, protože se rychlost proudění mění během měřicí fáze pouze neznatelně. Rovná se rozdílu šíření mezi ultrazvukovým vlněním zpožděným resp. urychleným na dráze měřicí trubicí 97 prouděním média. Výstupní impulzy následují po sobě v odstupu T₅, který je roven trvání periody ultrazvukového vlnění. Výstup fázového detektoru 99 je spojen vstupním vedením 114 s měřicím obvodem 100. který je vhodný mimo jiné i k měření rychlosti proudění média průtokoměrem 98.

Blokové schéma měřicího zapojení podle obr. 2 zahrnuje vstupní přepínač 1, měřicí oscilátor 2, logiku 3 startu, první hradlo 4, druhé hradlo 5, sumační člen 6, logiku 7 stopu, čítač 8 vstupních impulzů, čítač 9 vzorkovacích impulzů, časový prodlužovací člen 10 a mikroprocesor LL Sumační člen 6 a čítač 8 vstupních impulzů jsou prostředky na registrování vstupních impulzů, zatímco měřicí oscilátor 2, čítač 9 vzorkovacích impulzů a časový prodlužovací člen 10 spolupracují jako měřicí prostředky pro registrované vstupní impulzy. Mikroprocesor 11 je zařízen na řízení měřicího pochodu a na vyhodnocování výsledků měření a je řídicími vedeními 101 až 104 spojen se vstupním přepínačem 1, logikou 3 startu, čítačem 8 vstupních impulzů a čítačem 9 vzorkovacích impulzů. Měřicí oscilátor dodává kalibrační impulzy dané délky spojem 105 k vstupnímu přepínači 1 a vedením 106 k druhému hradlu 5. Logika 3 startu řídí hradlovými řídicími vedeními 107 a 108 první hradlo 4 a druhé hradlo 5. Logika 7 stopu je spojena vedením stopu 111 s prvním hradlem 4, dále existuje uvolňovací vedení 111 k časovému prodlužovacímu členu 10, zatímco logika 7 stopu dostává příkazy vedením signálu stopu 112 od sumačního členu 6. Časový prodlužovací člen 10 má vedením 113 koncového signálu spojení s druhým hradlem 5.

Vstupní impulzy, jejichž šířka At (obr. la) se má měřit, dospějí k přepínači 1 měřicího zapojení vstupním vedením 114. Podle polohy přepínače 1 se kalibrační impulzy z měřicího oscilátoru 2 na vedení 105 nebo vstupní impulzy na vstupním vedení 114 na výstupu přepínače přivádějí na signálové vedení 115. Signálové vedení 115 odbočuje k logice 3 startu, k prvnímu hradlu 4 a k logice 7 stopu. Výstup prvního hradla 4 je připojen impulzovým vedením 116 k impulzovým vstupům sumačního členu 6 a čítače 8 vstupních impulzů. Vedení součtového impulzu 117 je spojením výstupu sumačního členu 6 se signálovým vstupem časového členu JO. Výstup druhého hradla 5 je spojen vedením 118 vzorkovacích impulzů s impulzovým vstupem čítače 9 vzorkovacích impulzů. Vstupy mikroprocesoru 11 jsou spojeny čítačovými vedeními 119 a 120 a čítačem 8 vstupních impulzů a čítačem 9 vzorkovacích impulzů na přečtení odpovídajícího stavu čítače.

Mikroprocesor 11 uvádí zapojení před každým měřicím nebo kalibračním cyklem do definovaného výchozího stavu zde nezakreslenými vedeními pro reset, které spojují mikroprocesor 11 s logikou 3 startu, prvním a druhým hradlem 4 a 5, sumačním členem 6, logikou 7 stopu, čítačem 8 vstupních impulzů a čítačem 9 vzorkovacích impulzů. Na každém konci měřicího cyklu mikroprocesor 11 přečte čítač 8 vstupních impulzů a čítač 9 vzorkovacích impulzů a vypočítá ze stavu čítačů šířku At vstupních impulzů. Během měřicího cyklu se průběh měření řídí výlučně logikou 3 startu a logikou 7 stopu, které zařizují všechny průběhy časově kritické. Výhodou tohoto uspořádání je, že nadřazené řízení mikroprocesorem 11 časově kritické být nemusí.

Zvláštní předností měřicího zapojení jsou dva režimy provozu, měřicí a kalibrační. Mezi oběma druhy provozu se přepíná elektronickým vstupním přepínačem 1, řízeným mikroprocesorem 11 po prvním řídicím vedení 101. Podle úrovně signálu na prvním řídicím vedení 101 jsou na výstupu přepínače 1 buď vstupní impulzy v měřicím provozu, nebo kalibrační impulzy z měřicího oscilátoru 2 při provozu kalibračním, vedené signálovým vedením 115 k logice 3 startu, k prvnímu hradlu 4 a k logice 7 stopu. Měřicí zapojení zpracovává i kalibrační impulzy zcela rovnocenně. V dalším se místo o vstupních a kalibračních impulzech bude hovořit pouze o vstupních impulzech na signálovém vedení 115.

-3CZ 287073 B6

Po uvolnění mikroprocesorem 11 po druhém řídicím vedení 102 logika 3 startu otevře s příštím čelem vstupních impulzů přicházejících do logiky startu po signálovém vedení 115 první hradlo 4 prostřednictvím signálu na prvním hradlovém řídicím vedení 107, takže se vstupní impulzy dostanou prvním hradlem 4 po impulzovém vedení 116 na vstup sumačního členu 6 a na vstup čítače 8 vstupních impulzů. Sumační člen sčítá šířky At; po sobě jdoucích vstupních impulzů. Jakmile součet At_; překročí danou hodnotu, registrační interval R, aktivuje se po vedení stopsignálu 112 logika 7 stopu. Logika 7 stopu vyčká až skončí právě přiložený vstupní impulz a uzavře první hradlo 4 signálem na vedení 110 stop a uvede zároveň logiku 3 startu signálem na startovacím vedení 109 do stavu pohotovosti. K sumačnímu členu 6 a k čítači 8 vstupních impulzů se tak nedostanou žádné další vstupní impulzy. Počet sečtených vstupních impulzů je uložen v čítači vstupních impulzů a předá se prvním čítačovým vedením 119 mikroprocesoru 11 k vyhodnocení a tam se uloží.

Synchronně s otevřením prvního hradla 4 způsobí logika 3 startu druhým hradlovým řídicím vedením 108 otevření druhého hradla 5 a zároveň uvolní logika 7 stopu časový prodlužovací člen 10 po uvolňovacím vedení 111. přičemž časový prodlužovací člen 10 prodlouží součtový impulz se šířkou At_; časové o činitel prodloužení z a vyšle kladný výstupní impulz se šířkou z . At_; po vedení koncového signálu 113 druhému hradlu 5. Tímto druhým hradlem 5 dospějí po vedení 106 kalibrační impulzy vyráběné měřicím oscilátorem 2 prostřednictvím vedení 118 vzorkovacích impulzů jako vzorkovací impulzy do čítače 9 vzorkovacích impulzů a započítávají se tam tak dlouho, dokud se druhé hradlo 5 nezavře týlem výstupního impulzu vyslaného po vedení koncového signálu 113 z časového prodlužovacího členu 10. Počet N_me„ se přečte mikroprocesorem 11 po druhém čítačovém vedení 120 a uloží.

V jiném provedení se nejdříve impulzy přicházející po impulzovém vedení 116 sčítají v sumačním členu 6 a součtový impulz se prodlouží teprve pak v časovém prodlužovacím členu 10. K tomu se synchronně s uzavřením prvního hradla 4 logikou 7 stopu vyšle logice 3 startu po startovacím vedení 109 signál k otevření druhého hradla 5. Zároveň logika 7 stopu uvolní časový prodlužovací člen 10 po uvolňovacím vedení 111, přičemž časový prodlužovací člen 10 časově prodlouží součtový impulz šířky At_;, který je na impulzovém vedení 116, o činitel prodloužení z a vyšle kladný výstupní impulz šířky z . At, vedením koncového signálu 113 druhému hradlu 5. Kalibrační impulzy na vedení 106 dospějí pak druhým hradlem 5 po vedení 118 vzorkovacích impulzů do čítače vzorkovacích impulzů 9, jehož stav po zavření druhého hradla 5 je počet N_meM

Příčinou výhody časového prodlužovacího členu 10 je to, že prodlužuje šířku At, vstupních impulzů na signálovém vedení 115 o činitel prodloužení z. Protože se ve skutečnosti šířky Δΐι N jednotlivých impulzů téhož měřicího cyklu liší pouze málo následkem fázové nejistoty (jitter) ve spínacích prvcích a tato náhodná chyba se popisovanou metodou vyprůměruje, počítá se pro jeden měřicí cyklus s týmiž šířkami At N jednotlivých vstupních impulzů.

Počet vzorkovacích impulzů nashromážděných v čítači 9 vzorkovacích impulzů je dán vztahem

Nmess z · Át / T_osc z . k_mess. At / T_osc (1).

Tgsg je trvání periody měřicího oscilátoru 2. Jak bylo výše popsáno, logika 7 stopu se stará o to, aby šířka At, součtového impulzu byla téměř stálá. To způsobuje, že i počet N_me„ vzorkovacích impulzů téměř nezávisí na šířce At vstupních impulzů. Poměrná chyba digitalizace f podle rovnice (2) téměř nezávisí na šířce vstupních impulzů

mess T_osc/

• k_mess. At) (2)·

Výhodou tedy je, že se i velmi krátké vstupní impulzy měří se stejnou poměrnou přesností jako dlouhé vstupní impulzy. Doba měření a spotřeba energie jsou nepatrné nejen u malých, ale i u

-4CZ 287073 B6 velkých šířek impulzů Δί. Tím toto zařízení zaručuje hospodárné a výrazné zlepšení dynamiky ve srovnání se známými analogovými postupy a řeší úlohu podle vynálezu.

Nejmenší potřebný počet N vstupních impulzů ve svazku impulzů a počet kmess sečtených vstupních impulzů v čítači 8 vstupních impulzů na sobě nezávisí, poněvadž počet N určuje nejkratší měřitelný časový interval At a jeho digitalizační chybu f, protože číslo k^ nemůže být větší než N.

Dlouhodobá stálost činitele prodloužení z nezávisí pouze na teplotě a mění se během času stárnutím součástek. Pro vyloučení z toho vyplývající špatné dlouhodobé stálosti a teplotního posunu měřicího zapojení se podle řízení mikroprocesorem 11 provede jako první měření kalibrace měřicího zapojení, která se po daném počtu měřicích cyklů se vstupními impulzy na vstupním vedení 114 opakuje.

Prostřednictvím vstupního přepínače 1 se kalibrační impulzy z měřicího oscilátoru 2 dostanou na signálové vedení 115. Při předem dané šířce Atgsc kalibračních impulzů na signálovém vedení 115 a stavech kgai a uložených v obou citacích 8 a 9 a mikroprocesorem 11 odečtených vypočítá mikroprocesor 11 činitel prodloužení z podle rovnice (3) z = (N_ca). T_osc) / (kca,. Ato_SC) (3).

Mikroprocesor 11 uloží činitel prodloužení z příp. k^ a pro vyhodnocení následujících měřicích cyklů.

Šířku At může mikroprocesor 11 vypočítat podle rovnice (4), která vyplývá z rovnic (1) a (3) takto

At (kcai / k_mess). (N_mess. N_cai) . At_osc (4).

Jak je zřejmé, je teplotní závislost a stálost měřicího zapojení určena pouze vlastnostmi měřicího oscilátoru 2. Použití měřicího oscilátoru řízeného krystalem má tu výhodu, že se měřicí zapojení vyznačuje nepatrnou teplotní závislostí a vysokou dlouhodobou stálostí, známou i u levných kmitajících krystalů. Protažením šířky At vstupních impulzů o činitel prodloužení z, který je např. větší než z = 1000, se dosáhne požadovaného rozlišení měřicího zapojení již s poměrně nízkou frekvencí měřicího oscilátoru 2. Obzvláštní výhoda měřicího zapojení spočívá tedy v tom, že se obejde bez rychlých čítačích obvodů a proto může být hospodárně vyrobeno.

Obr. 3 ukazuje výhodné provedení vynálezu. Sumační člen 6 (obr. 2) a časový prodlužovací člen 10 (obr. 2) obsahují kondenzátor 12, dva zdroje proudu, nabíjecí zdroj 13 a proudový nor 14, dva řiditelné spínače 15 a 16, jakož i dva komparátory 17 a 18 s příslušnými zdroji 19 a 20 referenčního napětí. První zdroj 19 referenčního napětí má referenční napětí Uri, a druhý zdroj 20 referenčního napětí má referenční napětí Ur2- Pro řízení prvního řiditelného spínače 15 je jeho řídicí vstup spojen s výstupem prvního komparátoru 17 přepínacím vedením 121. Zdroj 13 příp. 14 konstantního proudu lze spojit pomocí řiditelného spínače 15, příp. 16 s jedním pólem kondenzátoru 12 s napětím U, zatímco druhý vstup komparátoru 17 příp. 18 je spojen se zdrojem referenčního napětí 19 příp. 20. Logika 3 startu (obr. 2) a logika 7 stopu (obr. 2) jsou sloučeny jako řídicí logika 22. Mikroprocesor 11 je jako na obr. 2 spojen s bloky měřicího zapojení, prvním řídicím vedením 101 se vstupním přepínačem 1, druhým řídicím vedením 102 s řídicí logikou 22, třetím řídicím vedením 103 s čítačem 8 vstupních impulzů, čtvrtým řídicím vedením 104 s čítačem 9 vzorkovacích impulzů. Stav čítače 8 vstupních impulzů příp. čítače 9 vzorkovacích impulzů odečítá mikroprocesor 11 po prvním příp. druhém čítačovém vedení 119 příp. 120.

Šířky At (obr. la) vstupních a kalibračních impulzů na signálovém vedení se sčítají a prodlužují o činitel prodloužení z nabíjením a vybíjením kondenzátoru 12 pomocí obou zdrojů konstantního proudu, nabíjecího zdroje 13 a proudového noru 14. Napětí U na kondenzátoru 12 sledují oba komparátory 17 a ]_8. Mezi měřeními se komparátor 17 ve spojení s nabíjecím zdrojem 13 a prvním řiditelným spínačem 15 stará, aby napětí U na pólu 21 bylo přibližně rovno prvnímu

-5CZ 287073 B6 referenčnímu napětí zdroje 19 referenčního napětí. Jakmile napětí U klesne pod referenční napětí Ugi, přejde výstup komparátoru 17 a tím i úroveň na přepínacím vedení 121 na logickou „High“. Tím se spínač 15 spojí a kondenzátor 12 se dobije nabíjecím zdrojem 13, přičemž se čítač 9 vzorkovacích impulzů uzavře z mikroprocesoru 11 řídicím vedením 104. Registrační interval je v tomto příkladu stanoven jako rozdíl obou referenčních napětí Uri a Ur2. Zapojení je samozřejmě možné provést i tak, že vstupní impulzy nabíjejí kondenzátor 12 prostřednictvím druhého řiditelného spínače 16 a kondenzátor 12 se vybíjí prostřednictvím prvního řiditelného spínače 15.

Před měřením uzavře řídicí logika 22 přiložením nízké úrovně „Low“ na první hradlové řídicí vedení 107 hradlo ,A“ použité jako první hradlo 4. Po uvolnění z mikroprocesoru 11 počká řídicí logika 22 až na příští čelo vstupního impulzu na signálovém vedení 115, až je možný měřicí režim změnou úrovně prvního hradlového vedení 107 na logickou „High“. Vstupní impulzy na vstupním vedení 114, příp. v kalibračním režimu spojem 105 kalibrační impulzy měřicího oscilátoru (obr. 2), dospějí přes vstupní přepínač 1 prvním hradlem 4 jako impulzy po impulzovém vedení 116 do čítače 8 vstupních impulzů a na řídicí vstup druhého řiditelného spínače 16.

Přepínání mezi měřením a kalibrací provádí mikroprocesor 11, který vyšle řídicí signál prvním řídicím vedením 101 na řídicí vstup vstupního přepínače L Impulzy propuštěné prvním hradlem 4 řídí spínač 16. Při každém impulzu na impulzovém vedení 116 (úroveň „High“) spínač 16 zapne, takže kondenzátor 12 se vybíjí určeným proudem Ig proudovým norem 14. Mezi po sobě jdoucími impulzy je spínač 16 otevřen, takže se v mezerách mezi impulzy kondenzátor 12 nevybíjí.

Vybíjením klesne napětí U na kondenzátorů 12 ihned po startu měření pod referenční napětí Uri. Výstup komparátoru 17 přejde na „High“ a otevře po druhém hradlovém vedení 108 druhé hradlo 5.

Jako druhé hradlo 5 se použije například další hradlo „A“, přičemž druhé hradlové vedení 108 je vedeno najeden vstup tohoto hradla „A“ a druhý vstup tohoto hradla „A“ je spojen vedením 106 s měřicím oscilátorem 2. Jeho kalibrační impulzy jsou nyní připojeny vedením 118 vzorkovacích impulzů k čítači 9 vzorkovacích impulzů a tam započítávány. Zároveň se po přepínacím vedení 121 sepne spínač 15. Kondenzátor 12 se tím nabíjí z nabíjecího zdroje 13 nabíjecím proudem Ig. Poměr vybíjecího a nabíjecího proudu je roven časovému činiteli prodloužení z časového prodlužovacího členu 10 tedy z = Ie/Il (5).

Pro činitel prodloužení z = 1000 je tak nabíjecí proud Ig o tři řády menší než vybíjecí proud Ig.

Obr. 4 ukazuje nahoře průběh napětí Ur vstupních impulzů na signálovém vedení 115 (obr. 3) a dole průběh napětí U na pólu 21 (obr. 3) jako funkci času t. Před začátkem měření (1< tgj) je toto napětí U rovno prvnímu referenčnímu napětí Uri. Působením vstupních impulzů se kondenzátor 12 (obr. 3) lineárně vybíjí proudem (Ig - Ig), protože spínač 15 (obr. 3) je následkem U < Uri uzavřen. V mezerách mezi impulzy se kondenzátor 12 lineárně nabíjí nabíjecím proudem Ig. Proto napětí U při každém vstupním impulzu klesá, až klesne pod druhé referenční napětí Urj v čase tg. Ve znázorněném příkladu se tak stane při třetím vstupním impulzu. Napětí U klesá dále, až při t_mj_n klesne třetí vstupní impulz opět na Up = 0. Lineárním nabíjením kondenzátorů 12 nabíjecím proudem Ig napětí U opět stoupne na první referenční napětí Uri, kterého dosáhne na konci doby At_me^. N-tý jednotlivý impulz může padnout jak dovnitř doby At_me«, tak mimo ni. Musí být pouze zajištěno, aby postačil počet N vstupních impulzů k poklesu pod práh napětí Ur2Jakmile napětí U klesne pod druhé referenční napětí Ur2 přejde výstup druhého komparátoru 18 (obr. 3) na logickou „Low“ a uvede řídicí logiku 22 spojenou vedením 122 s výstupem druhého komparátoru 18 do pohotovosti. Řídicí logika 22 s výhodou vyčká týlu právě probíhajícího vstupního impulzu a pak uzavře vysláním úrovně „Low“ na prvním hradlovém vedení 107 hradlo

-6CZ 287073 B6 „A“ prvního hradla 4. Tím řídicí logika 22 zajistí, že bude změřena i celá šířka At (obr. la) tohoto posledního vstupního impulzu. Nyní již neprocházejí po impulzovém vedení 116 na spínací vstup druhého řiditelného spínače 16 žádné další impulzy. Počet k_mess příp. koi sčítaných vstupních impulzů je uložen v čítači 8 vstupních impulzů a na konci měření ho mikroprocesor 11 přečte a dále zpracuje.

Po uzavření prvního hradla 4 se kondenzátor 12 nabíjí nabíjecím proudem II z nabíjecího zdroje 13. Jakmile napětí U na pólu 21 opět překročí první referenční napětí Urj, přejde výstup prvního komparátoru 17 na logickou ,JLow“. Tím se po druhém hradlovém vedení 108 druhé hradlo 5 uzavře pro kalibrační impulzy měřicího oscilátoru 2 (obr. 2) přicházející po vedení 106 a čítání vzorkovacích impulzů v čítači vzorkovacích impulzů 9 skončí. Od začátku měření uplynula doba At_me„ (obr. 4), která je dána vztahem

At_mess — z. k_mess. At (6).

Podle toho registroval čítač 9 vzorkovacích impulzů v měřicím režimu počet N_ms„ vzorkovacích impulzů, tedy

N_mess ~ Atmess / T_osc Z . k_mess . At / T_osc (7).

Rovnice (7) je tak totožná se shora uvedenou rovnicí (1). Mikroprocesor 11 nyní vypočítá šířku vstupních impulzů At s využitím výsledků kalibrace, činitele prodloužení z, příp. Nmess a kcai podle rovnice (4).

S výhodou se při dimenzování měřicího zapojení respektuje, že nabíjení kondenzátoru 12 v mezerách délky (T_s - At) (obr. la) mezi vstupní impulzy je mnohem kratší než vybíjení během doby At. V tomto případě doba Atn„.« téměř nezávisí na šířce At a na trvání periody Tg vstupních impulzů. Zejména mohou proto délky (T_s - At) mezer kolísat impulz od impulzu a nemusí být stálé jako na obr. 1 a 4. Měřicí zapojení zjišťuje i v tomto případě stále správnou šířku At vstupních impulzů. Pokud se šířky At impulz od impulzu liší, zjišťuje měřicí zapojení správnou průměrnou hodnotu z N šířek At.

S výhodou zůstává první řiditelný spínač 15 během celé doby měření At_me^ uzavřen, takže se zabrání rušení měřicího pochodu zapínáním příp. vypínáním nabíjecího zdroje 13. Je však přirozeně také možné nabíjecí zdroj 13 během vybíjení kondenzátoru 12 odpojit od pólu 21 otevřením prvního řiditelného spínače 15 a připojit ho teprve v okamžiku At^in (obr. 4). Dobu Atnjess je pak třeba podle toho měřit počínaje od tmin.

V příkladu podle obr. 3 je více elektronických bloků, jako např. hradla 4 a 5, čítače 8 a 9, komparátory 17 a 18, řídicí logika 22 atd., pro objasnění popisu zakresleno vně mikroprocesoru 11 a spojeno s ním vedeními. S výhodou může vykonávat alespoň některé funkce těchto bloků mikroprocesor H, což znatelně sníží náklady na měřicí zapojení.

Svazek impulzů (obr. la) obsahuje v časovém intervalu At informaci, kódovanou v šířce impulzů, například lychlost proudění média u průtokoměru podle CH 604133. Měřicí zapojení zpracuje zvláště také impulzy se šířkami At ze stálého proudu impulzů, poněvadž první hradlo 4 (obr. 2) určuje počet Nm_ť«.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob měření malých časových intervalů (At), kdy se v jednom měřicím cyklu pro měření použije nejméně (N) po sobě jdoucích vstupních impulzů šířky (Ati) ze svazku impulzů,

   5 vyznačující se tím, že se určí minimální počet vstupních impulzů (k_mess), jejichž šířky (Atj) sečtené do registračního součtu (At_s) jsou právě větší než předem pevně stanovený registrační interval (R), registrační součet (At_s) se zvětší o činitel prodloužení (z) na vzorkovací dobu (At_mess), přičemž vzorkovací doba (At_mess) se měří pomocí vzorkovacích impulzů s dobou periody (T_osc) a délka časového intervalu (At) se vypočítává z poměru vzorkovací doby (At_mess) 10 k součinu minimálního počtu vstupních impulzů (k_mess) a činitele prodloužení (z).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že po předem určeném počtu měřicích cyklů se vloží jeden kalibrační cyklus pro kalibraci činitele prodloužení (z), přičemž při kalibračním cyklu se místo vstupních impulzů neznámé šířky (At,) přivádějí kalibrační impulzy známé šířky.

   15
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vycházeje z definovaného referenčního napětí (Uri) stanoví se registrační interval (R) jako rozdíl dvou referenčních napětí (Uri) a (Ur2), registrační součet (At_s) se načítá jako napětí (U) na kondenzátorů (12) přiváděním stálého proudu (I_E) během šířky (Atj) vstupních impulzů, přičemž po překročení registračního intervalu (R) se pomocí zdroje stálého proudu s intenzitou (I_L) zvýší napětí (U) 20 představující registrační součet (At_s) na referenční napětí (U_R1) a zároveň se měří ktomu potřebný čas jako doba vzorkování (At_mess) čítáním vzorkovacích impulzů s dobou periody (T_osc), přičemž poměr proudu (I_E) k proudu (I_L) je stálý a roven činiteli prodloužení (z).
4. 4. Způsob podle nároků laž3, vyznačující se tím, že vstupní impulzy jsou tvořeny výstupními impulzy fázového detektoru (99), jejichž šířka (Atj) je závislá na rychlosti

   25 proudění média.
5. 5. Zařízení k provádění způsobu podle některého z nároků 1 až 4, sestávající z mikroprocesoru (11) pro vyhodnocování výsledků měření a zřídícího zařízení pro řízení měřicích cyklů, vyznačující se tím, že je opatřeno registračními prostředky pro vstupní impulzy a měřicími prostředky pro vstupní impulzy registrované v těchto registračních prostředcích,

   30 přičemž registrační prostředky jsou tvořeny sumačním členem (6) a čítačem (8) vstupních impulzů pro určení minimálního počtu vstupních impulzů (k_mess), a měřicí prostředky zahrnují nejméně jeden měřicí oscilátor (2) na vytváření vzorkovacích impulzů s dobou periody (T_osc), dále čítač (9) vzorkovacích impulzů a časový prodlužovací člen (10).
6. 6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že má vstupní přepínač (1), 35 který je řízené přepínatelný, přičemž vstupní přepínač (1) v jedné poloze propojuje sumační člen (6) se zdrojem vstupních impulzů a ve druhé poloze se zdrojem kalibračních impulzů.
7. 7. Zařízení podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že sumační člen (6) a časový prodlužovací člen (10) mají společný kondenzátor (12), a zařízení je dále opatřeno nabíjecími zdroji (13, 14) konstantního proudu pro nabíjení a vybíjení kondenzátorů (12).