HU177001B - Kapcsolási elrendezés villamos mérőjelváltozás sebességének digitális mérésére - Google Patents

Description

A bejelentés tárgya kapcsolási elrendezés villamos mérőjelváltozás sebességének digitális mérésére, amelyben egy analóg-digitális átalakító, esetleg egy frekvenciaosztó, egy vezérlőáramkör, választott számú mintavevó'számláló, egy adatkiválasztó áramkör, egy adattároló, egy különbségképző áramkör, egy eredménytároló és egy kijelző egység van megfelelően elrendezve és vezérelve.

Villamos mérőjelváltozás sebességének mérésére elsősorban az üzemi mérések kapcsán merülhet fel igény, aholis az egyes technológiai paraméterek pillanatértékei mellett azok változási sebessége is fontos tényezőként jelentkezhet az adott folyamat eredményében. A színesfémkohászatban például az öntési sebesség hatással van a fémkrisztallitok kialakulására, vagy például hőkezelés folyamán a hő mérsékletváltozás sebessége befolyásolja az anyagszerkezet módosulásait.

További példák felsorakoztatása nélkül is általánosságban megállapítható, hogy egyes technológiai jellemzők változási sebességének ismerete, annak adott értéken való tarthatósága, vagy adott program (időterv, súlyterv, hőterv, stb.) szerint futtathatósága a szerkezeti anyagok tulajdonságainak egy további finomitási lehetőségét adja a technológusok számára.

Természetesen nem kizárt az, hogy egyes jellemzők változási sebességének mérése, illetve a sebességmérés alapján megoldható feladatok egyéb területeken is jelentőséggel bírjanak.

Ismertek különböző analóg vagy digitális jelfeldolgozó rendszerű jelváltozási sebességmérők, de ezek egyike sem elegendően finom felbontású, azaz sok esetben nem kielégítő pontosságú, sőt az ana5 lóg elven működőknél a differenciálandó jelnek nagy tisztaságúnak kell lennie, ami komoly szűrést igényel.

A különböző mennyiségek digitalizált villamos méréséből fakadó ismert előnyök következtében ma már a gyártási folyamat igen sok paraméterét digitális műszerek mérik, így azok változási sebességének digitális mérése sok esetben csak kiegészítő egységet igényelne.

Egy jellemző változási sebességének digitális mérése úgy történhet, hogy adott időközökben képezzük a jellemző digitális értékét - mintát veszünk — majd két egymást követő érték különbségét.

Az így nyert különbség adott hibahatáron belül a mintavételezési időközökre vonatkoztatott változási sebességgel lesz arányos.

A változási sebesség méréséhez tehát a vonatkoztatási idő illetve az egymást követő mintavételezések időközei ismerete feltétlenül szükséges, célszerű megoldás az, ahol azt állandó értéken tartjuk.

Ezen utóbbi esetben a változási sebesség dimenzionálása a különbség megfelelő kvantálásával és a mintavételezési időközök megválasztásával történhet.

Minden digitális mérésnél, de -különösen egy érzékelő szolgáltatta villamos mérőjel és ezen keresztül egy jellemző változási sebességnek digitális mérésénél két probléma vetődik fel, nevezetesen a felbontás és a pontosság kérdése.

Egy digitális mérőrendszer felbontásának finomítását egyéb tényezők mellett elsősorban a rendszer pontatlansága korlátozza. A felbontás finomításával csak a mintavételi értékeket tekintve nem nyerhető hasznos többletinformáció, hiszen az adott digitális mérőrendszerrel jellemző arányos hibatagok arányai ezzel nem változnak.

Viszont a mintavételek finomabb felbontása két egymást követő mintavétel különbségében már behatárolható hibával rendelkező többletinformációt jelent. Ugyanis egy érzékelő és egy analóg-digitális átalakító szolgátatta információn alapuló különbségképzés hibája szélső esetben a konverziós görbe meredekségének az elméleti meredekségtől való maximális eltéréséből mint egy arányos hibatagból, és a mintavételek kvantálási hibájának kétszereséből mint egy nem arányos hibatagból tevődik össze, ami a különbség felbontásának adott illetve ismert konverziós görbétől függő finomítását teszi lehetővé, sőt a kvantálási hibától eredő nem arányos hibatag relatív csökkentése céljából szükségessé is.

A fenti hibatényezők mellett a karakterisztikát önmagával párhuzamosan eltoló - és sok esetben jelentős - konverziós hibák (pl nullponthiba) a különbségképzés folyamán kiesnek, így azok a felbontás finomítását nem korlátozzák.

A két hibatényezőn kívül a változási sebesség mérésénél a mintavételezések periódusidejének bizonytalansága is okoz hibát, ami azonban az egyéb hibák mellett közepes pontossági időalap esetén már figyelmen kívül hagyható.

A fenti megállapítások értelmében a különbség arányos hibatagja és ezen keresztül a célként kitűzhető felbontás a konverziós görbéből egyszerű geometriai úton meghatározható, míg a nem arányos hibatagra vonatkozó megállapítás azzal a feltételezéssel tehető általános érvényűvé, hogy a finomabb felbontású mintavételek értékei a konverziós görbe megfelelő értékeiből csak egy kvantumegységgel (digittel) térnek eh

Üzemi és főként nehézüzemi körülmények között működő digitális mérőrendszerekben a dinamikus zavarokra kevésbé érzékeny integráló jellegű analóg-digitális átalakítókat alkalmazzák. Ezek az átalakítók a bemenőjel mintavételezés alatti átlagértékét képezik, amit többnyire egy Nx/Nt pulzussorozat arányossággal fejeznek ki, ahol Nt a konverziós idővel equivalens pulzussorozat. Ezen arányosságból adódóan a mintavételek felbontásának finomítása az Nt pulzussorozatok hosszának vagyis a konverziós idő növelésével történhet. Továbbá az olyan analóg-digitális átalakítóknál, ahol az Nx és az N_t pulzussorozatok egy közös f_o referencia frekvenciájú jelből vannak előállítva, az f₀ referencia frekvencia emelésével is finomítható a felbontás.

Megjegyzendő, hogy a nehézüzemi alkalmazásra szánt digitális mérőműszerek — ott ahol ezt a mérési idő megengedi - a minél nagyobb dinamikus zavarérzéketlenség biztosítása céljából nagy konverziós időkkel dolgoznak és az így nyert nagyobb impulzussorozatot a kijelzés előtt megfelelően leosztják.

Ilyen esetekben a felbontás finomítása igen egyszerű, a különbségképzéshez szükséges pulzussorozatokat az osztó előtt lehet levenni. A felbontás finomításának fentebb felsorolt egyszerű lehetőségei egy igen jelentős, a gyakorlati alkalmazást szinte teljesen kizáró hátránnyal rendelkeznek. Nevezetesen azzal, hogy az ily módon megnövelt tartalmú mintavételezésekben jelentős dinamikus zavarok lépnek fel, amelyek a különbségeket erősen eltorzíthatják.

Ugyanis a hibatényezőknél tett azon feltételezés, miszerint a finomított felbontású mintavételek értékei a konverziós görbe megfelelő értékeitől csak egy kvantumegységgel térnek el, nem teljesül. A dinamikus zavarérzéketlenség természetesen a konverziós idő további növelésével javítható, aminek azonban az egyéb gyakorlati követelmények például a ieljes jelváltozásra képezhető különbségek száma véges határt szabnak.

A találmány célja az említett akadályozó tényezők megkerülése és a jelváltozási sebesség mérésére egy olyan mérési elrendezés kialakítása, amely a változási sebesség mérésével kapcsolatos többoldalú követelményeket a gyakorlati alkalmazások egy igen széles körében kielégíti, meglevő digitális mérőrendszerekhez illeszthető, és mindazonáltal, hogy elvében a statisztikus mérési adatkiértékelés jegyei ismerhetők fel, valamint felépítéséhez komplex integrált áramkörök alkalmazása különösen előnyös, feltétlenül az ipari elektronikus berendezések pillanatnyi fejlődési irányában mutat.

A fenti célt villamos mérőjelváltozás sebességének digitális méréshez olyan kapcsolási elrendezéssel érjük el, amelyben egy analóg-digitális átalakító, esetleg egy frekvenciaosztó, egy vezérlőáramkör, 'választott számú mintavevőszámláló, egy adatkiválasztóáramkör és egy adattároló, egy különbségképző áramkör, egy eredménytároló, valamint egy kijelző egység van megfelelően elrendezve és vezérelve. A feladat találmány szerinti megoldásában a különbségképzés egymást részben átfedő mintavételek útján történik, amiáltal a különbségek finomabb felbontásban kisebb időközönként kisebb relatív hibákkal képződnek.

A találmány szerinti elrendezést az alábbiakban egy konkrét példaképpeni alak kapcsán a mellékelt rajzok alapján ismertetjük, ahol az

1. ábra a találmány szerinti kapcsolási elrendezés példaképpeni kiviteli alakjának blokkvázlata, a

2. ábra a mintavételezések idődiagramja, a

3. ábra az 1. ábra szerinti elrendezés összegező áramkörrel való kiegészítésének blokkvázlata, és a

4. ábra a kapcsolási elrendezés beállási karakterisztikája.

Az 1. ábra szerinti elrendezésben az érzékelőről jövő X analóg mérőjel az integráló jellegű 1 analóg-digitális átalakító bemenetére kerül.

Előnyösen az olyan úgynevezett szabadonfutó integráló jellegű átalakítók alkalmazhatók, amelyek a bemenőjel mintavételezés alatti átlagértékét képezik és amit egy Nx/Nt pulzussorozat arányossággal fejeznek ki.

Az ilyen jellegű átalakítók az Nx/Nt pulzussorozat arányosság számlálóját is rendszerint az Nt pulzussorozatot képző f_o referencia frekvenciából állítják elő és folyamatosan kvantálják a bemenőjelet, és így a T_A = Ntf_o konverziós idő az átalakító analóg működéstől függetlenül választható meg. Az 1 analóg-digitális átalakító f_x pulzuskimenete nem szükségszerűen egy „E” értékű 9 frekvenciaosztón keresztül azaz közvetlenül a 13, 14, 15, 16, ..n mintavevő számlálók ütembemenetére jut.

A 9 frekvenciaosztó feladata egyrészt — amenynyiben az egyéb paraméterek ezt engedik - az f_x pulzuskimeneten megjelenő pulzussorozatok szűrése, másrészt túl nagy konverziós idők esetén azok leosztása a mintavevő számlálók kapacitásának megfelelő értékűre.

A 13, 14, 15, 16 ...n mintavevő számlálók az f_x pulzus kimeneten megjelenő pulzusokat közvetlenül nagy E értékkel leosztva tényleges z · Ta konverziós időkben, de egymást Ta konverziós időkkel követően számlálják (1., 2. ábra) vagyis az „X” analóg mérőjellel arányos és az N_xj pulzussorozatok áltál megjelenített digitalizált átlagértékek Ta konverziós időnként zTa tényleges konverziós időkre képződnek, ahol az a 13, 14, 15, 16 , . .n mintavevő számlálók választott száma.

z - 1

Ezáltal az egymást követő mintavételek z arányban átfedik egymást.

Amennyiben a különbségeket a fenti módon nyert, egymást részben átfedő mintavételekből képezünk a különbségekben az egyes mintavételek dinamikus és egyéb véletlenszerű hibák csökkentett mértékben jelentkeznek, sőt önmagában már az a tény is, hogy a mintavételek Ta helyett tényleges zTa konverziós időkre vonatkoztatott átlagértékek a dinamikus zavarérzéketlenséget javítja.

Ezen a működésmód egyenes következménye, hogy a változási sebesség mérésének felbontása lényegesen finomítható.

A fenti mintavételezés és különbségképzés idődiagramja a 2. ábrán látható, amely az 1. ábra szerinti mérési elrendezésen az alábbi módon valósul meg.

A 2 vezérlőáramkör által előállított v_cí_m vezérlőjelek a 13, 14, 15, 16...n mintavevő számlálók tartalmát egyrészt Ta konverziós időközökkel követően a 3 adatkiválasztóáramkör kimenetére adják. A 3 adatkiválasztó áramkör kimenete egyrészt a 4 adattároló bemenetére, másrészt az 5 különbségképző áramkör egyik bemenetére csatlakozik, így azokon minden Ta konverziós idő végén N_xj pulzussorozatoknak megfelelő mintavételi érték van. Ugyanakkor az 5 különbségképző áramkör másik bemenetén valamely előző v_cí_m vezérlőjel hatására a 3 adatkiválasztó áramkör kimenetén megjelent, és a Ta konverziós idő végén a 2 vezérlőáramkör szolgáltatta V2 jellel a 4 adattárolóba beírt N_xí_i_;2 ... pulzussorozatnak megfelelő mintavételi érték van. így az 5 különbségképző áramkör kimenetén minden Ta konverziós idő végén Nx^i = Nxj_ 1,2 ., különbség van, amely különbség a 2 vezérlőáramkör által megfelelő időben előállított Vj vezérlőjel hatására a 6 eredménytárolóba íródik.

Az Nxfci különbség értékének a 6 eredménytárolóba történő beírása után a 2 vezérlőáramkör a Vpí követő V2 vezérlőjelet állítja elő, amelynek hatására az Nxí-1,2 .. előző mintavételi érték helyett a 3 adatkiválasztóáramkör kimenetén levő NXj mintavételi érték íródik a 4 adattárolóba.

A 4 adattárolóba történő beírást követően a különbség képzéshez megcímzett mintavevő számláló tartalmát a 2 vezérlőáramkör a megfelelő Vtl3, Vti4, ...'Vtn vezérlőjellel törli, amelyet követően a számláló új mintavételezésbe kezd.

Ezzel egyidőben a 2 vezérlőáramkör a 3 adatkiválasztó áramkörön a következő különbség képzéshez 13, 14, ... n mintavevő számlálók közül kijelöli a következőt, amivel egy újabb TA konverziós idő múlva a leírt módon újabb különbség képződik. Az ily módon képződő és a 6 eredménytárolóba írt érték mindenkor arányos a Ta konverziós időkre vonatkoztatott jelváltozások átlagával, azaz a jelváltozási sebességgel.

A 6 eredménytárolóba kerülő érték megfelelő dimenzionálása és a hibatényezők megszabta értékre való csökkentése az osztótényezőjű 7 kimeneti osztóáramkörrel történhet, amelyet követően a 8 kijelzőegység a jelváltozási sebességet a kívánt egységben jelzi ki.

A fenti módon működő mérési elrendezés teljesén szabadon futó, abba kezdő értékek beírása szükségtelen, bármely helyzetből (z + 1 )Ta konverziós idő múlva beáll és folyamatosan képzi a jelváltozási sebességet. A mérési elrendezés vezérlőjelei az analóg-digitál átalakító által felhasznált f_o referencia frekvenciából állíthatók elő célszerűen úgy, hogy az egyes műveletek egyetlen impulzuson belül menjenek végbe, mivel így az átalakító f_x pulzus kimenetéről érkező pulzusok maradéktalanul a 13, 14, . . n mintavevő számlálókba kerülnek, azaz nem lesz kvantumveszteség. Az ismertetett kapcsolási elrendezés alábbi előnyei külön kiemelhetők, — Az egész mérési elrendezés - a decimális kijelzés kivételével — tisztán bináris rendszerben építhető fel, ami egyrészt a felépítést, másrészt az esetleges további adatfeldolgozást igen leegyszerűsíti.

— Pillanatérték kiértékelő műszerhez való csatlakozást két adatvivő vezetéken keresztül biztosítja.

- A mérési elrendezésen belül is lehetséges a pillanatértékkiértékelés, ugyanis a 4 adattároló Ta konverziós időközönként az x analóg mérőjel tényleges zTa konverziós időkre átlagolt bináris értékét tartalmazza.

- Kevés programtényező állíthatóvá tételével (E, W, és N_t) a gyakorlati követelményeknek igen széles! körben megfelelő univerzális jelváltozási sebességmérő alakítható ki.

- Előjelhelyes különbségképző alkalmazásával a változási sebesség értelmét automatikusan kijelző mérőműszert kapunk.

- Dimenzionálás rendkívül egyszerű.

A 6 eredménytárolót követő 7 kimeneti osztóáramkör osztótényezőjének megfelelő megválasztásával bármely választott jelváltozási sebesség azonossá tehető száz kimeneti egységgel, ami általa jelváltozási sebesség analóg kijelzése a mérés pontatlanságát feltételen növelő digitál-analóg átalakítás mellőzésével, igen egyszerű, százalékos leolvashatóságú, analóg láthatású digitális kijelzőegységgel valósítható meg.

- A 4. ábra szerinti ideális, középen meredekebb szakaszú beállítási karakterisztikával rendelkezik. A kapcsolási elrendezés a jelváltozási sebességben jelentkező egységugrás jelet a folytonos vonal szerint, mig a Ta konverziós ideig ható egységnyi zavarójelet a szaggatott vonal szerint követi.

A találmány szerinti kapcsolási elrendezés szélesebb körű megfeleltetését jelenti a 3. ábra szerinti kiegészítés, amelynél a 6 eredménytárolóra, vagy azt követő 7 kimeneti osztóáramkörre egy további k osztótényezőjű 10 osztóáramkörön keresztül egy az 5 különbségképzőáramkör eredményének előjelét is figyelembe vevő 11 összegző áramkör csatlakozik.

A 11 összegző áramkör tartalma a megfelelő

- célszerűen a Vj - vezérlőjel hatására minden Ta konverziós idő végén dimenzionált változási sebesség k-val osztott értékével növekszik, illetve csökken. így a 11 összegző áramkör — amennyiben annak tartalma a jelváltozás kezdetekor nulla volt — mindenkor az összjelváltozást fogja tartalmazni, mégpedig igen finom felbontásban.

így all összegző áramkört követő 12 kijelző egység a jelváltozás értékét igen finom felbontásban jelzi ki,

A 11 összegző áramkör és azt követő 12 kijelző egység egyrészt a kapcsolási elrendezés ellenőrzésére, pontosítására, másrészt olyan speciális mérési feladatok elvégzésére alkalmas, amelyek addig nem vagy csak körülményesen voltak megoldhatók.

Ugyanis a 11 összegző áramkör tartalma főbb egymást követő, a dinamikus zavarok egy részét már nem tartalmazó különbségek súlyozott összegeződésének : eredménye, amely összegeződés folyamán a különbségekben még meglevő dinamikus és egyéb véletlenszerű hibák is kiegyenlítődnek.

Önmagában már az a tény is, hogy a jelváltozás mértéke nem a jel két pontjából vett minták alapján, hanem két pont közötti jelszakasz többszörös letapogatásával képződik, jelentősen csökkenti a mérés hibáját.

Jóllehet a 11 összegző áramkör által képzett érték változatlan arányban tartalmazza az érzékelő és az analóg-digitál átalakító együttes konverziós karakterisztikájának hibáját, egyrészt az igen finom felbontás lehetőséget ad arra, hogy a csupán a konverziós karakterisztika egy részét, a leglineárisabb szakaszát használjuk ki a jelváltozások mérése folyamán, másrészt az olyan esetekben (pl. kicsomagolt áruk folyamatos súlyellenőrzése) ahol a mérendő jel állandóan két érték között változik, (pl. nulla és az ellenőrizendő áru súlya között) elegendő a konverziós karakterisztikát a két értéknek megfelelő pontokra pontosítani.

A konverziós karakterisztika nullpont vándorlásából eredő hiba a 11 összegző áramkör minden mérés előtti nullázásával egyszerűen kiesik.

A 11 összegző áramkör nullázása egyébként például a súlymérésnél sokszor pontos tárázásra is igen egyszerű lehetőséget biztosít. A találmány tárgyát képező kapcsolási elrendezés 3. ábra szerinti kiegészítésével olyan esetekben is megbízható mérések végezhetők, ahol a hagyományos digitális műszerek a nagy dinamikus zavarok miatt már nem használhatók, mint pl. súlymérés lengő illetve rezgő rendszeren, vagy pl. mozgás közbeni súlymérés stb.

All összegző áramkörrel kiegészített kapcsolási elrendezés ezen utóbbi tulajdonságával kapcsolatban a METRIPOND Mérleggyáron belül kísérleteket végeztünk, melynél az érzékelőt egy nyúlásmérőbélyeges erőmérő cella (erő/feszültség átalakító) - képezte, amelynek kimenete szolgáltatja a kapcsolási elrendezés bemenőjét. Az erőmérő cellán teherhordó tányér függött, amelyre ismert súlyokat helyeztünk, miközben a cellára hatóan durva dinamikus zavarokat (teherhordó tányér ütögetés, beIengetés, rezgőrendszerrel való összekapcsolást, stb.) idéztünk elő, ami a mérés eredményében nem vagy alig észrevehető hibát okozott.

Különösen feltűnő volt a kapcsolási elrendezés zavarelnyomó tulajdonsága, amikor is a fenti feltételek mellett a súlyokat dobáltuk a teherhordó tányérra.

A párhuzamosan működő hagyományos kiértékelő műszerről az állandó változás miatt nem lehetett eredményt leolvasni.

Szabadalmi igénypontok

Claims (3)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Kapcsolási elrendezés villamosmérő jel változás sebességének digitális mérésére, melyben egy analóg-digitális átalakító, adott esetben frekvenciaosztó, egy vezérlőáramkör, választott számú mintavevő számláló, egy adatkiválasztó áramkör, egy adattároló áramkör, egy különbségképző áramkör, egy eredmény tároló, egy kijelzőegység van elrendezve, azzal jellemezve, hogy a jelbemenetet egy analóg-digitális átalakító (1) bemenete képezi, amelynek kimenete vagy egy frekvenciaosztón (9) át vagy közvetlenül választott számú mintavevő számláló (13 .. n) ütem bemenetelhez csatlakozik, míg a mintavevő számlálók (13 .. n) kimenetel egy adatkiválasztó áramkör (3) egy-egy bemenetéhez csatlakoznak: az adatkiválasztó áramkör (3) kimenete egyrészt egy adattároló (4) bemenetelhez, másrészt egy különbségképző áramkör (5) egyik bemenetéhez van kötve: az adattároló (4) kimenete a különbségképző áramkör (5) másik bemenetéhez csatlakozik: a különbségképző áramkör (5) kimenete egy eredménytároló (6) bemenetéhez van kötve: az eredménytároló (6) kijelzőegységhez (8) csatlakozik: továbbá egy vezérlőáramkör (2) kimenetei a mintavevő számlálók (13 ... n) törlőbemeneteihez, az adatkiválasztó áram4 kör (3) címbemenetéhez, az adattároló (4) beíróbemenetéhez és az eredménytároló (6) beíróbemenetéhez van kötve: és hogy a vezérlőáramkör (2) szinkronizáló bemenete és az analóg-digitális átalakító (1) másik bemenéte egy referencia-frekvencia (f₀) jelforráshoz csatlakoznak.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az eredménytároló (6) és a kijelzőegység (8) között egy kimeneti osztó áramkör (7) van beiktatva.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az 5 eredménytárolóhoz (6) vagy az ezt követő kimeneti osztóáramkörhöz (7) egy további osztóáramkörön (10) keresztül egy összegző áramkör (11) és egy további kijelzőegység (12) csatlakozik.

   3 rajz, 4 ábra

   A kiadásért felel: a Közgazdasági és Jogi Könyvkiadó igazgatója

   82.4383 — Zrínyi Nyomda, Budapest

   Nemzetközi osztályozás:

   G 01 G 19/00