DE1523161C

DE1523161C - Arrangement for measuring the relative speed of a fluid

Info

Publication number: DE1523161C
Authority: DE
Inventors: Stanley Grant Donoho Char les McCammon. Eiseman William Frederick Annapolis Lemon, Md (V St A )
Original assignee: Chesapeake Instrument Corp , Shady side, Md (V St A )
Publication date: 1971-05-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Mes- mit einer Phasenlage entsprechend dem richtigen Vor-The invention relates to an arrangement for measuring with a phase position corresponding to the correct

sung der Relativgeschwindigkeit eines Fluids gegen- zeichen der zugeführteh Stellgröße geöffnet ist.Solution of the relative speed of a fluid countersign the supplied manipulated variable is open.

über einem Bezugspunkt mit einem elektrischen Ge- Die Schaffung einer derartigen erfindungsgemäßenover a reference point with an electrical device. The creation of such a device according to the invention

schwindigkeitsfühler an dem Bezugspunkt und einem Anordnung erfüllt ein in der Praxis seit längerer Zeitspeed sensor at the reference point and an arrangement has been in practice for a long time

Geschwindigkeitsanzeiger, der durch die Stellgröße 5 bestehendes Bedürfnis nach einem Geschwindigkeits-Speed indicator, which, due to the manipulated variable 5, shows the need for a speed

eines Folgereglers beeinflußt ist, an dessen Eingängen anzeiger mit großem Meßbereich infolge digitalera slave controller is influenced, at whose inputs indicators with a large measuring range as a result of digital

die Ausgangsgröße des Geschwindigkeitsfühlers als Anzeige, geringer Zeitkonstante und zuverlässigerthe output variable of the speed sensor as a display, low time constant and more reliable

Führungsgröße und die der angezeigten Geschwindig- Betriebsweise im wesentlichen ohne VerwendungReference variable and that of the displayed speed mode of operation essentially without use

keit proportionale Ausgangsgröße des Geschwindig- mechanischer Bauelemente,speed proportional output variable of the speed of mechanical components,

keitsanzeigers als Regelgröße liegen. io Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßenindicator as a controlled variable. io A particular advantage of the invention

Insbesondere nach der USA.-Patentschrift Anordnung besteht darin, daß diese günstig mit 3 114 260 sind bereits Anordnungen der erwähnten einem digitalen Integrator zusammengefaßt werden Art bekannt, bei denen der elektrische Geschwindig- kann, der ebenfalls vollektronisch arbeitet,
keitsfühler (in Form eines von einem Schiffsrumpf Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnach außen vorragenden Stabes) ein elektrisches 15 nung näher erläutert, welche ein Ausführungsbeispiel Wechselspannungssignal bestehend aus zwei um 180° einer erfindungsgemäßen Anordnung in Blockschaltphasenverschobenen, gegenüber Masse symmetri-. bilddarstellung zeigt.In particular, according to the US patent specification, the arrangement consists in the fact that these arrangements of the aforementioned digital integrator are already grouped together favorably with 3,114,260.
An electrical 15 voltage is explained in more detail below with the aid of the rod projecting outwardly from the drawing. image representation shows.

sehen Spannungen liefert. Diese beiden Spannungen, Ein Wandler 62 erhält von einem (nicht gezeigten) deren Amplituden proportional der Relativgeschwin- Geschwindigkeitsfühler, insbesondere einem solchen digkeit des Fluids (Wasser) gegenüber dem Bezugs- 20 nach Art von Fig. 3 bis 5 der USA.-Patentschrift punkt (Schiffsrumpf bzw. Geschwindigkeitsfühler) 3 114 260, eine Eingangsgröße und gibt ausgangssind, werden einem Wandler zugeführt, der im we- seitig an Leitungen-64, 66 zwei Gleichspannungen ab, sentliehen aus einem Übertrager mit drei Wicklungen deren Differenz nach Größe und Vorzeichen der besteht, von denen zwei symmetrische Eingangswick- Differenz zwischen dem Zählstand eines Bestandteils hingen durch die um 180° phasenverschobenen Span- 25 eines Geschwindigkeitsanzeigers bildenden, vor- und nungen des Geschwindigkeitsfühlers und eine Korn- rückstellbaren Digitalzählers 94 (Regelgröße) gegenpensationswicklung durch eine Wechselspannung be- über der Eingangsgröße des Wandlers 62 (Führungsaufschlagt sind, welche proportional der Ausgangs- größe) proportional ist. Wenn also der Zählstand des größe des Geschwindigkeitsanzeigers ist und norma- Digitalzählers 94 der Eingangsgröße des Wandlers 62 lerweise die in den beiden Eingangswicklungen vor- 30 entspricht, so sind die Gleichspannungen auf den Leiliegenden Spannungen kompensiert. Der Wandler gibt tungen 64, 66 gleich hoch bzw. deren Differenz gleich an zwei Ausgängen entsprechend je einem Pol der Null; ist der Zählstand des Digitalzählers 94 geringer beiden Eingangswicklungen lediglich dann um 180° als die Eingangsgröße des Wandlers 62 (entsprechend gegeneinander phäsenverschobene Ausgangswechsel- einer zunehmenden Geschwindigkeit bzw. positiven spannungen ab, wenn eine Differenz zwischen der 35 Beschleunigung), so ist die eine der beiden Gleich-Ausgangsgröße des Geschwindigkeitsanzeigers sowie spannungen, beispielsweise diejenige auf der Leitung derjenigen des Geschwindigkeitsfühlers vorliegt. Je 66, höher als diejenige auf der Leitung 64. Ist der nach dem positiven oder negativen Vorzeichen dieser Zählstand des Digitalzählers 94 höher als die EinDifferenz überwiegt die eine oder andere Wechsel- gangsgröße des Wandlers 62, so liegt der umgekehrte spannung in ihrer Amplitude. Über einen Phasendis- 40 Fall vor, daß die Spannung an der Leitung 64 höher kriminator wird diejenige der beiden um 180° pha- als diejenige an der Leitung 66 ist.
senverschobenen Wechselspannungen, welche die Dem Wandler 62 sind zwei Zerhackerundstufen 72, größere Amplitude hat, verstärkt, während die andere 74 nachgeschaltet, an deren einem Eingang die Leiunterdrückt wird. Der Geschwindigkeitsanzeiger wird tung 66 bzw. 64 liegt, während jeweils ein anderer Π¹ danach mit einer eine Vorstellung oder Rückstellung 45 Eingang dieser Zerhackerundstufen 72, 74 durch * bewirkenden Stellgröße beaufschlagt und enlspre- einen einstellbaren Zeitbasisimpulsgenerator 84 bechend eingestellt. Eine Einstellung des Geschwindig- aufschlagt ist. Am Ausgang der Zerhackerundstufen .keitsanzeigers sowie insbesondere eines diesem züge- 72, 74 erscheint je ein Puls mit der Frequenz des ordneten Integrators wird mittels dauernd in Betrieb Zeitbasisimpulsgenerators 84 und einer Amplitude befindlicher Stellmotoren bewirkt. 50 entsprechend der Größe der Gleichspannung auf dersee tension supplies. These two voltages, a transducer 62 receives from a (not shown) whose amplitudes proportional to the relative speed speed sensor, in particular such a density of the fluid (water) compared to the reference point 20 in the manner of FIGS. 3 to 5 of the USA patent (Ship's hull or speed sensor) 3 114 260, an input variable and is output, are fed to a converter, which in turn delivers two DC voltages to lines 64, 66, borrowed from a transformer with three windings, the difference in size and sign of the of which two symmetrical input winding differences between the count of a component depend on the voltage of the speed sensor and a grain resettable digital counter 94 (controlled variable) counter-compensation winding by an alternating voltage, which are phase-shifted by 180 °. above the input variable of the transducer 62 (guide surcharges are, w which is proportional to the output size) is proportional. If the count is the size of the speed indicator and the normal digital counter 94 corresponds to the input variable of the converter 62, the DC voltages are compensated for in the two input windings. The converter outputs lines 64, 66 at the same level or their difference at two outputs, each corresponding to a pole of zero; If the count of the digital counter 94 is less than both input windings by 180 ° than the input variable of the converter 62 (corresponding to mutually phase-shifted output changes - an increasing speed or positive voltages if there is a difference between the 35 acceleration), then one of the two is The same output variable of the speed indicator as well as voltages, for example the one on the line of that of the speed sensor. Each 66, higher than the one on the line 64. If the positive or negative sign of this count of the digital counter 94 is higher than the difference, one or the other alternating variable of the converter 62 is greater, the reverse voltage is in its amplitude. In the event that the voltage on the line 64 is higher than that on the line 66, that of the two is 180 ° pha- than that on the line 66, if there is a phase difference.
The converter 62 has two chopper stages 72, larger amplitude, amplified, while the other 74 is connected downstream, at one input of which the line is suppressed. The speed indicator is 66 and 64 respectively, while another Π ^{1 is} then acted upon by a manipulated variable causing an advance or reset 45 input of these chopper stages 72, 74 through * and an adjustable time base pulse generator 84 is set accordingly. A setting of the speed is served. At the output of the chopper roundness indicator and in particular one of these trains 72, 74 a pulse with the frequency of the ordered integrator appears and is effected by means of servomotors that are continuously in operation and an amplitude of servomotors. 50 according to the size of the DC voltage on the

Zweck der vorliegenden Erfindung ist demgegen- Leitung 66 bzw. 64. Die jeweils eingestellte Frequenz über die Schaffung einer vollektronisch arbeitenden des Zeitbasisimpulsgenerators 84 beeinflußt die Zeit-Anordnung zur digitalen Messung der Rclativge- konstante der Anordnung.The purpose of the present invention, on the other hand, is line 66 or 64. The frequency set in each case By creating a fully electronically working time base pulse generator 84 influences the time arrangement for digital measurement of the relative constant of the arrangement.

schwindigkeit eines Fluids gegenüber einem Bezugs- Den Zerhackerundstufen 72, 74 sind Schnellwcrtpunkt, bei welcher zur laufenden Einstellung des 55 diskriminatoren 86,88 nachgeordnet, welche vermögespeed of a fluid compared to a reference The chopper stages 72, 74 are quick start points in which to the current setting of the 55 discriminators 86.88 subordinated, which assets

Geschwindigkeitsanzeigcrs sowie eines diesem even- entsprechender Einstellung lediglich für solche Im-Speed indicator as well as a setting corresponding to this, only for such im-

tuell zugeordneten Integrators keine dauernd in Be- piilsampliiudcn durchlässig sind, die entstehen, wennThe integrator that is associated with it is not permanently permeable to sample samples that arise when

trieb befindlichen Stellmotoren verwendet werden die Gleichspannung auf einer der Leitungen 66 oderDrive located servomotors are used the DC voltage on one of the lines 66 or

müssen. Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, 64 diejenige der jeweils anderen Leitung wesentlich daß der Geschwindigkeitsanzeiger als Digital/abler 60 übersteigt. Wenn also die Differenz zwischen Regel-have to. According to the invention, this is achieved by essentially 64 that of the other line that the speed indicator exceeds 60 as a digital converter. So if the difference between rule

aiisgcbildet ist und einen zugeordneten Digital/ größe und Führungsgröße gleich oder annäherndaiisgc is formed and an assigned digital / variable and reference variable equal or approximately

Analog-Waiuller zur Abgabe der Regelgröße aufweist gleich Null ist, was annähernd gleichen SpannungenAnalog-Waiuller for the delivery of the controlled variable has zero which is approximately the same voltages

und daß in dem Folgeregler ein Analog/Digital- auf den Leitungen 66, 64 entspricht, so wird wederand that in the slave controller corresponds to an analog / digital on lines 66, 64, neither will

Wandler zur Umsetzung der Stellgröße jeweils in eine von dem Schwcllwertdiskriminator86 noch von dem entsprechende Anzahl von Impulsen, die sich bezug- 65 Schwellwertdiskriminator 88 eine Ausgangsgröße anConverter for converting the manipulated variable into one of the Schwcllwertdiskriminator86 or one of the corresponding number of pulses which are related to an output variable 65 threshold value discriminator 88

lieh ihrer Phasenlage gemäß dem Vorzeichen der den Digilalzählcr 94 abgegeben. Erst dann, wenn eineborrowed their phase position according to the sign of the Digilalzähler 94 output. Only when one

Stellgröße unterscheiden, sowie ein Phasendiskrimi- wesentliche Differenz zwischen Regelgröße und Füh-Differentiate between the manipulated variable, as well as a phase discriminating significant difference between the controlled variable and the

nator vorgesehen sind, welcher lediglich für Impulse rungsgröße vorliegt, sei es positiv oder negativ, er-nator are provided, which is only available for impulses, be it positive or negative,

scheint, je nach dem Vorzeichen dieser Differenz, lediglich an einem der beiden Schwellwertdiskriminatöreii-86,88 ein Ausgangspuls. Durch entsprechende Einstellung der Schwellwerte der beiden Schwellwertdiskriminatoren 86, 88 läßt sich die An-Sprechempfindlichkeit der Anordnung nach Wunsch einstellen.appears, depending on the sign of this difference, only at one of the two threshold value discrimination-86.88 an output pulse. By setting the threshold values for both of them accordingly Threshold value discriminators 86, 88 can adjust the response sensitivity of the arrangement as desired to adjust.

Der Digitalzähler 94 weist drei Ausgänge auf, von denen der erste mit einem Tachometer 125, der zweite mit einer Vergleichsstufe 230 und der dritte mit einem Digital/Analog-Wandler 164 verbunden ist. Der Digital/Analog-Wandler 164 gibt über ein Justierglied 176 sowie einen Schalter 172 eine Regelgröße an einen Kompensationseingang des Wandlers 62 ab. Liegt zwischen dieser Regelgröße sowie der Führungsgröße am Eingang des Wandlers 62 keine Differenz vor, so erscheinen an den Leitungen 64, 66 des Wandlers 62 Gleichspannungen von jeweils gleicher Größe, wie dies bereits erwähnt wurde. Mittels des Justiergliedes 176 kann bei Einstellung des Schalters 172 gemäß der Zeichnung sowie beim Vorliegen einer bekannten maximalen Relativgeschwindigkeit eines Fluids gegenüber einem Bezugspunkt der Tachometer 125 entsprechend eingestellt werden. Um eine Nulljustierung herbeizuführen, wird der Schalter 172 bei einer Relativgeschwindigkeit des Fluids gegenüber dem Bezugspunkt entsprechend dem Wert Null so eingestellt, daß mittels eines Eichgrößengebers 210 über ein Justierglied 180 sowie den Schalter 172 eine Regelgröße entsprechend einer Geschwindigkeitsanzeige Null an dem Tachometer 125 auf den Kompensationseingang des Wandlers 62 gegeben wird. Auf diese Weise läßt sich eine genaue Geschwindigkeitseichung am Beginn und am Ende des Meßbereiches erzielen.The digital counter 94 has three outputs, of which the first with a tachometer 125, the second is connected to a comparison stage 230 and the third to a digital / analog converter 164. the The digital / analog converter 164 provides a controlled variable via an adjusting element 176 and a switch 172 to a compensation input of the converter 62. Lies between this controlled variable and the reference variable If there is no difference at the input of the converter 62, then appear on the lines 64, 66 des Converter 62 DC voltages of the same size, as already mentioned. Using the Adjusting member 176 can when setting the switch 172 according to the drawing and when there is a known maximum relative speed of a fluid compared to a reference point of the tachometer 125 must be set accordingly. To bring about a zero adjustment, switch 172 is at a relative speed of the fluid with respect to the reference point corresponding to the value zero so set that by means of a calibration variable 210 via an adjusting member 180 and the switch 172 a Controlled variable corresponding to a zero speed display on the tachometer 125 on the compensation input of the converter 62 is given. In this way an exact speed calibration can be carried out at the beginning and at the end of the measuring range achieve.

In einem Integrator ist ein lediglich vorstellbarer, kontinuierlich umlaufender Digitalzähler 240 enthalten, welcher von einem Impulsgenerator 242 mit einer Frequenz von 1 MHz getastet wird. Der Ausgang des Digitalzählers 240 liegt an der Vergleichstufe 230, die lediglich bei Zählgleichstand der Digitalzähler 94, 240 ein Ausgangssignal an einen Flip/Flop 266 abgibt. Der Flip/Flop 266 ist zusätzlich zu der Vergleichstufe 230 auch durch einen Endimpuls des Digitalzählers 240 zu verstellen, der an einem besonderen Ausgang desselben erscheint. Eine Undstufe 270 ist mit ihrem Signaleingang durch den Impulsgenerator 242 beaufschlagt, während ein Tasteingang an dem Flip/Flop 266 liegt. Die Undstufe 270 wird durch den Flip/Flop 266 lediglich dann geöffnet, sobald ein Endimpuls von dem Digitalzähler 240 an den Flip/Flop 266 gelangt. Beginnt danach der Digitalzähler 240 seinen Umlauf, so gelangen Impulse von dem Impulsgenerator 242 über die Undstufe 270 zu einem Wegmesser 274, der eine digitale Integrationsanzeige der Geschwindigkeit über die Zeit wiedergibt. Sobald jedoch der Digitalzähler 240 einen Zählgleichstand mit dem Digitalzähler 94 erreicht hat, stellt die Vergleichsstufe 230 den Flip/Flop 266 in seine andere Betriebsstellung ein, wonach keine weiteren Impulse von dem Impulsgenerator 242 über die Undstufe 270 zu dem Wegmesser 274 gelangen können.An integrator contains a merely imaginable, continuously rotating digital counter 240, which is sampled by a pulse generator 242 at a frequency of 1 MHz. The outcome of the Digital counter 240 is connected to the comparison stage 230, which only if the digital counter 94, 240 emits an output signal to a flip / flop 266. The flip / flop 266 is in addition to the comparison stage 230 can also be adjusted by an end pulse of the digital counter 240, which is sent to a special The output of the same appears. An AND stage 270 is with its signal input through the pulse generator 242 is applied while a key input is applied to the flip / flop 266. The lower stage is 270 opened by the flip / flop 266 only as soon as an end pulse from the digital counter 240 to the Flip / Flop 266 reached. If the digital counter 240 then begins its rotation, pulses come from the pulse generator 242 via the and stage 270 to an odometer 274, which has a digital integration display the speed over time. However, as soon as the digital counter 240 has a count with the digital counter has reached 94, the comparison stage 230 sets the flip / flop 266 to its other Operating position, after which no further pulses from the pulse generator 242 via the and stage 270 can get to odometer 274.

In jeder vollen Umlaufperiode des Digitalzählers 240 gelangt demnach lediglich eine solche Anzahl von Impulsen zu dem Wegmesser 274, welche der jewei- ⁶S !igen Einstellung des vor- und rückstellbaren Digitalzählers 94 entspricht. Da eine Umlaufperiode des Digitalzählers 240 sehr kurz gegenüber dem Zeitraum einer möglichen Geschwindigkeitsänderung ist, läßt sich mit dem Wegmesser 274 eine beliebig genaue Integration der Geschwindigkeit über die Zeit erreichen. In each complete revolution period of the digital counter 240, therefore, only such a number of pulses to the distance measuring device 274 which! Corresponds to the jewei- ⁶ S strength adjustment of the upstream and resettable digital counter 94 reaches. Since a period of rotation of the digital counter 240 is very short compared to the period of a possible change in speed, the odometer 274 can be used to integrate the speed over time as precisely as desired.

Um auch bei einem Ausfall des (nicht gezeigten) Geschwindigkeitsfühlers infolge überlagerter Störfaktoren (beispielsweise Unterwasserströmungen im Falle der Messung der Relativgeschwindigkeit von Wasser gegenüber einem Schiff) gleichwohl den wahren zurückgelegten Weg annähernd abschätzen zu können (»Koppeln«), kann über einen Schalter 89,91 an Stelle der Ausgangsgröße der Zerhackerundstufen 86, 88 ein Paar gekoppelter Eingangsgrößen proportional einer simulierten Geschwindigkeit von einem Geschwindigkeitssimulator 226 her eingespeist werden. To even if the (not shown) speed sensor fails as a result of superimposed interfering factors (For example, underwater currents in the case of measuring the relative speed of water compared to a ship) to be able to approximately estimate the true distance covered (»Coupling«) can be switched via a switch 89.91 instead of the output size of the chopper stages 86, 88 a pair of coupled input quantities proportional to a simulated speed of one Velocity simulator 226 are fed here.

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for measuring the relative speed of a fluid with respect to a reference point with an electric speed sensor at the reference point and a speed indicator, which is influenced by the manipulated variable of a slave controller, at whose inputs the output variable of the speed sensor as the reference variable and that of the displayed Speed proportional output variable of the speed indicator as a controlled variable are, characterized in that the speed indicator as a digital counter (94) and an associated digital / analog converter (164) for output the controlled variable and that in the slave controller an analog / digital converter (72, 74) for Implementation of the manipulated variable in each case in a corresponding number of pulses that relate to differentiate their phase position according to the sign of the manipulated variable, as well as a phase discriminator (72, 74, 86, 88) are provided, which only for pulses with a corresponding phase position is open with the correct sign of the supplied manipulated variable.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the analog / digital converter two chopper stages (72, 74) gated by a time base pulse generator (84), which on the input side by one of two coupled DC voltages (lines 66, 64) are applied, the difference in sign and size of the difference between the The controlled variable and the reference variable.

3. Arrangement according to one of claims 1 and 2, characterized in that the chopper (72, 74) are each followed by a threshold value discriminator (86, 88).

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the threshold value is adjustable together in the threshold value discriminators (86, 88).

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that for the purpose of troubleshooting instead of the output variables of the chopper stages (72, 74) or threshold value discriminators (86, 88) optionally a pair of arbitrarily adjustable coupled input variables (Speed simulator 226) can be fed to the speed indicator (94).

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the speed indicator comprises a forward and resettable digital counter (94) and that an integrator is provided, which is a merely imaginable, continuously rotating digital counter (240), one of its output size and one of the comparison stage (230) applied to the digital counter (94) that can be set forward and reset, a gate circuit (266, 270), the part of the continuously rotating digital counter (240) and the Comparison stage (230) applied and in each cycle period of the last-mentioned digital counter

(240) only from its count zero to reaching a counting level with the ^ previous and resettable digital counter (94) is open, as well as one of the gate circuit (266, 270) downstream Path indicator (274) comprises.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that for the purpose of zero setting in place of the control variable appearing at the output of the digital / analog converter (164), optionally a permanently simulated control variable corresponding to a speed zero (calibration variable 210) in the Speed indicator is to be fed.

1 sheet of drawings