DE1523161B2

DE1523161B2 - Arrangement for measuring the relative speed of a fluid

Info

Publication number: DE1523161B2
Application number: DE19661523161
Authority: DE
Inventors: Stanley Grant; Donoho Charles McCammon; Eiseman William Frederick; Annapolis Lemon, Md. (V.St.A.)
Original assignee: Chesapeake Instrument Corp., Shadyside, Md. (V.St.A.)
Priority date: 1965-05-28
Filing date: 1966-05-26
Publication date: 1970-10-08
Also published as: GB1117673A; DE1523161A1; SE334495B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Mes- , mit einer Phasenlage entsprechend dem richtigen Vorsung der Relativgeschwindigkeit eines Fluids gegen- ' zeichen der zugeführten Stellgröße geöffnet ist.
über einem Bezugspunkt mit einem elektrischen Ge- Die Schaffung einer derartigen erfindungsgemäßenThe invention relates to an arrangement for measuring, with a phase position corresponding to the correct provision of the relative speed of a fluid counter- 'sign of the supplied manipulated variable is open.
over 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 Zeit Geschwindigkeitsanzeiger, der durch die Stellgröße 5 bestehendes Bedürfnis nach einem Geschwindigkeitseines Folgereglers beeinflußt ist, an dessen Eingängen anzeiger mit großem Meßbereich infolge digitaler die Ausgangsgröße des Geschwindigkeitsfühlers als Anzeige, geringer Zeitkonstante und zuverlässiger Führungsgröße und die der angezeigten Geschwindig- Betriebsweise im wesentlichen ohne Verwendung keit proportionale Ausgangsgröße des Geschwindig- mechanischer Bauelemente,
keitsanzeigers als Regelgröße liegen. io Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßenspeed sensor at the reference point and an arrangement fulfills a speed indicator that has been in practice for a long time, which is influenced by the manipulated variable 5, for a speed of its slave controller, at whose inputs indicators with a large measuring range due to digital the output variable of the speed sensor as a display, low time constant and Reliable reference variable and that of the displayed speed mode of operation essentially without the use of speed-proportional output variable of the speed-mechanical components,
indicator 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 above-mentioned digital integrator are already grouped together favorably with 3,114,260.
An electrical voltage sensor (in the form of a rod protruding outward from the drawing) is explained in more detail below, which shows an example of an alternating voltage signal consisting of two 180 ° of an arrangement according to the invention in block phase shifted, symmetrical with respect to ground.

sehen Spannungen liefert. Diese beiden Spannungen, Ein Wandler 62 erhält von einem (nicht gezeigten)see tension supplies. These two voltages, a transducer 62 receives from a (not shown)

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, sentlichen 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 lungen 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 (Führungsauf schlagt sind, welche proportional der Ausgangs- größe) proportional ist. Wenn also der Zählstand des große des Geschwindigkeitsanzeigers ist und norma- Digitalzählers 94 der Eingangsgröße des Wandlers 62 lerweise die in den beiden Eingangswicklungen vor- 3° 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 phasenverschobene 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- 4° 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,whose amplitudes are proportional to the relative speed speed sensor, in particular such a density of the fluid (water) compared to the reference point (ship hull or speed sensor) 3 114 260, an input variable and gives output are fed to a converter, which in turn outputs two DC voltages on lines 64, 66, essentially consisting of a transformer with three windings, the difference in magnitude and sign of which two symmetrical input windings through the 180 ° phase shifted voltage of a speed indicator forming the forward and voltage of the speed sensor and a grain resettable digital counter 94 (controlled variable) counter-compensation winding by an alternating voltage above the input variable of the transducer 62 (guide impact, which are proportional to the output - size) is proportional. So if the count is the large one of the speed indicator and the normal digital counter 94 corresponds to the input variable of the converter 62 normally the value in the two input windings, the DC voltages on the voltages present are compensated. 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 the two 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 acceleration), then one is the two equal output variables of the speed indicator as well as voltages, for example the one on the line of the speed sensor is present. Each 66, higher than that on the line 64. If the positive or negative sign of this count of the digital counter 94 is higher than the difference outweighs the one or another alternating variable of the transducer 62, then the reverse voltage is in its amplitude Line 66 is.
sen-shifted alternating voltages, which the converter 62 are two chopper stages 72,

größere Amplitude hat, verstärkt, während die andere 74 nachgeschaltet, an deren einem Eingang die Leiunterdrückt wird. Der Geschwindigkeitsanzeiger wird rung 66 bzw. 64 liegt, während jeweils ein anderer ^ ,-danach mit einer eine Vorstellung oder Rückstellung 45 Eingang dieser Zerhackerundstuf en 72, 74 durch [■ bewirkenden Stellgröße beaufschlagt und entspre- 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. 5° entsprechend der Größe der Gleichspannung auf derhas greater amplitude, while the other 74 is connected downstream, at one input of which the lei is suppressed. The speed indicator is 66 or 64, respectively, while another ^ , - then with an input or reset 45 input of these chopper stages 72, 74 by [■ causing manipulated variable and set a corresponding adjustable time base pulse generator 84 calculating. A setting of the speed is served. At the output of the chopper speed indicator and in particular one of these trains 72, 74 a pulse appears with the frequency of the ordered integrator is produced by means of servomotors that are constantly in operation and an amplitude of the time base pulse generator 84. 5 ° 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 Relativge- 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 Schnellwertpunkt, bei welcher zur laufenden Einstellung des 55 diskriminatoren 86,88 nachgeordnet, welche vermöge Geschwindigkeitsanzeigers sowie eines diesem even- entsprechender Einstellung lediglich für solche Imtuell zugeordneten Integrators keine dauernd in Be- pulsamplituden durchlässig sind, die entstehen, wenn trieb befindlichen Stellmotoren verwendet werden die Gleichspannung auf einer der Leitungen 66 oder müssen. Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, 64 diejenige der jeweils anderen Leitung wesentlich daß der Geschwindigkeitsanzeiger als Digitalzähler 60 übersteigt. Wenn also die Differenz zwischen Regelausgebildet ist und einen zugeordneten Digital/ größe und Führungsgröße gleich oder annähernd Analog-Wandler zur Abgabe der Regelgröße aufweist gleich Null ist, was annähernd gleichen Spannungen und daß in dem Folgeregler ein Analog/Digital- auf den Leitungen 66, 64 entspricht, so wird weder Wandler zur Umsetzung der Stellgröße jeweils in eine von dem Schwellwertdisknminator 86 noch von dem entsprechende Anzahl von Impulsen, die sich bezug- 65 Schwellwertdisknminator 88 eine Ausgangsgröße an lieh ihrer Phasenlage gemäß dem Vorzeichen der den Digitalzähler 94 abgegeben. Erst dann, wenn eine Stellgröße unterscheiden, sowie ein Phasendiskrimi- wesentliche Differenz zwischen Regelgröße und Fühnator vorgesehen sind, welcher lediglich für Impulse rungsgröße vorliegt, sei es positiv oder negativ, er-speed of a fluid compared to a reference. The chopper stages 72, 74 are quick value points, in which to the current setting of the 55 discriminators 86.88 subordinated, which assets Speed indicator as well as a setting corresponding to this only for such Imtuell associated integrator are not permanently permeable to pulse amplitudes that arise when Drive located servomotors are used the DC voltage on one of the lines 66 or 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 counter. So when the difference between rule formed and an assigned digital / variable and reference variable equal or approximately Analog converter for outputting the controlled variable has zero, which is approximately the same voltages and that in the slave controller corresponds to an analog / digital on lines 66, 64, neither will Converter for converting the manipulated variable into one of the threshold value discriminator 86 or of the corresponding number of pulses which are related to an output variable borrowed their phase position according to the sign of the digital counter 94 output. Only when one Differentiate between the manipulated variable and a phase discriminator 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 Schwellwertdiskriminatören 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 discriminators 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, the first of which is connected to a tachometer 125, the second to a comparison stage 230 and the third to a digital / analog converter 164. The digital / analog converter 164 outputs a controlled variable to a compensation input of the converter 62 via an adjusting element 176 and a switch 172. If there is no difference between this controlled variable and the reference variable at the input of converter 62, DC voltages of the same magnitude appear on lines 64, 66 of converter 62, as has already been mentioned. By means of the adjusting member 176, when the switch 172 is set according to the drawing and when a known maximum relative speed of a fluid relative to a reference point is present, the tachometer 125 can be set accordingly. In order to bring about a zero adjustment, the switch 172 is set at a relative speed of the fluid with respect to the reference point corresponding to the value zero so that a control variable corresponding to a zero speed display on the tachometer 125 is sent to the compensation input by means of a calibration variable 210 via an adjusting element 180 and the switch 172 of the converter 62 is given. In this way, an exact speed calibration can be achieved at the beginning and at the end of the measuring range.

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 jeweiligen 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 full cycle period of the digital counter 240, only such a number of Pulses to odometer 274, which correspond to the respective setting of the advance and resettable digital counter 94 corresponds. Since a period of rotation of the digital counter 240 is very short compared to the period is a possible change in speed, with the odometer 274 an arbitrarily precise Achieve integration of speed over time.

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 a 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 that of the advance and resettable digital counter (94) acted upon comparison stage (230), a gate circuit (266, 270), the part of the permanent circulating digital counter (240) and the comparison stage (230) applied and in each Period of rotation of the last-mentioned digital counter

(240) only from its count zero to reaching a counting level with the -for- 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 instead of those appearing at the output of the digital / analog converter (164), Controlled variable optionally a permanently simulated controlled variable corresponding to a speed of zero (Calibration variable transmitter 210) is to be fed into the speed indicator.

1 sheet of drawings