УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРА, В ЧАСТНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ, НЕОДНОРОДНОЙ ФАЗЫ Российский патент 1998 года по МПК G01K3/02 

Изобретение относится к устройствам измерения среднего значения поля параметра, а именно к устройствам измерения определенного значения температуры участков среды с неоднородным температурным полем, и предназначено для использования в системах контроля окружающей среды и технологических процессов.

Известно устройство для измерения среднего значения температуры участков среды с неоднородным температурным полем (SU, авторское свидетельство N 1352246, G 01 K 3/02, 1987), содержащее распределительный термопреобразователь, выполненный в виде жгута из n=проводных термопреобразователей, первые выводы которых соединены с первыми выводами n генераторов тока, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами n резисторов, коммутатор, выход которого соединен с регистром, а входы подключены к выходам (n-1) развязывающих усилителей, первые входы которых соединены соответственно с вторыми выводами резисторов, за исключением последнего резистора, второй вывод которого соединен с входом (n-1)=го развязывающего усилителя и вторым выводом n= го проводного термопреобразователя. В устройство введены (n-1) дополнительных резисторов, каждый из которых включен между вторыми выводами соответствующих проводных термопреобразователей и резисторов, причем вторые входы развязывающих усилителей за исключением последнего усилителя соединены соответственно с вторыми выводами проводных преобразователей за исключением первого и последнего, при этом каждый проводной термопреобразователь состоит из прямого и возвратного проводов, а длина каждого K-го проводного термопреобразователя больше длины (K-1)=го проводного термопреобразователя на величину L, равную длине участка усреднения.

При исследовании статистических характеристик, в том числе при измерении среднего значения неоднородного поля параметра, точность их результатов в существенной мере зависит от числа точек, в которых измеряются значения исследуемого параметра. Это число определяется как геометрическим объемом подлежащего исследованию поля, так и дискретностью по расстояниям между точками по координатным осям, в которых должен измеряться параметр. Очень часто желательное число датчиков, которое требуется ввести в измерительную схему, может исчисляться сотнями. Но именно в этих условиях затруднительно применение известного устройства из-за сложности выбора входящих в его состав элементов и особенно их настройки.

В устройство введены группа компараторов, группа формирователей, элемент ИЛИ, задатчик, генератор, элемент памяти, элемент И, первый и второй счетчики, цифроаналоговый преобразователь, группа усилителей считывания, вычислительный блок, первый и второй индикаторы и блок контроля, группа входов которого соединена с группой выходов первого счетчика и группами входов цифроаналогового преобразователя и группы усилителей считывания, первые и вторые входы и выход компараторов группы соединены с выходом соответствующего датчика, выходом цифроаналогового преобразователя и входом соответствующего формирователя соответственно, входы элемента ИЛИ соединены с выходами соответствующих формирователей, а его выход подключен к суммирующему входу второго счетчика, входу группы усилителей считывания и первому входу вычислительного блока, первый вход элемента памяти соединен с выходом задатчика и обнуляющими входами первого и второго счетчиков, его второй вход подключен к выходу блока контроля и второму входу вычислительного блока, а выход соединен с первым входом элемента И, выходы генератора и элемента И соединены с вторым входом элемента И и суммирующим входом первого счетчика соответственно, группа входов и группа выходов вычислительного блока и группа входов второго индикатора подключены к группе выходов группы усилителей считывания, группе входов первого индикатора и группе выходов второго счетчика соответственно.

Наличие в предлагаемом устройстве группы новых элементов и новых связей по сравнению с прототипом позволяет утверждать, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна" изобретения. Поскольку признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях данной области техники и в смежных областях, то, следовательно, они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства.

В состав устройства входят: группа датчиков 1, преобразующих текущие значения параметров, в частности, в пропорциональное напряжение, группа компараторов 2, определяющих момент равенства выходного напряжения соединенного с компаратором 2 датчика 1 и формируемого изменяющегося напряжения; группа формирователей 3, выдающих импульс напряжения допустимо малой длительности в момент равенства напряжений на входах соответствующего компаратора 2; элемент ИЛИ 4, объединяющий выходные цепи формирователей 3 группы; задатчик 5 времени начала очередного измерения среднего значения параметра; генератор 6 импульсов времени, выдающий импульсы напряжения обусловленной формы и стабильной частоты; элемент памяти 7 (например, триггер), управляющий режимом работы элемента И 8; элемент И 8, пропускающий на собственный выход импульсы генератора 6 при разрешающем напряжении на выходе элемента памяти 7; первый счетчик 9, увеличивающий на единицу хранящийся в нем код при поступлении на его счетный вход каждого очередного импульса; второй счетчик 10, увеличивающий на единицу хранящийся в нем код на единицу при поступлении на его счетный вход каждого очередного импульса; цифроаналоговый преобразователь 11, формирующий на выходе аналоговое напряжение, пропорциональное значению кода в первом счетчике 9; группа усилителей считывания 12, по команде импульса напряжения на входе формирующая импульсный кодовый сигнал, код которого равен коду первого счетчика 9, и выдающая его на группу входов вычислительного блока 13; вычислительный блок 13, суммирующий значения кодов поступающих на группу его входов сигналов, рассчитывающий измеряемое среднее значение параметра в исследуемом поле и управляющий режимом работы первого индикатора 14; первый индикатор 14 и второй индикатор 15, высвечивающие (выдающие) результаты измерения, соответственно, среднего значения параметра в исследуемом поле и число датчиков 1, с которых поступили обусловленные сигналы; блок контроля 16, выдающий командный импульс на прекращение напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 в конце очередного цикла измерения.

Устройство работает следующим образом (фиг.1).

В исходном состоянии перед очередным измерением устройство оказывается после окончания очередного замера или после переходного процесса, связанного с его включением. При этом в обнуленном состоянии оказывается элемент памяти 7, а в первом и во втором счетчиках 9 и 10, и вычислительном блоке 13 хранятся результаты предшествующего измерения. Запрещающим потенциалом с выхода элемента памяти 7 заперт по первому входу элемент И 8, на второй вход которого при включенном устройстве постоянно поступают импульсы напряжения с выхода генератора 6. Выходные потенциалы первого счетчика 9 управляют режимом работы цифроаналогового преобразователя 11, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное коду первого счетчика 9. Кроме того, выходные потенциалы первого счетчика 9 подаются на группы входов группы усилителей считывания 12, которые в рассматриваемом режиме сигналов на собственную группу выходов не выдают, и блок контроля 16, на выходе которого формируется разрешающий потенциал, которым удерживается в обнаруженном состоянии элемент памяти 7. Запрещающим потенциалом с выхода этого элемента запирается по первому входу элемент И 8. Первый и второй индикаторы 14 и 15 высвечивают значения кодов, хранящихся а памяти вычислительного блока 13 и второго счетчика 10. На выходах датчиков 1 группы формируются напряжения, величины которых, в частности, пропорциональны текущим значениям контролируемого параметра в соответствующих точках исследуемого поля.

В момент времени, определенный настройкой или программой работы задатчика 5, на выходе этого задатчика появляется импульс напряжения, являющийся командой на начало выполнения очередного замера. Этот импульс поступает на первый вход элемента памяти 7 и переводит его в единичное состояние. При этом на выходе элемента памяти блока 7 появляется разрешающий потенциал, которым открывается по первому входу элемент И 8. Импульсы генератора 6 начинают проходить через элемент И 8 на суммирующий вход первого счетчика 9. Импульс с выхода задатчика 5 передается и на обнуляющие входы первого и второго счетчика 9 и 10, подготавливая их к накоплению очередных сумм.

В процессе измерения первый счетчик 9 увеличивает на единицу хранящийся в нем код при поступлении на его суммирующий вход каждого очередного импульса с генератора 6. При этом на перепад ΔU возрастает и выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 11, которое в любой текущий момент времени остается пропорциональным хранящемуся в первом счетчике 9 коду.

Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 11 подается на вторые входы компараторов 2, на первые входы которых подведены выходные напряжения соответствующих датчиков 1 группы. По мере нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11, в какие-то моменты времени оно становится равным выходному напряжению какого-либо из датчиков 1. Это приводит к срабатыванию компаратора 2 группы, к первому входу которого подведено выходное напряжение соответствующего датчика 1. На выходе компаратора 2 появляется перепад напряжения, который поступает на вход формирователя 3 группы, к входу которого подключен выход сработавшего компаратора 2. При поступлении перепада напряжения на вход формирователя 3 на его выходе появляется импульс напряжения обусловленной формы и допустимо малой длительности, который следует далее на соответствующий вход элемента ИЛИ 4 и через него на вход этого элемента. С выхода элемента ИЛИ 4, объединяющего выходы всех формирователей 3 группы, по общему каналу связи импульсы напряжения следуют на вход группы усилителей считывания 12, первый вход вычислительного блока 13 и суммирующий вход второго счетчика 10. На группу входов группы усилителей считывания 12 подведены потенциалы группы выходов первого счетчика 9, характеризующие текущее значения кода этого счетчика. По команде импульса входа группой усилителей считывания 12 осуществляется перезапись кода первого счетчика 12 в память вычислительного блока 13. Импульс, поданный на первый вход этого блока с выхода элемента ИЛИ 4, является командой на суммирование значения кода сигнала, принятого из группы усилителей считывания 12, с накапливаемой суммой текущих значений напряжений на выходе цифроаналогового преобразователя 11 в момент времени появления импульса на выходе элемента ИЛИ 4. При поступлении очередного импульса с выхода элемента ИЛИ 4 на суммирующий вход второго счетчика 10 код этого счетчика возрастает на единицу.

По мере нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 оно становится заведомо большим возможных напряжений на выходах любого из датчиков 1-й группы, и наступает момент времени, когда код первого счетчика 9, определяющий величину напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11, достигает значения, при котором появляется разрешающий потенциал на входе блока контроля 16. Этот потенциал передается на обнуляющий вход элемента памяти 7 и второй вход вычислительного блока 13.

При поступлении разрешающего потенциала на обнуляющий вход элемента памяти 7 формируется запрещающий потенциал, которым запирается по первому входу элемент И 8. Импульсы генератора 6 перестают поступать на счетный вход первого счетчика 9. Импульс на втором входе вычислительного блока 13 является командой на выполнение заключительных расчетов по результатам замеров, связанных с оценкой среднего значения параметра исследуемого поля. С этой целью накопленная сумма измеренных значений напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 делится на число датчиков 1 в группе. После этого потенциал группы выходов вычислительного блока 13 характеризует измеренное среднее значение параметра исследуемого поля.

Поскольку эти потенциалы передаются на группу входов первого индикатора 14, этим индикатором высвечивается результат измерения.

После прекращения нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 во втором счетчике 10 оказывается накопленным код, характеризующий число датчиков 1 группы, с которых приняты сигналы, возникающие в моменты равенства напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 и напряжений на выходах какого-либо из датчиков 1 группы. Потенциальный код, характеризующий код второго счетчика 10, через группу его выходов и группу входов второго индикатора 15 передается в этот индикатор и высвечивается им.

Если высвеченное вторым индикатором 10 число равно числу датчиков 1 группы, то результат измерения может быть признан достоверным. Если же высвечиваемое вторым индикатором 15 число окажется меньшим, чем число датчиков в группе, то это будет означать, что в какие-то моменты времени при передаче выходного импульса напряжения с выхода какого-либо формирователя 3 группы одновременно проявлялись импульсы напряжения на выходах и других формирователей 3 группы. Поскольку импульсы всех формирователей 3 группы передаются по общему каналу связи, то они сливаются в один общий импульс, который, возможно, имеет большую длительность, поскольку импульсы разных формирователей 3 наиболее вероятно несколько сдвинуты во времени. В результате наложения импульсов на выходах формирователей 3 во времени, вместо последовательности из нескольких импульсов на суммирующий вход второго счетчика 10 вместо нескольких поступит лишь один импульс, и результирующая сумма второго счетчика 210 окажется меньше на число недопоступивших из-за наложения импульсов. Аналогично недопоступят импульсы и на вход группы усилителей считывания 12, и на первый вход вычислительного блока 13, что вызовет уменьшение накапливаемой в вычислительном блоке 13 суммы значений напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 в моменты поступления единственного импульса, соответствующего наложению нескольких. Таким образом, искаженной оказывается и накопленная сумма значений напряжений в вычислительном блоке 13. Поэтому, если число, высвечиваемое вторым индикатором 15,оказывается меньшим числа датчиков 1 в группе, то и результат измерения также оказывается искаженным. Возможность его использования оценивается соотношением общего числа датчиков 1 в группе и числом датчиков 1, с которых не поступили сигналы. В том случае, когда это соотношение оказывается неудовлетворительным, результат очередного замера среднего значения параметра должен быть признан недостоверным. Измерение должно быть повторено при меньшей скорости нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11.

Допустимая длительность импульсов напряжения, выдаваемых формирователями 3, определяется параметрами линий связи, по которой они передаются, и их длиной. Можно показать (см. Грузнов Л.П. Способы автоматического сбора информации с двухпозиционных датчиков в журнале "Механизация и автоматизация управления" N 6, 1974), что по линии связи из пары медных проводов длиной до 100 м можно уверенно передавать импульсы длительностью 10 мкс. Для передачи импульсов меньшей длительности следует применять коаксиальные кабели.

Скорость нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 задается при учете интервала напряжений, в котором изменяются выходные напряжения датчиков 1 группы, и промежутком времени, за который должен быть закончен цикл полного изменения напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 для достоверного измерения среднего значения параметра. Величина промежутка времени определяется динамикой изменения параметров поля.

При прочих равных условиях наименьшая вероятность наложения сигналов имеет место при равномерной плотности распределения выходных напряжений датчиков 1 группы. Если длительность передаваемых импульсов равна 10 мкс, скорость нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11-10 В/с, в состав устройства включены 100 датчиков 1, а распределение подчиняется закону равномерной плотности распределения в диапазоне 0-10 B, то справедливы следующие соотношения.

За время передачи одного импульса напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 11 изменяется на величину 10 B/c • 10^-5 c = 10^-4 B. При равномерной плотности распределения напряжения могут находиться в диапазонах величиной 10 B/100 датчиков = 0,1 B/датчик. Следовательно, вероятность того, что за промежуток времени в 10 мкс появится сигнал о равенстве напряжений на выходе цифроаналогового преобразователя 11 и выходе какого-то датчика 1 группы, равна 10^-4/0,1 = 0,001. Для наложения сигналов двух датчиков 1 группы вероятность равна 0,001•0,001 = 0,000001. Вероятность наложения трех сигналов составит 0,001³ = 10^-9. Из приведенных прикидочных расчетов следует, что в рассматриваемых условиях предлагаемое устройство работоспособно. В более сложных условиях необходимо снижать скорость нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11. Важным достоинством предлагаемого устройства является то, что при его применении по показаниям второго индикатора всегда можно выделить те измерения, которые имеют достоверные результаты, поскольку приняты сигналы со всех датчиков.

Не вызывает сомнения работоспособность предлагаемого устройства, поскольку в него входят только серийно выпускаемые элементы, имеющие между собой унифицированные связи.

В устройстве для некоторых элементов приведены специфические наименования, которыми учитывается, что эти элементы в различных вариантах выполнения имеют специфические наименования. В частности, блок контроля 16 может быть выполнен в виде дешифратора, которым требуемый управляющий потенциал будет выдан на выход при достижении кодом первого счетчика 9 обусловленного значения. Элемент памяти 7 может представлять собою RS - триггер, но может быть выполнен и в виде триггера другой элементной базы. Изменение скорости нарастания напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 11 может изменяться изменением частоты генератора 6.

Таким образом, предлагаемым техническим решением полностью реализуется задача измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды, причем в широкой области применения с существенным упрощением технических средств и повышением надежности их работы.

Использование: в системах контроля окружающей среды и технологических процессов. Сущность изобретения: устройство содержит группу датчиков 1, преобразующих текущее значение температуры в напряжение, группу компараторов 2, группу формирователей 3, элемент ИЛИ 4, задатчик времени 5 начала очередного цикла измерения, генератор 6 импульсов времени, элемент памяти 7, элемент И 8, два счетчика 9, 10, цифроаналоговый преобразователь - ЦАП 11, группу усилителей считывания 12, вычислительный блок 13, два индикатора 14, 15 и блок контроля 16. Индикатор 14 высвечивает результат измерения среднего значения температуры в исследуемом поле, а индикатор 15 - число датчиков 1 группы, с которых приняты сигналы, возникающие в моменты равенства напряжения на выходе ЦАП 11 и напряжения на выходах какого-либо из датчиков 1. 1 ил.

Устройство для измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды, содержащее группу датчиков, отличающееся тем, что в него введены группа компараторов, группа формирователей, элемент ИЛИ, задатчик, генератор, элемент памяти, элемент И, первый и второй счетчики, цифроаналоговый преобразователь, группа усилителей считывания, вычислительный блок, первый и второй индикаторы и блок контроля, группа входов которого соединена с группой выходов первого счетчика и группами входов цифроаналогового преобразователя и группы усилителей считывания, первые и вторые входы и выходы компараторов группы соединены с выходом соответствующего датчика, выходом цифроаналогового преобразователя и входом соответствующего формирователя, соответственно, входы элемента ИЛИ соединены с выходами соответствующих формирователей, а его выход подключен к суммирующему входу второго счетчика, входу группы усилителей считывания и первому входу вычислительного блока, первый вход элемента памяти соединен с выходом задатчика и обнуляющими входами первого и второго счетчиков, его второго вход подключен к выходу блока контроля и второму входу вычислительного блока, а выход соединен с первым входом элемента И, выходы генератора и элемента И соединены с вторым входом элемента И и суммирующим входом первого счетчика, соответственно, группа входов и группа выходов вычислительного блока и группа входов второго индикатора подключены к группе выходов группы усилителей считывания, группе входов первого индикатора и группе выходов второго счетчика, соответственно.