СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА Российский патент 2009 года по МПК G01P5/12 G01N25/00 

Изобретение предназначено для снижения погрешности при преобразовании сигнала и может быть использовано, в частности, при снижении уровня помех в выходном сигнале первичных преобразователей систем управления.

Известен способ преобразования сигнала в виде изменения скорости обдува нагретого электрическим током электрического сопротивления и регистрации изменения значения электрического сопротивления (Романченко А.Ф. Способ измерения параметров газовых и жидких сред. Авторское свидетельство №637676, МКИ G01H 5/12, 1977).

Недостатком данного способа преобразования сигнала является зависимость результатов преобразования от условий теплообмена электрического сопротивления с окружающей средой, что обуславливает большие погрешности при преобразовании входного сигнала.

Известны способ преобразования сигнала путем энергетического воздействия на терморезистор за счет введения положительной энергетической обратной связи (Шашков А.Г. Термисторы и их применение. М.: Энергия, 1967, с.150).

Однако такие способы сложны в технической реализации и снижают надежность схемы преобразования сигнала.

Известен способ преобразования сигнала путем приложения к термочувствительному элементу в виде электрического сопротивления внешней силы и создания в теле термочувствительного элемента внутренних напряжений (Авторское свидетельство СССР №678420, МКИ G01P 5/12, 1978) с последующей регистрацией изменений электрического сопротивления.

Недостатком данного способа преобразования сигнала является невозможность непосредственного приложения внешних силовых воздействий к термочувствительному элементу в виде пленки, нанесенной на поверхность подложек.

В качестве прототипа выбран способ преобразования сигнала в виде изменения скорости обдува нагретого электрического сопротивления путем изменения энергетического состояния преобразователя и выделения полезного выходного сигнала в виде значения угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала преобразователя в момент коммутации энергетического состояния (Романченко А.Ф., Шилов С.А. Способ термоанемометрических измерений. Патент России №2191371, МКИ G01N 25/00, Б.И. №29, 20.10.2002).

Недостатком данного способа преобразования сигнала являются погрешности при выделении полезного выходного сигнала в виде угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала на фоне присутствующих наряду с полезным выходным сигналом помех.

Действительно, при наличии помех, присутствующих наряду с полезным сигналом на выходе преобразователя, момент коммутации выходного сигнала может быть зафиксирован с погрешностью, т.к. выходной сигнал «размыт» помехой и присутствует зона неопределенности при регистрации достижения его значения момента коммутации.

Целью предлагаемого изобретения является фильтрация сигнала помехи в результирующем выходном сигнале при его преобразовании.

Данная цель достигается за счет того, что в способе преобразования сигнала путем изменения энергетического состояния преобразователя и выделения выходного сигнала в виде угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала преобразователя, действующего на фоне помехи, выходной полезный сигнал и помеха суммируются на выходе преобразователя и выделяют выходной сигнал виде угла наклона касательной к кривой изменения результирующего выходного сигнала преобразователя в момент коммутации энергетического состояния преобразователя.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что угол наклона касательной к кривой результирующего выходного сигнала регистрируют по углу наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния.

Для решения поставленной задачи выходной полезный сигнал и помеха на выходе преобразователя суммируются по энергетическим характеристикам, например по мощности.

Поставленная задача решается также тем, что коммутация энергетического состояния преобразователя осуществляется в момент достижения фиксированного уровня значением результирующего выходного сигнала преобразователя.

На фиг.1 представлена принципиальная схема преобразователя, реализующего предложенный способ преобразования сигнала, на фиг.2 - график изменения выходного сигнала преобразователя во времени.

Терморезистор 1 соединен последовательно с ключом 2 в электрической цепи, к клеммам которой подведено питание U₀.

Работа преобразователя осуществляется следующим образом. Через терморезистор 1 (см. фиг.1) при замыкании ключа 2 протекает постоянный ток I, который начинает разогревать терморезистор, изменяя его электрическое сопротивление R_t. Одновременно терморезистор 1 обдувается воздушным потоком со скоростью V, определяющим условия теплообмена терморезистора 1 с окружающей средой, а следовательно, при I=const, и температуру разогрева (электрическое сопротивление R_t). По изменению падения напряжения I R_t=U_вых судят о скорости обдува V терморезистора воздушным потоком.

Результирующий выходной сигнал U_вых преобразователя содержит полезный сигнал Y=I R_t, а также сигнал помехи ε (см. фиг.2), действующей совместно с полезным сигналом. Таким сигналом помехи может быть тепловой шум терморезистора, который не может быть отфильтрован известными техническими средствами.

Скорость нагрева терморезистора 1 (скорость изменения результирующего выходного сигнала) при скачкообразном изменении протекающего через него тока I, определяется скоростью его обдува воздушным потоком V (условиями теплообмена с окружающей средой). При изменении результирующего выходного сигнала U_вых, стремящегося к установившемуся своему значению U_вых ⁰, регистрируются моменты времени достижения уровней результирующего выходного сигнала значения U_вых′ и U_вых”. Интервал времени t₁ между моментами достижения заданных уровней результирующего выходного сигнала, определяемый крутизной кривой переходного процесса изменения уровня полезного выходного сигнала, зависит только от полезной входной величины х=V.

Как видно из фиг.2, при наложении на полезный сигнал Y сигнала помехи ε крутизна кривой переходного процесса результирующего выходного сигнала ε+Y соответствует (при условии неизменности уровня помехи ε в период преобразования сигнала) крутизне кривой изменения полезного выходного сигнала Y. При этом уровень помехи ε не оказывает влияния на интервалы времени t₁, t₂ преобразователя. Следовательно, углы наклона касательных к кривым изменения полезного выходного сигнала α₁ и изменения результирующего выходного сигнала (сумма полезного сигнала и помехи) α₂ также равны, т.е. α₁=α₂.

При этом следует иметь в виду, что в момент коммутации энергетического состояния, например при достижении результирующего выходного сигнала значения U_вых′, угол наклона касательной к кривой изменения результирующего выходного сигнала равен углу наклона самой кривой изменения результирующего выходного сигнала (при малых перепадах U_вых′-U_вых′) Угол α₂ наклона кривой результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния преобразователя (коммутация значения входного воздействия) несет в себе информацию о величине входного воздействия, т.к. α₁=α₂, и зависит только от уровня входного сигнала преобразователя и не зависит от уровня помехи ε.

Помеха ε отфильтровывается за счет организации преобразования сигнала с выделением информации о значении входного воздействия по крутизне α₂ кривой изменения результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния преобразователя.

После регистрации параметра α₂ нет необходимости в дальнейшем нарастании выходного сигнала преобразователя и при достижении результирующим выходным сигналом уровня U_вых′′ (см. фиг.2) подается сигнал в цепь управления ключа 2 (см. фиг.1) на размыкание электрической цепи. Электрическая цепь размыкается, ток через терморезистор прекращается, что приводит к остыванию терморезистора и изменению его электрического сопротивления R_t. Результирующий выходной сигнал ε+Y начинает уменьшаться с уменьшением уровня полезного выходного сигнала Y(t). Этот процесс происходит до тех пор, пока уровень результирующего выходного сигнал ε+Y снова не достигнет уровня U_вых′, при котором происходит повторное замыкание электрической цепи с помощью ключа 2. Терморезистор 1 снова начинает разогреваться, и повторяется вышеописанный процесс изменения выходного сигнала и регистрации угла α₂ наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала. Суммирование ε+Y может быть осуществлено по энергетическим характеристикам сигналов на выходе, например, по их мощности.

Таким образом организация нестационарного энергетического процесса в преобразователе (в процессе преобразования входных воздействий) позволяет выделить в выходном сигнале характеристику α₂, определяющую динамику нестационарного энергетического процесса, не зависящую от уровня помехи и определяемую целиком уровнем полезного входного воздействия. Учитывая то обстоятельство, что скорость изменения полезного выходного сигнала (крутизна кривой переходного процесса) и скорость изменения результирующего выходного сигнала (крутизна кривой переходного процесса) преобразователя, включающего помеху, равны по значению, регистрация угла наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала позволяет получить информацию о входном воздействии без влияния помех.

Техническая реализация способа требует применение известных технических средств и технологий реализации отдельных операций.

Имеются экспериментальные результаты, позволяющие обоснованно выбирать параметры и режимы работы технических устройств, реализующих предложенный способ.

Использование: в термоанемометрических системах преобразования информации. Технический результат заключается в повышении точности преобразования сигнала за счет фильтрации помехи. Согласно способу преобразования сигнала путем изменения энергетического состояния преобразователя и регистрации характеристики выходного сигнала в виде угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала преобразователя, действующего на фоне сигнала помехи, выходной полезный сигнал и помеха суммируются на выходе преобразователя и регистрируется угол наклона касательной к кривой результирующего выходного сигнала преобразователя в момент коммутации его энергетического состояния. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ преобразования сигнала путем изменения энергетического состояния преобразователя и выделения выходного сигнала в виде угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала преобразователя, действующего на фоне помехи, отличающийся тем, что выходной полезный сигнал и помеху суммируют на выходе преобразователя и выделяют выходной сигнал в виде угла наклона касательной к кривой изменения результирующего выходного сигнала преобразователя в момент коммутации энергетического состояния преобразователя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол наклона касательной к кривой результирующего выходного сигнала регистрируют по углу наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выходной полезный сигнал и помеха на выходе преобразователя суммируются по энергетическим характеристикам, например по мощности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что коммутация энергетического состояния преобразователя осуществляется в момент достижения фиксированного уровня значением результирующего выходного сигнала преобразователя.