устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве

Формула изобретения

Устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, имеющее информационный выход и включающее блок управления и подключенные параллельно к общему проводнику измерительные каналы, каждый из которых содержит последовательно соединенные коммутирующий элемент и преобразователь напряжение - ток, отличающееся тем, что каждый измерительный канал снабжен источником питания, дешифратором команд и двумя диодами, включенными встречно-параллельно между коммутирующим элементом и преобразователем напряжение - ток с образованием электрической цепи, при этом упомянутая цепь, дешифратор и источник питания подключены параллельно к общему проводнику, а блок управления содержит шифратор и соединенные последовательно источник ЭДС, модулятор и две включенные параллельно цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные резистор и диод, причем устройство имеет два дополнительных информационных выхода, которые представляют собой точки соединения диодов с резисторами, а точка соединения диодов с источником ЭДС является третьим информационным выходом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в устройствах измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, например, для контроля герметичности путем измерения акустических полей или распределения влажности по помещениям 1-го контура АЭС, контроля утечек тока путем измерения акустических полей коронных разрядов ЛЭП, контроля полей сигналов акустической эмиссии, вызванных истечением транспортируемой среды из трубопроводов, контроля полей давления при проведении аэродинамических исследований, например вихревой динамики.

Известно устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, которое содержит измерительные каналы с датчиками и блок управления с управляющим выходом (К.Б.Клаассен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. с.315, рис.4.31.а).

Недостатком известного устройства является несвоевременное обнаружение аномалий, т.е. значительных локальных изменений величин, распределенных в пространстве. Это объясняется необходимостью ожидания подключения ближайшего к аномалии датчика, что увеличивает временной интервал от возникновения аномалии до ее обнаружения. Кроме этого, недостатком является невысокая точность измерения, что объясняется невозможностью усиления полезного сигнала, который является переменной составляющей полного сигнала и характеризует состояние измеряемой величины. Полный сигнал представляет собой сумму полезного сигнала и сигнала фонового шума, который является постоянной величиной и может превышать полезный сигнал на несколько порядков. Поскольку в известном устройстве уровень фонового шума для каждого измерительного канала заранее не известен, то в результате усиливается вся сумма сигналов, что приводит к невозможности выявления небольших отклонений.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, которое имеет информационный выход и включает блок управления и подключенные параллельно к общему проводнику измерительные каналы, каждый из которых содержит последовательно соединенные коммутирующий элемент и преобразователь напряжение - ток (патент РФ № 2232977, МПК G01D 12/02, опубл. 20.06.2004 г.).

В известном устройстве преобразователь напряжение - ток является его информационным выходом.

Недостатком известного устройства является ограниченные функциональные возможности, что объясняется его способностью выполнять измерения только по одному аппаратно реализованному алгоритму, поскольку схема каждого канала не имеет возможности оперативной модификации, например выполнение таких функций, как отключение каналов от общего проводника. Кроме этого, недостатком является невысокая помехоустойчивость, что объясняется наличием общего источника питания для всех каналов. Кроме этого, большое число кабельных линий межблочных соединений приводит к усложнению монтажа известного устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание простого и надежного устройства с расширенными функциональными возможностями, предназначенного для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, и обеспечивающего выполнение различных алгоритмов при высокой помехоустойчивости и максимально упрощенной схеме межблочных соединений.

Техническим результатом настоящего изобретения являются: возможность одновременного измерения сигналов двух датчиков или двух групп, что обеспечит определение взаимно-корреляционных характеристик; возможность адаптации системы на различные алгоритмы за счет программируемости канала и способности его отключения от общего провода; возможность настройки системы на определенный тип распределения измеряемой скалярной величины и регистрации параметров этого распределения.

Кроме этого, техническим результатом является повышение помехоустойчивости за счет снабжения каждого канала автономным источником питания, а также увеличение быстродействия за счет использования переменного тока.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, имеющем информационный выход и включающем блок управления и подключенные параллельно к общему проводнику измерительные каналы, каждый из которых содержит последовательно соединенные коммутирующий элемент и преобразователь напряжение - ток, каждый измерительный канал снабжен источником питания, дешифратором команд и двумя диодами, включенными встречно-параллельно между коммутирующим элементом и преобразователем напряжение - ток с образованием электрической цепи, при этом упомянутая цепь, дешифратор и источник питания подключены параллельно к общему проводнику, а блок управления содержит шифратор и соединенные последовательно источник ЭДС, модулятор и две включенные параллельно цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные резистор и диод, причем устройство имеет два дополнительных информационных выхода, которые представляют собой точки соединения диодов с резисторами, а точка соединения диодов с источником ЭДС является третьим информационным выходом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 представлен график зависимости стабилизированного переменного напряжения Е, выдаваемое источником ЭДС, от времени t, на фиг.3 приведен график зависимости суммы сигналов измерительных каналов, коммутирующие элементы которых находятся в положении (-), от времени t; на фиг.4 изображен график зависимости суммарного тока I измерительных каналов в общем проводнике на выходе из блока управления от времени t; на фиг.5 представлен график зависимости суммы сигналов измерительных каналов, коммутирующие элементы которых находятся в положении (+), от времени t; на фиг.6 изображены зависимости при передаче команд стабилизированного переменного напряжения Е, выдаваемого источником ЭДС, и последовательного цифрового кода D на управляющем входе модулятора от времени t.

Устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, содержит измерительные каналы 1, блок 2 управления, общий проводник 3 и экранирующий проводник 4. Проводник 3 и проводник 4 могут быть выполнены в виде общего коаксиального кабеля. Измерительные каналы 1 и блок 2 управления подключены параллельно к проводникам 3, 4. Каждый измерительный канал 1 содержит коммутирующий элемент 5, преобразователь 6 напряжение - ток, дешифратор 7 команд, источник 8 питания и два диода 9, 10, подключенные встречно-параллельно к выводам (-) и (+) коммутирующего элемента 5. Канал 1 может содержать усилитель 11 сигнала датчика 12 и входные цепи 13 усилителя 11. Преобразователь 6 напряжение - ток, коммутирующий элемент 5 и два диода 9, 10, подключенные встречно-параллельно к выводам (-) и (+) коммутирующего элемента 5, соединены последовательно и образуют электрическую цепь. Упомянутая цепь, дешифратор 7 источник 8 питания подключены параллельно к общему проводнику 3 и экранирующему проводнику 4. Дешифратор 7 имеет два информационных выхода, один из которых подключен к управляющему входу коммутирующего элемента 5, а другой соединен с управляющим входом усилителя 11. Источник 8 питания соединен линиями 14 с усилителем 11 и имеет вывод 15 нулевого потенциала, автономный для каждого канала 1 и используемый для экранирования входных цепей 13 усилителя 11. Блок 2 управления содержит шифратор 16 и соединенные последовательно источник 17 ЭДС, модулятор 18 и две соединенные параллельно цепи, первая из которых содержит последовательно включенные резистор 19 и диод 20, а вторая - резистор 21 и диод 22. Шифратор 16 имеет управляющий вход 23, являющийся управляющим входом устройства для измерения переменных скалярных величин. Точка соединения источника 17 ЭДС с диодами 20, 22 является информационным выходом 24 алгебраической суммы сигналов всех подключенных каналов 1. Точка соединения диода 20 и резистора 19 является информационным выходом 25 суммы сигналов каналов 1, коммутирующие элементы которых находятся в нижнем (+) по схеме положении. Точка соединения диода 22 и резистора 21 является информационным выходом 26 суммы сигналов каналов 1, коммутирующие элементы которых находятся в верхнем (-) по схеме положении.

Устройство работает следующим образом

В случае, когда коммутирующие элементы 5 всех каналов 1 находятся в положении (0), преобразователи 6 всех каналов 1 отключены от проводника 3 и передача информации от канала 1 к блоку 2 управления не возможна. При этом все каналы 1 потребляют суммарный ток I _MIN. Потребителями тока в каждом канале 1 являются источники 8 питания и дешифраторы 7. Каналы 1 готовы к приему команд от блока 2 управления. Команда, поступающая на информационный вход 23 блока 2 от внешнего управляющего устройства, например ЭВМ, содержит адресную часть и собственно код команды. Адресная часть включает адрес одного из каналов 1, для которого предназначена данная команда. Код команды содержит информацию для дешифратора 7 выбранного канала об установке оборудования канала в то или иное состояние, например: установка положения коммутирующего элемента 5, изменение коэффициента передачи усилителя 11, перестройка фильтров усилителя 11, временное отключение источника питания 8 от проводников 3, 4 на период выполнения каналом 1 высокоточных замеров (при этом питание производится от внутренних заряжаемых источников, содержащихся в блоке 8 питания, например конденсаторов), тестирование датчика 12 и других элементов канала 1 и т.п. Передача команд может осуществляться следующим образом. Команда поступает на информационный вход 23 шифратора 16, который преобразует ее в последовательный двоичный код. Код передается в модулятор 18, причем сначала адресная часть, а затем кодовое слово. Источник 17 (например, вторичная обмотка трансформатора) вырабатывает стабильное переменное напряжение, поступающее в модулятор 18. Модулятор 18 осуществляет фазовую манипуляцию (изменение фазы на 180°) переменного напряжения источника 17 в соответствии с поступающим на его информационный вход последовательным двоичным кодом (см. фиг.6, график D), при этом каждому двоичному разряду кода соответствует один период напряжения источника 17 ЭДС. При передаче единицы двоичного кода (D) фаза напряжения (Е) в течение периода не меняется. При передаче нуля кода (D) фаза напряжения е меняется в середине периода на 180° (см. фиг.6, график (Е)). Возможны другие варианты модуляции. Передача измерительной информации от датчика 12 одного из каналов 1 в блок 2 осуществляется следующим образом. Коммутирующий элемент 5 выбранного канала 1 командой устанавливается в положение (+) или положение (-). Предположим, что коммутирующий элемент 5 находится в положении (-), а коммутирующие элементы 5 всех других каналов 1 установлены в положение (0), т.е. преобразователи 6 этих каналов 1 отключены от проводника 3 и участия в процессе измерения не принимают. Переменное напряжение источника 17 со стабильной амплитудой (см. фиг.2, график Е) создает переменный ток в цепи, в которую источник 17 включен. При положительном полупериоде напряжения на верхнем по схеме (фиг.1) выводе источника 17 и на общем проводнике 3 ток протекает по следующей цепи: модулятор 18, общий проводник 3, вывод (-) коммутирующего элемента 5, диод 9, преобразователь 6, экранирующий проводник 4, резистор 19, диод 20, нижний по схеме (фиг.1) вывод источника 17. Вне зависимости от положения коммутирующих элементов 5 ток питает источники 8 всех каналов 1. Ток, протекающий через резистор 19, равен сумме тока, протекающего через преобразователь 6 выбранного канала 1, и токов всех каналов 1. При этом токи, потребляемые источниками 8, являются величинами постоянными. На резисторе 19 выделится напряжение, пропорциональное суммарному току, которое появится на информационных выходах 24, 25 устройства. Сигнал датчика 12, усиленный усилителем 11, поступает на управляющий вход преобразователя 6 (например, резисторной оптопары) и управляет величиной тока (например, изменяя величину сопротивления резистора оптопары), который проходит через преобразователь 6. Таким образом, на выходах 24, 25 установится отрицательное напряжение, равное сумме напряжения, абсолютная величина которого пропорциональна сигналу датчика 12 выбранного канала 1 и напряжения постоянной величины, пропорционального току питания всех каналов 1. При отрицательном полупериоде напряжения на верхнем по схеме (фиг.1) выводе источника 17 и на общем проводнике 3 ток через преобразователь 6 выбранного канала 1 не протекает, поскольку диод 9 закрыт обратным напряжением. Напряжение на выходе 25 положительно, пропорционально току потребления всех каналов 1 и равно напряжению на выходе 24. Предположим, что коммутирующий элемент 5 выбранного канала 1 находится в положении (+), а коммутирующие элементы 5 всех других каналов 1 установлены в положение (0). При отрицательном полупериоде напряжения на верхнем по схеме (фиг.1) выводе источника 17 и на общем проводнике 3 ток протекает по следующей цепи: модулятор 18, общий проводник 3, вывод (-) коммутирующего элемента 5, диод 10, преобразователь 6, экранирующий проводник 4, резистор 21, диод 22 и нижний по схеме (фиг.1) вывод источника 17 ЭДС. Как и в предыдущем случае, вне зависимости от положения коммутирующих элементов 5 ток питает источники 8 всех каналов 1. Ток, протекающий через резистор 21, равен сумме тока, протекающего через преобразователь 6 выбранного канала 1, и токов, потребляемых источниками 8 всех каналов 1. При этом токи, потребляемые источниками 8, являются величинами постоянными. На резисторе 21 выделится напряжение, пропорциональное суммарному току, которое появится на информационных выходах 24, 26. Сигнал датчика 12, усиленный усилителем 11, поступает на управляющий вход преобразователя 6 и управляет величиной тока, который проходит через преобразователь 6. Таким образом, на выходе 26 установится положительное напряжение, равное сумме напряжения, пропорционального сигналу датчика 12 выбранного канала 1, и напряжения постоянной величины, пропорционального току питания всех каналов 1. Напряжение на выходе 24 равно напряжению на выходе 26. При положительном полупериоде напряжения на верхнем по схеме (фиг.1) выводе источника 17 и на общем проводнике 3 ток через преобразователь 6 выбранного канала 1 не протекает, поскольку диод 10 закрыт. Напряжение на выходе 26 отрицательно, пропорционально току потребления всех каналов 1 и равно напряжению на выходе 24. Режим выбора одного из каналов 1 может быть применен при поочередном опросе всех или части каналов. Если в одном канале 1 коммутирующий элемент 5 находится в положении (+), в другом канале 1 коммутирующий элемент 5 находится в положении (-), и коммутирующие элементы 5 всех других каналов 1 установлены в положение (0), то информация (см. фиг.3, график Y и фиг.5, график Z) передается как в положительном, так и в отрицательном полупериодах переменного напряжения источника 17 (см. фиг.4, график I). На выходе 26 сформируется положительный сигнал, пропорциональный сигналу канала 1, коммутирующий элемент 5 которого установлен в положение (+), а на выходе 25 сформируется отрицательный сигнал, абсолютная величина которого пропорциональна сигналу канала 1, коммутирующий элемент которого установлен в положение (-). На выходе 24 сигнал, усредненный за несколько периодов переменного напряжения источника 17, равен разности сигналов каналов 1. Таким образом, возможна независимая передача информации одновременно двух каналов 1. Такой режим измерений может применяться, например, для нахождения взаимно корреляционной функции или взаимного спектра сигналов двух датчиков. В случае, когда коммутирующие элементы 5 одной части каналов 1 находятся в положении (+), а коммутирующие элементы 5 другой части каналов 1 находятся в положении (-), то при положительных полупериодах ток источника 17 проходит через преобразователи 6 тех каналов 1, коммутирующие элементы 5 которых находятся в положении (-), при этом их токи суммируются в проводнике 3, и суммарный ток протекает через резистор 19. На выходе 25 сформируется отрицательный сигнал, абсолютная величина которого пропорциональнна сумме сигналов соответствующих датчиков 12, и постоянной составляющей, обусловленной токами питания всех каналов 1. При отрицательных полупериодах ток источника 17 протекает через преобразователи 6 тех каналов 1, коммутирующие элементы 5 которых находятся в положении (+), при этом их токи суммируются в проводнике 3, и суммарный ток протекает через резистор 21. На выходе 26 формируется сигнал, пропорциональный сумме сигналов соответствующих датчиков 12, и постоянной составляющей, обусловленной токами питания всех каналов 1. На выходе 24 установится напряжение, пропорциональное разности сумм сигналов датчиков 12 каналов 1, коммутирующие элементы 5 которых установлены в положение (-) и положение (+). Постоянные величины, пропорциональные току питания всех каналов 1, при суммировании скомпенсируются, т.к. имеют противоположные знаки. Такой режим измерений применим для реализации алгоритма секвентного анализа измеряемой скалярной величины. При передаче команды одному из каналов процесс измерений может не прерываться, поскольку средний ток за несколько периодов при фазовой модуляции не меняется. Источник 8, преобразователь 6, управляющий вход коммутирующего элемента 5 могут быть снабжены устройствами гальванической развязки от проводников 3, 4, служащими для минимизации уровня помех на входных цепях 13 усилителя 11 канала 1. В этом случае общий вывод источника питания 15 индивидуален для каждого из каналов 1.