устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве

Формула изобретения

Устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, содержащее измерительные каналы с датчиками и блок управления с управляющим выходом, отличающееся тем, что каждый измерительный канал имеет управляющий вход и содержит инвертор, переключающий элемент и преобразователь напряжение-ток, выход которого соединен с выходом канала, при этом число каналов выбрано четным, а управляющий выход блока управления подключен к управляющим входам каналов, выходы которых соединены общим проводником, являющимся выходом устройства, при этом входы переключающих элементов одной группы каналов, составляющих половину от всего числа каналов, соединены с датчиками и входами преобразователей через инверторы, а входы переключающих элементов другой группы каналов соединены с датчиками и входами преобразователей напрямую, причем формирование групп каналов обеспечено блоком управления, исходя из расположения датчиков в измеряемом пространстве по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения плюс или минус.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в устройствах для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является 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. М.: Постмаркет, 2000, с. 315, рис.4.31.а).

Недостатком известного устройства является ограниченные эксплуатационные возможности, особенно при экспериментальных исследованиях, заключающиеся в невозможности оперативного изменения (уменьшения или увеличения) числа измерительных каналов. Например, для увеличения числа измерительных каналов в устройстве необходимо заменить коммутатор аналоговых сигналов, к которому подключены измерительные каналы. Кроме этого, недостатком является большой расход соединительных проводов, что отражается на экономичности устройства, особенно при использовании дорогостоящих кабелей. Кроме этого, недостатком 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.

Задачей настоящего изобретения является создание экономичного и имеющего широкие эксплуатационные возможности устройства для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, которое позволит уменьшить (до нуля) время обнаружения возникшей аномалии, путем непрерывного контроля всех измерительных каналов, а также увеличить точность измерения путем уменьшения динамического диапазона полного сигнала.

Техническим результатом настоящего изобретения является возможность оперативного изменения числа измерительных каналов путем их подключения к общему проводнику, который является выходом устройства, с сохранением суммирования всех выходных сигналов. Использование общего проводника позволяет значительно уменьшить количество соединительных проводов. Кроме этого, при использовании настоящего изобретения все сигналы в каждый момент времени суммируются (в зависимости от знака сигнала), что позволяет практически мгновенно зафиксировать возникновение значительных локальных изменений, например, при возникновении течи - увеличение шума в месте течи. Кроме этого, уменьшается динамический диапазон полного сигнала и увеличивается динамический диапазон полезного сигнала, например, шума возникающей течи. Это объясняется компенсацией постоянной составляющей, например, сигнала фонового шума помещения за счет суммирования сигналов всех измерительных каналов, половина из которых меняют свой знак на противоположный. Поэтому оставшаяся переменная составляющая, т.е. полезный сигнал, может быть максимально усилена для увеличения точности измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, содержащем измерительные каналы с датчиками и блок управления с управляющим выходом, каждый измерительный канал имеет управляющий вход и содержит инвертор, переключающий элемент и преобразователь напряжение-ток, выход которого соединен с выходом канала, при этом число каналов выбрано четным, а управляющий выход блока управления подключен к управляющим входам каналов, выходы которых соединены общим проводником, являющимся выходом устройства, при этом входы переключающих элементов одной группы каналов, составляющих половину от всего числа каналов, соединены с датчиками и входами преобразователей через инверторы, а входы переключающих элементов другой группы каналов соединены с датчиками и входами преобразователей напрямую, причем формирование групп каналов обеспечено блоком управления исходя из расположения датчиков в измеряемом пространстве по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения плюс или минус.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве.

Устройство содержит измерительные каналы 1, число которых выбрано четным, например, 4 канала, и блок 2 управления с управляющим выходом. Каждый измерительный канал 1 имеет управляющий вход 3 и содержит датчик 4, усилитель 5 (датчик и усилитель могут быть выполнены в одном блоке), инвертор 6, переключающий элемент 7 и преобразователь 8 напряжение-ток, в качестве которого может быть использован усилитель с токовым выходом. Управляющий выход блока 2 подключен к управляющим входам 3 каналов 1, а выходы 9 каналов соединены общим проводником 10, являющимся выходом устройства. Входы 11, 12 переключающих элементов 7 одной группы каналов 1, составляющих половину от всего числа каналов 1, соединены с датчиками 4 и входами преобразователей 8 через инверторы 6, а входы 13, 14 переключающих элементов 7 другой группы каналов 1 соединены с датчиками 4 и входами преобразователей 8 напрямую, причем каналы, составляющие упомянутые группы, выбраны исходя из расположения датчиков 4 в измеряемом пространстве по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения плюс или минус.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы с датчиков 4, пропорциональные уровням измеряемых скалярных величин (звуковое давление, радиационный фон, температура и т.п.) и сформированные усилителями 5, поступают на преобразователи 8 через переключающие элементы 7, либо напрямую, либо через инверторы 6, изменяющие знак сигнала на противоположный. По команде, выдаваемой блоком управления 2, входы 11, 12 переключающих элементов 7 соединяют выходы датчиков 4 через усилители 5 одной половины каналов 1 с входами преобразователей 8 через инверторы 6, а входы 13, 14 переключающих элементов 7 соединяют выходы датчиков 4 через усилители 5 другой половины каналов 1 - с входами преобразователей 8 напрямую. Сигналы, поступающие с датчиков 4 и проходящие через инверторы 6, меняют свой знак на противоположный и поступают на входы преобразователей 8 с измененным знаком, а сигналы, проходящие напрямую, поступают на входы преобразователей 8 без изменения знака. С выходов 9 преобразователей 8 токи, пропорциональные сигналам датчиков 4, поступают в общий проводник 10, где суммируются с учетом знака сигнала. При этом результат суммирования, например число А1, равен превышению суммы измерений одной группы, например, сумма измерений группы каналов с неинвертированными сигналами над суммой измерений группы каналов с инвертированными сигналами и не зависит от среднего уровня измеряемой величины по всем каналам, поскольку при вычитании постоянная составляющая будет скомпенсирована. Это позволит увеличить точность регистрации отклонений измеряемого пространства от среднего уровня, т.е. увеличить разрешающую способность измерений. Например, при изменении показаний датчика №7 на 10% (таблица 2), значения сумм А1...А5 изменяются в от 2.1 до 7 раз (таблица 1). В момент возникновения локальных аномалий (т.е. увеличения измеряемой величины в зоне чувствительности одного из датчиков, например, 10% на датчике №7) абсолютное значение суммы будет увеличено, в то время как среднее значение или сумма по всем датчикам А0 изменится незначительно, что может являться диагностическим признаком возникновения аномалии. Далее процесс измерений повторится: по команде блока управления 2 будут сформированы две другие группы измерительных каналов 1, и в результате суммирования получится число А2. Формирование групп каналов 1 производится блоком управления 2 исходя из расположения датчиков в измеряемом пространстве, например, в помещении, по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения плюс или минус (по пространственным функциям Уолша). В таблице 1 указаны примеры формирования групп измерительных каналов. Цифрами указаны номера датчиков, расположенных в прямоугольном помещении; выделены и подчеркнуты датчики, относящиеся к группе каналов коммутатора без изменения знака. Значения сумм А0...А5 приводятся для гладкого поля и поля с пиком 10% в районе датчика №7. В таблице 2 приведены показания датчиков при регистрации поля параметра без возмущений - гладкого поля и поля с аномалией 10% в районе датчика №7 - поля с пиком, а также расчетные значения измеряемого параметра в местах расположения датчиков по шести измерениям (из восьми возможных) для гладкого поля и поля с пиком, которые указаны в таблице 1. При необходимости измерения среднего уровня распределенной скалярной величины сигналы по всем датчикам, со всех каналов подаются на сумматор без инверсии (число А0). Для определения показаний каждого из датчиков 4 формируется число сумм, равное числу каналов (полный набор секвент). При формировании каждой суммы по командам блока управления 2 половина датчиков 4 измерительных каналов 1 соединяется переключающими элементами 7 с входами преобразователей 8 через инверторы 5, а у другой половины каналов 1 соединение производится напрямую. Данные переключения производятся блоком управления 2 в соответствии с алгоритмом пространственных функций Уолша в исследуемом пространстве объекта, оснащенным датчиками 4. Показания каждого из датчиков 4 вычисляются обработкой полученных значений сумм с помощью обратного преобразования Уолша (суммированием значений сумм для каждого датчика с учетом знаков функций Уолша). Для локализации места возникновения аномалии достаточна регистрация не всех возможных сумм, соответствующих полному набору секвент функций Уолша, а лишь только их части. При этом может быть учтена имеющаяся априорная информация о характере (масштабе) искомой аномалии, например, для определения места возникновения только крупных аномалий целесообразно регистрировать только низшие секвенты, делящие объект на крупные части (половины, четверти), а для наблюдения только за мелкомасштабными аномалиями достаточно регистрировать лишь высшие секвенты. Алгоритм поиска может быть оптимизирован с учетом располагаемой априорной информации о вероятности возникновения аномалий в зависимости от их размера. В соответствии с этими данными выбираются частоты регистрации высших и низших секвент, если вероятность возникновения крупной аномалии значительно меньше, чем мелкой, то целесообразно регистрировать суммы, соответствующие высшим секвентам значительно чаще, чем низшим. Этими же средствами может быть реализована фильтрация входного потока данных не только в частотной и временной областях, но и в пространственной (пространство объекта).