Способ измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды

 

Изобретение относится к способам измерения среднего значения поля параметра, а именно к способам измерения среднего значения температуры участков среды с неоднородным температурным полем, и предназначен для использования в системах контроля окружающей среды и технологических процессов. Способ измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды, включающий преобразование текущих значений параметров в пропорциональное напряжение с помощью датчиков. Формируют развертывающее напряжение. Сравнивают его с текущим выходным напряжением каждого из датчиков. В момент равенства сравниваемых напряжений на каком-то из датчиков оценивают текущее значение развертывающего напряжения и суммируют его к накапливаемой сумме таких напряжений. После достижения развертывающим напряжением наибольшего значения делят накопленную сумму на число датчиков в контролируемой группе. Полученное частное принимают за измеренное среднее значение параметра. Применение данного способа позволяет сократить количество датчиков и облегчить настройку устройств, реализующих способ. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

Известен способ измерения среднего значения температуры участков среды с неоднородным температурным полем, реализованном в устройстве для измерения среднего значения температуры участков среды с неоднородным температурным полем (SU, а.с. 1352246, кл. G 01 K 7/16, 15.11.87), содержащем распределенный термопреобразователь, выполненный в виде жгута из n проводных термопреобразователей, первые выводы которых соединены соответственно 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 выходами резисторов за исключением последнего резистора, второй вывод которого соединен с вторым входом (n-1)-го развязывающего усилителя и вторым выходом n-го проводного термопреобразователя. Устройство дополнительно содержит (n-1) дополнительных резисторов, каждый 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 параметров неоднородного поля точность их результатов в существенной мере зависит от числа точек поля, в которых измеряются текущие значения исследуемых параметров. Это число определяется как геометрическим объемом подлежащего исследования поля, так и от интервалов дискретности по расстояниям между точками поля 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 становится трудным применение известного способа, реализованного в устройстве из-за сложности выбора входящих в состав реализующих способ устройствах и особенно их настройка.

В предлагаемом способе формируют развертывающее напряжение, сравнивают его с текущим выходным напряжением каждого из датчиков, в момент равенства сравниваемых напряжений на каком-то из датчиков оценивают текущее значение развертывающего напряжения и суммируют его к накапливаемой сумме таких напряжений, а после достижения развертывающим напряжением наибольшего значения делят накопленную сумму на число датчиков в контролируемой группе и полученное частное принимают за измеренное среднее значение параметра.

Передачу сигналов о равенстве текущих значений развертывающего напряжения и напряжений на выходах датчиков передают кодом, в частности парафазным, позволяющим обнаружить наложение сигналов при передаче, а в случае обнаружения их наложения к накапливаемой сумме напряжений прибавляют удвоенное текущее значение развертывающего напряжения.

В процессе передачи подсчитывают число переданных сигналов, возникающих при равенстве развертывающего напряжения и напряжений на выходах датчиков, и если это число оказывается меньшим фактического количества контролируемых датчиков на заданную величину, то осуществляют повторное измерение при задаваемой меньшей скорости нарастания развертывающего напряжения.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2, на которых представлены структурные схемы устройств, использованных в примерах, поясняющих особенности применения способа.

В состав устройства (фиг. 1) входят: группа датчиков 1, преобразующих текущее значение измеряемого параметра в пропорциональное напряжение: группа компараторов 2, определяющих момент равенства подаваемых на их входы сравниваемых напряжений и формирующих на выходе в этот момент перепад напряжения; группа формирователей 3, выдающих на собственные входы элемента ИЛИ 4 прямоугольные импульсы заданной амплитуды и малой длительности; элемент ИЛИ 4, объединяющий выходные цепи формирователей 3 и формирующий на собственном выходе импульс напряжения при наличии импульсов напряжения на любом из входов; блок формирования развертывающего напряжения 5, генерирующий и изменяющееся с заданной скоростью в обусловленном диапазоне развертывающее напряжение; аналого-цифровой преобразователь 6, по поступающим на его первый вход командным импульсом напряжения выполняющий оценку текущего значения развертывающего напряжения и формирующий на группе собственных выходов потенциальный код, характеризующий результат преобразования развертывающего напряжения; вычислительный блок 7, осуществляющий перезапись каждого очередного выходного кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 6, накаливание суммы значений считываемых напряжений и рассчитывающий среднее значение параметра в конце очередного замера, а также управляющий работой индикатора 8; индикатор 8, выдающий результат измерения.

Устройство (фиг. 2), помимо всех элементов, входящих в устройство (фиг. 1), дополнительно включает следующие элементы: шифратор 9, формирующий код, идентифицирующие адрес датчиков 1 группы, с которых следуют очередные сигналы; группу элементов И 10, выдающих на собственные выходы разрешающие потенциалы при подаче на два их входа разрешающих потенциалов; дополнительный элемент ИЛИ 11, объединяющий выход элементов И 10 группы и выдающий на собственный выход разрешающий потенциал при подаче разрешающего потенциала на любой из его входов.

Осуществление заявляемого способа поясняется с помощью устройств, представленных на чертежах фиг. 1 и фиг. 2.

Пример 1. Устройство (фиг. 1) с помощью группы датчиков 1 осуществляет в каждый момент времени преобразование текущего значения контролируемого параметра в точках исследуемого объекта в напряжения, в частности, пропорциональные значению параметра в соответствующей точке объема. Начало очередного замера определяется программой работы вычислительного блока 7, выдающий с собственного выхода на вход блока формирования развертывающего напряжения 5 командный импульс напряжения. При поступлении этого импульса блок формирования развертывающего напряжения 5 начинает формировать нарастающее (или уменьшающееся) с заданной предельной скоростью напряжение, изменяющееся в обусловленном диапазоне. Выходное напряжение блока формирования развертывающего напряжения 5 подается на вторые входы компараторов 2 группы, на первые входы которых подаются выходные напряжения собственных датчиков 1 группы, и на вход аналого-дискретного преобразователя 6. Поскольку в диапазон изменения развертывающего напряжения заведомо входят все возможные значения напряжений на выходах датчиков 1 группы, в процессе нарастания (убывания) его при очередном замере в какие-то моменты времени возникает равенство между развертывающим напряжением и выходным напряжением какого-то из датчиков 1 группы. Это соответствует возникновению равенства напряжений на входах соответствующего компаратора 2 группы и появлению перепада напряжения на его выходе. Выход каждого компаратора 2 группы подключен к входу собственного формирователя 3 группы. Появление перепада напряжения на входе формирователя 3, передаваемого с выхода связанного с ним компаратора 2, вызывает его срабатывание. При этом на выходе формирователя 3 появляется одиночный импульс напряжения требуемой формы и допустимо малой длительности.

Импульс напряжения с входа формирователя 3 группы передается на собственный для него вход элемента ИЛИ 4 и через него следует на входы аналого-дискретного преобразователя и вычислительного блока 7.

В аналого-цифровом преобразователе 6 он является командой на очередное аналого-дискретное преобразование поданного на вход напряжения (с предварительным сбросом в нуль результата предыдущего аналого-дискретного преобразования). При этом на группе выходов аналого-цифрового преобразователя 6 формируется потенциальный код текущего значения развертывающего напряжения. Поданный на вход вычислительного блока 7 импульс напряжения является командой на перезапись этого кода через группу входов вычислительного блока 7 в память этого блока. Далее вычислительным блоком 7, работая по соответствующей программе, осуществляет суммирование принятого кода с содержимым суммарного вычислительного блока 7, в котором накаливается сумма всех принимаемых с группы входов вычислительного блока 7 кодов.

При достижении развертывающим напряжением заданного наибольшего (наименьшего) значения, вычислительный блок 7, выполнив деление накопленной сумы на число датчиков 1 в составе устройства, вычисляет измеренное среднее значение среднего значения параметра в исследуемом поле. Полученный результат в виде импульсного кодового сигнала передается через группу выходов вычислительного блока 7 и группу входов индикатора 8 в память этого индикатора и высвечивается им.

Предлагаемый способ измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды, имеет недостаток, заключающийся в том, что если в каких-либо контролируемых точках исследуемого поля текущие значения параметра различаются столь незначительно, что импульсы на выходах соответствующих формирователей 3 появляются одновременно, а следовательно, и одновременно поступают на соответствующие входы элемента ИЛИ 4, то на выходе элемента ИЛИ 4 вместо последовательности из нескольких импульсов появляется один импульс возможно несколько большей длительности. Если налагается друг на друга n импульсов, то при суммировании будут потеряны n-1-но слагаемые, равные результатам аналого-дискретного преобразования развертывающего напряжения в момент времени совпадения импульсов.

Примерами 2 и 3 иллюстрируются варианты способа, в которых существенно снижена вероятность получения недостоверного результата при его применении.

Пример 2. Как следует из структурной схемы устройства (фиг. 2), реализующего вариант способа с контролем, обеспечивающим выявление наложений импульсов на выходах формирователей 3, она отличается шифратором 9, группы элементов И 10 и дополнительного элемента ИЛИ 11.

Для выявлений наложившихся импульсов сигналов импульсы с выхода каждого формирователя 3 дополнительно подаются на соответствующие входы шифратора 9, которым на их основе формируются парафазные коды передаваемого по каналу связи импульсного кодового сигнала, идентифицирующего адрес формирователя в ставе устройства (фиг. 2).

Если при передаче не происходило наложений сигналов, то в передаваемом импульсном сигнале останутся не искаженными ни прямой, ни обратные коды. Импульсы каждого отдельного разряда подаются на первый и второй входы собственного элемента И 10 группы. Поскольку у неискаженного разряда один из них обязательно должен соответствовать единице, а второй равен нулю, то это означает, что на один из входов элемента И 10 поступает разрешающий импульсный потенциал, а на второй - запрещающий импульсный потенциал. Следовательно единичные импульсные сигналы не пройдут на выходы ни одного из элементов И 10, а следовательно, единичный импульсный сигнал при приеме неискаженного импульсного сигнала не появится ни на выходе дополнительного элемента ИЛИ 11, ни на дополнительном входе вычислительного блока 7. Дополнительных функций этот блок выполнять не будет.

Если же по каналу связи одновременно передается два или несколько сигналов, то обязательно будут искажены или прямые коды передаваемых сигналов, или их обратные коды, или и те и другие коды. Эти искажения проявляются в том, что в отдельных разрядах кодов окажутся единичные импульсные сигналы и в прямом, и в обратном кодах. Поэтому если единичные импульсы таких разрядов подавать одновременно и на первый, и на второй входы одного и того же элемента И 10, то импульс появится и на выходе этого элемента И 10 группы. Он передается на соответствующий вход дополнительного элемента ИЛИ 11 и через него на дополнительный вход вычислительного блока 7.

Получив этот сигнал, вычислительный блок 7 осуществит повторное сложение с накапливаемой суммой напряжения последнего значения развертывающего напряжения, принятого с аналого-дискретного преобразователя. При этом предполагается, что если произошло маловероятное событие - наложение сигналов при передаче по общему каналу связи, то имело место наложение только двух сигналов и тогда нужно просуммировать два текущих значения величины развертывающего напряжения. Наложение трех и более сигналов в общем канале связи имеет вероятности на несколько порядков меньшую и ею пренебрегают.

Пример 3. Реализация варианта способа, когда в процессе измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды, одновременно определяют со скольких датчиков 1 поступили сигналы о совпадении значения развертывающего напряжения и напряжения на выходе того или иного датчика 1, может быть проиллюстрировано на работе устройства (фиг. 1), в которое даже не требуется вводить новых элементов. Изменение будет заключаться только в расширении функций программы работы вычислительного блока 7.

В этом случае (фиг. 1) при поступлении очередного импульса с выхода элемента ИЛИ 4 на вход вычислительного блока 7, помимо считывания потенциального кода с группы выходов аналого-цифрового преобразователя 6 и суммирования этого кода с накапливаемой суммой напряжений, будет суммироваться единица ко второй сумме, которая характеризует количество датчиков 1, с которых поступили сигналы. Если после завершения очередного цикла изменения развертывающего напряжения вторая сумма окажется по величине равной числу датчиков 1 в составе устройства (фиг. 1), то сигналы всех датчиков 1 переданы по каналу связи без наложений. Следовательно полученный результат измерения среднего значения параметра является достоверным. Если же вторая накопленная сумма окажется существенно меньшей числа датчиков 1 в устройстве (фиг. 1), то требуется повторить измерение в условиях меньшей скорости изменения развертывающего напряжения.

Как следует из рассмотрения работы всех устройств примеров 1, 2 и 3, результаты измерения с их помощью могут быть искажены в случае наложения сигналов на выходах формирователей 3. Вероятность наложения этих сигналов зависит от длительности импульсов на выходе формирователей 3, скорости нарастания развертывающего напряжения и распределения напряжений на выходах датчиков 1 группы.

Допустимая длительность импульсов напряжения, выдаваемых формирователями 3, определяется параметрами линий связи, по которой они передаются, и их длиной. Можно показать (см. Грузнов Л.П. Способ 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 развертывающего напряжения задается при учете интервала напряжений, в котором изменяются напряжения датчиков 1 группы, и промежутком времени, за который должен быть закончен цикл полного изменения развертывающего напряжения для достоверного измерения среднего значения параметра. Последняя величина 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 развертывающего напряжения 1 - 10 В, в состав устройства включены 100 датчиков 1, а распределение напряжений на их выходах подчиняется закону равномерной плотности распределения в диапазоне 0 ^oC 10 В, то справедливы следующие соотношения.

За время передачи одного импульса развертывающее напряжение изменяется на величину 10 В/с · 10^-5 = 10^-4 В. При равномерной плотности распределения выходное напряжение одного датчика 1 в среднем могут находится в диапазоне 10 В / 100 датчиков = 0,1 В/датчик. Следовательно вероятность того, что за промежуток времени в 10 мкс появится сигнал о равенстве развертывающего напряжения напряжению на выходе одного из датчиков 1 группы равна 10^-4/0,1 = 0,001. Для наложения сигналов двух датчиков 1 вероятность равна 0,001 · 0,001 = 10^-6. Вероятность появления сигналов одновременно на выходах трех датчиков 1 составит 0,001 · 0,001 · 0,001 = 10^-9. Из данных прикидочных расчетов следует, что в рассматриваемых условиях, реализующие предлагаемый способ устройства окажутся работоспособными. Резкое снижение вероятности наложения одновременно трех сигналов по сравнению с вероятностью наложения двух сигналов поясняет преимущества устройства (фиг. 2) по сравнению с устройством (фиг. 1).

При нормальном распределении выходных напряжений датчиков 1 группы будут снижаться вероятности наложения сигналов при их напряжениях, удаленных от среднего значения, и возрастать при напряжениях, близких к среднему значению. В этих условиях целесообразно применение способа в варианте устройства, рассмотренного в примере 3.

Таким образом, предлагаемым техническим решением полностью реализуется задача измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды. Реализующие способ устройства позволяют решать поставленную задачу в широкой области применений с существенным упрощением технических средств и повышением надежности их работы.

Формула изобретения

1. Способ измерения среднего значения параметра, в частности температуры, неоднородной среды, включающий преобразование текущих значений параметров в пропорциональное напряжение с помощью датчиков, отличающийся тем, что формируют развертывающее напряжение, сравнивают его с текущим выходным напряжением каждого из датчиков, в момент равенства сравниваемых напряжений на каком-то из датчиков оценивают текущее значение развертывающего напряжения и суммируют его к накапливаемой сумме таких напряжений, а по достижении развертывающим напряжением наибольшего значения делят накопленную сумму на число датчиков в контролируемой группе и полученное частное принимают за измеренное среднее значение параметра.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что передачу сигналов о равенстве текущих значений развертывающего напряжения и напряжений на выходах датчиков осуществляют кодом, в частности парафазным, позволяющим обнаружить наложение сигналов при передаче, а в случае обнаружения их наложения к накапливаемой сумме напряжений прибавляют удвоенное текущее значение развертывающего напряжения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе передачи сигналов подсчитывают число переданных сигналов, возникающих при равенстве развертывающего напряжения и напряжений на выходах датчиков, и, если это число оказывается меньшим фактического количества контролируемых датчиков на заданную величину, то осуществляют повторное измерение при задаваемой меньшей скорости нарастания развертывающего напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2