Устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве

 

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: устройство содержит измерительные каналы с датчиками, соединенные с коммутатором аналоговых сигналов, который содержит инверторы и выполнен с несколькими входами и выходами, блок управления, управляющий выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, и сумматор, входы которого подключены к выходам коммутатора. Число инверторов, входов и выходов коммутатора соответствует числу каналов, которое выбрано четным. Выходы одной группы каналов, составляющих половину от всего числа каналов, подключены к входам коммутатора, которые через инверторы соединены со своими выходами, а выходы другой группы каналов подключены к входам коммутатора, которые соединены со своими выходами напрямую. Каналы, составляющие упомянутые группы, выбраны исходя из расположения датчиков в измеряемом пространстве по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения плюс или минус. Технический результат: практически мгновенное фиксирование возникновения значительных локальных изменений. 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в устройствах 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, соединенные с коммутатором аналоговых сигналов, и блок управления, управляющий выход которого подключен к управляющему входу коммутатора (К.Б. Клаассен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. c. 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.

Задачей настоящего изобретения является создание 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 то, что при его использовании вое 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 устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, содержащем измерительные каналы с датчиками, соединенные с коммутатором аналоговых сигналов, и блок управления, управляющий выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, введен сумматор, а коммутатор аналоговых сигналов содержит инверторы и выполнен с несколькими входами и выходами, причем число инверторов, входов и выходов коммутатора соответствует числу каналов, которое выбрано четным, при этом выходы одной группы каналов, составляющих половину от всего числа каналов, подключены к входам коммутатора, которые через инверторы соединены со своими выходами, а выходы другой группы каналов подключены к входам коммутатора, которые соединены со своими выходами напрямую, причем каналы, составляющие упомянутые группы, выбраны исходя из расположения датчиков в измеряемом пространстве по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения плюс или минус, а выходы коммутатора соединены с входами сумматора.

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

Устройство содержит измерительные каналы 1, коммутатор 2 аналоговых сигналов, сумматор 3 и блок 4 управления, управляющий выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 2. Коммутатор 2 аналоговых сигналов содержит инверторы 5 и выполнен с несколькими входами 6, 7, 8, 9 и выходами 10, 11, 12, 13, при этом число инверторов 5, входов и выходов коммутатора 2 соответствует числу каналов 1, которое выбрано четным, например, равно четырем. Измерительные каналы 1 соединены с коммутатором 2 так, что половина каналов 1 подключена к входам 6, 7 коммутатора 2, которые соединены через инверторы 5 со своими выходами 10, 11, а другая половина каналов 1 подключена к входам 8, 9 коммутатора 2, которые соединены со своими выходами 12, 13 напрямую. Измерительный канал 1 содержит датчик 14 и нормирующий усилитель 15. Упомянутые группы каналов 1 сформированы исходя из расположения датчиков 14 измерительных каналов 1 в измеряемом пространстве по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения плюс или минус. Выходы 10, 11, 12, 13 коммутатора 2 подключены к входам сумматора 3.

Устройство работает следующим образом.

На входы 6, 7, 8, 9 коммутатора 2 аналоговых сигналов поступают сигналы, пропорциональные уровням измеряемых скалярных величин (звуковое давление, радиационный фон, температура и т.п.) и сформированные измерительными каналами 1. По команде, выдаваемой блоком 4 управления, выходы одной половины каналов 1 соединяются с выходами 12, 13 коммутатора 2 напрямую, а выходы другой половины каналов 1 - с выходами 10, 11 коммутатора 2 через инверторы 5. Сигналы, поступающие на входы 6, 7 коммутатора 2 и проходящие через инверторы 5, меняют свой знак на противоположный и поступают на выходы 12, 13 коммутатора 2 с измененным знаком, а сигналы, поданные на входы 8, 9 коммутатора 2, поступают на выходы 10, 11 коммутатора 2 без изменения знака.

С выходов 10, 11, 12, 13 коммутатора 2 сигналы поступают на входы сумматора 3, где суммируются с учетом знака сигнала. При этом результат суммирования, например число А1, равен превышению суммы измерений одной группы (например, выходы 12, 13 коммутатора 2) с неинвертированными сигналами над суммой измерений другой группы с инвертированными сигналами (выходы 10, 11) и не зависит от среднего уровня измеряемой величины по воем каналам (т.к. при вычитании постоянная составляющая будет скомпенсирована). Это позволит увеличить точность регистрации отклонений измеряемого пространства от среднего уровня, т.е. увеличить разрешающую способность измерений.

В момент возникновения локальных аномалий (т.е. увеличения измеряемой величины в зоне чувствительности одного из датчиков) абсолютное значение суммы будет увеличено, в то время как среднее значение по всем датчикам изменится незначительно, что может являться диагностическим признаком возникновения аномалии. Далее процесс измерений повторится: по команде блока 4 управления будут сформированы две другие группы измерительных каналов 1, и в результате суммирования получится число А2. Формирование групп каналов 1 производится блоком управления 4 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.

В таблице 2 приведены расчетные значения измеряемого параметра в местах расположения датчиков по четырем измерениям, которые указаны в таблице 1.

При необходимости измерения среднего уровня распределенной скалярной величины сигналов по всем датчикам со всех каналов сигналы подаются на сумматор без инверсии (число АО). Для определения показаний каждого из датчиков 14 формируется число сумм, равное числу каналов (полный набор секвент). При формировании каждой суммы по командам блока управления 4 половина измерительных каналов 1 соединяется с выходами коммутатора 2 через инверторы 5, а другая половина каналов 1 - напрямую. Данные переключения производятся блоком управления 4 в соответствии с алгоритмом пространственных функций Уолша в исследуемом пространстве объекта, оснащенным датчиками 14. Показания каждого из датчиков 14 вычисляется обработкой полученных значений сумм с помощью обратного преобразования Уолша (суммированием значений сумм для каждого датчика о 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 о этими данными выбираются частоты регистрации высших и низших cеквент (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).

Формула изобретения

Устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве, содержащее измерительные каналы с датчиками, соединенные с коммутатором аналоговых сигналов, и блок управления, управляющий выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, отличающееся тем, что в устройство введен сумматор, а коммутатор аналоговых сигналов содержит инверторы и выполнен с несколькими входами и выходами, причем число инверторов, входов и выходов коммутатора соответствует числу каналов, которое выбрано четным, при этом выходы одной группы каналов, составляющих половину от всего числа каналов, подключены к входам коммутатора, которые через инверторы соединены со своими выходами, а выходы другой группы каналов подключены к входам коммутатора, которые соединены со своими выходами напрямую, причем каналы, составляющие упомянутые группы, выбраны исходя из расположения датчиков в измеряемом пространстве по системе ортогональных двоичных функций, принимающих значения "плюс" или "минус", а выходы коммутатора соединены с входами сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1