Устройство для измерения средней температуры

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при измерении температурных полей. Устройство содержит n термопреобразователей, n аналого-цифровых преобразователей, реверсивный счетчик, преобразователь код-последовательность импульсов, генератор, счетчик, n элементов И, два элемента ИЛИ, регистр, делитель частоты, выходную шину, n шин сигналов разрешения, распределитель импульсов, а также n дополнительных счетчиков, n триггеров и n дополнительных элементов И. Устройство обеспечивает измерение средней температуры на основе метода одновременного считывания информативных сигналов со всех каналов и их преобразования в потоки широтно-импульсных сигналов, которые суммируются и усредняются за счет организации следящей частотно-импульсной системы с запоминающей обратной связью. Изобретение направлено на повышение быстродействия измерения температуры. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при измерении температурных полей.

Известно устройство для измерения средней температуры [А.С. 1560985. Устройство для измерения средней температуры / Н.М.Сафьянников и др. БИ № 16, 1990, МКИ G 01 К 3/02], предназначенное для измерения температурных полей путем преобразования сигналов датчиков, опрашиваемых последовательно, с дальнейшим усреднением как по их количеству, так и по времени. Устройство содержит n термопреобразователей, аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, преобразователь код-последовательность импульсов, генератор, ряд конъюнкторов, коммутатор, мультиплексор.

Недостатком устройства является невысокая точность, обусловленная малым временем считывания информации в каждом канале в течение обращения к каждому термопреобразователю в цикле сканирования датчиков. Кроме того, из-за неравномерности потоков импульсов в цепях прямой и обратной связи код среднего, формируемый реверсивным счетчиком в режиме динамического равновесия, характеризуется пульсацией части его младших разрядов, снижающей информативность и соответственно точность результата.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения средней температуры [А.С. 1793275. Устройство для измерения средней температуры / А.В.Петров, А.Башаръяр, БИ № 5, 1993 МКИ⁵ G 01 К 3/02], которое и выбрано в качестве прототипа. Прототип по сравнению с аналогом отличается более высокой точностью измерения средней температуры.

Прототип содержит n термопреобразователей, n аналого-цифровых преобразователей, реверсивный счетчик, преобразователь код-последовательность импульсов, генератор, счетчик, n элементов И, два элемента ИЛИ, регистр, делитель частоты, выходную шину, n шин сигналов разрешения и распределитель импульсов, выходы которого соединены с входами первого элемента ИЛИ через соответствующие элементы И, подключенные другими входами к шинам сигналов разрешения, стробирующий вход распределителя импульсов соединен с выходом генератора и со входом счетчика, а другой вход - с кодовым выходом счетчика, связанного выходом переполнения через делитель частоты с управляющим входом регистра, информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а выход - к выходной шине и кодовому входу преобразователя код - последовательность импульсов, связанного частотным входом с выходом первого элемента ИЛИ, а выходом - с вычитающим входом реверсивного счетчика, соединенного суммирующим входом с выходом второго элемента ИЛИ, выход каждого из n термопреобразователей подсоединен к входу соответствующего аналого-цифрового преобразователя.

Кроме того, в состав прототипа входят n формирователей импульсов, выходы которых подключены к входам второго элемента ИЛИ, первые входы - к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, а другие входы объединены с выходами соответствующих элементов И.

Прототип работает в непрерывном режиме и обеспечивает измерение средней температуры на основе метода одновременного считывания информативных сигналов со всех каналов с их последующим преобразованием в частоту и суммированием при дальнейшем насчете.

Устройство обеспечивает усреднение как по количеству исправных датчиков температуры, так и по времени. Значение средней температуры формируется в кодовой форме в соответствии с формулой

где

- выходная частота i-го термопреобразователя,

S_i - сигнал исправности i-го термопреобразователя,

l - количество исправных датчиков,

k - разрядность,

F_{x max} - максимальная выходная частота термопреобразователя.

При этом принятый интервал времени усреднения Т значительно превышает периоды сигналов термопреобразователя.

Недостатком прототипа является длительное время усреднения вследствие выполняемого насчета сигналов от термопреобразователя.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение динамических характеристик устройства.

Техническим результатом является повышение быстродействия устройства.

Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее n термопреобразователей, n аналого-цифровых преобразователей, реверсивный счетчик, преобразователь код-последовательность импульсов, генератор, счетчик, n элементов И, два элемента ИЛИ, регистр, делитель частоты, выходную шину, n шин сигналов разрешения и распределитель импульсов, выходы которого соединены с входами первого элемента ИЛИ через соответствующие элементы И, подключенные другими входами к шинам сигналов разрешения, стробирующий вход распределителя импульсов соединен с выходом генератора и со входом счетчика, а другой вход - с кодовым выходом счетчика, связанного выходом переполнения через делитель частоты с управляющим входом регистра, информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а выход - к выходной шине и кодовому входу преобразователя код-последовательность импульсов, связанного частотным входом с выходом первого элемента ИЛИ, а выходом - с вычитающим входом реверсивного счетчика, соединенного суммирующим входом с выходом второго элемента ИЛИ, выход каждого из n термопреобразователей подсоединен к входу соответствующего аналого-цифрового преобразователя, введены n дополнительных счетчиков, n триггеров и n дополнительных элементов И, выходы которых соединены со входами второго элемента ИЛИ, вторые входы - с соответствующими входами первого элемента ИЛИ, а первые входы - с прямыми выходами соответствующих триггеров, входы сброса которых подключены к выходам переполнения соответствующих дополнительных счетчиков, кодовые входы установки которых подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, входы синхронизации объединены со входами установки триггеров и с управляющим входом регистра, а вычитающие входы объединены с выходом генератора.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании устройства для измерения средней температуры, работающего в непрерывном режиме и обеспечивающего измерение средней температуры на основе метода одновременного считывания информативных сигналов со всех каналов и их преобразования в потоки широтно-импульсных сигналов, которые суммируются в процессе их параллельного заполнения импульсами опорной частоты и усредняются по времени и по количеству за счет организации следящей частотно-импульсной системы с запоминающей обратной связью, обеспечивающей учет предыдущих измерений с блокировкой каналов прямой и обратной связи в периоды неисправности отдельных датчиков.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство для измерения средней температуры содержит n термопреобразователей 1, n аналого-цифровых преобразователей 2, реверсивный счетчик 3, преобразователь код-последовательность импульсов 4, генератор 5, счетчик 6, n элементов И 7, два элемента ИЛИ 8, 9, регистр 10, делитель частоты 11, выходную шину 12, n шин сигналов разрешения 13, распределитель импульсов 14, n дополнительных счетчиков 15, n триггеров 16 и n дополнительных элементов И 17, причем выходы распределителя импульсов 14 соединены с входами первого элемента ИЛИ 8 через соответствующие элементы И 7, подключенные другими входами к шинам сигналов разрешения 13, стробирующий вход распределителя импульсов 14 соединен с выходом генератора 5 и со входом счетчика 6, а другой вход - с кодовым выходом счетчика 6, связанного выходом переполнения через делитель частоты 11 с управляющим входом регистра 10, информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика 3, а выход - к выходной шине 12 и кодовому входу преобразователя код-последовательность импульсов 4, связанного частотным входом с выходом первого элемента ИЛИ 8, а выходом - с вычитающим входом реверсивного счетчика 3, соединенного суммирующим входом с выходом второго элемента ИЛИ 9, выход каждого из n термопреобразователей 1 подсоединен к входу соответствующего аналого-цифрового преобразователя 2, выходы каждого из n дополнительных элементов И 17 соединены со входами второго элемента ИЛИ 9, вторые входы - с соответствующими входами первого элемента ИЛИ 8, а первые входы - с прямыми выходами соответствующих триггеров 16, входы сброса которых подключены к выходам переполнения соответствующих дополнительных счетчиков 15, кодовые входы установки которых подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей 2, входы синхронизации объединены со входами установки триггеров 16 и с управляющим входом регистра 10, а вычитающие входы объединены с выходом генератора 5.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени счетчики 3 и 6, дополнительные счетчики 15, регистр 10, а также триггеры 16 находятся в нулевом состоянии. Аналого-цифровые преобразователи 2 преобразуют информативные сигналы каждого из n термопреобразователей 1 в цифровые коды, поступающие соответственно на входы счетчиков 15.

Генератор опорной частоты 5 вырабатывает опорную импульсную последовательность с частотой F, которая изменяет состояние счетчика 6. На основе текущего кода счетчика распределитель импульсов 14 обеспечивает поступление фазированных импульсных последовательностей через элементы И 7 на входы первого элемента ИЛИ 8 и далее на вход преобразователя код-последовательность импульсов 4. Под воздействием нулевого кода с выхода регистра 10 преобразователь код-последовательность импульсов 4 выходные импульсы не вырабатывает.

Кроме того, импульсы с выхода генератора 5 поступают на вычитающие входы дополнительных счетчиков 15, изменяя их состояние с нулевого к максимальным, а выработанные сигналы отрицательного переполнения подтвердят нулевое состояние триггеров 16.

В моменты возникновения переполнения счетчика 6 на его выходе формируются соответствующие сигналы, последовательность которых приводит к появлению сигнала на делителе частоты 11, фиксирующем период работы устройства. По этому сигналу происходит запись кодов, сформированных аналого-цифровыми преобразователями 2, в соответствующие дополнительные счетчики 15, перезапись нулевого кода из счетчика 3 в регистр 10, а также установка триггеров 16.

На вычитающие входы дополнительных счетчиков 15 продолжают поступать импульсы с выхода генератора 5, уменьшая состояние этих счетчиков. Синхронизированные по фазе импульсные последовательности с выхода распределителя импульсов 14 проходят через элементы И 7, соответствующие исправным датчикам (для которых сигнал, снимаемый с шины S 13, единичный), суммируются элементом ИЛИ 8 и поступают на частотный вход преобразователя код-последовательность импульсов 4. На выходе этого преобразователя импульсы все еще не формируются, что обусловлено нулевым значением кода, снимаемого с выхода регистра 10.

Установленные триггеры 16 обеспечивают прохождение импульсных последовательностей, соответствующих исправным датчикам, с выходов элементов И 7 через соответствующие дополнительные элементы И 17 на входы элемента ИЛИ 9, который выполняет суммирование синхронизированных по фазе импульсных последовательностей. Результирующая последовательность, поступая на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, изменяет его состояние.

В момент, когда значение какого-либо дополнительного счетчика 15 по очередному импульсу от генератора 5 переходит из нулевого в максимальное, вырабатывается сигнал отрицательного переполнения, который сбрасывает соответствующий триггер 16 и блокирует прохождение соответствующей импульсной последовательности с выхода элемента И 7 на элемент ИЛИ 9. В определенный момент возникает ситуация, когда все триггеры 16 оказываются сброшенными и импульсы по суммирующему входу счетчика 3 перестают поступать. Устройство переходит в статическое состояние, которое сохраняется до конца первого периода.

В момент появления очередного сигнала на делителе частоты 11, фиксирующем период работы устройства, вновь происходит запись кодов, сформированных аналого-цифровыми преобразователями 2, в соответствующие дополнительные счетчики 15, установка триггеров 16, а также перезапись ненулевого кода из счетчика 3 в регистр 10, в результате чего на выходе устройства 12 появляется ненулевой код.

На вычитающие входы дополнительных счетчиков 15 продолжают поступать импульсы с выхода генератора 5, уменьшая состояние этих счетчиков. Синхронизированные по фазе импульсные последовательности с выхода распределителя импульсов 14 проходят через элементы И 7, соответствующие исправным датчикам, суммируются элементом ИЛИ 8 и поступают на частотный вход преобразователя код-последовательность импульсов 4. Под воздействием этих импульсов и ненулевого кода, снимаемого с выхода регистра 10, на выходе преобразователя код-последовательность импульсов 4 появляется импульсная последовательность, которая, поступая на вычитающий вход реверсивного счетчика 3, уменьшает значение его кода.

Установленные триггеры 16 обеспечивают прохождение импульсных последовательностей, соответствующих исправным датчикам, с выходов элементов И 7 через соответствующие дополнительные элементы И 17 на входы элемента ИЛИ 9, который выполняет суммирование синхронизированных по фазе импульсных последовательностей. Результирующая последовательность, поступая на суммирующий вход счетчика 3, изменяет его состояние в сторону увеличения.

В момент, когда значение какого-либо дополнительного счетчика 15 по очередному импульсу от генератора 5 переходит из нулевого в максимальное, вырабатывается сигнал отрицательного переполнения, который сбрасывает соответствующий триггер 16 и блокирует прохождение соответствующей импульсной последовательности с выхода элемента И 7 на элемент ИЛИ 9. В определенный момент возникает ситуация, когда все триггеры 16 оказываются сброшенными и импульсы по суммирующему входу счетчика 3 перестают поступать. Импульсная последовательность с выхода преобразователя код-последовательность импульсов 4 поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 до конца текущего периода.

В момент появления очередного сигнала на делителе частоты 11, фиксирующем период работы устройства, работа устройства повторяется, как и на предыдущем периоде.

В основу работы устройства положен итерационный принцип усреднения потоков ШИМ-сигналов в процессе их заполнения синхронизированными по фазе опорными частотно-импульсными последовательностями в прямой цепи следящей системы и автоматического формирования компенсирующего воздействия в запоминающей обратной связи с целью получения усредненного по времени результата.

Наличие в устройстве отрицательной обратной связи обеспечивает выход в режим установившегося динамического равновесия, характеризующийся равенством количества импульсов N₊ и N_-, приходящих соответственно на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 3 в течение периода работы устройства.

Количество импульсов, поступающих на суммирующий вход реверсивного счетчика 3 за период Т, определяется следующим образом

где F_i - частота i-ой опорной импульсной последовательности распределителя импульсов 14,

S_i - сигнал исправности i-го термопреобразователя 13,

Т - период работы устройства,

θ_i - относительная длительность импульса, формируемого i-ым триггером 16.

Относительная длительность импульса зависит от кода N_i, снимаемого с выхода i-го аналого-цифрового преобразователя 2, и максимального значения кода N_max:

Максимальное значение кода N_max определяется исходя из разрядности k счетчика 6 и коэффициента деления b делителя 11:

При этом период Т сигнала θ_i совпадает с периодом работы устройства - временным отрезком, формирующимся при срабатывании элемента 11. Период Т рассчитывается исходя из опорной частоты F генератора 5 и кода N_max следующим образом

и при соотношении

равен 1.

Частоты опорных импульсных последовательностей F_i отличаются друг от друга только фазовым сдвигом. При этом количество импульсов в каждой последовательности одинаково, а частота F_i для любого i ∈ [1...n] определяется выражением

где n - число измерительных каналов устройства.

Формула (2) с учетом (3)-(7) примет следующий вид

Количество импульсов, поступающих на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 за тот же период Т, определяется выходной частотой F_вых4 преобразователя 4 код-последовательность импульсов.

Функциональная характеристика преобразователя 4 в общем случае имеет вид:

где N_вx4 - входной код преобразователя,

F_вх4 - входная частота преобразователя,

М - масштабный коэффициент.

На кодовый вход N_вx4 преобразователя 4 поступает код N_вых, хранящийся в регистре 10. На частотный вход преобразователя 4 приходит последовательность, определяющаяся суммой опорных импульсных последовательностей F_i,

Масштабный коэффициент связан с разрядностью, и в данном случае его значение равно M=2^kb.

Таким образом, количество импульсов, пришедших по вычитающему входу на первом периоде, определяется на основе значения выходной частоты F₄ преобразователя код-частота как

или с учетом (6), (7)

Сумма определяет количество исправных датчиков - l, что позволяет последнее равенство записать в следующем виде

По окончании периода код с выхода реверсивного счетчика 3 по сигналу от делителя частоты 11 перепишется в регистр 10. Таким образом, в конце первого периода в регистре зафиксируется код

или

При неизменности количества исправных датчиков в течение рассматриваемого переходного процесса количество импульсов, поступивших в течение второго периода на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, будет определяться формулой (8), а поступивших на вычитающий вход

Код на счетчике 3 к концу второго периода будет равен

что с учетом (11) может быть преобразовано в следующий вид

или

Аналогичным образом определяются значения приращений по суммирующему и вычитающему входу реверсивного счетчика 3 на третьем периоде и результирующий код, зафиксированный в регистре в конце третьего периода:

Аналогичным образом определяется выходной код для периода j

Выражение, заключенное в квадратные скобки, характеризуется геометрической прогрессией с основанием Сумма m первых членов прогрессии определится следующим образом

Из очевидного равенства

имеем

Анализ второго слагаемого с учетом (13) позволяет сделать вывод о компенсации его влияния на результат при увеличении времени наблюдения. При этом в случае нулевого начального состояния счетчиков и регистров устройства результат будет получен уже в конце первого периода работы устройства.

В результате выражение (12) для выходного кода примет следующий вид

отражающий усреднение температуры по количеству исправных датчиков в течение одного периода и усреднение по времени в течение нескольких периодов.

Предлагаемое устройство является более быстродействующим по сравнению с прототипом, так как максимальной частотой квантования при преобразовании сигналов от аналого-цифровых преобразователей в заявляемом устройстве является частота генератора, а в прототипе - частоты, полученные в результате деления частоты генератора на количество каналов устройства.

Устройство для измерения средней температуры, содержащее n термопреобразователей, n аналого-цифровых преобразователей, реверсивный счетчик, преобразователь код-последовательность импульсов, генератор, счетчик, n элементов И, два элемента ИЛИ, регистр, делитель частоты, выходную шину, n шин сигналов разрешения и распределитель импульсов, выходы которого соединены с входами первого элемента ИЛИ через соответствующие элементы И, подключенные другими входами к шинам сигналов разрешения, стробирующий вход распределителя импульсов соединен с выходом генератора и со входом счетчика, а другой вход - с кодовым выходом счетчика, связанного выходом переполнения через делитель частоты с управляющим входом регистра, информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а выход - к выходной шине и кодовому входу преобразователя код-последовательность импульсов, связанного частотным входом с выходом первого элемента ИЛИ, а выходом - с вычитающим входом реверсивного счетчика, соединенного суммирующим входом с выходом второго элемента ИЛИ, выход каждого из n термопреобразователей подсоединен к входу соответствующего аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что в устройство введены n дополнительных счетчиков, n триггеров и n дополнительных элементов И, выходы которых соединены со входами второго элемента ИЛИ, вторые входы - с соответствующими входами первого элемента ИЛИ, а первые входы - с прямыми выходами соответствующих триггеров, у которых входы сброса подключены к выходам переполнения соответствующих дополнительных счетчиков, кодовые входы установки которых подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, входы синхронизации объединены со входами установки триггеров и с управляющим входом регистра, а вычитающие входы объединены с выходом генератора.