Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств
Устройство относится к области вычислительной техники, а в частности к системам контроля экологического состояния воздушного бассейна. Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит: на пункте контроля генератор импульсов, датчик состояния погоды, первый аналого-цифровой преобразователь, делитель частоты, первый триггер, модулятор, первый и второй усилители мощности, первый антенный переключатель, первую приемопередающую антенну, второй элемент задержки, фазовый детектор и блок регистрации, а на транспортном средстве - демодулятор, второй триггер, формирователь переднего фронта импульсов, первый элемент задержки, счетчик импульсов, задатчик предельно допустимого значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства, датчик текущего значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства, второй аналого-цифровой преобразователь, первый и второй элементы сравнения, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ, блок предупредительной сигнализации, генератор высокой частоты, ключ, многоотводную линию задержки, фазоинверторы (i=1, 2, ..., n), сумматор, третий и четвертый усилители мощности, второй антенный переключатель и вторую приемопередающую антенну. 3 ил.
Предлагаемое устройство относится к вычислительной технике и системам контроля экологического состояния воздушного бассейна. Оно может быть использовано в приборах и системах синхронного контроля и синхронного переноса информации о движущихся объектах, например в системах контроля загрязненности воздуха и токсичности выхлопа двигателей автотранспортных средств.
Известны устройства для контроля объектов управления (авт. свид. СССР №690499, 982058; патенты РФ №2145120, 2150126, 2236040; патенты Германии №3438172, WO №02/35495 и другие).
Из известных устройств наиболее близкими к предлагаемому является «Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств» (патент РФ №2236040, G 07 С 5/08, 2003), которое и выбрано в качестве прототипа.
Указанное устройство обеспечивает адаптацию к текущим условиям состояния окружающей среды, в частности к состоянию погоды в реальном масштабе времени, и предупреждение о превышении токсичности выхлопа двигателей в функции от состояния погоды и условий эксплуатации двигателя.
Однако известное устройство не обеспечивает возможности для определения транспортных средств, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем дистанционного определения транспортных средств, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение.
Поставленная задача решается тем, что устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств, содержащее на пункте контроля последовательно включенные датчик состояния погоды, первый аналого-цифровой преобразователь, делитель частоты, соединенный сигнальным входом с выходом генератора импульсов, первый триггер и модулятор, соединенный сигнальным входом с выходом генератора импульсов, а на транспортном средстве последовательно включенные демодулятор, второй триггер, формирователь переднего фронта импульсов и счетчик импульсов, счетный вход которого через первый элемент задержки соединен с выходом демодулятора, последовательно включенные первый элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами счетчика импульсов и второго аналого-цифрового преобразователя соответственно, первый элемент И, второй вход которого соединен со вторым выходом второго триггера, элемент ИЛИ и блок предупредительной сигнализации, последовательно включенные второй элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами второго аналого-цифрового преобразователя и задатчика предельно допустимого значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства соответственно, и второй элемент И, второй вход которого соединен со вторым выходом второго триггера, а выход подключен к второму входу элемента ИЛИ, вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом датчика текущего значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства, снабжено на пункте контроля первым и вторым усилителями мощности, первым антенным переключателем, первой приемопередающей антенной, вторым элементом задержки, фазовым детектором и блоком регистрации, причем к выходу модулятора последовательно подключены первый усилитель мощности, первый антенный переключатель, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй элемент задержки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, и блок регистрации, а на транспортном средстве генератором высокой частоты, ключом, многоотводной линией задержки, n фазоинверторами, сумматором, третьим и четвертым усилителями мощности, вторым антенным переключателем, второй приемопередающей антенной и индикатором, причем к выходу элемента ИЛИ последовательно подключены генератор высокой частоты, ключ, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, многоотводная линия задержки, n отводов которой через соответствующие фазоинверторы подключены к сумматору, (n+1)-ый вход которого соединен с выходом ключа, четвертый усилитель мощности, второй антенный переключатель, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной, и третий усилитель мощности, выход которого соединен с входом демодулятора, к выходу элемента ИЛИ подключен индикатор.
Структурная схема пункта контроля представлена на фиг.1. Структурная схема оборудования, установленного на транспортном средстве, представлена на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, показаны на фиг.3.
Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств содержит: на пункте контроля последовательно включенные датчик 2 состояния погоды, первый аналого-цифровой преобразователь 3, делитель 4 частоты, соединенный сигнальным входом с выходом генератора 1 импульсов, первый триггер 5, модулятор 6, соединенный сигнальным входом с выходом генератора 1 импульсов, первый усилитель 21 мощности, первый антенный переключатель 22, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной 23, второй усилитель 24 мощности, второй элемент 25 задержки, фазовый детектор 26, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 24 мощности, и блок 27 регистрации, а на транспортном средстве - последовательно включенные вторую приемопередающую антенну 28, второй антенный переключатель 29, третий усилитель 30 мощности, демодулятор 7, второй триггер 8, формирователь 9 переднего фронта импульсов и счетчик 11 импульсов, счетный вход которого через первый элемент 10 задержки соединен с выходом демодулятора 7, последовательно включенные первый элемент 15 сравнения, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами счетчика 11 импульсов и второго аналого-цифрового преобразователя 14 соответственно, первый элемент И 17, второй вход которого соединен со вторым выходом второго триггера 8, элемент ИЛИ 19 и блок 20 предупредительной сигнализации, последовательно включенные второй элемент 16 сравнения, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами второго аналого-цифрового преобразователя 14 и задатчика 12 предельно допустимого значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства соответственно, и второй элемент И 18, второй вход которого соединен со вторым выходом второго триггера 8, а выход подключен к второму входу элемента ИЛИ 19, вход второго аналого-цифрового преобразователя 14 соединен с выходом датчика 13 текущего значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства, последовательно подключенные к выходу элемента ИЛИ 19, генератор 31 высокой частоты, ключ 32, второй выход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 19, многоотводную линию задержки 33, n отводов которой через соответствующие фазоинверторы 34.i (i=1, 2, ..., n) подключены к сумматору 35, (n+1)-ый вход которого соединен с выходом ключа 32, и четвертый усилитель 36 мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя 29, к выходу элемента ИЛИ 19 подключен индикатор 37.
Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств работает следующим образом.
На пункте контроля генератор 1 импульсов генерирует эталонные по частоте, амплитуде и форме импульсы с частотой F1 (с периодом Т1), датчик 2 состояния погоды (например, скорости ветра, влажности и/или температуры) генерирует аналоговые потенциалы U2, пропорциональные текущему значению параметра погоды П2(t) [U2=f(П2)], преобразователь 3 аналог - код состояние выхода датчика 2 U2=f(П2) преобразует в код N3 [N3=f(U2)], пропорциональный значению П2 и U2. На выходе делителя 4 частоты генерируются импульсы с частотой F4 [F4=f(N3)] с периодом T4, а на выходе счетного триггера 5 прямоугольные импульсы длительностью T5, определяемые скважностью двух предыдущих по времени поступления импульсов с выхода делителя 4, тогда на выходе модулятора 6 генерируются импульсы с частотой F1 пачками (группами) по N6=F1·T5, число импульсов в которых пропорционально текущим значениям допуска на контролируемый параметр П2 и U2.
Информация с выхода модулятора 6 пачками по N6 импульсов после усиления по мощности в усилителе 21 мощности через антенный переключатель 22 приемопередающей антенной 23 излучается в эфир навстречу транспортному потоку, принимается приемопередающей антенной 28, установленной на каждом транспортном средстве, и через усилитель 30 мощности поступает на вход демодулятора 7. Последним выделяются пачки импульсов по N7=N6, пропорциональными параметру П2, триггером 8 на единичном выходе, по переднему фронту каждой пачки импульсов с выхода демодулятора 7 генерируются импульсы с постоянной длительностью τ1>T5=const, на нулевом - импульсы с переменной длительностью τ=Т5-τ1=varia. На выходе формирователя 9 по переднему фронту каждого импульса с единичного выхода триггера 8 генерируются короткие импульсы. На выходе элемента задержки 10 - импульсы пачками, но с задержкой по времени τ10. Каждым импульсом с единичного выхода триггера 8 счетчик 11 сначала обнуляется (устанавливается в исходное состояние, при котором его выходы обнулены, N11=0), а затем по импульсам с выхода элемента задержки 10 фиксирует число импульсов N11 (N11=N7) в пачке на выходе демодулятора 7, пропорциональное допуску на значение контролируемого параметра, т.е. допуску на токсичность выхлопа двигателя транспортного средства. В задатчике 12 зафиксирован код N12=const предельно допустимого значения контролируемого параметра (код предельно допустимой токсичности выхлопа двигателя, по международным или государственным нормативным актам), на его выходе генерируется этот код. На выходе датчика 13 контролируемого параметра (текущего значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства) генерируется текущее значение этого параметра U13=f(t). По значению U13 на выходах аналого-цифрового преобразователя 14 генерируется текущее значение кода N14 [код N14=f(U13) пропорционален значению U13].
Состояние выходов счетчика 11 и преобразователя 14 сравнивается элементом 15 сравнения. При N11>N14 высокий потенциал устанавливается на первом выходе элемента 15 сравнения, а второй и третий его выходы остаются под нулевыми потенциалами, при N11=N14 высокий потенциал устанавливается на втором выходе элемента 15 сравнения, а второй и третий его выходы оказываются под нулевыми потенциалами, и при N11<N14 высокий потенциал устанавливается на третьем выходе (на выходе превышения значения контролируемого параметра над его допустимыми значениями) элемента 15 сравнения, а его первый и второй выходы оказываются под нулевыми потенциалами.
Состояние выходов задатчика 12 и преобразователя 14 сравнивается элементом 16 сравнения. При N12>N14 на первом выходе элемента 16 сравнения устанавливается высокий потенциал, а второй и третий его выходы остаются под нулевыми потенциалами, при N12=N14 высокий потенциал устанавливается на втором выходе элемента 16 сравнения, а его первый и третий выходы оказываются под нулевыми потенциалами, и при N12<N14 высокий потенциал устанавливается на третьем выходе (на выходе превышения значения контролируемого параметра над его предельно допустимым значением) элемента 16 сравнения, а его первый и второй выходы оказываются под нулевыми потенциалами.
С задержкой по времени τ0 нулевой выход триггера 8 оказывается под высоким потенциалом, а на его единичном выходе устанавливается нулевой (низкий) потенциал. Высоким потенциалом с нулевого выхода триггера 8 по первым входам открываются элементы И 17 и 18, при этом содержимое третьего выхода (выхода превышения текущего значения контролируемого параметра над его допустимым значением) элемента 15 сравнения и/или содержимое третьего выхода (выхода превышения текущего значения контролируемого параметра над его предельно допустимым значением) элемента 16 сравнения через элементы 17 и/или 18 И и элемент ИЛИ 19 поступает на вход блока 20 предупредительной сигнализации. По высокому (единичному) потенциалу на входе блок 20 предупредительной сигнализации генерирует сигналы о превышении контролируемого параметра над его допустимыми значениями, т.е. о недопустимо высокой токсичности выхлопа двигателя транспортного средства, что служит стимулом для принятия соответствующих выводов по снижению токсичности выхлопа двигателя конкретного транспортного средства.
Напряжение с выхода элемента ИЛИ 19 поступает на управляющий вход ключа 32, открывая его. В исходном состоянии ключ 32 всегда закрыт. Это же напряжение включает генератор 31 высокой частоты, который формирует высокочастотный радиоимпульс (фиг.3а)
u1(t)=Uc·cos(ωct+ϕc), 0≤t≤τэ
где Uс, ωс, ϕс, τэ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного радиоимпульса.
Этот радиоимпульс через открытый ключ 32 поступает на вход многоотводной линии 33 задержки и на (n+1)-й вход сумматора 35. В многоотводной линии 33 задержки время задержки между соседними отводами равно длительности элементарного радиоимпульса (τзi=τэ, i=1, 2, ..., n).
В отводах линии задержки включены фазоинверторы 34.i (i=1, 2, ..., n), обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° (фиг.3б, в, г, д). На выходе сумматора 35 образуется сложный фазоманипулированный (ФМн) сигнал в виде алгебраической суммы элементарных радиоимпульсов со всех отводов линии 33 задержки и с выхода генератора 31 высокой частоты (фиг.3е)
uc(t)=Uc·cos(ωсt+ϕк(t)+ϕc), 0≤t≤Tc
где ϕк(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем ϕк(t)=const при кτэ≤t≤(к+1)τэ и может изменяться скачком при t=кτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (радиоимпульсами) (к=1, 2, ..., n);
τэ, n - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Tc (Tc=n·τэ).
Данный сигнал после усиления в усилителе 36 мощности через антенный переключатель 29 поступает в приемопередающую антенну 28 и излучается ею в эфир, принимается приемопередающей антенной 23 и через антенный переключатель 22 и усилитель 24 мощности поступает на информационный вход фазового детектора 26 и на вход элемента 25 задержки. Время задержки τз элемента 25 задержки выбирается равной длительности τэ элементарной посылки (τз=τэ) (фиг.3ж). При этом опорным напряжением для каждой элементарной посылки служит предыдущая посылка. На выходе фазового детектора 25 формируется модулирующий код M(t) (фиг.3з), который содержит основные сведения о транспортном средстве (тип транспортного средства, государственный номер, цвет, фамилия владельца и др.), токсичность выхлопа двигателя которого превышает предельно допустимое значение. Кроме того, включается индикатор (световой или звуковой), который дополнительно обозначает транспортное средство, токсичность выхлопа двигателя которого превышает предельно допустимое значение. Модулирующий код M(t) фиксируется блоком 27 регистрации.
Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств реализуемо на современной элементной базе, в том числе в микроэлектронном исполнении, и обеспечивает по результатам сравнения текущего значения контролируемого параметра NT=N15 с его допустимыми Nд=N11 и предельно допустимыми Nпд=П12(Nд≤Nпд) значениями предупреждение водителя и сотрудников милиции о недопустимости для данных условий текущего режима эксплуатации транспортного средства, чем стимулирует снижение токсичности выхлопа его двигателя и снижение загрязнения окружающей среды - воздушного бассейна.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает дистанционное определение транспортных средств, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение. Это достигается использованием сложных ФМн-сигналов, которые дистанционно передают информацию о тех транспортных средствах, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение.
Сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность данных сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сложные ФМн-сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять данные сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.
Тем самым функциональные возможности устройства расширены.
Устройство для предупреждения токсичности выхлопа двигателей транспортных средств, содержащее на пункте контроля последовательно включенные датчик состояния погоды, первый аналого-цифровой преобразователь, делитель частоты, соединенный сигнальным входом с выходом генератора импульсов, первый триггер и модулятор, соединенный сигнальным входом с выходом генератора импульсов, а на транспортном средстве последовательно включенные демодулятор, второй триггер, формирователь переднего фронта импульсов и счетчик импульсов, счетный вход которого через первый элемент задержки соединен с выходом демодулятора, последовательно включенные первый элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами счетчика импульсов и второго аналого-цифрового преобразователя соответственно, первый элемент И, второй вход которого соединен со вторым выходом второго триггера, элемент ИЛИ и блок предупредительной сигнализации, последовательно включенные второй элемент сравнения, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами второго аналого-цифрового преобразователя и задатчика предельно допустимого значения токсичности выхлопа двигателя транспортного средства соответственно, и второй элемент И, второй вход которого соединен со вторым выходом второго триггера, а выход подключен к второму входу элемента ИЛИ, вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом датчика текущего значения точности выхлопа двигателя транспортного средства, отличающееся тем, что оно снабжено на пункте контроля первым и вторым усилителями мощности, первым антенным переключателем, первой приемопередающей антенной, вторым элементом задержки, фазовым детектором и блоком регистрации, причем к выходу модулятора последовательно подключены первый усилитель мощности, первый антенный переключатель, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй элемент задержки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, и блок регистрации, а на транспортном средстве генератором высокой частоты, ключом, многоотводной линией задержки, n фазоинверторами, сумматором, третьим и четвертым усилителями мощности, вторым антенным переключателем, второй приемопередающей антенной и индикатором, причем к выходу элемента ИЛИ последовательно подключены генератор высокой частоты, ключ, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, многоотводная линия задержки, n отводов которой через соответствующие фазоинверторы подключены к сумматору, (n+n1)-й вход которого соединен с выходом ключа, четвертый усилитель мощности, второй антенный переключатель, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной, и третий усилитель мощности, выход которого соединен с входом демодулятора, к выходу элемента ИЛИ подключен индикатор.
