Мультисенсорный преобразователь информации
MULTI-SENSOR INFORMATION CONVERTER

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах контроля объектов, функционирующих в условиях сильных электромагнитных полей, взрыво- и пожароопасных средах и других потенциально опасных производств.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь, содержащий источник опорного напряжения, излучатель, оптический демультиплексор, группу бинарных волоконно-оптических датчиков (БВОД), оптический мультиплексор, фотоприемник, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) [Зеленский В.А., Гречишников В.М. Бинарные волоконно-оптические преобразователи в системах управления и контроля. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2006 - 120 с., ил., с. 49-51].
Недостатком данного преобразователя является недостаточная достоверность преобразования, связанная с влиянием инструментальных погрешностей его изготовления.
В изобретении решается задача повышения достоверности за счет создания возможности оперативной поверки и автокоррекции инструментальных погрешностей.
ЭТ
В известный преобразователь, содержащий источник опорного напряжения, излучатель, оптический демультиплексор, оптический мультиплексор, фотоприемник, АЦП, причем первый выход источника опорного напряжения соединен с входом излучателя, выход излучателя соединен с входом оптического демультиплексора, выход оптического мультиплексора соединен с входом фотоприемника, дополнительно введены группа элементов назначения веса (ЭНВ), группа электромеханических прерывателей оптических сигналов (ПОС), группа фокусирующих граданов, усилитель, вычитающее устройство, запоминающее устройство (ЗУ), формирующее устройство, ключ, генератор тактовых импульсов (ГТИ), двоичный счетчик импульсов, число разрядов которого N равно числу входных сигналов преобразователя, сумматор, причем соответствующие выходы оптического демультиплексора оптически связаны с соответствующими ЭНВ, выходы соответствующих ЭНВ через соответствующие ПОС, расположенные в технологическом зазоре, оптически связаны с соответствующими фокусирующими граданами, выходы которых соединены с соответствующими входами оптического мультиплексора, выход которого соединен с последовательно соединенными фотоприемником, усилителем и АЦП, выход АЦП одновременно связан с первым входом вычитающего устройства, адресной шиной ЗУ и первым входом сумматора, второй выход источника опорного напряжения через ключ соединен с генератором тактовых импульсов (ГТИ), выход ГТИ одновременно соединен с входом двоичного счетчика импульсов и входом формирующего устройства, выходы двоичного счетчика импульсов соединены со вторым входом вычитающего устройства и через согласующие устройства с соответствующими ПОС, ПОС представляет собой втягивающий соленоид постоянного тока, корпус которого установлен на основании, внутри корпуса располагается подвижный шток, на нем со стороны основания закреплена шторка с отверстием, на корпус намотана управляющая обмотка, шток удерживается с двух сторон возвратными пружинами, в центральной части штока имеется цилиндрическое отверстие, в которое запрессована шпилька, концы которой расположены в сквозных продольных направляющих пазах, выполненных вдоль образующей цилиндрической поверхности корпуса. Шпилька необходима для предотвращения поворота штока вокруг собственной оси и сохранения постоянной пространственной ориентации шторки относительно плоскости диафрагмы, сверху корпуса установлена крышка, выход формирующего устройства соединен с шиной «запись» ЗУ, выход ЗУ соединен со вторым входом сумматора.
Мультисенсорный преобразователь информации характеризуется следующими чертежами:
- на фиг. 1 показана функциональная схема четырехразрядного мультисенсорного преобразователя информации;
- на фиг. 2 представлена конструктивная схема прерывателя оптических сигналов (ПОС);
на фиг. 3 представлены возможные варианты взаимного расположения шторки относительно ЭНВ и фокусирующего градана;
на фиг. 4 показаны диаграммы, иллюстрирующие работу мультисенсорного преобразователя информации.
Т
В состав мультисенсорного преобразователя информации входит источник опорного напряжения 1, первый выход которого соединен с входом излучателя 2 (см. фиг. 1). Выход излучателя соединен с входом оптического демультиплексора 3, выходы которого соединены с входами соответствующих ЭНВ 4, коэффициенты передачи которых изменяются в соответствии с числовым рядом , где n - число разрядов преобразователя. Выходы ЭНВ 4 оптически связаны с входами расположенных в технологическом зазоре h ПОС 5. Пример конструктивной реализации ПОС показан на фиг. 2. ПОС представляет собой втягивающий соленоид постоянного тока, состоящий из цилиндрического корпуса 6, установленного на основании 7, внутри корпуса располагается подвижный шток 8, на корпус намотана управляющая обмотка 9, на штоке со стороны основания закреплена шторка с отверстием 10, шток удерживается с двух сторон возвратными пружинами 11, 12, в центральной части штока имеется цилиндрическое отверстие, в которое запрессована шпилька 13, концы которой расположены в сквозных продольных направляющих пазах, выполненных вдоль образующей цилиндрической поверхности корпуса. Шпилька 13 необходима для предотвращения поворота штока 8 вокруг собственной оси и сохранения постоянной пространственной ориентации шторки относительно выходов ЭНВ 4 и входов граданов 15, сверху корпуса установлена крышка 14. Выходы соответствующих ПОС 9 оптически связаны с соответствующими фокусирующими граданами 15. Выходы фокусирующих граданов 15 соединены с соответствующими входами оптического мультиплексора 16, выход которого связан с последовательно соединенными фотоприемником 17, усилителем 18 и АЦП 19. Выход АЦП одновременно связан с первым входом вычитающего устройства 20, адресной шиной ЗУ 21 и первым входом сумматора 26. Второй выход источника опорного напряжения 1 через ключ 22 связан с входом ГТИ 23. Выход ГТИ 23 одновременно соединен с счетным входом двоичного счетчика импульсов 24 и входом формирующего устройства 25. Выходы двоичного счетчика импульсов 24 одновременно соединены со вторым входом вычитающего устройства 20 и через согласующие устройства (на схеме не показаны) с обмотками управления 9 соответствующих ПОС 5. Выход формирующего устройства 25 соединен с шиной «запись» ЗУ 21. Выход ЗУ 21 соединен со вторым входом сумматора 26.
Мультисенсорный преобразователь информации может работать в двух режимах - режиме поверки и режиме преобразования. В режиме поверки преобразователь работает следующим образом.
Напряжение с первого выхода источника опорного напряжения 1 задает ток накачки излучателя 2 и, соответственно, уровень оптической мощности на его выходе. Излучатель 2 создает направленное оптическое излучение, которое подводится к оптическому демультиплексору 3. В оптическом демультиплексоре происходит деление мощности этого излучения на n равных потоков (n - число разрядов преобразователя). Далее каждый световой поток поступает в ЭНВ 4, в котором умножается на свой весовой коэффициент в соответствии с числовым рядом , i=0…(n-1). В режиме поверки ключ 22 замкнут, и питающее напряжение со второго выхода источника опорного напряжения 1 поступает на вход ГТИ 23, который вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов типа «меандр» (см. фиг. 4б). Частота импульсов ГТИ зависит от допустимой частоты срабатывания электромагнита. Импульсы ГТИ поступают на двоичный счетчик импульсов 24, выходы которого через согласующие по уровню и мощности преобразователи (на фиг. 1 не показаны) связаны с управляющими обмотками 9 соленоидов и входом вычитающего устройства. Если на i-м выходе двоичного счетчика импульсов формируется логический сигнал «0», то управляющее напряжение на обмотке 9 соленоида отсутствует и шток находится в положении соответствующем равновесному положению пружин 11, 12. При этом шторка 10 перекрывает световой поток (см. фиг. 3а) и оптический сигнал на фокусирующий градан 15 не поступает. Если на i-м выходе двоичного счетчика импульсов формируется логический сигнал «1», то под действием управляющего напряжения на обмотку соленоида 9 пружина 11 сжимается, шток 8 втягивается во внутрь корпуса 6, а шторка 9 оказывается в крайнем верхнем положении (см. фиг. 3б) и световой поток с i-го ЭНВ 4 поступает на вход соответствующего фокусирующего градана 15. По мере поступления счетных импульсов с ГТИ 23 выходной код счетчика 24 увеличивается. При этом на входы граданов 15 поступают комбинации «взвешенных» в соответствии с числовым рядом , i=0…(n-1) бинарных оптических сигналов, которые после суммирования в мультиплексоре 16 преобразуется в линейно-ступенчатый оптический сигнал вида
0
i
где р - шаг квантования сигнала по уровню, a - значения разрядных цифр выходного кода счетчика.
АЦП
ЭТ
АЦП
ЭТ
Сформированный таким образом оптический сигнал преобразуется фотоприемником 17 в пропорциональный электрический сигнал, усиливается в усилителе 18 и оцифровывается в АЦП 19 (фиг. 4а). Количество достоверных разрядов на выходе АЦП 19 превышает разрядность преобразователя, что позволяет с помощью избыточных разрядов АЦП 19 получить в вычитающем устройстве 20 информацию об инструментальной погрешности мультисенсорного преобразователя в виде ΔN=N-N (см. фиг. 4г), где N - выходной код АЦП, N - выходной код счетчика. Формирующее устройство 25 вырабатывает короткие строб-импульсы, соответствующие серединам ступенек выходного сигнала фотоусилителя (см. фиг. 4в). По сигналам формирующего устройства 25 код инструментальной погрешности ΔN записывается в ЗУ 21 в качестве данных, а в качестве кода адреса используется текущий код АЦП 19.
i
i
i
AЦП
ЭТ
i
В режиме преобразования ключ 22 разомкнут и питающее напряжение со второго входа источника опорного напряжения 1 не поступает на вход ГТИ 23, а счетчик перестает воздействовать на обмотки управления 10. При этом прерывание оптических сигналов осуществляется механическими воздействиями x на шток 8 ПОС. При отсутствии механического воздействия (x=0) на шток 8 i-го ПОС 5 пружины 11, 12 находятся в равновесном положении, при котором шторка 10 (см. фиг. 3а) перекрывает световой поток и оптический сигнал, что соответствует формированию логического сигнала «0» на входе i-го фокусирующего градана 15. При наличии механического воздействия (х=1) на шток 8 пружина 12 сжимается, при этом шторка 10 оказывается в крайнем нижнем положении (см. фиг. 3в) и через отверстие в шторке световой поток с i-го ЭНВ 4 поступает на i-й фокусирующий градан 15, что соответствует формированию на его входе логического сигнала «1». Совокупность выходных оптических сигналов с выходов граданов 15, так же как и в режиме поверки, суммируется в мультиплексоре 16 в соответствии с формулой (1). Выходной оптический сигнал мультиплексора с помощью фотоприемника 17 преобразуется в линейно-ступенчатый электрический сигнал, который усиливается в усилителе 18 и оцифровывается в АЦП 19. Сигнал с выхода АЦП 19 поступает на шину адреса ЗУ 21 и вход сумматора 26. В зависимости от значения кода с выхода АЦП 19 ЗУ 21 выдает информацию об инструментальной погрешности в виде ΔN=N-N, которая поступает на второй вход сумматора 26 и суммируется там с кодом АЦП 19, формируя таким образом на выходе сумматора 26 скорректированный код АЦП, разрядные цифры которого однозначно совпадают с входными логическими сигналами x. В силу малости зазора между штоком 8 и внутренней поверхностью корпуса 6 при перетекании воздуха из верней полости корпуса 6 в нижнюю создается момент демпфирования подвижной части преобразователя, способствующий быстрому успокоению колебаний штока в переходных режимах.