СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА
METHOD OF SIGNAL TRANSFORMATION

Изобретение предназначено для снижения погрешности при преобразовании сигнала и может быть использовано, в частности, при снижении уровня помех в выходном сигнале первичных преобразователей систем управления.
Известен способ преобразования сигнала в виде изменения скорости обдува нагретого электрическим током электрического сопротивления и регистрации изменения значения электрического сопротивления (Романченко А.Ф. Способ измерения параметров газовых и жидких сред. Авторское свидетельство №637676, МКИ G01H 5/12, 1977).
Недостатком данного способа преобразования сигнала является зависимость результатов преобразования от условий теплообмена электрического сопротивления с окружающей средой, что обуславливает большие погрешности при преобразовании входного сигнала.
Известны способ преобразования сигнала путем энергетического воздействия на терморезистор за счет введения положительной энергетической обратной связи (Шашков А.Г. Термисторы и их применение. М.: Энергия, 1967, с.150).
Однако такие способы сложны в технической реализации и снижают надежность схемы преобразования сигнала.
Известен способ преобразования сигнала путем приложения к термочувствительному элементу в виде электрического сопротивления внешней силы и создания в теле термочувствительного элемента внутренних напряжений (Авторское свидетельство СССР №678420, МКИ G01P 5/12, 1978) с последующей регистрацией изменений электрического сопротивления.
Недостатком данного способа преобразования сигнала является невозможность непосредственного приложения внешних силовых воздействий к термочувствительному элементу в виде пленки, нанесенной на поверхность подложек.
В качестве прототипа выбран способ преобразования сигнала в виде изменения скорости обдува нагретого электрического сопротивления путем изменения энергетического состояния преобразователя и выделения полезного выходного сигнала в виде значения угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала преобразователя в момент коммутации энергетического состояния (Романченко А.Ф., Шилов С.А. Способ термоанемометрических измерений. Патент России №2191371, МКИ G01N 25/00, Б.И. №29, 20.10.2002).
Недостатком данного способа преобразования сигнала являются погрешности при выделении полезного выходного сигнала в виде угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала на фоне присутствующих наряду с полезным выходным сигналом помех.
Действительно, при наличии помех, присутствующих наряду с полезным сигналом на выходе преобразователя, момент коммутации выходного сигнала может быть зафиксирован с погрешностью, т.к. выходной сигнал «размыт» помехой и присутствует зона неопределенности при регистрации достижения его значения момента коммутации.
Целью предлагаемого изобретения является фильтрация сигнала помехи в результирующем выходном сигнале при его преобразовании.
Данная цель достигается за счет того, что в способе преобразования сигнала путем изменения энергетического состояния преобразователя и выделения выходного сигнала в виде угла наклона касательной к кривой изменения выходного сигнала преобразователя, действующего на фоне помехи, выходной полезный сигнал и помеха суммируются на выходе преобразователя и выделяют выходной сигнал виде угла наклона касательной к кривой изменения результирующего выходного сигнала преобразователя в момент коммутации энергетического состояния преобразователя.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что угол наклона касательной к кривой результирующего выходного сигнала регистрируют по углу наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния.
Для решения поставленной задачи выходной полезный сигнал и помеха на выходе преобразователя суммируются по энергетическим характеристикам, например по мощности.
Поставленная задача решается также тем, что коммутация энергетического состояния преобразователя осуществляется в момент достижения фиксированного уровня значением результирующего выходного сигнала преобразователя.
На фиг.1 представлена принципиальная схема преобразователя, реализующего предложенный способ преобразования сигнала, на фиг.2 - график изменения выходного сигнала преобразователя во времени.
0
Терморезистор 1 соединен последовательно с ключом 2 в электрической цепи, к клеммам которой подведено питание U.
t
t
t
вых
Работа преобразователя осуществляется следующим образом. Через терморезистор 1 (см. фиг.1) при замыкании ключа 2 протекает постоянный ток I, который начинает разогревать терморезистор, изменяя его электрическое сопротивление R. Одновременно терморезистор 1 обдувается воздушным потоком со скоростью V, определяющим условия теплообмена терморезистора 1 с окружающей средой, а следовательно, при I=const, и температуру разогрева (электрическое сопротивление R). По изменению падения напряжения I R=U судят о скорости обдува V терморезистора воздушным потоком.
вых
t
Результирующий выходной сигнал U преобразователя содержит полезный сигнал Y=I R, а также сигнал помехи ε (см. фиг.2), действующей совместно с полезным сигналом. Таким сигналом помехи может быть тепловой шум терморезистора, который не может быть отфильтрован известными техническими средствами.
вых
вых
вых
вых
1
0
Скорость нагрева терморезистора 1 (скорость изменения результирующего выходного сигнала) при скачкообразном изменении протекающего через него тока I, определяется скоростью его обдува воздушным потоком V (условиями теплообмена с окружающей средой). При изменении результирующего выходного сигнала U, стремящегося к установившемуся своему значению U , регистрируются моменты времени достижения уровней результирующего выходного сигнала значения U′ и U”. Интервал времени t между моментами достижения заданных уровней результирующего выходного сигнала, определяемый крутизной кривой переходного процесса изменения уровня полезного выходного сигнала, зависит только от полезной входной величины х=V.
1
2
1
2
1
2
Как видно из фиг.2, при наложении на полезный сигнал Y сигнала помехи ε крутизна кривой переходного процесса результирующего выходного сигнала ε+Y соответствует (при условии неизменности уровня помехи ε в период преобразования сигнала) крутизне кривой изменения полезного выходного сигнала Y. При этом уровень помехи ε не оказывает влияния на интервалы времени t, t преобразователя. Следовательно, углы наклона касательных к кривым изменения полезного выходного сигнала α и изменения результирующего выходного сигнала (сумма полезного сигнала и помехи) α также равны, т.е. α=α.
вых
вых
вых
2
1
2
.
При этом следует иметь в виду, что в момент коммутации энергетического состояния, например при достижении результирующего выходного сигнала значения U′, угол наклона касательной к кривой изменения результирующего выходного сигнала равен углу наклона самой кривой изменения результирующего выходного сигнала (при малых перепадах U′-U′) Угол α наклона кривой результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния преобразователя (коммутация значения входного воздействия) несет в себе информацию о величине входного воздействия, т.к. α=α, и зависит только от уровня входного сигнала преобразователя и не зависит от уровня помехи ε
2
Помеха ε отфильтровывается за счет организации преобразования сигнала с выделением информации о значении входного воздействия по крутизне α кривой изменения результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния преобразователя.
2
вых
t
вых
2
После регистрации параметра α нет необходимости в дальнейшем нарастании выходного сигнала преобразователя и при достижении результирующим выходным сигналом уровня U′′ (см. фиг.2) подается сигнал в цепь управления ключа 2 (см. фиг.1) на размыкание электрической цепи. Электрическая цепь размыкается, ток через терморезистор прекращается, что приводит к остыванию терморезистора и изменению его электрического сопротивления R. Результирующий выходной сигнал ε+Y начинает уменьшаться с уменьшением уровня полезного выходного сигнала Y(t). Этот процесс происходит до тех пор, пока уровень результирующего выходного сигнал ε+Y снова не достигнет уровня U′, при котором происходит повторное замыкание электрической цепи с помощью ключа 2. Терморезистор 1 снова начинает разогреваться, и повторяется вышеописанный процесс изменения выходного сигнала и регистрации угла α наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала. Суммирование ε+Y может быть осуществлено по энергетическим характеристикам сигналов на выходе, например, по их мощности.
2
Таким образом организация нестационарного энергетического процесса в преобразователе (в процессе преобразования входных воздействий) позволяет выделить в выходном сигнале характеристику α, определяющую динамику нестационарного энергетического процесса, не зависящую от уровня помехи и определяемую целиком уровнем полезного входного воздействия. Учитывая то обстоятельство, что скорость изменения полезного выходного сигнала (крутизна кривой переходного процесса) и скорость изменения результирующего выходного сигнала (крутизна кривой переходного процесса) преобразователя, включающего помеху, равны по значению, регистрация угла наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала позволяет получить информацию о входном воздействии без влияния помех.
Техническая реализация способа требует применение известных технических средств и технологий реализации отдельных операций.
Имеются экспериментальные результаты, позволяющие обоснованно выбирать параметры и режимы работы технических устройств, реализующих предложенный способ.