УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ
RELATIVE DEFORMATIONS AND TEMPERATURE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения относительных деформаций и температуры при инерционных испытаниях.
Известно устройство для измерения относительных деформаций и температуры, приведенное в описании патента «Устройство для измерения деформаций гибких оболочек летательных аппаратов» RU №2082082, МПК6 G01B 7/18, опубликовано 20.06.1997 г.), содержащее размещенные на объекте испытания (ОИ) тензорезисторы, входящие в состав мостовых схем Уитстона, и термопары, коммутатор для подключения термопар, коммутатор мостов Уитстона, источник питания и устройство сбора данных (аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)), персональный компьютер. Измерение относительных деформаций производится при помощи тензорезисторов, измерение температуры - при помощи термопар. Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- большие габариты, не позволяющие установить устройство в требуемом месте центробежной установки при проведении инерционных испытаний;
- невозможность использования устройства при проведении инерционных испытаний с установкой первичных измерительных преобразователей непосредственно на поверхность деталей из взрывчатых материалов.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании многоканального устройства для измерений относительных деформаций и температуры, удовлетворяющих требованиям ГОСТ Р МЭК60079.11-2010 «Взрывоопасные среды. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь i», датчиками, размещенными на объектах испытаний (ОИ), в том числе содержащих взрывчатые материалы, при инерционных испытаниях на центробежной установке (ЦБУ).
Достигаемый технический результат:
- возможность проведения измерений, удовлетворяющих требованиям ГОСТ Р МЭК60079.11-2010, относительных деформаций и температуры непосредственно на деталях из взрывчатых материалов;
- обеспечение многоканальности измерений относительных деформаций и температуры;
- уменьшенные по сравнению с прототипом габариты.
Технический результат достигается за счет того, что заявляемое устройство для измерения относительных деформаций и температуры, содержащее тензорезисторы, входящие в состав мостов Уитстона, и термопары, размещенные на ОИ, коммутатор для подключения термопар, коммутатор мостов Уитстона, АЦП, персональный компьютер (ПК), источник питания, в отличие от прототипа дополнительно снабжено блоком питания, коммутатором питания мостов Уитстона, блоком искрозащитных барьеров по питанию, искрозащитным барьером по управлению, искрозащитным барьером для подключения термопар, маршрутизатором, оптоэлектронными реле в цепи питания каждого моста Уитстона. Устройство выполнено состоящим из двух отдельных аппаратных модулей, в первый из которых входят подключенные к сети ~220 В источник питания, выход которого соединен с входом блока искрозащитных барьеров по питанию. Выходы блока искрозащитных барьеров по питанию соединены с первой группой соответствующих контактов токосъемника. В состав первого аппаратного модуля также входят ПК, снабженный многофункциональной платой, соответствующие выводы которой соединены через искрозащитный барьер по управлению со второй группой соответствующих контактов токосъемника, маршрутизатор, соединенный интерфейсом Ethernet с ПК и интерфейсом 802.11b/g/n с АЦП, входящим в состав второго модуля, в состав которого также входят тензорезисторы и термопары, блок питания, искрозащитный барьер для подключения термопар, коммутатор питания мостов Уитстона, оптоэлектронные реле; соответствующие ответные контакты первой группы контактов токосъемника соединены с входом питания АЦП, входом блока питания, входами питания всех коммутаторов. Выход блока питания соединен с соответствующим входом коммутатора питания мостов Уитстона. Группа входов коммутатора для подключения термопар соединена с выводами термопар через искрозащитный барьер для подключения термопар, а его выход подключен ко входу канала измерения температуры АЦП. Каждый тензорезистор подключен по трехпроводной линии к трем четвертям соответствующего моста Уитстона, каждые из которых выполнены в виде трех постоянных резисторов, расположенных на плате, одинакового с соответствующим тензорезистором номинального сопротивления; выходы мостов Уитстона подключены к соответствующим входам коммутатора мостов Уитстона, выход которого соединен с входом соответствующего канала измерения относительных деформаций АЦП. Положительный и отрицательный выводы низковольтного питания каждого канала измерения относительных деформаций АЦП подключены к соответствующим выводам питания каждого моста Уитстона через ключи соответствующих оптоэлектронных реле, выводы питания которых подключены к соответствующим выводам коммутатора питания мостов Уитстона, вход которого подключен к блоку питания, соответствующие ответные контакты второй группы контактов токосъемника соединены с входами управления всех коммутаторов.
Введение в состав заявляемого устройства блока искрозащитных барьеров по питанию, искрозащитного барьера по управлению, искрозащитного барьера для подключения термопар, а также коммутатора питания мостов Уитстона, коммутатора мостов Уитстона и коммутатора для подключения термопар позволяет проводить измерения, удовлетворяющие требованиям ГОСТ Р МЭК60079.11-2010, относительных деформаций и температуры непосредственно на деталях из взрывчатых материалов по требуемому числу измерительных каналов относительных деформаций и температуры (относительных деформаций - по сорока восьми каналам, а температуры - по восьми измерительным каналам) и изготовить устройство с уменьшенными по сравнению с прототипом габаритами.
Напряжение питания (12~14 В) к АЦП, коммутаторам и блоку питания поступает через блок искрозащитных барьеров по питанию и первую группу соответствующих контактов токосъемника. Максимальное входное напряжение может составить 250 В при выходе из строя источника питания. При попадании данного напряжения на соответствующий барьер обеспечивается стабилизация выходного напряжения барьера на уровне, не превышающем 15,48 В, до момента разрыва цепей питания предохранителями, входящими в состав блока искрозащитных барьеров по питанию. Таким образом, обеспечивается соответствие заявляемого устройства требованиям ГОСТ Р МЭК60079.11-2010 при переходе на его линии питания напряжения сети 250 В.
Сигналы управления (TTL) поступают к коммутаторам через искрозащитный барьер по управлению. Максимальное входное напряжение на данном барьере может составить 250 В при выходе из строя ПК и многофункциональной платы. При попадании данного напряжения на барьер происходит стабилизация выходного напряжения барьера на уровне, не превышающем 7,87 В, до момента разрыва цепи предохранителем. Таким образом, обеспечивается соответствие заявляемого устройства ГОСТ Р МЭК60079.11-2010 при переходе на его линии управления напряжения сети 250 В.
Применение в цепи питания каждого моста Уитстона оптоэлектронных реле позволило осуществить гальваническую развязку мостов по питанию.
Подключение термопар (уровень сигнала ±15 мВ) к АЦП осуществляется через искрозащитный барьер для подключения термопар. Максимальное входное напряжение на данном барьере может составить 15,48 В при выходе из строя АЦП. При попадании данного напряжения на барьер происходит ограничение тока в цепях подключения термопар до значений, удовлетворяющих требованиям ГОСТ Р МЭК60079.11-2010, до момента разрыва цепей предохранителями.
Выполнение устройства состоящим из двух отдельных аппаратных модулей, применение интерфейса 802.11b/g/n (беспроводного канала связи), использование коммутаторов для подключения первичных измерительных преобразователей (тензорезисторов и термопар) к АЦП позволяет использовать АЦП с меньшим числом измерительных каналов и, как следствие, с меньшими геометрическими размерами.
Применение беспроводного канала связи позволяет использовать АЦП с высокой скоростью опроса датчиков без организации искрозащиты интерфейса между АЦП и ПК.
Таким образом, новая совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволяет проводить измерения относительных деформаций и температуры, удовлетворяющие требованиям ГОСТ Р МЭК60079.11-2010, непосредственно на деталях из взрывчатых материалов, по требуемому числу измерительных каналов относительных деформаций и температуры.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 - изображена схема заявляемого устройства для измерения относительных деформаций и температуры. На фиг. 2 - показана цепь питания моста Уитстона через оптоэлектронные реле.
Устройство для измерения относительных деформаций и температуры содержит тензорезисторы 1, входящие в состав мостов 2 Уитстона, и термопары 3, размещенные на ОИ, размещенном на вращающейся части центробежной установки (на фиг. не показано), коммутатор 4 для подключения термопар, коммутатор 5 мостов Уитстона, АЦП 6, ПК 7, источник 8 питания, блок 9 питания, коммутатор 10 питания мостов Уитстона; блок 11 искрозащитных барьеров по питанию, искрозащитный барьер по управлению 12, искрозащитный барьер 13 для подключения термопар; маршрутизатор 14, оптоэлектронные реле 15.
Устройство выполнено состоящим из двух отдельных аппаратных модулей, в первый из которых входят подключенные к сети ~220 В источник 8 питания, выход которого соединен с входом блока 11 искрозащитных барьеров по питанию, выходы которого соединены с первой группой соответствующих контактов токосъемника 16 (в данном примере используется токосъемник, входящий в состав ЦБУ), ПК 7, снабженный многофункциональной платой 17, соответствующие выходы которой соединены через искрозащитный барьер 12 по управлению со второй группой соответствующих контактов токосъемника 16, маршрутизатор 14, соединенный интерфейсом 18 Ethernet с ПК 7 и интерфейсом 20 802.11b/g/n с соответствующим входом АЦП 6, входящим в состав второго модуля, в состав которого также входят блок 9 питания, размещенные на ОИ тензорезисторы 1, входящие в состав мостов 2 Уитстона, и термопары 3, искрозащитный барьер 13 для подключения термопар, коммутатор 4 для подключения термопар, коммутатор 10 питания мостов Уитстона, коммутатор 5 мостов Уитстона, оптоэлектронные реле 15 (например К449КП1АР в пластмассовом 4-х выводном dip-корпусе).
Соответствующие ответные контакты первой труппы контактов токосъемника 16 соединены с входом питания АЦП 6, входом блока 9 питания, соответствующим входом питания всех коммутаторов.
Выход блока 9 питания соединен с соответствующим входом коммутатора 10 питания мостов Уитстона.
Группа входов коммутатора 4 для подключения термопар соединена с выводами термопар 3 (Тп1…Тп8) через искрозащитный барьер 13 для подключения термопар, а его выход подключен к каналу измерения температуры АЦП 6.
Каждый тензорезистор 1 (Тр1…Тр24) подключен по трехпроводной линии к трем четвертям соответствующего моста 2 Уитстона, каждые из которых выполнены в виде трех постоянных резисторов одинакового с соответствующим тензорезистором 1 номинального сопротивления. Соответствующие три четверти моста 2 Уитстона для каждого тензорезистора 1 (Tp1…Тр24) расположены на плате 19.
Группа выходов мостов 2 Уитстона подключена к соответствующей группе входов коммутатора 5 мостов Уитстона, выход которого соединен с соответствующим каналом измерения относительных деформаций АЦП 6. Положительный и отрицательный выводы низковольтного питания каждого канала измерения относительных деформаций АЦП 6 подключены к соответствующим выводам питания каждого моста 2 Уитстона через ключи соответствующих оптоэлектронных реле 15, выводы питания которых подключены к соответствующим выводам коммутатора 10 питания мостов Уитстона.
Применение в цепи питания каждого моста 2 Уитстона оптоэлектронных реле 15 позволило осуществить гальваническую развязку мостов по питанию.
Для обеспечения требований искрозащиты в коммутаторе 10 питания мостов Уитстона, коммутаторе 4 для подключения термопар и коммутаторе 5 мостов Уитстона реализована гальваническая развязка по питанию.
Соответствующие ответные контакты второй группы контактов токосъемника 16 соединены с входами управления всех коммутаторов 4, 5, 10.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Для измерения относительных деформаций и температуры непосредственно на деталях из взрывчатых материалов при проведении инерционных испытаний на центробежной установке аппаратные модули устройства располагаются в двух помещениях. Первый аппаратный модуль заявляемого устройства (источник 8 питания, компоненты, отвечающие за искрозащиту (искрозащитный барьер 12 по управлению, блок 11 искрозащитных барьеров по питанию), маршрутизатор 14, а также ПК 7 располагаются в помещении над вращающейся частью ЦБУ (внешнее помещение).
Питание располагаемого на вращающейся части ЦБУ второго аппаратного модуля заявляемого устройства осуществляется от источника 8 питания через блок 11 искрозащитных барьеров по питанию и первую группу соответствующих контактов токосъемника 16 ЦБУ.
Управление располагаемыми на вращающейся части ЦБУ коммутаторами 4, 5, 10 осуществляется от многофункциональной платы 17 через искрозащитный барьер 12 по управлению и вторую группу соответствующих контактов токосъемника 16 ЦБУ.
Для организации интерфейса между ПК 7 и АЦП 6 для обеспечения искробезопасности цепей интерфейса используется беспроводной канал связи (стандарт 802.11b/g/n, 2,4 ГГц).
Для регистрации требуемых параметров используется малогабаритный АЦП 6 (например, NI 9219), имеющий встроенный беспроводной канал связи с маршрутизатором 14.
1. Измерение относительных деформаций
Измерение относительных деформаций осуществляется мостовым методом. Для измерения относительных деформаций могут быть использованы два измерительных канала АЦП 6. В этом случае каждый канал оснащается двумя двухсторонними коммутаторами: коммутатором 5 мостов Уитстона и коммутатором 10 питания мостов Уитстона.
Питание мостов 2 осуществляется при помощи коммутатора 10 питания мостов Уитстона, блока питания 9 и оптоэлектронных реле 15.
Блок питания 9 предназначен для преобразования напряжения 12~14 В, поступающего на его вход, в напряжение +2 В, необходимое для включения оптоэлектронных реле 15.
Оптоэлектронные реле 15 осуществляют коммутацию низковольтного напряжения от канала измерения относительных деформаций АЦП 6 на двадцать четыре моста 2 Уитстона, а также гальваническую развязку мостов по питанию. На каждый мост используются два оптоэлектронных реле 15, расположенных в цепи питания моста, как показано на фиг. 1, 2.
Коммутатор 10 питания мостов Уитстона (см. фиг. 1) используется для коммутации напряжения питания от блока 9 питания на соответствующую каждому мосту 2 пару оптоэлектронных реле 15. Низковольтное напряжение питания (2,5 В) от канала измерения относительных деформаций АЦП 6 поступает одновременно на ключи (входы) всех двадцати четырех пар оптоэлектронных реле 15. В зависимости от состояния, коммутатор 10 запитывает только одну соответствующую пару оптоэлектронных реле 15, следовательно в один момент времени низковольтное питание от канала АЦП 6 поступает только на один мост 2 Уитстона из двадцати четырех.
Коммутатор 5 мостов Уитстона (см. фиг. 1) используется для коммутации напряжения разбаланса двадцати четырех мостов 2 на один канал АЦП 6. В зависимости от состояния, коммутатор подключает к АЦП 6 только один выход мостов 2 из двадцати четырех.
Переключение каналов коммутаторов 4, 5 и 10 осуществляется многофункциональной платой 17 (по семи линиям дискретного входа), установленной в ПК 7, через искрозащитный барьер 12 по управлению и вторую группу контактов токосъемника 16 ЦБУ.
Подключение тензорезисторов 1 к мостам 2 Уитстона осуществляется по четверть-мостовой схеме (три четверти моста - три резистора номиналом сопротивления аналогичного сопротивлению соответствующего тензорезистора 1 (Tp1…Тр24)).
Заявляемое устройство позволяет реализовать сорок восемь каналов измерения относительных деформаций на основе двух каналов измерения относительных деформаций АЦП 6.
2. Измерение температуры
Для измерения температуры в АЦП 6 используется один измерительный канал, к которому при помощи коммутатора 4 для подключения термопар (см. фиг. 1) подключаются восемь термопар 3 через искрозащитный барьер 13 для подключения термопар для обеспечения соответствия требованиям ГОСТ Р МЭК 60079.11-2010.
Переключение каналов коммутатора 4 осуществляется многофункциональной платой 17 (по семи линиям дискретного входа), установленной в ПК 7, через искрозащитный барьер 12 по управлению (см. фиг. 1) и вторую группу контактов токосъемника 16 ЦБУ.
Заявляемое многоканальное устройство имеет меньшие габариты по сравнению с прототипом, обеспечивает измерения относительных деформаций и температуры, удовлетворяющие требованиям ГОСТ Р МЭК60079.11-2010, непосредственно на деталях из взрывчатых материалов при инерционных испытаниях на центробежной установке.