МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в системах контроля, измерения, регистрации и записи нескольких электрофизических параметров, например, в бортовых системах, системах катодной защиты подземных трубопроводов, системах медицинского мониторинга.
Известно многоканальное устройство измерений и обработки электрических сигналов (см. свидетельство на полезную модель РФ №12257, М.кл. G01R 19/00, G01R 19/14, G01R 19/25, G01R 19/252, G01R 19/255, G01R 19/257, G01R 19/30, G01R 13/02, А61В 5/00, А61В 5/02, А61В 5/022, А61В 5/04, А61В 5/0432, А61В 5/05, опубл. 16.12.1999 г.), которое используется для измерения, регистрации и записи потенциальных сигналов электрохимической защиты (ЭХЗ) подземных металлических сооружений (ПМС), таких, как трубопроводы, кабели.
Устройство содержит в первом канале последовательно соединенные электроды для подключения датчика исследуемых параметров, усилитель и фильтр, а также индикатор, автономный источник питания, выходом подключенный ко входу преобразователя постоянного напряжения в постоянные, коммутатор, к одному из входов которого подключен вспомогательный электрод для измерения поляризационного потенциала, входная шина коммутатора связана с блоком управления, а выход фильтра первого канала связан со входом АЦП через блок переключателей, содержит, по меньшей мере, еще один второй канал, аналогичный первому, и по меньшей мере, один третий канал, содержащий последовательно соединенные электроды для подключения соответствующего датчика исследуемых параметров, усилитель, преобразователь напряжения в частоту и блок гальванической развязки, выход которого соединен с соответствующим входом блока управления, вторая входная-выходная шина которого связана с АЦП, на другой вход коммутатора подан входной сигнал первого канала, вход усилителя которого соединен с выходом коммутатора, а выход второго, аналогичного первому, канала соединен с соответствующим входом блока переключателей, выполненного в виде мультиплексора, связанного третьей входной шиной с блоком управления, выход автономного источника питания связан также с выходом стабилизированного источника питания, четвертая входная-выходная шина блока управления связана с энергонезависимым блоком памяти данных, пятая входная-выходная шина блока управления связана с индикатором, а шестая входная-выходная шина - с интерфейсным блоком, входы-выходы которого служат для подключения ЭВМ, а выходы преобразователя постоянного напряжения в постоянные служат для подключения ко входам питания блоков устройства.
По каналу 1 измеряемые потенциалы находятся, как правило, в пределах ±10 В, по каналу 2 - в пределах ±100 В, по каналу 3 замеряется ток защиты станций катодной защиты, либо ток дренажа для станций дренажной защиты. Токи замеряются посредством измерения напряжения на шунтах станций, которое лежит в пределах от 0 до 75 мВ, при значении тока от 0÷25…1000 А.
При проектировании оборудования ЭХЗ важным параметром является величина удельного сопротивления грунта в районе прокладки ПМС, однако в известном устройстве измерение удельного сопротивления грунта не предусмотрено.
1
2
Основным способом таких замеров, не требующих выемки грунта и лабораторных исследований, является метод Веннера. Для его реализации в зоне предполагаемой прокладки заглубляются в грунт с равным шагом а=2÷10 м в линию четыре металлических штыря. На крайние штыри (I, I) подается постоянное или переменное (с частотой не кратной частоте питающей сети электроснабжения) напряжение. К двум средним штырям (Е1 и Е2) подключается измеритель напряжения.
(I1-I2)
(E1-E2)
Измерив величину тока I и напряжения U, соответственно в амперах и вольтах, вычисляют удельное сопротивление грунта в «Ом⋅м» по формуле:
.
Данный принцип измерения реализован в целом ряде приборов. Так, в нормативных документах («Сборник нормативных документов для работников строительных и эксплуатационных организаций газового хозяйства РСФСР. Защита подземных трубопроводов от коррозии» - Ленинград, «Недра», 1991» и «Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии. Руководящий документ» - Москва 4-й филиал Воениздата, 2002 год), в числе рекомендованных приборов указан микроомметр сопротивления постоянного тока типа Ф-416. Пределы допустимого значения погрешности от конечного диапазона измерения для диапазона 10 Ом÷10 Мом составляют ±1,5%.
К неудобству использования этого прибора следует отнести большой объем подготовительных работ и отсутствие независимого от исполнителей документирования результатов измерений.
В качестве прототипа выбрано устройство по свидетельству на полезную модель №12257.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения измерения удельного сопротивления грунта.
Достижение указанного технического результата осуществляется в предлагаемом многоканальном устройстве измерения и обработки электрических сигналов (МУИ), содержащего три канала измерений, причем в первом и втором каналах последовательно соединены соответствующий электрод для подключения датчика, усилитель и фильтр, а в третьем канале последовательно соединены соответствующий электрод для подключения датчика, усилитель, преобразователь напряжения в частоту и блок гальванической развязки, при этом соответствующие входы усилителей трех каналов, фильтров первого и второго каналов, преобразователя напряжения в частоту и блока гальванической развязки третьего канала подключены к соответствующим выходам преобразователя постоянного напряжения в постоянное, соответствующие входы которого соединены с переключателем режима работы, соответствующим входом блока управления, соответствующими выходами стабилизированного источника питания и к соответствующей клемме выключателя, другой клеммой связанного с автономным источником питания, при этом один из выходов стабилизированного источника питания связан со входом стабилизатора, выход которого подключен к соответствующему входу блока управления и соответствующему входу коммутатора, другая входная шина которого связана с соответствующей выходной шиной блока управления, другой двунаправленной шиной связанного с энергонезависимым блоком памяти, коммутатор также снабжен электродом для измерения поляризационного потенциала, а другой его соответствующий выход соединен с соответствующим входом усилителя первого канала, выход блока гальванической развязки подключен к соответствующему входу блока управления, снабженного интерфейсным блоком и связанного также двунаправленной шиной с индикатором, отличающегося тем, что в него введены переключатель на измерение удельного сопротивления, одной из клемм соединенного с соответствующим входом блока управления, а другой с клеммой на измерение переключателя режимов работы, дополнительный управляемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой, выполненный в виде ШИМ-преобразователя, входом связанного с RC-цепью выделения постоянной составляющей, используемой как опорное напряжение, соединенной с соответствующим выходом блока управления, причем соответствующий вход дополнительного управляемого преобразователя постоянного напряжения в постоянное соединен с выходами стабилизированного источника питания, дополнительный коммутатор на основе двух электромагнитных реле, параллельно которым включен диод для гашения ЭДС самоиндукции, связанный с дополнительным управляемым преобразователем постоянного напряжения в постоянное и соответствующими клеммами - с выходами фильтров первого и второго каналов для подключения к соответствующим входам блока управления, клеммник для подключения внешних цепей, связанный соответственно с входом первого канала, дополнительным управляемым преобразователем постоянного напряжения в постоянное и дополнительным коммутатором, при этом блок управления выполнен в виде восьмиканального АЦП и с преобразованием напряжения в форму сигнала с ШИМ.
1
2
1
2
Из вышесказанного и формулы (1) для реализации функции измерения удельного сопротивления грунта необходим отсутствующий в прототипе гальванически отвязанный от цепей питания источник напряжения для генерации тока между внешними электродами I, I измерительной цепи с возможностью контроля величины этого тока. Диапазон возможных величин сопротивления току между электродами I, I предполагает необходимость регулирования величины напряжения на выходе этого источника (блока 14). Канал 3 прототипа замеряет величину тока по напряжению на внешнем шунте контролируемых устройств, что отсутствует при реализации рассматриваемого режима. Введение дополнительного переключателя 13 («Измер. ρ») позволило сформировать потенциальный сигнал на входе блока управления 6, по которому:
МУИ исключает канал 2 из цикла измерений (не используется в данном режиме);
Ш
включает реле P1, подключающее выход управляемого преобразователя 14 постоянного напряжения в постоянное через R к измерительной цепи;
Ш
1
2
- включает реле Р2, подключающее второй вывод R к входу «-» третьего канала для измерения тока через электроды I, I.
Управление величиной выходного напряжения блока 14 осуществляется изменением скважности импульсного сигнала ШИМ блока 6 с последующим выделением постоянной составляющей RC цепью и подачей ее на вход управления «Упр.» управляемого преобразователя 14 постоянного напряжения в постоянное. Таким образом, введение указанных отличий в прототип, позволило реализовать возможность измерения удельного сопротивления грунта модифицированным устройством.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 приведена блок-схема алгоритма работы блока управления для режима измерения удельного сопротивления грунта.
Согласно фиг. 1 устройство содержит три канала измерений, на фиг. 1 показаны: 1- электроды для подключения датчиков;
2 - усилители каналов;
3 - фильтры первого и второго каналов;
4 - преобразователь напряжения в частоту, установленный в третьем канале;
5 - блок гальванической развязки третьего канала;
6 - блок управления;
7 - автономный источник питания;
8 - выключатель;
9 - стабилизированный источник питания;
10 - стабилизатор;
11 - преобразователь постоянного напряжения в постоянное;
12 - переключатели режимов работы;
13 - кнопка включения режима измерение удельного сопротивления
14 - дополнительный управляемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное с RC-цепью для детектирования опорного напряжения;
15 - энергонезависимый блок памяти;
16 - дополнительный коммутатор на основе двух электромагнитных реле;
17 - интерфейсный блок;
18 - коммутатор;
19 - индикатор;
20 - клеммник для подключения внешних цепей
При этом в первом и втором каналах последовательно соединены соответствующий электрод 1 для подключения датчика, усилитель 2 и фильтр 3, а в третьем канале последовательно соединены соответствующий электрод 1 для подключения датчика, усилитель 2, преобразователь 4 напряжения в частоту и блок 5 гальванической развязки, при этом соответствующие входы усилителей 2 трех каналов, фильтров 3 первого и второго каналов, преобразователя 4 напряжения в частоту и блока 5 гальванической развязки третьего канала подключены к соответствующим выходам преобразователя 11 постоянного напряжения в постоянное, соответствующие входы которого соединены с переключателем 12 режима работы, соответствующим входом блока 6 управления, соответствующими выходами стабилизированного источника 9 питания и к соответствующей клемме выключателя 8, другой клеммой связанного с автономным источником 7 питания, при этом один из выходов стабилизированного источника 9 питания связан со входом стабилизатора 10, выход которого подключен к соответствующему входу блока 6 управления и соответствующему входу коммутатора 18, другая входная шина которого связана с соответствующей выходной шиной блока 6 управления, другой двунаправленной шиной связанного с энергонезависимым блоком 15 памяти, коммутатор 18 также снабжен электродом для измерения поляризационного потенциала, а другой его соответствующий выход соединен с соответствующим входом усилителя 2 первого канала, выход блока 5 гальванической развязки подключен к соответствующему входу блока 6 управления, снабженного интерфейсным блоком 17 и связанного также двунаправленной шиной с индикатором 19, переключатель 13 на измерение удельного сопротивления, одной из клемм соединен с соответствующим входом блока 6 управления, а другой - с клеммой на измерение переключателя 12 режимов работы, дополнительный управляемый преобразователь 14 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой, выполненный в виде ШИМ-преобразователя, входом связан с RC-цепью выделения постоянной составляющей, используемой как опорное напряжение, соединенной с соответствующим выходом блока 6 управления, соответствующий вход дополнительного управляемого преобразователя 14 постоянного напряжения в постоянное соединен с выходами стабилизированного источника 9 питания, дополнительный коммутатор 16 на основе двух электромагнитных реле, параллельно которым включен диод для гашения ЭДС самоиндукции, связан с дополнительным управляемым преобразователем 14 постоянного напряжения в постоянное и соответствующими клеммами - с выходами фильтров 3 первого и второго каналов для подключения к соответствующим входам блока 6 управления, клеммник 20 для подключения внешних цепей, связан соответственно с входом первого канала, дополнительным управляемым преобразователем 14 постоянного напряжения в постоянное и дополнительным коммутатором 16, при этом блок 6 управления содержит восьмиканальный АЦП и формирователь напряжения в форме сигнала с ШИМ.
Работа устройства в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2 осуществляется следующим образом.
1
2
E1-E2
E1-E2
max
E1-E2
E1-E2
E1-E2
ИЗМ.
E1-E2
E1-E2
E1-E2
ИЗМ
При включенном режиме измерения, включить «Измер. ρ», блок 6 управления устанавливает на выходе «ШИМ» сигнал, соответствующий нулевому напряжению на выходе дополнительного управляемого преобразователя 14 постоянного напряжения в постоянное с RC-цепью, включает реле Р1, 2 дополнительного коммутатора 16 и спустя 1 секунду производит 128 замеров величины напряжения между электродами E и Е клеммника 20 (по каналу 1). Замеры проводятся с периодом 7,81 мс для подавления помех на частоте электроснабжения, с последующим усреднением по 10÷128 замерам, среднее значение фиксируется и выводится на экран индикатора 19. Затем в течение ~ 10 сек увеличивается скважность сигнала с ШИМ (увеличивается напряжение на выходе дополнительного управляемого преобразователя 14 постоянного напряжения в постоянное с RC-цепью) и с периодом 0,2 сек замеряются U и измерительный ток. При достижении разности потенциалов U = 2,0 В, или более чем в пять раз превышающую, измеренную в п. 2 (фиг. 2) при ненулевом значении п. 2 (фиг. 2), либо достижения величины тока I, или максимально допустимой скважности, фиксируется скважность ШИМ, величина U запоминается и выводится на экран индикатора 19 вместе с величиной тока. Сигнал с ШИМ переводится в исходное состояние. Если оператор не удовлетворен полученным результатом, он в течение 5 сек должен выключить переключатель 13 «Измер. ρ». Если процесс не прерван, устройство переходит в циклический режим (п. 8÷10 фиг. 2). Число циклов - К до 10. Переменной К присваивается значение и с периодом ~7 сек замеряется U в отсутствии тока, устанавливается требуемая скважность сигнала с ШИМ (из п. 6 фиг. 2), через 2 сек замеряются U (разность потенциалов при действии тока) и I, выключается ток, вычитается из U при наличии тока результат п. 8 (фиг. 2). По формуле (1) рассчитывается значение ρ, выводятся на экран индикатора 19 полученные данные, инкрементируется значение К на 1. Спустя 5 секунд, если цикл не окончен, процедура повторяются. Если 10 измерений прошли (К>9), переходим к п. 11 (фиг. 2). Замеры с двумя наибольшими и с двумя наименьшими значениями ρ исключаются, а по 6-ти оставшимся вычисляются средние значения U (из п. 8 фиг. 2) и из п. 9 (фиг. 2) - U, I и ρ. Эти данные заносятся в энергонезависимый блок памяти 15 для последующей распечатки «Протокола измерения» с сопровождающей их датой и временем.
Выключается режим измерений и питание прибора.
Для реализации приведенного процесса измерения заявляемого устройства требуется:
управляемый (поскольку диапазон измеряемых сопротивлений достаточно широк) источник постоянного напряжения в диапазоне 0÷25 В с максимальным током 0,15 А;
- измеритель величины тока через крайние электроды с погрешностью не более ±1% максимального значения;
ИЗМ.
- измеритель постоянного напряжения в диапазоне ±10 В с входным сопротивлением не менее 1 Мом и погрешностью измерения не более ±(10 мВ±0,001 U).
Оба измерителя с указанными характеристиками имеются в известном устройстве (патент РФ на полезную модель №12257) -это, соответственно, каналы 3 и 1.
Управляемый источник напряжения питания 14 может быть реализован, например, на основе ШИМ - контроллера TL494iD, имеющего генератор пилообразного напряжения в диапазоне напряжения 0,5÷4В и выделенный вход управления DTC (к.4), который использовать как «Упр.» управляемого источника 14 постоянного напряжения в постоянное (фиг. 1).
BX
1
2
Выходной транзистор ШИМ-контроллера указанного выше типа находится в закрытом состоянии при напряжении на входе «Упр.» более 4 В, по мере его снижения (увеличения скважности сигнала с ШИМ блока 6 управления) транзистор с заданной частотой начинает открываться на возрастающий промежуток времени. Коллектор транзистора (к.8) подключен к выводу первичной обмотки трансформатора (второй вывод которой подключен к U блока 14). Схема включения трансформатора может быть выполнена в соответствии с рекомендациями (см. Б.Ю. Семенов. "Силовая электроника для любителей и профессионалов" - Москва, «СОЛОН - Р», 2001, с. 216-230). Для ограничения максимального выходного напряжения при обрыве соединительных линий к токовым электродам, на выходе преобразователя 14 следует включить, например, варистор типа IVR-10N 270k на напряжение пробоя 27 В. Преобразование величины тока через электроды I, I в диапазон постоянного напряжения 0÷75 мВ для канала 3 обеспечивается подключением последовательно в цепь тока и параллельно входам ± канала 3 шунтирующего резистора номинальным значением сопротивления 0,5 Ом ± 0,25% на период времени измерения удельного сопротивления посредством реле Р1, 2 дополнительного коммутатора 16.
В качестве реле 1, 2 могут быть использованы малогабаритные реле типа EDR101A0500Z. Блок 6 управления может быть выполнен на ИМС ATMEGA 644.
Интерфейсный блок 17 - преобразует сигналы последовательного интерфейса RS-232 на входе/ выходе процессора ATMEGA 644 в форме «0/5 В», в двухполярные - «+9/-9 В» и обратно. Эти функции выполняет микросхема, например, ADN202JRN, используемая в прототипе.
Индикатор 19 - двухстрочный, 16-ти символьный жидкокристаллический, алфавитно-цифровой модуль, например, NMTC-S16204 XRC HS -15.