СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ЗАЗЕМЛЕННЫХ ТЕРМОПАР ПРИ ТЕПЛОПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ КОНСТРУКЦИЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF VERIFICATION OF INTEGRITY OF EARTHED THERMOELECTRIC COUPLES DURING HEAT RESISTANCE TESTS OF STRUCTURES AND MEASUREMENT INFORMATION SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Группа изобретений относится к измерительной информационной технике и предназначена для контроля целостности заземленных термопар при теплопрочностных испытаниях конструкций, в частности, в авиационно-космической отрасли.
Современный летательный аппарат имеет весьма сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования (испытания) в широком диапазоне воздействий (сил и температур) [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., «Машиностроение», 1974]. Воспроизведение полетных температурных режимов крупных натурных конструкций в лабораторных условиях при создании новых современных объектов авиакосмической техники является чрезвычайно важной и сложной научно-технической задачей. Для целей измерения температур здесь широко используют термоэлектрические преобразователи, называемые термопарами [ГОСТ Р 8.585-2001]. В таком эксперименте одновременно может быть использовано до 500÷2000 термопар, сигналы с которых измеряют с помощью измерительных информационных систем и комплексов [«Информационно-измерительная система «Прочность». Труды ЦАГИ, выпуск 2105, М., издательский отдел ЦАГИ, 1981]. При определении температур металлических конструкций широкое распространение имеет метод крепления термопар зачеканкой или привариванием их к поверхности объекта, что определяет неизбежную электрическую связь горячего спая термопары с заземленной конструкцией. Работа измерительного оборудования с такими заземленными термопарами имеет свои особенности. От конструктивно-функционального состояния этих термопар однозначно зависят надежность и достоверность результатов испытаний. Для увеличения надежности и производительности ответственных испытаний такое значительное количество термопар предопределяет настоятельную необходимость автоматизации процесса определение их целостности.
Широко известны способ и измерительная информационная система «СИТ-ЦВС» для измерения температуры термопарами при испытаниях конструкций летательных аппаратов [Измерительное устройство системы СИТ-ЦВС. А.И. Беклемишев, В.М. Бреннерман. Приборы, установки и методы испытаний на прочность (сборник работ). Труды ЦАГИ, выпуск 1289, Москва, Издательский отдел ЦАГИ, 1971], состоящая из коммутаторов термопар, измерителя температур, контроллера и компьютера и обеспечивающая измерение сигналов до 500 термопар (сопротивлением до 200 Ом). В способе к измерителю сигналов термопар последовательно подключают термопары и измеряют их сигналы. Измерительная информационная система содержит входной коммутатор, измеритель сигналов термопар, связанные цифровой шиной обмена компьютер и контроллер, для которого цифровой вход результатов измерения соединен с выходом измерителя, выход управления коммутацией датчиков соединен с управляющим входом коммутатора. Однако известные способ и система имеют ограниченное применение только для хромель-алюмелевых термопар и не обеспечивают контроль их целостности.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту и взятыми в качестве прототипов являются способ и большая измерительная информационная система «Прочность» для теплопрочностных испытаний конструкций, позволяющая измерять сигналы, как с заземленных термопар, так и терморезисторов, тензорезисторов и других типов датчиков, общим количеством до 2000 штук [«Информационно-измерительная система «Прочность». Труды ЦАРИ, выпуск 2105, М., издательский отдел ЦАГИ, 1981]. Она состоит из коммутаторов датчиков, программируемого измерителя, контроллера и компьютера. Коммутаторы выполнены по универсальной четырехпроводной схеме для возможности подключения всех (любых) типов датчиков. Каждый резисторный датчик подключается двумя токовыми и двумя потенциальными проводами: один токовый и один потенциальный - к одному выводу датчика, другой токовый и другой потенциальный - к другому выводу датчика. Термопара подключается только двумя потенциальными проводами. Выходы коммутаторов датчиков проводами соединены с соответствующими входными клеммами программируемого измерителя, который по управляющим сигналам от контроллера обеспечивает подключенному коммутатором датчику соответствующий режим измерения и выдает в контроллер цифровой результат измерения, который далее поступает в компьютер через цифровую шину обмена. Управление коммутацией датчиков осуществляется от компьютера через контроллер. В способе к программируемому измерителю с режимами измерения сигналов термопар и четырехпроводных резисторных датчиков потенциальными проводами последовательно подключают термопары и измеряют их сигналы. Измерительная информационная система содержит входной коммутатор датчиков, программируемый измеритель с режимами измерения сигналов термопар и четырехпроводных резисторных датчиков, связанные цифровой шиной обмена компьютер и контроллер, для которого цифровой вход результатов измерения соединен с выходом измерителя, выход управления режимом измерителя соединен с управляющим входом измерителя, выход управления коммутацией датчиков соединен с управляющим входом коммутатора. Подключаемые датчики сгруппированы по типам для каждого коммутатора: один коммутатор - один тип датчика (для типов термопар в том числе), что не допускает универсального подключения к одному коммутатору различных типов датчиков. Контроль целостности термопар возможен здесь только вручную (без автоматизации) с использованием обычных электрических тестеров.
Задачей и техническим результатом настоящих изобретений является обеспечение возможности автоматизированного контроля целостности подключенных заземленных термопар и диагностика их обрывов в измерительных информационных системах для теплопрочностных испытаний конструкций.
Решение задачи и технический результат в способе контроля целостности заземленных термопар при теплопрочностных испытаниях конструкций, при котором измеряют сигналы термопар и четырехпроводных резисторных датчиков, достигаются тем, что каждую пару потенциальных и токовых проводов соответственно двум клеммам резисторного датчика закорачивают, измерения сигналов термопар проводят в режиме четырехпроводного измерения сигналов резисторных датчиков, потенциальные провода подключения термопары меняют местами, проводят повторное измерение в режиме четырехпроводного измерения сигналов резисторных датчиков, сравнивают результаты этих измерений с соответствующими верными результатами целостности термопар, по результатам сравнения делают вывод о целостности термопар или виде их неисправности.
Решение задачи и технический результат в измерительной информационной системе контроля целостности заземленных термопар для теплопрочностных испытаний конструкций по первому варианту, содержащей входной коммутатор датчиков, программируемый измеритель с режимами измерения сигналов термопар и четырехпроводных резисторных датчиков, связанные цифровой шиной обмена компьютер и контроллер, для которого цифровой вход результатов измерения соединен с выходом измерителя, выход управления режимом измерителя соединен с управляющим входом измерителя, выход управления коммутацией датчиков соединен с управляющим входом коммутатора, достигаются тем, что между выходом коммутатора датчиков и четырехпроводным входом измерителя введен четырехпроводный сквозной адаптер, в котором между каждой парой потенциальных и токовых выводов соответственно двум клеммам резисторного датчика установлены ключевые элементы, управляющие входы которых являются управляющим входом адаптера, соединенного с дополнительным управляющим выходом контроллера, а на входе адаптера установлен переключатель потенциальных проводов, управляющий вход которого соединен с другим дополнительным выходом контроллера для управления переключателем.
Решение задачи и технический результат в измерительной информационной системе контроля целостности заземленных термопар для теплопрочностных испытаний конструкций по второму варианту, содержащей входной коммутатор датчиков на измерительном входе программируемого измерителя с режимами измерения сигналов термопар и четырехпроводных резисторных датчиков, связанные цифровой шиной обмена компьютер и контроллер, для которого цифровой вход результатов измерения соединен с выходом измерителя, выход управления режимом измерителя соединен с управляющим входом измерителя, выход управления коммутацией датчиков соединен с управляющим входом коммутатора, достигаются тем, что ко входу измерителя своим выходом дополнительно подключен четырехпроводный коммутатор, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом контроллера для управления четырехпроводным коммутатором, на входе которого установлены две электрические перемычки для соединения попарно потенциального и токового входов коммутатора, на выходе коммутатора датчиков установлен переключатель потенциальных проводов коммутатора, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом контроллера для управления переключателем.
Решение задачи и технический результат в измерительной информационной системе для теплопрочностных испытаний конструкций по третьему варианту, содержащей входной коммутатор датчиков, программируемый измеритель с режимами измерения сигналов термопар и четырехпроводных резисторных датчиков, связанные цифровой шиной обмена компьютер и контроллер, для которого цифровой вход результатов измерения соединен с выходом измерителя, выход управления режимом измерителя соединен с управляющим входом измерителя, выход управления коммутацией датчиков соединен с управляющим входом коммутатора, достигаются тем, что в нее своим выходом на вход измерителя введен дополнительно трехвходовой четырехпроводный коммутатор, для которого первый вход соединен с выходом коммутатора датчиков, на втором и третьем входах установлены по две электрические перемычки, соединяющие попарно потенциальные и токовые входы дополнительного коммутатора, при этом первая перемычка второго входа коммутатора соединена со второй перемычкой третьего входа коммутатора и с первым потенциальным входом первого входа коммутатора, вторая перемычка второго входа коммутатора соединена с первой перемычкой третьего входа коммутатора и с вторым потенциальным входом первого входа коммутатора, а управляющий вход дополнительного коммутатора соединен с дополнительным выходом контроллера.
Фигуры 1÷5 поясняют способ контроля и иллюстрируют варианты (фигуры 1÷3) его осуществления и принцип работы программируемого измерителя в режимах измерения сопротивления (фигура 4) и сигналов термопар (фигура 5). Таблицы 1÷3 в качестве примера приводят принцип расчета правильных результатов измерения сопротивления термопар. На фигурах 6÷65 - возможные неисправности подключаемых термопар. Таблицы 4÷7 позволяют наглядно выявлять вид неисправности при контроле целостности термопар.
На фигурах показаны:
1 - термопара,
2 - датчик резисторный,
3 - коммутатор датчиков входной,
4 - измеритель программируемый,
5 - контроллер,
6 - компьютер,
7 - адаптер,
8 - коммутатор четырехпроводный,
9 - ключ электрический одноканальный,
10 - перемычка электрическая,
11 - ключ электрический четырехканальный,
12 - усилитель операционный,
13 - генератор тока,
14 - переключатель.
Термопара 1 состоит из двух проводников (термоэлектродов) из разнородных материалов, концы которых с одной стороны соединены между собой и размещены в зоне измерения температуры (горячий спай), другие концы термопары (холодный спай) подключаются к коммутатору датчиков 3. Измерение термо-ЭДС термопар осуществляет программируемый измеритель 4 в режиме измерения электрического напряжения.
Резисторный датчик 2 (терморезистор, термометр сопротивления) представляет собой резистор, имеющий известную зависимость электрического сопротивления от его температуры, предназначен для измерения температуры объектов и подключается к программируемому измерителю 4 в режиме измерения сопротивления по широко используемой четырехпроводной схеме, при которой от каждой клеммы датчика к входу измерителя подводят по два провода: токовые - для питания датчика и потенциальные - для обеспечения передачи величины напряжения на клеммах датчика 2 на вход программируемого измерителя 4.
Входной коммутатор 3 датчиков измерительной информационной системы имеет определенное число аналоговых четырехканальных входов и один четырехканальный выход для подключения четырехпроводных резисторных датчиков 2, управляющий коммутацией вход для выборочного подключения датчиков к измерителю, причем для подключения термопар входы коммутатора 3 могут быть двухканальными (потенциальными). Коммутатор 3 может быть и многоступенчатым. Несколько коммутаторов могут быть объединены в большое коммутационное поле датчиков преимущественно магистральным способом. На фигурах 1, 2 и 3 показан один коммутатор 3 для примера.
Ключ 9 электрический одноканальный представляет собой управляемый электрический контакт, имеющий два состояния («замкнуто», «разомкнуто»), и может быть выполнен на базе КМОП-микросхем, например, серии «590».
Ключевой элемент 11 имеет электрически несвязанные 4 канала коммутации (4 входа и 4 выхода) и управляющий вход, является многоканальным (здесь четырехканальным) коммутирующим элементом, по сигналу управления «замыкающим» ключи каналов, и входит в состав коммутатора 3: по одному для каждого входа. Может быть выполнен также на базе КМОП-микросхем, например серии «590».
Программируемый измеритель 4 имеет четырехпроводный аналоговый вход в виде четырех клемм, управляющий режимом измерения вход и предназначен для усиления сигналов и выработки цифрового кода результатов измерений электрического напряжения термопар или электрического сопротивления терморезисторов (в зависимости от режима).
Компьютер 6 имеет двунаправленную шину и по заранее введенной программе выполняет функции выдачи необходимых команд управления работой системы, приема и обработки результатов измерений, их хранения, отображения и оформления (печати).
Адаптер 7 представляет собой четырехпроводный сквозной переходник между выходом коммутатора датчиков 3 и входом программируемого измерителя 4, на выходе адаптера между каждой парой потенциальных и токовых проводов установлены ключевые элементы 9, управляющие входы которых являются управляющим входом адаптера 7.
Контроллер 5 имеет связанную с компьютером 6 двунаправленную шину, цифровой вход результатов измерений, управляющий режимом измерения выход, управляющий адаптером выход, управляющий коммутацией датчиков выход и предназначен для организации взаимодействия и формирования сигналов функционирования системы.
Четырехпроводный коммутатор 8 является четырехканальным коммутирующим устройством, по сигналу управления подключающим 4 входных клеммы соответственно на четырехклеммный выход. В качестве коммутатора 8 может быть использован любой известный четырехканальный коммутатор, включая для универсальности стандартные коммутаторы датчиков, имеющиеся в наличии в системе.
Электрические перемычки 10 на входе коммутатора 8 могут быть обычными проводными контактами между клеммами или точками соединения.
Переключатель 14 представляет собой обычный двухполюсный управляемый переключатель полярности и может быть выполнен с использованием реле или ключевых КМОП-микросхем [Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М. Энергоатомиздат, 1986, стр.64-65, рис.3.8] [Сборник работ по измерительным и вычислительным системам для исследования аэродинамики, динамики и прочности летательных аппаратов. Труды ЦАГИ. 1981, Выпуск 2105. Информационно-измерительная система «Эпюра». Устройства оперативного метрологического исследования и контроля, стр.95-97, рис.1.]
Операционный усилитель 12 - любой известный (запитанный от источника напряжения, в данном случае относительно общей шины) с достаточным выходным напряжением и выходным током для питания резисторного датчика 2.
Генератор 13 тока одной клеммой связан с общей шиной и может быть выполнен по любой известной схеме с достаточной для питания резисторного датчика 2 величиной тока.
Все управляющие сигналы могут быть дешифрированными или (что предпочтительней) цифровыми двоичными кодами с соответствующей дешифрацией в объектах управления.
Рассматриваемые объекты работают следующим образом.
При обычных измерениях сигналов термопар с помощью коммутации датчиков к измерителю в режиме измерения напряжения последовательно подключаются термопары, вырабатывается в нем соответствующий код результатов измерений, который через контроллер передается в компьютер, где получаются соответствующие результаты измерения.
Контроль целостности заземленных термопар осуществляют измерением сопротивления последовательно подключаемых термопар измерителем в режиме измерения сопротивления по четырехпроводной схеме, для чего соответствующие входные клеммы измерителя закорачивают (каждая пара входных клемм соответственно двум клеммам резисторного датчика). При правильном подключении известных термопар и исправности (целостности) для изолированного измерителя сопротивления результат измерения, переданный через контроллер и сформированный в компьютере, должен соответствовать заранее известному полному сопротивлению термопары, являющемуся суммой сопротивлений обоих термоэлектродов. Если результат измерения больше расчетного для данной термопары, термопара скорей всего разорвана или не подключена. Если - меньше расчетного, произошло замыкание электродов на пути подсоединения к измерителю.
Удельное сопротивление широко используемых в термопарах электродов приведено в Таблице 1.
Таблица 1
Материал электрода термопары
Удельное сопротивление
Алюмель
0,33 Ом*мм2/м
Копель
0,47 Ом*мм2/м
Хромель
0,68 Ом*мм2/м
Соответствующее сопротивление электродов в Ом диаметром, например, 0,3 мм в зависимости от длины приведено в Таблице 2.
Таблица 2
Электрод
1 м
2 м
5 м
10 м
20 м
Алюмель
4,67
9,34
23,34
46,69
93,37
Копель
6,65
13,30
33,25
66,49
132,99
Хромель
9,62
19,24
48,10
96,20
192,41
Соответствующее сопротивление термопар в Ом диаметром, например, 0,3 мм в зависимости от длины приведено в Таблице 3.
Таблица 3
Термопара
1 м
2 м
5 м
10 м
20 м
Хромель/Алюмель
14,29
28,58
71,44
142,89
285,78
Хромель/Копель
16,27
32,54
81,35
162,70
325,39
Сопоставляя полученные результаты измерений сопротивлений термопар с соответствующими верными, можно в автоматическом режиме проконтролировать их целостность и даже сделать вывод о виде неисправности. При этом обеспечивается универсальность: измерение сигналов термопар и резисторных датчиков при упрощении использования системы.
Термопары и другие резисторные датчики системы подсоединяют на соответствующие входы коммутатора датчиков, который в соответствии с сигналами управления на своем управляющем входе от выхода управления коммутацией датчиков контроллера по командам компьютера через его шину выборочно подключает их на свой четырехпроводный выход. Благодаря четырехпроводности коммутатор датчиков является универсальным, т.е. способен работать с любыми типами используемых датчиков: термопара, термосопротивление, тензорезистор, тензорезисторный мост и др. Из четырех проводов два - токовые (с протеканием по ним измерительного тока), другие два - потенциальные (ток по ним практически не течет и, следовательно, потенциал передается от датчика без искажений). Для резисторных датчиков одна пара, состоящая из одного токового и одного потенциального провода, соединяется с одной клеммой датчика, другая пара, состоящая из другого токового и другого потенциального провода, соединяется с другой клеммой датчика. Для термопар используют два потенциальных провода соответственно двум соответствующим клеммам измерителя в режиме измерения напряжения. К одному коммутатору могут быть подключены одновременно любые различные типы датчиков.
Измерительные сигналы поступают на вход программируемого измерителя, который по сигналам управления от контроллера устанавливает соответствующий режим измерения: электрического напряжения двухпроводных термопар или сигналов четырехпроводных резисторных датчиков. Корректность работы измерителя при четырехпроводном режиме измерения сопротивления двухпроводных термопар обеспечивается адаптером 7 или четырехпроводными коммутаторами 8 с соответствующими перемычками на входе.
Для надежности получения результата измерения сопротивления термопары и устранения влияния на результат ЭДС горячего спая ее потенциальные провода на выходе коммутатора датчиков меняют местами и проводят повторные измерения сопротивления. При этом можно просуммировать полученные два результата и разделить сумму на 2, что позволяет получить более точный результат измерения сопротивления термопары за счет взаимной компенсации влияния ЭДС, т.к. ее полярность на входе измерителя изменяется на противоположную. Такое изменение полярности обеспечивается переключателем 14 либо трехвходовым четырехпроводным коммутатором 8 (Фиг.3) с совмещением функции адаптера 7. Можно использовать режим измерения сопротивления на переменном токе.
Результаты измерений с выхода измерителя поступают на соответствующий вход контроллера и далее на двунаправленную шину обмена с компьютером для соответствующего их анализа в компьютере.
Компьютерная программа системы естественно перед получением результатов измерений для правильной работы должна заранее располагать следующей вводной информацией: количество, типы и соответствующие адреса подключения к системе используемых термопар и резисторных датчиков, а также температурные характеристики подсоединенных термопар и термометров сопротивления. Результаты фиксируются в компьютере, отображаются на его дисплее и в соответствующих протоколах на печати.
Измерительная информационная система по первому варианту между четырехпроводным выходом коммутатора датчиков и четырехпроводным входом измерителя имеет четырехпроводный сквозной адаптер (4 входа адаптера электрически соединены соответственно с четырьмя его выходами). Каждая пара выводов (соответственно двум клеммам резисторного датчика) ключевыми элементами адаптера по соответствующим сигналам управления закорачивается, обеспечивая корректный режим работы программируемого измерителя в режиме измерения сопротивления двухпроводных термопар. Адаптер при обычных измерениях пропускает сигналы насквозь без изменений, а при контроле целостности термопар своими ключами закорачивает соответствующие (описанные выше) входные клеммы измерителя, обеспечивая работу программируемого измерителя в четырехпроводном режиме для измерения сопротивления двухпроводных термопар. Режим работы адаптера определяется сигналами управления адаптером от контроллера. На входе адаптера установлен управляемый переключатель потенциальных проводов термопар для инвертирования полярности их подключения.
Измерительная информационная система по второму варианту имеет дополнительный четырехпроводный коммутатор, запараллеленный своим четырехпроводным выходом с четырехклеммным входом измерителя и через переключатель потенциальных проводов коммутатора с четырехпроводным выходом коммутатора датчиков. Режим работы (включение) четырехпроводного коммутатора определяется специальными сигналами управления от контроллера. Две перемычки 10 на входе четырехпроводного коммутатора 8, каждая их которых соответствует описанным выше двум клеммам резисторного датчика, при включении коммутатора 8 аналогично предыдущему закорачивают соответствующие входные клеммы измерителя, обеспечивая аналогичный эффект. Управляемый от контроллера переключатель потенциальных проводов термопар обеспечивает необходимое инвертирование полярности их подключения. В качестве четырехпроводного коммутатора для универсальности может быть использован стандартный коммутатор датчиков, имеющийся в комплектации системы.
Измерительная информационная система по третьему варианту имеет трехвходовой четырехпроводный коммутатор своим выходом на входе измерителя. Первый вход этого коммутатора соединен с выходом коммутатора датчиков напрямую и используется при обычных измерениях системой сигналов датчиков. Второй и третий входы с двумя электрическими перемычками соответственно двум клеммам резисторного датчика, соединенными противофазно с двумя потенциальными выводами выхода коммутатора датчиков, используются системой при контроле целостности термопар, закорачивая аналогичным образом соответствующие входные клеммы измерителя при требуемой полярности подключения электродов термопар. Режим работы четырехпроводного коммутатора по входам определяется специальными сигналами управления от контроллера. Аналогично предыдущему в качестве четырехпроводного коммутатора для универсальности может быть использован стандартный коммутатор датчиков, имеющийся в комплектации системы.
При анализе целостности термопар необходимо заранее знать правильные величины их сопротивлений при обоих положениях переключателя, для чего кроме приведенных выше расчетов можно предварительно провести измерения для заведомо работоспособной и правильно подключенной термопары (каждого типа) в режиме измерения сопротивления для последующего сравнения в процессе контроля.
Компьютерная программа системы естественно перед получением результатов измерений для правильной работы должна заранее располагать следующей вводной информацией: количество, типы и соответствующие адреса подключения к системе используемых термопар и резисторных датчиков, а также температурные характеристики подсоединенных термопар и термометров сопротивления. Результаты фиксируются в компьютере, отображаются на его дисплее и в соответствующих протоколах на печати.
В ряде случаев кроме использования режима измерения сигналов резисторных датчиков программируемого измерителя (как режим измерения сопротивления), при котором по величине результата измерения сопротивления термопары можно судить о работоспособности термопары, можно использовать (при наличии в составе системы программируемого измерителя с режимами измерения сигналов одиночных тензорезисторов) и режим измерения отклонения сопротивления от определенного номинала (50, 100, 120, 200, 350, 400 Ом для тензорезисторов), при котором по знаку результата измерения отклонения сопротивления от номинального можно судить: цела или разорвана термопара. Т.е. при отсутствии режима измерения полного сопротивления все же возможно с помощью этих режимов определить некоторый диапазон сопротивлений контролируемых термопар, что при грубых неисправностях вполне достаточно для констатации их целостности.
Более подробно и детально работу входных цепей программируемого измерителя в режиме четырехпроводного измерения сопротивления рассмотрим на примере давно и широко используемого и хорошо зарекомендованного преобразователя сопротивления в напряжение (фигура 4), удобно работающего со всеми сигналами (задающие и питающие напряжения, образцовый ток и выходной сигнал) относительно общей шины устройства. Преобразователь построен на базе операционного усилителя 12 и генератора 13 тока.
В процессе штатных измерений сигналов резисторных датчиков измерительной информационной системой резисторный датчик 2 подключается к четырехпроводному преобразователю программируемого измерителя в режиме измерения сопротивления четырьмя проводами (два - от одной клеммы, два - от другой). Операционный усилитель 12 запитан от источника напряжения питания относительно общей шины, относительно которой он выдает свое выходное напряжение и к которой подключен его неинверсный вход. Инверсный вход и выход усилителя 12 каждый своим проводом соединены с первой клеммой удаленного резистора 2, благодаря чему эта клемма имеет потенциал, равный нулю (0v), несмотря на ненулевое сопротивление проводов. Ко второй клемме резистора 2 отдельным проводом подключен относительно общей шины генератор 13, который вне зависимости от сопротивления провода обеспечивает задаваемый заранее известный ток I через резистор 2 (R). Другой провод от второй клеммы резистора 2 является выходом преобразователя и обеспечивает передачу на вход измерителя от второй клеммы резистора потенциала, который естественно равен: U=I*R, т.е. пропорционален (как и требовалось) сопротивлению резисторного датчика 2. В случае если никакой датчик не подключен к преобразователю, естественно, потенциал U будет максимально возможным (перегрузка), что соответствует результату измерения - «разрыв».
В процессе контроля системой целостности заземленная термопара 1 подключается к четырехпроводному преобразователю (фигура 5) программируемого измерителя в режиме измерения сопротивления двумя потенциальными проводами: один - к инверсному входу операционного усилителя 12, другой - является выходом преобразователя. Для обеспечения нормальной работы преобразователя с помощью адаптера 9 закорачиваются соответственно выход с инверсным входом операционного усилителя 12 и выход преобразователя с выходом генератора 13 тока. Переключатель 14 обеспечивает разнофазное подключение термоэлектродов термопары.
По несложной аналогии с вышеизложенным для резисторного датчика 2 рассмотрим работу преобразователя (фигура 4) с подключенной согласно способу к нему термопарой (фигура 5) при всех возможных видах неисправностей. Ra и Rb - полное сопротивление первого и второго электродов термопары; R - результат измерения измерителем сопротивления на основании измеренного напряжения U преобразователя 4: R=U/I. При первой (исходной) и второй (инверсной) позициях переключателя 14 для последующего: U1 и U2 - напряжения преобразователя 4, R1 и R2 - результат измерения сопротивления.
Все возможные неисправности подключаемых к системе термопар заключаются в несанкционированных обрывах (разрывах) и коротких замыканиях на землю (общую шину) или между собой их термоэлектродов в различных комбинациях, которые можно классифицировать следующим образом с соответствующими результатами измерений (фигуры 6÷65).
ВЫЯВЛЯЕМЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ТЕРМОПАР:
1. ГОРЯЧИЙ СПАЙ ТЕРМОПАРЫ НАДЕЖНО ЗАЗЕМЛЕН (фиг.6÷33).
A) Термопара цела (фиг.6÷9).
а) Все исправно: нет замыканий на землю и разрывов (фиг.6).
R1=Ra; R2=Rb.
б) Замыкание на землю первого термоэлектрода (фиг.7).
0<R1<Ra; R2=Rb.
в) Замыкание на землю второго термоэлектрода (фиг.8).
R1=Ra; 0<R2<Rb.
г) Замыкание на землю обоих термоэлектродов (фиг.9).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
Б) Разрыв первого термоэлектрода в районе горячего спая (фиг.10÷13).
а) Без замыканий на землю (фиг.10).
R1=∞; R2=Rb.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.11).
0<R1<Ra; R2=Rb.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.12).
R1=∞; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.13).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
B) Разрыв второго термоэлектрода в районе горячего спая (фиг.14÷17).
а) Без замыканий на землю (фиг.14).
R1=Ra; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.15).
0<R1<Ra; R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.16).
R1=Ra; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.17).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
Г) Разрыв обоих термоэлектродов в районе горячего спая (фиг.18÷21).
а) Без замыканий на землю (фиг.18).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.19).
0<R1<Ra; R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.20).
R1=∞; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.21).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
Д) Разрыв первого термоэлектрода в районе холодного спая (фиг.22÷25).
а) Без замыканий на землю (фиг.22).
R1=∞; R2=Rb.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.23).
R1=∞; R2=Rb.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.24).
R1=∞; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.25).
R1=∞; 0<R2<Rb.
Е) Разрыв второго термоэлектрода в районе холодного спая (фиг.26÷29).
а) Без замыканий на землю (фиг.26).
R1=Ra; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.27).
0<R1<Ra; R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.28).
R1=Ra; R2=∞.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.29).
0<R1<Ra; R2=∞.
Ж) Разрыв обоих термоэлектродов в районе холодного спая (фиг.30÷33).
а) Без замыканий на землю (фиг.30).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.31).
R1=∞; R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.32).
R1=∞; R2=∞.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.33).
R1=∞; R2=∞.
2. ГОРЯЧИЙ СПАЙ ОТОРВАН ОТ ЗЕМЛИ (фиг.34÷61).
А) Термопара цела (фиг.34÷37).
а) Все исправно: нет замыканий на землю и разрывов (фиг.34).
R1=Ra+Rb; R2=Ra+Rb.
б) Замыкание на землю первого термоэлектрода (фиг.35).
0<R1<Ra; Rb<R2<Ra+Rb.
в) Замыкание на землю второго термоэлектрода (фиг.36).
Ra<R1<Ra+Rb; 0<R2<Rb.
г) Замыкание на землю обоих термоэлектродов (фиг.37).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
Б) Разрыв первого термоэлектрода в районе горячего спая (фиг.38÷41).
а) Без замыканий на землю (фиг.38).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.39).
0<R1<Ra; Rb<R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.40).
R1=∞; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.41).
0<Rl<Ra; 0<R2<Rb.
В) Разрыв второго термоэлектрода в районе горячего спая (фиг.42÷45).
а) Без замыканий на землю (фиг.42).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.43).
0<R1<Ra; R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.44).
R1=оо; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.45).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
Г) Разрыв обоих термоэлектродов в районе горячего спая (фиг.46÷49).
а) Без замыканий на землю (фиг.46).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.47).
0<R1<Ra; R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.48).
R1=оо; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.49).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
Д) Разрыв первого термоэлектрода в районе холодного спая (фиг.50÷53).
а) Без замыканий на землю (фиг.50).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.51).
R1=∞; Rb<R2<Ra+Rb.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.52).
R1=∞; 0<R2<Rb.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.53).
R1=∞; 0<R2<Rb.
Е) Разрыв второго термоэлектрода в районе холодного спая (фиг.54÷57).
а) Без замыканий на землю (фиг.54).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.55).
0<R1<Ra; R2=∞.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.56).
Ra<R1<Ra+Rb; R2=∞.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.57).
0<R1<Ra; R2=∞.
Ж) Разрыв обоих термоэлектродов в районе холодного спая (фиг.58+61).
а) Без замыканий на землю (фиг.58).
R1=∞; R2=∞.
б) С замыканием на землю первого термоэлектрода (фиг.59).
R1=оо; R2=оо.
в) С замыканием на землю второго термоэлектрода (фиг.60).
R1=∞; R2=∞.
г) С замыканием на землю обоих термоэлектродов (фиг.61).
R1=∞; R2=∞.
3. ВЗАИМНОЕ ЗАМЫКАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДОВ (фиг.62÷65).
А) Горячий спай термопары заземлен (фиг.62÷63).
а) Замыкание в районе холодного спая (фиг.62).
R1=0; R2=0.
б) Замыкание проводов термоэлектродов в каком либо месте (фиг.63).
0<R1<Ra; 0<R2<Rb.
Б) Горячий спай термопары оторван от земли (фиг.64÷65).
а) Замыкание в районе холодного спая (фиг.64).
R1=0; R2=0.
б) Замыкание проводов термоэлектродов в каком либо месте (фиг.65).
0<R1<Ra+Rb; 0<R2<Ra+Rb.
В таблицах 4÷6 (см. в конце описания) для удобства анализа использованы следующие сокращенные обозначения:
«№» - номер неисправности (вышеприведенной);
«А÷Ж» и «а÷г» - подпункты неиспраностей;
«ТП» - термопара;
«ГС» - горячий спай;
«ХС» - холодный спай;
«ОК» - термопара цела (нет разрывов);
«ОШ» - общая шина (земля);
«ТЭ» - термоэлектрод;
«ТЭ1» или «ТЭ2» - первый или второй термоэлектрод;
«2ТЭ» - оба термоэлектрода одновременно;
«=» - электрическое соединение;
«≠» - электрический разрыв;
«x» - электрический контакт.
По результатам контрольных измерений при использовании рассматриваемых изобретений в соответствии, например, с таблицей 6 несложно сделать исчерпывающие выводы по состоянию подключаемых термопар с информацией о виде неисправностей.
В качестве примера некоторые характерные случаи (Таблица 7):
Таблица 7
Результат R1
Результат R2
Выводы о неисправностях
Ra
Rb
Горячий спай термопары связан с общей шиной (заземлен). Термопара - не разорвана. Оба термоэлектрода термопары на своем протяжении до подсоединения к измерительному оборудованию не имеет дополнительной связи с землей. Все в норме.
Ra
∞
Не смотря на то, что горячий спай термопары связан с общей шиной (заземлен), второй термоэлектрод разорван в районе горячего спая при отсутствии его связи с землей либо он разорван в районе холодного спая вне зависимости от связи с землей.
Ra+Rb
Ra+Rb
Не смотря на то, что термопара не разорвана, ни сам горячий спай не имеет связи с землей, ни один из термоэлектродов термопары на своем протяжении до подсоединения к измерительному оборудованию не имеет дополнительной связи с землей.
∞
∞
Не смотря на то, что горячий спай термопары связан с общей шиной (заземлен), оба термоэлектрода разорваны в районе горячего спая при отсутствии их связи с землей, либо оба разорваны в районе холодного спая вне зависимости от связи с землей их в любом месте на своем протяжении. Чаще всего контролируемая термопара вообще не подключена к данному входу измерительной системы или подключена на другой ее вход.
…
…
…
Все операции по анализу и отображению результатов контроля целостности термопар могут быть автоматизированы с помощью соответствующих программ компьютера.
Многолетний опыт построения и эксплуатации измерительных информационных систем для теплопрочностных испытаний конструкций авиакосмической техники выявил некоторые широко используемые в настоящее время оптимальные конструктивно-функциональные особенности, рекомендуемые для использования при реализации данного изобретения:
- четырехпроводное (как универсальное для термосопротивлений, тензорезисторов, тензорезисторных мостов и др.) подключение датчиков к измерительному оборудованию;
- опрос датчиков внешним коммутационным полем на 1000 и более входов;
- организация коммутационного поля отдельными универсальными выносными четырехканальными (четырехпроводными) коммутаторами, на 64 входа каждый: 8 разъемов по 8 датчиков;
- построение коммутаторов на базе четырехканальных ключевых элементов (микросхемы: 590КН2, 590КН5, 590КН10, 590КН13 и др.).
См. подробную информацию по рассматриваемым системам:
- Информационно-измерительная система «ПРОЧНОСТЬ». Сборник работ по измерительным и вычислительным системам для исследования аэродинамики, динамики и прочности летательных аппаратов. Труды ЦАГИ, выпуск 2105, Москва, Издательский отдел НАГИ, 1981.
- Автономная передвижная тензометрическая система «ПРОЧНОСТЬ-А». А.И. Беклемищев, В.В. Шевчук, Ю.С. Ильин и др. Приборы и системы управления. Научно-технический журнал, №2, 1988.
- Опыт применения и перспективы развития сети измерительных информационных систем «ПРОЧНОСТЬ». А.И. Беклемищев, Е.Г. Зубов, Ю.С. Ильин, В.М. Ордынцев, В.В. Шевчук. Проектирование и расчет на прочность авиационных конструкций. Сборник статей. Труды ЦАГИ, выпуск 2628, Москва, Издательский отдел ЦАГИ, 1997.
- Измерительная информационная система «ПРОЧНОСТЬ-2000» для испытаний на прочность современной авиакосмической техники. Е.Г. Зубов, Ю.С. Ильин, В.В. Шевчук. Авиакосмическая техника и технология. Научно-технический журнал, №3, 2003.
- Измерительная информационная система «ПРОЧНОСТЬ-4000». Е.Г. Зубов, Ю.С. Ильин, В.В. Шевчук. Материалы XVIII школы-семинара «Аэродинамика летательных аппаратов». М., Издательство ЦАГИ, 2007.
- Измерительная система. Зубов Е.Г., Ильин Ю.С., Шевчук В.В. Патент РФ №2253842, 2005 г.
По данному предложению выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств и отработки методик, которые подтверждают реализуемость рассматриваемых технических решений и заявленного технического эффекта.
Реализация предложения при теплопрочностных испытаниях конструкций в авиакосмической отрасли науки и техники позволит значительно повысить оперативность и надежность выполнения программ испытаний и их результатов, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытуемых конструкций летательных аппаратов.