УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПИРОСРЕДСТВ
DEVICE FOR CONTROLLING ELECTRICAL PARAMETERS OF PYROTECHNIC DEVICES

Устройство контроля электрических параметров пиросредств, обеспечивающее измерение и контроль параметров пиросредств, относится к электроизмерительной технике, в частности, к автоматизированным системам контроля, и применяется при подготовке и в процессе эксплуатации систем, в которых используется дистанционное управление, и требующих соблюдения особых мер предосторожности в процессе проведения испытаний и контроля их характеристик, например, самолето- и ракетостроение, противопожарная техника, пиротехника и др.
Известно устройство испытаний на исправность электротехнических элементов (см. патент №2263324), которое содержит коммутирующий элемент, формирователь одиночного безопасного импульса, магнитопровод, на котором размещены первичная и вторичная обмотки, а источник питания подсоединен к линии связи, подключенной к электротехническому элементу. Суть работы устройства в том, что производят преобразование входного сигнала в одиночный импульс тока, который подают на электротехнический элемент, а затем на этот элемент подают напряжение питания и по протеканию тока через электротехнический элемент судят об его исправности.
Недостатком его является то, что не проводится проверка паразитных связей цепей управления пиросредствами между собой, что проявляется в снижении сопротивления изоляции между ними.
Известно устройство для измерения электрического сопротивления изоляции, патент №2230332. Это устройство содержит делители, два мультиплексора, переключатели дифференциальный усилитель, два демультиплексора, аналоговое запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления результатов измерения, узел индикации результатов измерения, измерительные резисторы и конденсаторы, блок управления, шину «Пуск». Суть изобретения заключается в том, что параллельно измеряемой цепи подключается конденсатор известного номинала, измеряется постоянная времени переходного процесса и, с учетом измеренных начального и конечного значений напряжений, в контролируемых точках определяются параметры изоляции цепи.
Недостатком этого устройства является то, что контроль изоляции производится сигналом с неконтролируемой скоростью нарастания и уровень сигнала определяется лишь напряжением питания.
Признаками аналогов, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие двух демультиплексоров для подключения измерительных блоков, обеспечивающих вычисление сопротивления нити пиропатронов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство для измерения электрического сопротивления изоляции, патент №2377580. Это устройство содержит первый и второй делители напряжения, ключ, резистор и последовательно соединенные мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок управления. Выходы первого и второго делителей напряжения соединены с входами мультиплексора, который подключает свой выходной сигнал к входу АЦП. За счет введения второго делителя напряжения, выход которого связан с корпусом, и измерения напряжения на выходе делителей напряжения относительно нулевой шины питания достигается значительное повышение быстродействия при измерении электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей.
Недостатком этого способа является существенное влияние на контролируемые цепи и отсутствие возможности влияния на режимы измерения.
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются отсутствие возможности регулирования скорости нарастания тестового сигнала в процессе контроля.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства контроля электрического сопротивления изоляции взрывоопасных объектов, обеспечивающего снижение опасности разрушения объекта, связанной со спонтанным падением сопротивления изоляции и возрастанием выделяющейся мощности, которое может привести к повреждению объекта
Это достигается путем того, что процесс контроля динамических характеристик сопротивления изоляции ведется в режиме плавного нарастания испытательного сигнала, это позволяет исключить аварию при обнаружении факта нарушения изоляции.
Суть изобретения заключается в том, что между измеряемыми точками объекта устанавливается тестовый сигнал заведомо малой амплитуды, при котором вычисляется значение сопротивления изоляции. Потом тестовый сигнал плавно наращивается до заданной амплитуды, при этом контролируется значение сопротивления изоляции и сравнивается с допустимым. По тенденции изменения сопротивления регулируется скорость нарастания тестового сигнала, или принимается решение о досрочном прекращении процедуры контроля для предотвращения разрушения объекта.
Технический результат достигается за счет применения процедуры плавного установления испытательных режимов и проведения операции контроля и прогнозирования характеристик измеряемого сопротивления при наличии регулирования скорости нарастания тестового сигнала.
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено моделирование процессов измерения и уже разработан и опробован макет устройства, реализующего эту идею.
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства, в состав которого входят следующие блоки:
1 - измеритель напряжения (ИН), измеряющий падение напряжения на контролируемом сопротивлении,
2 - генератор тестовых токов (Гтт), формирующий образцовые токи для измерения малых сопротивлений нити пиропатрона,
3 - генератор тестовых напряжений (Гтн), формирующий образцовое напряжение, плавно нарастающее до предельного значения,
4 - блок управления скоростью нарастания тестовых сигналов (БУС) с выхода Гтн,
5 - блок вычисления сопротивления (БВС), который вычисляет сопротивление нити пиросредства,
6 - ограничитель тока (ОТ), для защиты контролируемой цепи от короткого замыкания в случае отказа измерительной части,
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
8 - датчик тока (ДТ), формирующий код, пропорциональный величине тока, который протекает через генератор тестового напряжения и измеряемое сопротивление,
9 - задатчик допустимого сопротивления изоляции (ЗДСИ), в который заносится значение сопротивления, ниже которого сопротивление изоляции быть не должно,
10 - мультиплексор (МС) для переключения выходов генераторов тестовых сигналов,
11 - блок вычисления сопротивления изоляции (БВСИ), который вычисляет сопротивление изоляции цепей управления пиросредства между точками подключения по показаниям, полученным от АЦП7 и от ДТ8, и сравнивает их с величиной допустимого значения, занесенного в ЗДСИ 9,
12 - блок управления (БУ), обеспечивающий реализацию временной диаграммы работы блоков устройства и устройства в целом,
13 - задатчик допустимой скорости изменения сопротивления (ЗДСИС), который устанавливает допустимое значение скорости изменения контролируемого параметра,
14 - демультиплексор 1 (ДМ1), обеспечивающий подключение измерителя напряжения к соответствующим точкам, между которыми проводится измерение сопротивления
15 - демультиплексор 2 (ДМ2), обеспечивающий подключение генераторов тестового тока или тестового напряжения (которые выбираются мультиплексором МС 10), к соответствующим точкам, между которыми проводится измерение сопротивления,
16 - блок прогноза результата (БПР), который по текущим параметрам процесса прогнозирует его параметры на следующих стадиях контроля и вырабатывает сигналы управления в зависимости от прогноза,
17 - блок формирования результатов контроля (БФР),
18 - шина «Пуск».
Измеритель работает по алгоритму, определенному БУ12. Очередность выполнения операций в процессе выполнения измерения сопротивления цепи подрыва пиросредства и сопротивления изоляции цепей управления подрывом пиросредства приведена на фигуре 2, где приняты следующие обозначения:
1 - начало работы,
2 - привести схему в исходное состояние по сигналу шины «Пуск»,
3 - подключить ДМ 14 и ДМ 15 к соответствующим концам проверяемого пиросредства по сигналу «b»,
4 - выход Гтт 2 через ОТ6 мультиплексором МС10 по сигналу «е» подключить ко входу ДМ15,
5 - по «d» от генератора Гтт 2 сформировать тестовый ток I,
6 - по «а» измерителем ИН1 измерить падение напряжения на проверяемом пиросредстве,
7 - по «с» в блоке БВС5 вычислить по формуле R=U/I сопротивление нити подрыва пиросредства, и передать его в БФР 17,
8 - по сигналу «d» убрать тестовый сигнал генератора Гтт 2 и подключить соответствующие выходы мультиплексоров ДМ1 14 и ДМ2 15 к проверяемой цепи управления для измерения сопротивления изоляции ее,
9 - по «е» мультиплексором МС 10 к входам ДМ2 15 подключить выход генератора Гтн 3,
10 - по «f» запустить генератор Гтн 3, формирующий плавно нарастающее тестовое напряжение между двумя контролируемыми точками цепи,
11 - по «h» в БВСИ 11 вычислять сопротивление изоляции по показаниям АЦП 7 и ДТ 8, соответствующее текущему значению испытательного напряжения,
12 - сравнивать текущее значение сопротивления с допустимым,
13 - по «r» оценивать скорость изменения сопротивления утечки от скорости нарастания тестового сигнала, и, в зависимости от прогноза, регулировать скорость нарастания тестового сигнала или прерывать процесс измерения,
14 - по «k» формировать результат контроля,
15 - конец работы.
Графики зависимостей параметров схемы от сопротивления изоляции представлены на фигуре 3.
Устройство контроля электрических параметров пиросредств содержит ряд блоков, связанных между собой определенным образом (см. фиг. 1). Первый выход измерителя напряжения ИН1 подключен к блоку БВС5, а второй и третий выходы - к первому и второму входам первого демультиплексора ДМ14, n выходов которого соединены с соответствующими n выходами второго демультиплексора ДМ15. Первые два выхода генератора Гтт 2 подключены к ограничителю тока ОТ 6, а третий выход - через блок БВС 5 к первому входу блока БФР 17. Два выхода мультиплексора МС10 соединены с входами второго демультиплексора ДМ 15, а первых два входа его - с выходами ограничителя ОТ6. Третий и четвертый входы МС10 подключены к выходам генератора Гтн 3 и к входам АЦП 7, выход которого подключен к первому входу блока БПР16 и первому входу блока БВСИ 11, второй вход которого соединен с задатчиком ЗДСИ 9, а третий через датчик ДТ 8 с третьим выходом генератора Гтн 3. Выход блока БВСИ 11 подключен ко второму входу блока БПР 16, с третьим входом которого соединен задатчик ЗДСИС 13, а выход подключен ко второму входу блока БФР 17 и через блок БУС 4 к входу генератора Гтн 3 и к входу блока управления БУ 12, со вторым входом которого соединена шина 18 «Пуск». Выходы БУ 12 подключены к управляющим входам следующих блоков: первый - к входу измерителя ИН 1, второй - к входам ДМ 14 и ДМ15, третий - к входу блока БВС 5, четвертый - к входу генератора Гтт 2, пятый - к входу МС10, шестой - к входу генератора Гтн 3, седьмой - к входу блока БУС 4, восьмой - к входу блока БВСИ 11, девятый - к входу блока БПР16, десятый - к входу блока БФР 17.
Устройство контроля электрических параметров пиросредств работает в двух режимах. В режиме контроля низкого сопротивления (пункты 2-8 на фиг. 2) оно контролирует малое сопротивление цепи подрыва пиросредства, а в режиме контроля высокоомного сопротивления (пункты 9-14 на фиг. 2) - сопротивление изоляции (разобщенность) цепей пиросредств.
С помощью ДМ1 14 и ДМ2 15 измерительные цепи устройства подключаются по команде от БУ17 своими концами к соответствующим парам выбранных внешних точек подключения (контролируемым цепям - цепям подрыва пиросредств или цепям управления ими).
R
В режиме контроля низкоомного сопротивления цепи подрыва генератор тестовых токов Гтт 2 через ограничитель тока ОТ 6 (обеспечивающий защиту измеряемой цепи от протекания через нее тока выше допустимого в случае отказа элементов схемы) и демультиплексор ДМ2 15 обеспечивает протекание тока между двумя выбранными точками. Измеритель напряжения ИН 1 через демультиплексор ДМ1 14 подключается к этим же точкам. По команде от БУ17 по величине тока I, протекающего через измеряемую цепь, и падению напряжения U на нем (которое измеряется ИН 1) вычисляется значение сопротивления в БВС5 по формуле:
R
R=U/I.
Это значение поступает на вход БФР 17.
В режиме контроля изоляции через тот же демультиплексор ДМ2 15 с помощью МС 10 к измеряемой цепи подключается генератор тестового напряжения Гтн 3, выходной ток которого измеряется датчиком тока ДТ 8. По результатам измерения АЦП7 и датчика ДТ8 в блоке БВСИ производится вычисление сопротивления утечки. Так как сопротивление утечки должно проверяться при повышенных напряжениях, то в случае, если измеряемое сопротивление оказывается ниже допустимого значения, через него может потечь ток, превышающий допустимый, и вызвать ложное срабатывание пиросредства в процессе контроля. Для исключения подобных ситуаций в ЗДСИ 9 устанавливается предельное минимальное значение сопротивления, по достижении которого БПР выдает в БУ12 команду на остановку процесса нарастания напряжения. БУ 12 через БУС 4 сбрасывает до нуля сигнал на выходе Гтн 3 и выдает команду в БФР 17 на фиксацию результата.
Для обеспечения оптимального режима измерения в задатчик скорости измерения ЗДСИС 13 заносится значение допустимой скорости изменения сопротивления изоляции от величины прикладываемого напряжения. В случае превышения заданного значения скорости блок прогноза результата БПР 16 через БУС 4 останавливает или сбрасывает до нуля выходной сигнал генератора Гтн, а через БУ 12 отключает выходы генератора тестового напряжения от контролируемой цепи.
Таким образом генератор обеспечивает плавное (например, ступенчатое) нарастание тестового сигнала до заданного значения, при котором определяется сопротивление изоляции контролируемой цепи. В случае, если с ростом U пропорционально ему растет ток, т.е. сопротивление изоляции постоянно и не превышает допустимого, нарастание напряжения продолжается до конечного значения. Если с ростом U рост тока выше скорости нарастания напряжения, то сопротивление падает и должно контролироваться блоком БПР 14, который по фактическому текущему значению сопротивления и скорости спада выдает сигнал устройству управления для остановки пилы с выхода генератора Г3 и отключению выхода его от входа ДМ 15. Этим обеспечивается безопасность проверки сопротивления изоляции цепей управления пиросредствами.
Рассмотрим графики зависимостей параметров схемы от сопротивления изоляции, представленные на фигуре 3.
xl
зад
1
2
x2
зад
3
3
x3
зад
1
На фигуре 3а видно, что в случае, если контролируемое сопротивление R не зависит от режимов измерения, значение тока, протекающего через сопротивление при достижении заданного падения напряжения U, будет равно I. На графике 3б, когда контролируемое сопротивление растет с ростом напряжения на нем, показано, что ток I, при котором напряжение на R достигнет U, меньше I, а на графике 3в, когда контролируемое сопротивление падает с ростом напряжения на нем, видно, что ток I, при котором напряжение на R достигнет U, больше I.
Таким образом, видно, что рост сопротивления изоляции в процессе нарастания тестового сигнала приводит к ускоренному увеличению падения напряжения на нем и, соответственно, сокращению времени операции контроля. Уменьшение сопротивления изоляции приводит к снижению скорости нарастания тестового сигнала на контролируемом сопротивлении.
x
R
x
0
Например, если контролируемое сопротивление R=F(U) имеет следующую зависимость от режимов контроля: R=R+L*I, то
вых
x
U=R*I;
вых
0
U=(R+L*I)*I;
вых
0
2
U=I*R+L*I,
0
где R - это значение сопротивления изоляции при пониженном тестовом сигнале I.
вых
А на вход схемы измерения будет подаваться плавно нарастающий (например, пилообразный) сигнал по закону: I=M(t)=m*t, то U будет меняться по закону:
вых
0
2
2
U(t)=R*m*t+L*m*t.
Обрабатывая выходной сигнал, например многократно дифференцируя его, получим:
вых
0
2
U'(t)=R*m+2*L*m*t;
вых
2
U"(t)=2*L*m.
0
x
зад
x
x3
x
выx
вых мах
x3
1
2
Из приведенных выражений можно определить коэффициенты R и L, т.е. прогнозировать значение R, точно соответствующее заданному режиму контроля (U), и, соответственно, либо прервать контроль, если прогнозируемое значение R (фиг. 3в, зависимость R ) будет меньше допустимого (возможна авария), либо продолжить и контролировать фактическое значение R при U=U (фиг. 3в, зависимость R ).
зад
зад
На фигуре 3б, когда коэффициент L положителен, т.е. сопротивление изоляции возрастает с ростом тестового сигнала, сигнал на выходе раньше достигает напряжения U заданного режимами контроля. А вот, когда L отрицателен, т.е. сопротивление изоляции падает с ростом тестового сигнала, сигнал на выходе позже достигает напряжения U заданного режимами контроля, при этом к этому моменту ток будет больше заданного.
Таким образом, предлагаемое устройство контроля электрических параметров пиросредств позволяет исключить возможность разрушения объекта, связанную со спонтанным снижением сопротивления изоляции, которое может привести к повреждению объекта в процессе контроля.