УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
DEVICE FOR DYNAMIC DEFORMATION MEASUREMENT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения динамических деформаций в системах автоматического контроля, в цифровых приборах специального и универсального назначения.
10
Известно «Устройство для измерения динамических деформаций на вращающемся объекте» (Патент RU №2404410, МПК G01D 5/12, опубл. 20.11.2010, Бюлл. №32), которое содержит закрепленные на различных элементах конструкции ротора первичные преобразователи, усилитель, фильтр нижних частот, селектор, микроконтроллер с блоком питания, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подвижный и неподвижный инфракрасные приемопередатчики, персональный компьютер, связанный при помощи преобразователя интерфейса с неподвижным приемопередатчиком. Селектор непосредственно подсоединен к первичным преобразователям с возможностью выбора измерительного канала и к управляемому усилителю, подключенному к источнику тока для усиления с него напряжения, усилитель через фильтр нижних частот подключен к АЦП. Устройство для измерения динамических деформаций на вращающемся объекте дополнительно снабжено ЦАП, подключенным к микроконтроллеру и усилителю.
Недостатком данного устройства является невысокий частотный диапазон измеряемых величин, ограничиваемый приемопередатчиками, невысокая частота дискретизации, сложность архитектуры, включающей большое количество дискретных элементов и узлов, выполняющих основные функции преобразования.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является измерительный комплекс для измерения напряженно-деформированного состояния состава и пути (БВК-6) (Ж. «Датчики и системы», 2011 г., №5, стр.20-24, «Измерительный преобразователь «одиночного» тензодатчика с компенсационным тензорезистором»), содержащий измерительные тензодатчики (тензорезисторы), закрепленные на различных элементах конструкции объекта, компенсационный тензорезистор, опорный резистор с заземленным выводом, дифференциальный усилитель, стабилизированный источник тока, измерительные усилители, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) с программным обеспечением, линии питания и информационные линии. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатками данного устройства являются: невозможность функционирования комплекса при размыкании цепи питания одного из датчиков; высокие требования к стабильности источника питания; параллельный опрос датчиков, который приводит к увеличению числа усилителей и каналов регистратора и увеличивает стоимость данного устройства.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи создания многоканального устройства измерения динамических деформаций.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении динамического режима работы устройства в широком диапазоне измеряемых величин и линейности выходной характеристики, в надежном функционировании многоканального устройства вне зависимости от длины линии связи, в возможности использования одного регистрирующего канала аналоговой программируемой многофункциональной платы.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для измерения динамических деформаций, содержащее измерительные тензорезисторы, опорный резистор, усилитель, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) с программным обеспечением, в отличие от прототипа снабжено дополнительными опорными резисторами, источником постоянного напряжения, эталонным резистором, коммутатором, блоком управления, источником напряжения, аналоговой программируемой многофункциональной платой (АПМП) с программным обеспечением. Положительный вывод источника напряжения соединен с первыми выводами опорных резисторов и с первым аналоговым входом АПМП. Второй вывод одного опорного резистора подключен к первому выводу эталонного резистора, вторые выводы остальных опорных резисторов подключены к первым выводам измерительных тензорезисторов, отрицательный вывод источника питания. Вторые выводы эталонного резистора и измерительных тензорезисторов заземлены, вторые выводы опорных резисторов соединены с отдельными входами коммутатора. Выход блока управления подключен к одному или нескольким управляющим входам коммутатора, вход блока управления для подачи управляющих сигналов подключен к цифровому выходу АПМП, выход коммутатора соединен с первым входом усилителя, второй вход усилителя подключен к аналоговому выходу АПМП, выход усилителя для регистрации сигнала подключен ко второму аналоговому входу АПМП.
В заявляемом устройстве АПМП может быть подключена к ЭВМ как интерфейсом USB, так и путем установки АПМП в слот расширения PCI или PCIExpress. При установке АПМП в слот расширения положительный вывод источника питания подключен к первому аналоговому входу АПМП, второй вход усилителя подключен к аналоговому выходу АПМП, вход блока управления подключен к цифровому выходу АПМП, выход усилителя подключен ко второму аналоговому входу АПМП через соответствующие входы и выходы устройства сопряжения, подключенного интерфейсом к совместимому разъему указанной АПМП.
Использование АПМП позволяет существенно упростить схему устройства за счет использования измерительных и управляющих каналов, погрешность которых определяется погрешностью АПМП.
За счет подключения первого выхода источника питания к первому аналоговому входу АПМП обеспечивается контроль платой величины напряжения внешнего источника питания, что позволяет повысить точность измерений и не накладывает ограничений по стабильности на внешний источник питания.
Снабжение устройства аналоговой программируемой многофункциональной платой с программным обеспечением обеспечивает широкий диапазон измеряемых величин на высоких частотах, а также использование ЭВМ с программным обеспечением позволяет вести измерение не только в динамическом, но и в квазистатическом режимах.
Синхронизация всех элементов измерительной схемы за счет использования АПМП позволяет производить регистрацию сигналов с тензодатчиков с высокой точностью по временным параметрам.
Соединение положительного вывода источника напряжения с первыми выводами опорных резисторов и с первым аналоговым входом АПМП, подключение второго вывода одного опорного резистора к первому выводу эталонного резистора, вторых выводов остальных опорных резисторов к первым выводам измерительных тензорезисторов, вторых выводов опорных резисторов к отдельному входу коммутатора, выхода блока управления к одному или нескольким управляющим входам коммутатора, входа блока управления к цифровому выходу АПМП, выхода коммутатора к первому входу усилителя, второго входа усилителя к аналоговому выходу АПМП, выхода усилителя ко второму аналоговому входу АПМП, подключенной к ЭВМ, позволяет осуществлять последовательный опрос измерительных тензорезисторов, упростить схему и снизить стоимость устройства.
Подключение остальных опорных резисторов последовательно с измерительными тензорезисторами (вторые выводы остальных опорных резисторов соединены с первыми выводами измерительных тензорезисторов) обеспечивает линейность выходной характеристики.
Снабжение заявляемого устройства эталонным резистором обеспечивает устройство меткой для определения нумерации каналов и используется для учета потерь, обусловленных сопротивлением линии, что повышает точность измерений.
Использование источника постоянного напряжения обеспечивает надежность функционирования заявляемого устройства, т.к. обрыв любого из датчиков не влияет на работу измерительной цепи.
Кроме того, в состав заявляемого устройства, снабженного программным обеспечением, входит усилитель, который повышает чувствительность, смещение усилителя регулируется за счет АПМП, что также повышает точность измерений.
Сущность данного изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема устройства для измерения динамических деформаций с АПМП, подключенной к ЭВМ интерфейсом USB; на фиг.2 изображена схема заявляемого устройства с устройством сопряжения, с АПМП, установленной в слот расширения PCI или PCIExpress в системном блоке ЭВМ.
1
n
0
n
Заявляемое устройство для измерения динамических деформаций содержит измерительные тензорезисторы 1-1 с заземленными вторыми выводами, идентичные опорные резисторы 2-2, усилитель 3, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 4 с программным обеспечением, эталонный резистор 5, коммутатор 6, блок управления 7, аналоговую программируемую многофункциональную плату (АПМП) 8 с программным обеспечением, источник напряжения (не показан).
0
n
0
1
n
Первые выводы опорных резисторов 2-2 подключены к положительному выводу источника напряжения, их вторые выводы и группа выходов блока управления подключены к отдельным входам коммутатора 6. Второй вывод одного опорного резистора 2 подключен к первому выводу эталонного резистора, вторые выводы остальных опорных резисторов подключены к первым выводам измерительных тензорезисторов 1-1. Положительный вывод источника напряжения соединен с первым аналоговым входом АН АПМП 8.
Группа выходов блока управления 7 подключена к отдельному входу коммутатора 6, вход блока управления 7 для подачи управляющих сигналов подключен к цифровому выходу DO АПМП 8, выход коммутатора 6 соединен с первым входом усилителя 3, второй вход усилителя 3 подключен к аналоговому выходу АО АПМП 8. Выход усилителя 3 для регистрации сигнала подключен ко второму аналоговому входу AI2 АПМП 8, подключенной к ЭВМ 4, в частности, интерфейсом USB 9.
При подключении АПМП 8 к ЭВМ 4 путем установки в слот расширения PCI или PCIExpress в системном блоке ЭВМ 4, заявляемое устройство снабжено устройством сопряжения 10, источник питания подключен к первому аналоговому входу АПМП, второй вход усилителя 3 подключен к аналоговому выходу АПМП, вход блока управления 7 подключен к цифровому выходу АПМП, выход усилителя подключен ко второму аналоговому входу АПМП через соответствующие входы и выходы устройства сопряжения 10, связанного интерфейсом 9 с совместимым разъемом АПМП 8.
Аналоговая программируемая многофункциональная плата 8, например, PCI-6255 фирмы National Instruments, работает с частотой не ниже 1 МГц в диапазоне ±10 В.
Заявляемое устройство для измерения динамических деформаций работает следующим образом.
1
n
Измерительные тензорезисторы 1-1 закрепляют на различных элементах конструкции объекта (не показано).
1
n
В процессе работы заявляемого устройства программное обеспечение ЭВМ 4 и АПМП 8 обеспечивает начальный контроль состояния измерительных тензорезисторов 1-1 с учетом сопротивления линии, осуществляет определение очередности каналов и первичный перевод зарегистрированных сигналов в величину деформации.
1
n
0
n
n
Коммутатор 6, управляемый АПМП 8 и ЭВМ 4 при помощи установленного программного обеспечения, последовательно переключает каналы, на которых находятся измерительные тензорезисторы 1-1, с эталонным резистором 5 и опорные резисторы 2-2, при этом напряжение снимается с выхода коммутатора 6, усиливается и подается через АПМП 8 на ЭВМ 4. Напряжение смещения усилителя 6 регулируется АПМП 8 за счет программного обеспечения, что повышает точность измерений. Полученное напряжение на втором аналоговом входе AI2 АПМП 8 пропорционально изменению сопротивления измерительного тензорезистора 1, подключенного в данный момент. Нумерацию каналов и учет потерь, обусловленных сопротивлением проводов, осуществляют при помощи эталонного резистора 5, используемого в качестве метки, что повышает точность измерений.
n
n
Расчет деформации ΔE в месте установки тензорезистора 1 осуществляется ЭВМ 4 по следующей формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>E</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>0</mn><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>k</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
0n
n
где R - начальное сопротивление измерительного тензорезистора 1;
n
n
k - чувствительность измерительного тензорезистора 1;
n
n
ΔR - изменение сопротивления измерительного тензорезистора 1.
Изменение сопротивления определяется по формуле:
n
dn
0n
ΔR=R-R, где
dn
n
R - вычисленное по нижеприведенной формуле значение сопротивления измерительного тензорезистора 1:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>d</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>d</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>d</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mi>p</mi></msub></mrow>
,
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>d</mi><mi>э</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>n</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>d</mi><mi>э</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mi>э</mi></msub></mrow>
,
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>э</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>0</mn><mi>d</mi><mi>э</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mi>u</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>s</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow>
,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>d</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>0</mn><mi>d</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mi>u</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>s</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow>
, где
dn
n
R - вычисленное значение сопротивления измерительного тензорезистора 1;
dn
n
U - вычисленное значение напряжения на выходе коммутатора при опросе измерительного тензорезистора 1;
0
0
n
R - номинальное сопротивление опорных резисторов 2-2;
p
R - сопротивление потерь, обусловленных сопротивлением линии;
dэ
U - вычисленное значение напряжения на выходе коммутатора при опросе эталонного резистора;
n
U - напряжение питания, измеренное на первом аналоговом входе AI1 АПМП;
э
R - номинальное значение сопротивления эталонного резистора;
0dn
n
U - напряжение, измеренное на втором аналоговом входе AI2 АПМП при опросе измерительного тензорезистора 1;
0dэ
U - напряжение, измеренное на втором аналоговом входе AI2 АПМП при опросе эталонного резистора;
u
k - коэффициент усиления усилителя;
sm
U - напряжение смещения, подаваемое АПМП на второй вход усилителя, заданное программным обеспечением.
Таким образом, обеспечивается достижение технического результата: динамический режим работы устройства в широком диапазоне измеряемых величин и линейность его выходной характеристики, надежность функционирования (выход из строя одного из датчиков не будет влиять на работу всего устройства).