МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА ДАННЫХ С АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
MULTI-CHANNEL DEVICE FOR DATA COLLECTION WITH ACCELEROMETERS

Область техники
Изобретение относится к многоканальным устройствам преобразования аналоговых сигналов в цифровое представление и может быть использовано в аппаратуре сбора и обработки вибрационных сигналов с датчиков вибрации, в частности с акселерометров для решения задач вибрационной диагностики и защиты оборудования по превышению допустимого уровня вибрации. Предлагаемое решение может применяться при построении мобильных и стационарных систем мониторинга, диагностики и защиты оборудования по вибрационным параметрам.
Уровень техники
Известно многоканальное устройство для сбора данных с акселерометров, содержащее входы для подключения акселерометров, которые соединены с входами фильтров нижних частот, выходы которых соединены с входами узла многоканального аналого-цифрового преобразования [Motion-activated control with haptic feedback. Patent Application Publication US 2006/0061545 A1, заявл. 05.05.2005, опубл. 23.03.2006].
Недостатком этого устройства являются низкая контролепригодность и ограниченные функциональные возможности.
Известно многоканальное устройство для сбора данных с акселерометров, содержащее в каждом канале интегрирующий элемент, выходы которых соединены с входами многоканального узла аналого-цифрового преобразования, который содержит мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен через интерфейс с выходом многоканального узла аналого-цифрового преобразования, входы которого являются входами мультиплексора [Multi-channel analog-to-digital converter. Patent US 7705756 B2, НПК 341/141, МПК H03M 1/00, заявл. 01.11.2007, опубл. 27.04.2010].
Недостатком этого устройства являются низкая контролепригодность и ограниченные функциональные возможности.
Известно многоканальное устройство для сбора данных с акселерометров, содержащее в каждом канале согласующий усилитель, выходы которых соединены с входами аналогового мультиплексора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом интерфейсной схемы [Richard S. Figliola, Donald Е. Beasley. Theory and Design for Mechanical Measurements. Fifth Edition. John Wiley & Sons, Inc., 2011, стр. 283, рис. 7.13].
Недостатком этого устройства являются низкая контролепригодность и ограниченные функциональные возможности.
Известно многоканальное устройство для сбора данных с акселерометров, содержащее в каждом канале согласующий усилитель, фильтр нижних частот и схему выборки и хранения, которые соединены последовательно и подключены к входам многоканального узла аналого-цифрового преобразования [Design Considerations for a Data Acquisition System (DAS). Application note AN535, September 2002, Intersil Americas Inc., Fig. 2, c. 2].
Недостатком этого устройства являются низкая контролепригодность и ограниченные функциональные возможности.
Известно многоканальное устройство для сбора данных с акселерометров, содержащее в каждом канале вход для подключения акселерометра и аналого-цифровой преобразователь, выходы которых соединены с входами интерфейсной схемы [Bob Judd, Everything You Ever Wanted to Know about Data Acquisition - Part One - Analog Inputs. United Elecronic Industries, Inc., 2008, p. 13, Figure 3].
Недостатком этого устройства являются низкая контролепригодность и ограниченные функциональные возможности.
Наиболее близким к предложенному и выбранным в качестве прототипа является многоканальное устройство для сбора данных с акселерометров, содержащее в каждой паре каналов первый и второй согласующие усилители, входы которых являются входами нечетного и четного каналов, выходы первого и второго согласующего усилителя соединены с входами соответственно первого и второго интегрирующего узла, выход первого интегрирующего узла соединен с первым входом первого аналогового коммутатора, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с нечетным входом узла аналого-цифрового преобразования, выход которого является выходом многоканального устройства сбора данных с акселерометров, четный вход узла аналого-цифрового преобразования соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а управляющие выходы узла аналого-цифрового преобразования соединены с управляющими входами первого и второго аналоговых коммутаторов [Устройство виброизмерительное портативное (сборщик-анализатор вибросигналов 3-х канальный) СМ-3001. Руководство по эксплуатации. СМ-3001.002 РЭ. Общество с ограниченной ответственностью. "ИНКОТЕС", 2009 г., с. 11, рис. 5.3].
Известное устройство не обеспечивает:
- контролепригодности, поскольку не позволяет сравнить прохождение синхронных сигналов по измерительным каналам;
- функциональной гибкости, поскольку не позволяет выбрать сочетания сигналов, вводимых по паре каналов с целью оптимизации метрологических характеристик;
- достоверности функционирования и отказоустойчивости, например, при использовании получаемых данных для реализации функций защиты по превышению допустимого уровня вибрации, поскольку не позволяет восстановить потерю данных в каком-либо из каналов из-за отказа одного или нескольких элементов в нем.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение повышенной контролепригодности, функциональной гибкости и достоверности функционирования.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальном устройстве сбора данных с акселерометров, содержащем в группе каналов согласующие усилители, входы которых являются входами каналов, выходы согласующих усилителей соединены с входами соответствующих интегрирующих узлов, выход каждого интегрирующего узла соединен с первым входом соответствующего аналогового коммутатора, выход которого соединен с входом соответствующего фильтра нижних частот, выход которого соединен с соответствующим входом узла аналого-цифрового преобразования соответствующей группы каналов, выход которого является выходом данной группы каналов многоканального устройства сбора данных с акселерометров, а управляющие выходы узла аналого-цифрового преобразования каждой группы каналов соединены с управляющими входами аналоговых коммутаторов этой группы каналов, второй вход аналогового коммутатора каждого канала данной группы каналов соединен с выходом согласующего усилителя того же канала другой группы каналов.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных с акселерометров состоит в том, что узел аналого-цифрового преобразования содержит в каждом канале аналого-цифровой преобразователь, входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей с программируемым коэффициентом усиления, входы которых являются соответствующими входами узла аналого-цифрового преобразования, выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с входами интерфейса, выход которого является выходом данного узла аналого-цифрового преобразования, а соответствующие управляющие выходы интерфейса соединены с управляющими входами усилителей с программируемым коэффициентом усиления и с управляющими выходами данного узла аналого-цифрового преобразования.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных с акселерометров состоит в том, что первый и второй интегрирующие узлы содержат первый и второй интеграторы, причем вход первого интегратора является входом интегрирующего узла, выход которого является выходом второго интегратора, вход которого соединен с выходом первого интегратора.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных с акселерометров состоит в том, что интегрирующие узлы содержат операционный усилитель, выход которого является выходом интегрирующего узла и соединен через первый резистор с инверсным входом операционного усилителя, который через первый конденсатор соединен с первым выводом второго резистора, который через второй конденсатор соединен с выходом операционного усилителя, прямой вход которого соединен с общей шиной, которая соединена с вторым выводом второго резистора и через третий конденсатор соединена с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с входом интегрирующего узла и инверсным входом операционного усилителя.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных с акселерометров состоит в том, что интегрирующие узлы содержат дополнительный операционный усилитель, выход которого является выходом интегрирующего узла, который соединен через первый дополнительный конденсатор с инверсным входом дополнительного операционного усилителя, который через первый дополнительный резистор соединен с первыми выводами второго и третьего дополнительных резисторов и второго дополнительного конденсатора, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом дополнительного операционного усилителя, первым выводом третьего дополнительного конденсатора и общей шиной, которая соединена с прямым входом дополнительного операционного усилителя, а второй вывод третьего дополнительного конденсатора является входом интегрирующего узла.
Другое отличие многоканального устройства сбора данных с акселерометров состоит в том, что узел аналого-цифрового преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом мультиплексора, аналоговые входы которого соединены с выходами соответствующих элементов выборки и хранения, аналоговые входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей с программируемым коэффициентом усиления, аналоговые входы которых являются входами узла аналого-цифрового преобразования, управляющие входы усилителей с программируемым коэффициентом усиления и управляющие входы элементов выборки и хранения соединены с выходами интерфейса, входная шина которого соединена с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходная шина интерфейса является выходом данного узла аналого-цифрового преобразования, управляющие выходы которого являются управляющими выходами интерфейса.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема многоканального устройства сбора данных с акселерометров.
На фиг. 2-4 приведены примеры структурных схем интегрирующих узлов.
На фиг. 5 показан пример структурной схемы узла аналого-цифрового преобразования.
Многоканальное устройство для сбора данных с акселерометров, как показано на фиг. 1, содержит группы каналов 1 и 2, в каждой группе каналов в каждом канале оно содержит согласующие усилители 3, входы которых являются входами 4 каналов, выходы согласующих усилителей 3 соединены с входами соответствующих интегрирующих узлов 5, выход каждого интегрирующего узла 5 соединен с первым входом соответствующего аналогового коммутатора 6, выход которого соединен с входом соответствующего фильтра нижних частот 7, выход которого соединен с соответствующим входом узла 9 аналого-цифрового преобразования соответствующей группы каналов, выход 10 которого является выходом данной группы каналов многоканального устройства для сбора данных с акселерометров, а управляющие выходы узла 9 аналого-цифрового преобразования каждой группы каналов соединены с управляющими входами аналоговых коммутаторов 6 этой группы каналов, второй вход аналогового коммутатора 6 каждого канала данной группы каналов соединен с выходом согласующего усилителя 3 того же канала другой группы каналов.
Узел 9 аналого-цифрового преобразования, показанный на фиг. 1, содержит в каждом канале аналого-цифровой преобразователь 11, входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей 12 с программируемым коэффициентом усиления, входы которых являются соответствующими входами узла 9 аналого-цифрового преобразования, выходы аналого-цифровых преобразователей 11 соединены с входами интерфейса 13, выход которого является выходом 10 данного узла аналого-цифрового преобразования, а соответствующие управляющие выходы интерфейса 13 соединены с управляющими входами усилителей 12 с программируемым коэффициентом усиления и с управляющими выходами данного узла 9 аналого-цифрового преобразования.
Как показано на фиг. 2, интегрирующий узел содержит первый 14 и второй 15 интеграторы, причем вход первого интегратора 14 является входом интегрирующего узла 5, выход которого является выходом второго интегратора 15, вход которого соединен с выходом первого интегратора 14.
Как показано на фиг. 3, интегрирующий узел содержит операционный усилитель 16, выход которого является выходом интегрирующего узла и соединен через первый резистор 17 с инверсным входом операционного усилителя 16, который через первый конденсатор 18 соединен с первым выводом второго резистора 19, который через второй конденсатор 20 соединен с выходом операционного усилителя 16, прямой вход которого соединен с общей шиной 21, которая соединена с вторым выводом второго резистора 19 и через третий конденсатор 22 соединена с первыми выводами третьего 23 и четвертого 24 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с входом интегрирующего узла и инверсным входом операционного усилителя 16.
Как показано на фиг. 4, интегрирующий узел содержит дополнительный операционный усилитель 25, выход которого является выходом интегрирующего узла, который соединен через первый дополнительный конденсатор 26 с инверсным входом дополнительного операционного усилителя 25, который через первый дополнительный резистор 27 соединен с первыми выводами второго 28 и третьего 29 дополнительных резисторов и второго дополнительного конденсатора 30, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом дополнительного операционного усилителя 25, первым выводом третьего дополнительного конденсатора 31 и общей шиной 21, которая соединена с прямым входом дополнительного операционного усилителя 25, а второй вывод третьего дополнительного конденсатора 31 является входом интегрирующего узла.
Как показано на фиг. 5, узел 9 аналого-цифрового преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь 32, вход которого соединен с выходом мультиплексора 33, аналоговые входы которого соединены с выходами соответствующих элементов 34 выборки и хранения, аналоговые входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей 35 с программируемым коэффициентом усиления, аналоговые входы которых являются входами узла 9 аналого-цифрового преобразования, управляющие входы усилителей 35 с программируемым коэффициентом усиления и управляющие входы элементов 34 выборки и хранения соединены с выходами интерфейса 13, входная шина которого соединена с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходная шина интерфейса является выходом 10 данного узла 9 аналого-цифрового преобразования, управляющие выходы которого являются управляющими выходами интерфейса 13.
Устройство работает следующим образом.
На входы 4 поступают сигналы от акселерометров. Эти сигналы проходят через усилители 3 и с выходов этих усилителей поступают на входы интегрирующих узлов 5. С выходов интегрирующих узлов 5 сигналы через аналоговые коммутаторы 6 поступают на входы фильтров нижних частот 7 и, проходя через них, на входы 8 узла 9 аналого-цифрового преобразования 9, на выходе 10 которого формируется последовательность собираемых данных.
Если интегрирующие узлы 7 реализуют функцию одинарного интегрирования или являются интегрирующими звеньями первого порядка, т.е. в рабочей полосе частот они имеют амплитудно-частотную характеристику с крутизной спада 6 дБ/октаву, сигналы на их выходах соответствуют виброскорости.
Если интегрирующие узлы 7 реализуют функцию двойного интегрирования или являются интегрирующими звеньями второго порядка, т.е. в рабочей полосе частот они имеют амплитудно-частотную характеристику с крутизной спада 12 дБ/октаву, сигналы на их выходах соответствуют виброскорости. Двойное интегрирование может быть реализовано последовательным выполнением одинарного интегрирования, как показано на фиг. 2.
Как двойное, так и одинарное интегрирование может быть реализовано также одной схемой, показанной на фиг. 4, выбором соответствующих номиналов пассивных элементов.
Аналоговые коммутаторы 6 позволяют передать на входы узла 9 аналого-цифрового преобразования также и сигналы, соответствующие ускорению при изменении их коммутации. В этом случае данные на выходе 10 устройства соответствуют виброускорению.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает сбор данных, соответствующих виброускорению и виброскорости или виброперемещению.
Поскольку в предлагаемом устройстве аналоговые коммутаторы 6 позволяют собирать ускорение с соседней группы каналов, возможен сбор данных, например, виброскорости или виброперемещения по первому каналу первой группы каналов 1 и виброускорения для этого канала по первому каналу второй группы каналов. Аналогичным образом через узлы аналого-цифрового преобразования разных групп каналов возможно синхронно получать информацию для каждого из каналов. Сравнение таких данных с выходов 10 устройства сбора данных может обеспечить контроль правильности работы элементов каналов.
Наибольший эффект обеспечивает реализация с использованием интегрирующих узлов 5, реализующих функцию двойного интегрирования, поскольку в этом случае, если аналоговые коммутаторы 6 скоммутированы одинаково, устройство обеспечивает ввод по каналам виброускорения или виброперемещения. Поскольку узлы двойного интегрирования 5 обеспечивают существенное усиление сигналов в низкочастотной части рабочей полосы частот, ввод сигналов виброперемещения позволяет эффективно контролировать низкочастотную вибрацию. Так как акселерометры неэффективны в области нижних частот, где реальные уровни вибрации обычно по ускорению малы и близки к нижней границе динамического диапазона акселерометров, а ввод сигналов виброускорения позволяет эффективно контролировать высокочастотную вибрацию без перегрузки каналов, но не эффективен для оценки низкочастотной вибрации. В рассмотренных режимах предлагаемое устройство обеспечивает возможность оптимального выбора при анализе вибрации, для которой значимые значения соответствуют нижней или верхней части рабочего диапазона частот.
Предлагаемое устройство также обеспечивает возможность одновременного ввода с одного из акселерометров как виброускорения, так и виброперемещения. Это позволяет одновременно получать информацию как о низкочастотных составляющих вибрации в виде виброперемещения, так и о высокочастотных в виде виброускорения. Следует принять во внимание, что в рабочей полосе частот операция двойного интегрирования соответствует фазовому сдвигу сигналов на 180°, но поскольку схемы узлов, представленные на фиг. 2 и 3, являются инвертирующими, фазы сигналов виброускорения и виброперемещения при их одновременном вводе через предлагаемое устройство близки. Это позволяет при дальнейшей обработке сравнить их между собой и, в частности, получить оценки квадрата виброскорости, т.е. оценку энергии вибрационных колебаний, используемую для виброзащиты по превышению допустимого уровня, наряду с виброперемещением и виброускорением, используемыми для вибрационной диагностики.
Предлагаемое устройство обеспечивает возможность такого прецизионного синхронного ввода для каждого из сигналов и для их комбинаций.
Возможность ввода сигналов от одной группы датчиков через два узла аналого-цифрового преобразования разных групп каналов обеспечивает возможность контроля и резервирования в случае отказа в одной из групп каналов, что существенно повышает надежность устройства, при сохранении возможности по всем каналам. Таким образом, предлагаемое решение, не требуя увеличения затрат на дополнительные элементы и узлы, обеспечивает повышение контролепригодности, надежности и отказоустойчивости, расширение функциональных возможностей и функциональной гибкости, а также области применения, так как, например, для сигналов со сложным спектром, имеющим значимые составляющие как в низкочастотной части рабочей полосы частот, так и в высокочастотной ее части, получить синхронные данные оптимально возможным разрешением при выполнении аналого-цифрового преобразования узлом 9, расширяя эффективный динамический диапазон при сборе сигналов с акселерометров.