СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА И РЕГИСТРАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETECTING MECHANICAL QUANTITIES OF CONTROLLED FACILITY AND RECORDING DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к неразрушающему контролю различных объектов, основанному на регистрации механических возмущений с помощью первичных преобразователей с хранением зарегистрированной информации в памяти автономного регистратора, и может быть использовано, в частности, для контроля нерегламентируемых ударов и вибраций транспортируемых опасных и ценных объектов.
Известно портативное устройство для сбора данных при измерениях различных физических величин (1), содержащее первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, соединенный кабелем с электронным блоком предварительной обработки сигнала, включающим источник питания, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессор, включающий контроллер, таймер реального времени и запоминающее устройство. Электронный блок предварительной обработки данных (электронный блок) выполнен в отдельном корпусе и может работать независимо от системы окончательной обработки сигналов (компьютера). Регистрацию физической величины портативным прибором осуществляют следующим образом: сигналы первичных преобразователей подают на вход мультиплексора, производят аналого-цифровое преобразование и передают на вход микропроцессора, в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) которого записывают информацию о регистрируемой величине. Для окончательной обработки измеренных данных портативный прибор соединяют с компьютером и перезаписывают информацию в систему окончательной обработки сигналов.
Недостатком данного портативного прибора и способа регистрации физических величин с его помощью является ограниченный ресурс работы в непрерывном режиме без замены батареи питания.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым способу и устройству являются способ регистрации механической величины и регистратор для его осуществления (2), согласно которому измеряют величину посредством пьезоэлектрического первичного преобразователя, сигнал с которого преобразуют в цифровой вид и подают в оперативное запоминающее устройство. При этом цифровой сигнал сравнивают с пороговым уровнем, в случае недостижения которого аналого-цифровое преобразование сигнала производят при отключенном запоминающем устройстве, а при достижении и превышении указанного уровня сигнал записывают в запоминающее устройство и перезаписывают с него в энергонезависимое запоминающее устройство.
Регистратор содержит пьезоэлектрические первичные преобразователи физических величин в электрический сигнал и электронный блок предварительной обработки сигнала, включающий в себя предварительный усилитель-формирователь, мультиплексор, АЦП, микропроцессор, ЭПЭЗУ, датчик температуры и источник питания.
Недостатком указанного способа и регистратора для его осуществления является недостаточная достоверность получаемой информации, связанная с использованием в качестве первичных преобразователей пьезоэлектрических акселерометров, обладающих низкой температурной стабильностью, нелинейной амплитудно-частотной характеристикой (ограничением частотного диапазона в области низких частот), а также относительно большими размерами, что приводит к влиянию инерциальной массы прибора на динамические характеристики контролируемого объекта, кроме того, недостаточная достоверность обусловлена потерей информации о развитии процесса до превышения им порогового уровня и на время перезаписи сигнала из ОЗУ в ЭПЭЗУ.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности регистрируемых данных о механических величинах, действующих на контролируемый объект.
Технический результат достигается тем, что в известном способе регистрации механической величины контролируемого объекта, заключающемся в том, что измеряют механическую величину по трем осям координат посредством первичного преобразователя, сигнал с которого преобразуют в цифровой вид, сравнивают цифровой сигнал с заданным пороговым уровнем и при достижении или превышении его записывают цифровой сигнал в электрически программируемое энергонезависимое запоминающее устройство, с которого при сборе информации о регистрируемой величине ее передают в систему окончательной обработки сигнала, после преобразования сигнала в цифровой вид по каждому из трех каналов, соответствующих осям координат, накапливают N значений цифрового сигнала, где N≥10, вычисляют средние значения накопленных сигналов, вычисляют модуль разности каждого из накопленных сигналов со средним вычисленным значением и сравнивают его со значением порогового уровня и, если хотя бы для одного из трех каналов модуль разности превышает значение порогового уровня, формируют пакет данных, содержащий накопленные N значений сигналов по каждому из трех каналов, и записывают его в электрически программируемое энергонезависимое запоминающее устройство, при этом одновременно накапливают следующие N значений измеряемого цифрового сигнала.
Кроме того, в регистратор, содержащий последовательно соединенные трехкомпонентный первичный преобразователь механической величины в электрический сигнал (1) и мультиплексор (2), а также АЦП (3), контроллер (4), усилитель (5), источник питания (6), часы реального времени (7), энергонезависимое запоминающее устройство (ЭЗУ) (8), электрический соединитель (9), введены блок управления (10), блок формирования пакета (11), ЗУ порогового уровня (12), ЗУ последнего адреса ячейки ЭЗУ (13), преобразователь напряжения в емкость (14), блок дешифрации (15), дополнительный источник питания (16) и три (по числу регистрируемых компонент) блока обработки сигналов (17, 18 19), каждый из которых содержит два ключа (20, 21), два буфера (22, 23), блок вычисления среднего значения (24) и блок сравнения (25), причем выход мультиплексора (2) через последовательно соединенные преобразователь емкости в напряжение (14), усилитель (5), АЦП (3), контроллер (4) соединен с первым входом блока дешифрации (15), выходы которого соединены с соответствующими информационными входами первых ключей (20) блоков обработки сигналов (17, 18, 19), второй выход контроллера (4) соединен с мультиплексором (2), первый выход первого ключа (20) соединен через первый буфер (22) с первым входом второго ключа (21), второй выход первого ключа (20) соединен через второй буфер (23) со вторым входом второго ключа (21), выход которого соединен с первыми входами последовательно соединенных блока вычисления среднего значения (24) и блока сравнения (25), выходы блоков сравнения блоков обработки сигналов (17, 18, 19) соединены с соответствующими входами блока формирования пакета (11), выход которого соединен с входом ЭЗУ (8), выход которого соединен с первым входом ЗУ последнего адреса ячейки ЭЗУ (13), выход которого соединен с четвертым входом блока формирования пакета (11), первые выходы блока управления (10) соединены с соответствующими управляющими входами первых (20) и вторых (21) ключей блоков обработки сигналов (17, 18, 19), второй выход блока управления (10) соединен с четвертым входом блока формирования пакета (11), выход ЗУ порогового уровня (12) соединен с соответствующими третьими входами блоков сравнения (25) блоков обработки сигналов (17, 18, 19), часы реального времени (7) соединены с пятым входом блока формирования пакета (11), шестой вход которого соединен с выходом ЗУ последнего адреса ячейки ЭЗУ (13), вход которого соединен с выходом ЭЗУ (8), вход дополнительного источника питания (16) соединен с выходом основного источника питания (6), а выходы - с часами реального времени (7), ЗУ значения порогового уровня (12), ЗУ последнего адреса ячейки (13), третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока управления (10) соединены соответственно с входами ЗУ последнего адреса ячейки ЭЗУ (13), часами реального времени (7), блоком дешифрации (15) и контроллером (4), электрический соединитель (9) подключен к блоку управления (10).
На фиг.1 приведена схема регистратора.
Способ регистрации механической величины состоит в том, что измеряют ускорение вибрации контролируемого объекта посредством емкостного трехкомпонентного первичного преобразователя (1), сигналы с которого посредством мультиплексора (2), преобразователя емкости в напряжение (14), усилителя (5), АЦП (3) и контроллера (4) преобразуют в электрический цифровой сигнал, который дешифрируют блоком дешифрации (15) с целью выделения из общего потока цифровых сигналов данных, соответствующих каждому из трех каналов, и подают через первые ключи (20) на соответствующие первые буферы (22) блоков обработки сигналов первого (17), второго (18) и третьего (19) каналов. В первом буфере (22) производят накопление N точек (N≥10) и через второй ключ (21) подают в блок расчета среднего значения (24), в котором производят расчет среднего арифметического значения для всех ранее накопленных в первом буфере (22) N значений измерений. Далее в блоке сравнения (25) производят вычисление модуля разности значения каждого из N измерений со средним арифметическим значением и сравнивают его с пороговым уровнем, заданным ЗУ порогового значения (12). В случае если хотя бы для одного из N значений, запомненных в первом буфере (22), это условие выполняется (модуль разности превышает значение порогового уровня), в блоке формирования регистрируемого пакета (11) производят формирование пакета для записи в ЭЗУ (8). Пакет включает в себя значения текущих значений цифровых сигналов, накопленных в первых буферах (22) всех трех блоков обработки сигналов (17, 18, 19), а также время регистрации пакета, данные о котором поступают из часов реального времени (7) в блок формирования регистрируемого пакета (11). В то время, когда производится обработка данных, накопленных в первых буферах (22), данные от первичного преобразователя (1) подают в соответствующие вторые буферы (23) блоков обработки сигналов (17, 18, 19). Переключение буферов в каждом из трех каналов производят одновременно, циклически через каждые N значений измерений по сигналу от блока управления (10).
Описанный способ регистрации данных позволяет исключить постоянную составляющую гравитационного поля Земли, которая регистрируется первичными преобразователями емкостного типа и может носить непредсказуемый характер для каждой из трех осей устройства, так как в процессе эксплуатации может меняться ориентация объекта в пространстве. Кроме того, предлагаемый способ позволяет зарегистрировать начало развития процесса, так как производится регистрация всего блока данных, включая точки до превышения порогового значения.
В качестве первичного преобразователя (1) используется трехкомпонентный микромеханический емкостной датчик линейных перегрузок с цифровым интерфейсом, выполненный в виде интегральной микросхемы, что позволяет получить минимальные габариты (6×3×1 мм).
ЗУ порогового уровня (12) выполнено в виде CMOS памяти, что позволяет изменять значение порогового уровня в процессе конфигурирования устройства. Эта возможность позволяет использовать регистратор для контроля состояния разных объектов, отличающихся своими динамическими характеристиками. Часы реального времени (7) конструктивно выполнены в одной микросхеме с CMOS памятью хранения порогового уровня (12), которая питается от дополнительного источника питания (16) (ионистора), который заряжается от основного источника питания (6) в процессе работы устройства.
ЗУ последнего адреса ячейки ЭЗУ (13) предназначено для фиксации адреса последнего записанного в ЭЗУ (8) пакета информации и питается также от дополнительного источника питания (16). Это позволяет осуществлять хранение данных о реальном времени, пороговом уровне и последнем адресе ячейки адреса ЭЗУ в процессе смены основного источника питания (6) (замены батарей), что повышает достоверность информации, т.к. после смены источника питания запись данных в ЭЗУ производится в реальном времени, начиная с адреса ячейки, на котором она была остановлена в момент отключения основного источника питания.
Использование ионистора в качестве дополнительного источника питания позволяет осуществлять питание памяти и часов реального времени в течение не менее двух недель, без включения основного источника. Данная возможность позволяет упростить подготовку устройства к работе за счет исключения необходимости настройки регистратора (установки времени, даты, порогового уровня) каждый раз при отключении основного источника питания.
Соединитель (9) предназначен для подключения устройства к персональному компьютеру для диагностики и конфигурирования устройства в процессе подготовки его к работе. В регистраторе предусмотрена возможность с помощью персонального компьютера устанавливать значение порогового уровня, а также время и дату в часах реального времени (7). Кроме того, на персональном компьютере можно принимать и визуализировать данные, приходящие от устройства, с целью его диагностики.
Благодаря тому что ЭЗУ (8) выполнено в виде съемной флеш-карты стандарта SD/MMC, съем данных от регистратора может производиться на любом компьютере, оборудованном стандартным устройством чтения карт SD/MMC (все современные ноутбуки).
Источники информации
1. Патент США №5526287 «Портативное устройство сбора данных», МПК 6 GOD 9/00, опубл. в 1996 г.
2. Патент РФ №2189565 «Способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа», МПК 7 G01D 9/00, опубл. 20.09.2002. Бюл. №26.