МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СБОРА ДАННЫХ С АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
MULTICHANNEL DEVICE FOR DATA COLLECTION FROM ACCELEROMETERS

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к 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.
Уровень техники
Известно многоканальное устройство 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 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 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 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 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 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 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-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 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, согласно изобретению выход и первый вход второго аналогового коммутаторов соединены соответственно входом второго фильтра нижних частот и выходом второго интегрирующего узла, а вторые входы первого и второго аналоговых коммутаторов соединены с выходами второго и первого согласующих усилителей.
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 соответственно нечетным и четным входами узла аналого-цифрового преобразования, выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с входами интерфейса, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования, а соответствующие управляющие выходы интерфейса соединены с управляющими входами усилителей с программируемым коэффициентом усиления и с управляющими выходами 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 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 сбора данных с акселерометров, как показано на фиг. 1, содержит в каждой паре каналов первый 1 и второй 2 согласующие усилители, входы которых являются входами 3 и 4 соответственно нечетного и четного каналов, выходы первого 1 и второго 2 согласующего усилителя соединены с входами соответственно первого 5 и второго 6 интегрирующего узла, выход первого интегрирующего узла 5 соединен с первым входом первого аналогового коммутатора 7, выход которого соединен с входом первого фильтра нижних частот 8, выход которого соединен с нечетным входом узла аналого-цифрового преобразования 9, выход которого является выходом 10 многоканального устройства сбора данных с акселерометров, четный вход узла аналого-цифрового преобразования 9 соединен с выходом второго фильтра нижних частот 11, а управляющие выходы узла аналого-цифрового преобразования 9 соединены с управляющими входами первого 7 и второго 12 аналоговых коммутаторов, отличающееся тем, что выход и первый вход второго аналогового коммутаторов соединены соответственно входом второго фильтра нижних частот и выходом второго интегрирующего узла, а вторые входы первого и второго аналоговых коммутаторов соединены с выходами второго и первого согласующих усилителей.
Как показано на фиг. 1, узел аналого-цифрового преобразования 9 содержит в нечетном и четном каналах аналого-цифровой преобразователи 13 и 14, входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей 15 и 16 с программируемым коэффициентом усиления, входы которых являются соответственно нечетным и четным входами узла аналого-цифрового преобразования 9, выходы аналого-цифровых преобразователей 13 и 14 соединены с входами интерфейса 17, выход которого является выходом узла аналого-цифрового преобразования 9, а соответствующие управляющие выходы интерфейса 17 соединены с управляющими входами усилителей 15 и 16 с программируемым коэффициентом усиления и с управляющими выходами узла аналого-цифрового преобразования 9.
Как показано на фиг. 2, первый 5 и второй 6 интегрирующие узлы содержат первый 18 и второй 19 интеграторы, причем вход первого интегратора является входом интегрирующего узла, выход которого является выходом второго интегратора, вход которого соединен с выходом первого интегратора.
Как показано на фиг. 3, интегрирующие узлы 5 и 6 содержат операционный усилитель 20, выход которого является выходом интегрирующего узла и соединен через первый резистор 21 с инверсным входом операционного усилителя 20, который через первый конденсатор 22 соединен с первым выводом второго резистора 23, который через второй конденсатор 24 соединен с выходом операционного усилителя 20, прямой вход которого соединен с общей шиной 25, которая соединена с вторым выводом второго резистора 23 и через третий конденсатор 26 соединена с первыми выводами третьего 27 и четвертого 28 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с входом интегрирующего узла и инверсным входом операционного усилителя 20.
Интегрирующий узел, показанный на фиг. 4, содержит дополнительный операционный усилитель 29, выход которого является выходом интегрирующего узла, который соединен через первый дополнительный конденсатор 30 с инверсным входом дополнительного операционного усилителя 29, который через первый дополнительный резистор 31 соединен с первыми выводами второго 32 и третьего 33 дополнительных резисторов, и второго дополнительного конденсатора 34, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом дополнительного операционного усилителя 29, первым выводом третьего дополнительного конденсатора 35 и общей шиной 25, которая соединена с прямым входом дополнительного операционного усилителя 29, а второй вывод третьего дополнительного конденсатора 35 является входом интегрирующего узла.
Как показано на фиг. 5, узел аналого-цифрового преобразования 9 содержит аналого-цифровой преобразователь 36, вход которого соединен с выходом мультиплексора 37, аналоговые входы которого соединены с выходами соответствующих элементов выборки и хранения 38 и 39, аналоговые входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей 40 и 41 с программируемым коэффициентом усиления, аналоговые входы которых являются входами узла аналого-цифрового преобразования 9, управляющие входы усилителей 40 и 41 с программируемым коэффициентом усиления и управляющие входы элементов выборки и хранения 38 и 39 соединены с выходами интерфейса 17, входная шина которого соединена с выходом аналого-цифрового преобразователя 36, а выходная шина 10 интерфейса является выходом узла аналого-цифрового преобразования 9, управляющие выходы которого являются управляющими выходами интерфейса 17.
Устройство работает следующим образом.
На входы 3 и 4 поступают сигналы от акселерометров. Эти сигналы проходят через усилители 1 и 2 соответственно и с выходов этих усилителей поступают на входы интегрирующих узлов 5 и 6. С выходов интегрирующих узлов сигналы через аналоговые коммутаторы 7 и 12 поступают на входы фильтров нижних частот 8 и 11, а с выходов этих фильтров на входы узла аналого-цифрового преобразования 9, на выходе 10 которого формируется последовательность собираемых данных.
Если интегрирующие узлы 5 и 6 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 5 и 6 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 7 и 12 позволяют передать на входы узла 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 7 и 12 позволяют собирать ускорение с соседнего канала, возможен сбор данных например виброскорости или виброперемещения по первому каналу и виброускорения по второму каналу узла аналого-цифрового преобразования 9, соответствующего ускорению по первому каналу т.е. для сигнала от первого акселерометра. Сравнение таких данных с выхода устройства сбора данных может обеспечить контроль правильности работы элементов каналов.
Наибольший эффект обеспечивает реализация с использованием интегрирующих узлов 5 и 6, реализующих функцию двойного интегрирования, поскольку в этом случае, если коммутаторы 7 и 12 скоммутированы одинаково, устройство обеспечивает ввод по двум каналам виброускорения или виброперемещения. Поскольку узлы двойного интегрирования 5 и 6 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 градусов, 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, используемым для вибрационной диагностики.
Предлагаемое устройство обеспечивает возможность такого прецизионного синхронного ввода для каждого из сигналов и для их комбинаций.
Таким образом предлагаемое решение обеспечивает повышение контролепригодности 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 оптимальным возможным разрешением при выполнении аналого-цифрового преобразования узлом 9, расширяя эффективный динамический диапазон при сборе сигналов акселерометров.