МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ВЕКТОРНЫХ ВЕЛИЧИН (ВАРИАНТЫ)
MULTICHANNEL DEVICE FOR ANALYSING SPATIAL VECTOR QUANTITIES (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам контроля пространственных величин, например пространственной вибрации, и может быть использовано в системах контроля, диагностики, защиты и навигации.
Известно устройство контроля пространственных векторных величин, содержащее многокомпонентный датчик вибрации, выходы которого соединены с входами блоков коррекции через соответствующие усилители, а выходы блоков коррекции соединены с входами блока вычисления [Авторское свидетельство СССР №1257411, 1981 г., G01H 9/00].
Недостатками этого устройства являются сравнительно большие аппаратурные затраты при необходимости многоканальных измерений и относительно низкая достоверность функционирования из-за отсутствия возможности контроля и оперативной коррекции параметров настройки при работе.
Известно устройство контроля пространственных векторных величин содержащее многокомпонентный датчик вибрации, выходы которого соединены с входами блоков коррекции через соответствующие усилители, а выходы и управляющие входы блоков коррекции соединены с входами блока измерения и блока управления [Авторское свидетельство СССР №1330475, БИ №30, 1987 г., G01H 11/06].
Недостатком этого устройства является относительно низкая достоверность функционирования, поскольку оно не обеспечивает контроля за уходом характеристик сигналов, поступающих от датчика.
Известно устройство контроля пространственной вибрации, содержащее трехкомпонентный датчик вибрации, выходы которого соединены через согласующие усилители с блоком коррекции, который выполнен на основе трехканального сумматора [Патент США 6038924, МКИ G01P 15/09, Н.кл 73/514.34, 2000 г.].
Недостатком этого устройства является относительно низкая достоверность функционирования, поскольку оно не обеспечивает контроля за уходом характеристик сигналов, поступающих от датчика.
Наиболее близким к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является многоканальное устройство анализа пространственных векторных величин, содержащее многокомпонентные датчики пространственных величин, выходы которых соединены с входами коммутатора, каждый выход которого соединен с входами соответствующих умножающих цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с входами блока измерения и управления, выходы адресного кода и управляющего кода которого соединены соответственно с адресными входами коммутатора и входами управляющего кода умножающих цифроаналоговых преобразователей [Авторское свидетельство СССР №134149, БИ №36, 1987 г.].

Недостатком данного устройства является относительно низкая достоверность функционирования. Действительно, современные многокомпонентные датчики, как правило, имеют встроенную электронику, которая обеспечивает передачу сигналов, при этом кроме, например, переменного сигнала вибрации в сигнале присутствует постоянная составляющая, величина которой позволяет судить о исправности как самого датчика, так и соединительной линии связи (датчики с интерфейсом IEРЕ). В датчиках, выполненных по MEMS технологии, постоянная составляющая характеризует пространственное положение датчика и ее изменение позволяет судить о нарушениях в работе датчика или его расположении [Piezoelectric accelerometer - Miniature triaxial DeltaTron accelerometer - Type 4524, 4524-B and 4524-B-001, Brǚel & Kjaer, 2008]. Следует также отметить, что наличие постоянной составляющей в сигналах, поступающих от датчика, кроме положительного эффекта, связанного с возможностью контроля исправности, имеет и негативное значение, поскольку ограничивает динамический диапазон сигналов, поскольку, например, для датчиков с интерфейсом IEPE величина этого смещения имеет значение от 8 до 12 В, в то время как величина переменной составляющей менее 5 В, что заставляет использовать аналого-цифровое преобразование с диапазоном, рассчитанным на значительные входные напряжения, и, следовательно, сравнительно малым разрешением для переменных сигналов. Следует также отметить, что величина постоянного смещения может иметь зависимость от температуры, что позволяет в случае, когда эта зависимость известна, оценить рабочую температуру датчика и внести соответствующие коррективы в коэффициенты чувствительности в зависимости от этой оценки или в зависимости от датчика температуры, который достаточно часто встраивается в датчик вибрации или другой пространственной векторной величины.
Целью предлагаемого изобретения является повышение достоверности функционирования многоканального устройства анализа пространственных векторных величин.
Поставленная цель в первом варианте предлагаемого изобретения достигается тем, что в многоканальное устройство анализа пространственных векторных величин, содержащее многокомпонентные датчики пространственных величин, выходы которых соединены с входами коммутатора, каждый выход которого соединен с входами соответствующих умножающих цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с входами блока измерения и управления, выходы адресного кода и управляющего кода которого соединены соответственно с адресными входами коммутатора и входами управляющего кода умножающих цифроаналоговых преобразователей, дополнительный вход каждого из сумматоров соединен с выходом соответствующего дополнительного умножающего цифроаналогового преобразователя, входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения, а управляющие входы соединены с выходом управляющего кода блока измерения и управления.
Другое отличие многоканального устройства анализа пространственных векторных величин состоит в том, что блок измерения и управления содержит аналого-цифровой преобразователь входы которого являются входами блока измерения и управления, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом процессора обработки сигналов, выходы адресного кода и управляющего кода которого являются соответствующими выходами блока измерения и управления, выходная шина которого является выходом процессора обработки сигналов и всего устройства.
Другое отличие многоканального устройства анализа пространственных векторных величин состоит в том, что коммутатор содержит аналоговые мультиплексоры, входы которых являются соответствующими входами коммутатора, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров, а выход каждого аналогового мультиплексора соединен с выходом источника тока, который подключен к шине.
Другое отличие многоканального устройства анализа пространственных векторных величин состоит в том, что коммутатор содержит аналоговые мультиплексоры, входы которых являются соответствующими входами коммутатора, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров, а каждый вход каждого аналогового мультиплексора соединен с выходом источника тока, который подключен к шине питания.
Во втором варианте исполнения поставленная цель достигается тем, что в многоканальном устройстве анализа пространственных векторных величин содержащем многокомпонентные датчики пространственных величин, выходы которых соединены с входами коммутатора, каждый выход которого соединен с входами соответствующих умножающих цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с входами блока измерения и управления, выходы адресного кода и управляющего кода которого соединены соответственно с адресными входами коммутатора и входами управляющего кода умножающих цифроаналоговых преобразователей, дополнительный вход каждого из сумматоров соединен с выходом соответствующего дополнительного умножающего цифроаналогового преобразователя, входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения, а управляющие входы соединены с выходом управляющего кода блока измерения и управления, вспомогательный вход которого соединен с вспомогательным выходом коммутатора, вспомогательные входы которого соединены с вспомогательными выходами многокомпонентных датчиков пространственных величин.
Другое отличие многоканальное устройство анализа пространственных векторных величин состоит в том, что вспомогательный выход многокомпонентного датчика пространственных величин является выходом датчика температуры, который встроен в многокомпонентный датчик пространственной величины.
Другое отличие многоканального устройства анализа пространственных векторных величин состоит в том, что блок измерения и управления содержит аналого-цифровой преобразователь входы которого являются входами блока измерения и управления, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом процессора обработки сигналов, выходы адресного кода и управляющего кода которого являются соответствующими выходами блока измерения и управления, выходная шина которого является выходом процессора обработки сигналов и всего устройства, а вспомогательный вход блока измерения и управления соединен с вспомогательным входом аналого-цифрового преобразователя.
Другое отличие многоканального устройства анализа пространственных векторных величин состоит в том, что коммутатор содержит аналоговые мультиплексоры, входы которых являются соответствующими входами коммутатора, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров, а выход каждого аналогового мультиплексора соединен с выходом источника тока, который подключен к шине питания, которая через вспомогательный источник тока соединена с вспомогательным выходом коммутатора и выходом вспомогательного аналогового мультиплексора, адресные входы которого соединены с адресными входами остальных аналоговых мультиплексоров, а входы вспомогательного аналогового мультиплексора являются вспомогательными входами коммутатора, а выход каждого из аналоговых мультиплексоров является соответствующим выходом коммутатора.
Другое отличие многоканального устройства анализа пространственных векторных величин состоит в том, что коммутатор содержит аналоговые мультиплексоры, входы которых являются соответствующими входами коммутатора, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров, а каждый вход каждого аналогового мультиплексора соединен с выходом источника тока, который подключен к шине питания, которая через вспомогательные источники тока соединена с входами вспомогательного аналогового мультиплексора, которые являются вспомогательными входами коммутатора, вспомогательный выход которого соединен с выходом вспомогательного аналогового мультиплексора, адресные входы которого соединены с адресными входами остальных аналоговых мультиплексоров.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства, соответствующая первому варианту исполнения. На фиг.2. и 3 приведены примеры структурных схем выполнения коммутаторов для первого варианта исполнения. На фиг.4 показана структурная схема предлагаемого устройства, соответствующая второму варианту исполнения. На фиг.5 и 6 приведены примеры структурных схем выполнения коммутаторов для второго варианта исполнения. На фиг.7 и 8 приведены примеры реализации аналого-цифрового преобразователя.
Многоканальное устройство анализа пространственных векторных величин, показанное на фиг.1, содержит многокомпонентные датчики пространственных величин 1, выходы которых соединены с входами коммутатора 2, каждый выход которого соединен с входами соответствующих умножающих цифроаналоговых преобразователей 3, выходы которых соединены с входами соответствующих сумматоров 4, выходы которых соединены с входами блока измерения и управления 5, выходы адресного кода и управляющего кода которого соединены соответственно с адресными входами коммутатора 2 и входами управляющего кода умножающих цифроаналоговых преобразователей 3, дополнительный вход каждого из сумматоров 4 соединен с выходом соответствующего дополнительного умножающего цифроаналогового преобразователя 6, входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения 7, а управляющие входы соединены с выходом управляющего кода блока измерения и управления 5.
Блок измерения и управления 5 содержит аналого-цифровой преобразователь 8, входы которого являются входами блока измерения и управления 5, выход аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с входом процессора обработки сигналов 9, выходы адресного кода и управляющего кода которого являются соответствующими выходами блока измерения и управления 5, выходная шина 10 которого является выходом процессора обработки сигналов и всего устройства.
Коммутатор 2, как показано на фиг.2, содержит аналоговые мультиплексоры 11, входы которых являются соответствующими входами коммутатора 2, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора 2, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров 11, а выход каждого аналогового мультиплексора 11 соединен с выходом источника тока 12, который подключен к шине питания 13.
Как показано на фиг.3 коммутатор 2 содержит аналоговые мультиплексоры 11, входы которых являются соответствующими входами коммутатора 2, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора 2, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров 11, а каждый вход каждого аналогового мультиплексора соединен с выходом источника тока 12, который подключен к шине питания 13.
Как показано на фиг.4, многоканальное устройство анализа пространственных векторных величин по второму варианту исполнения содержит многокомпонентные датчики 1 пространственных величин, выходы которых соединены с входами коммутатора 2, каждый выход которого соединен с входами соответствующих умножающих цифроаналоговых преобразователей 3, выходы которых соединены с входами соответствующих сумматоров 4, выходы которых соединены с входами блока измерения и управления 5, выходы адресного кода и управляющего кода которого соединены соответственно с адресными входами коммутатора 2 и входами управляющего кода умножающих цифроаналоговых преобразователей 3, дополнительный вход каждого из сумматоров 4 соединен с выходом соответствующего дополнительного умножающего цифроаналогового преобразователя 6, входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения 7, а управляющие входы соединены с выходом управляющего кода блока измерения и управления 5, вспомогательный вход которого соединен с вспомогательным выходом коммутатора 2, вспомогательные входы которого соединены с вспомогательными выходами многокомпонентных датчиков 1 пространственных величин.
Вспомогательный выход многокомпонентного датчика пространственных величин является выходом сигнала встроенного датчика влияющей на работу датчика величины, например температуры, т.е является выходом датчика температуры, который встроен в многокомпонентный датчик 1 пространственной величины.
Блок измерения и управления 5 содержит аналого-цифровой преобразователь 8, входы которого являются входами блока измерения и управления 5, выход аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с входом процессора обработки сигналов 9, выходы адресного кода и управляющего кода которого являются соответствующими выходами блока измерения и управления 5, выходная шина 10 которого является выходом процессора обработки сигналов и всего устройства, а вспомогательный вход блока измерения и управления 5 соединен с вспомогательным входом аналого-цифрового преобразователя 8.
Как показано на фиг.5, коммутатор 2 содержит аналоговые мультиплексоры 11, входы которых являются соответствующими входами коммутатора 2, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора 2, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров 11, а выход каждого аналогового мультиплексора соединен с выходом источника тока 12, который подключен к шине питания 13, которая через вспомогательный источник тока 14 соединена с вспомогательным выходом коммутатора и выходом вспомогательного аналогового мультиплексора 15, адресные входы которого соединены с адресными входами остальных аналоговых мультиплексоров 11.
Как показано на фиг.6, коммутатор 2 содержит аналоговые мультиплексоры 11, входы которых являются соответствующими входами коммутатора 2, а выходы являются соответствующими выходами коммутатора 2, адресный вход которого соединен с адресными входами аналоговых мультиплексоров 11, а каждый вход каждого аналогового мультиплексора 11 соединен с выходом источника ток 12, который подключен к шине питания 13, которая через вспомогательные источники тока 14 соединена с входами вспомогательного аналогового мультиплексора 15, которые являются вспомогательными входами коммутатора, вспомогательный выход которого соединен с выходом вспомогательного аналогового мультиплексора 15, адресные входы которого соединены с адресными входами остальных аналоговых мультиплексоров 11.
Аналого-цифровой преобразователь 8 может быть выполнен в виде микросхемы многоканального АЦП, модуля сбора данных или содержать, как показано на фиг.7 и 8, микросхему многоканального АЦП 16, входы которой соединены с входами аналого-цифрового преобразователя 8 через фильтры нижних частот 17 (фиг.7) или программируемые усилители 18 и фильтры нижних частот 17, как показано на фиг.8.
В качестве датчика влияющей величины кроме температуры может быть использован и датчик другой величины: давления, электрического или магнитного поля, радиации и т.п.
В качестве многокомпонентных датчиков пространственных величин могут рассматриваться двух- и трехкомпонентные датчики линейного и углового ускорения, многокомпонентные гироскопы, многокомпонентные инклиномеры, магнетометры и т.п., а также их комбинации в одном датчике.
Устройство работает следующим образом. Многокомпонентные датчики пространственных векторных величин характеризуются матрицей коэффициентов чувствительности, которая показывает, как ортогональные воздействия контролируемой величины влияют на выходные сигналы датчика. Для трехкомпонентного датчика ускорений это можно описать соотношением:
i
где a - ортогональные компоненты воздействующего на датчик ускорения,
i=x, y, z - т.е. вектор измеряемого ускорения;
j
u - сигналы на первом, втором и третьем выходах датчика, j=1, 2, 3;
ji
S - коэффициенты матрицы чувствительности.
j
i
Предлагаемое устройство обеспечивает преобразования вектора сигналов u в вектор сигналов u, которые соответствуют ортогональным составляющим измеряемой величины в соответствии с соотношением:
Умножение на матрицу корректирующих коэффициентов позволяет исключить поперечные чувствительности, присущие датчикам. Для выполнения этого условия произведение матрицы корректирующих коэффициентов на матрицу коэффициентов чувствительности должно соответствовать диагональной матрице, ненулевые элементы которой равны коэффициенту передачи, например единице:
Это условие будет выполнено, если элементы матрицы корректирующих коэффициентов равны элементам матрицы, обратной матрице коэффициентов чувствительности:
j
i
Реальные датчики кроме сигналов, соответствующих измеряемым векторным воздействиям, например вибрации, имеют постоянные составляющие, величина которых позволяет судить о исправности датчика и линиях связи, по которым он подключен. Эти постоянные составляющие U могут рассматриваться как аддитивная составляющая вектора сигналов и давать после умножения на матрицу корректирующих коэффициентов соответствующие сигналы постоянного смещения U.
В предлагаемом устройстве умножение на матрицу корректирующих коэффициентов выполняется умножающими цифроаналоговыми преобразователями 3 и сумматорами 4. Получаемые сигналы поступают на входы аналого-цифрового преобразователя 8. Наличие постоянной составляющей ограничивает возможности анализа малых переменных составляющих в сигналах, и достоверность получаемых результатов оказывается сравнительно низкой. Для устранения этого в устройстве имеются дополнительные умножающие цифроаналоговые преобразователи 6, которые позволяют компенсировать постоянную составляющую на входе аналого-цифрового преобразователя 8, формируя вектор сигналов компенсации:
Таким образом, если компенсация выполняется, входной диапазон работы аналого-цифрового преобразователя может быть оптимально приближен к динамическому диапазону переменной составляющей сигналов, что позволяет проводить измерение с повышенной точностью. При этом, если постоянные составляющие сигналов с датчиков 1 изменяются из-за неисправности или из-за изменения температуры, это будет зафиксировано программой контроля постоянной составляющей и процессора обработки сигналов 9 и может быть учтено при анализе в виде сообщения о неисправности датчика или в виде коррекции изменения в зависимости от температуры.
Наличие дополнительных цифроаналоговых преобразователей в каждом из каналов измерения обеспечивает также возможность диагностического контроля исправности канала, поскольку на входы этих цифроаналоговых преобразователей подано опорное напряжение, по программе из процессора на управляющие входы этих цифроаналоговых преобразователей может быть подан переменный код соответствующий тестовому сигналу, что позволяет оценить исправность таких элементов, как сумматоры, аналого-цифровой преобразователь и процессор, а также дополнительные цифроаналоговые преобразователи. Проведение такой диагностики оборудования также повышает достоверность функционирования.
При наличии в датчике вспомогательного элемента контроля влияющего фактора, например встроенного датчика температуры, влияние изменений условий работы датчика, проявляющееся в изменениях коэффициентов чувствительности, может быть оперативно учтено процессором путем перечета соответствующих корректирующих коэффициентов за счет прямого измерения влияющих факторов, например температуры, во втором варианте построения устройства. В первом варианте это может быть реализовано по косвенным изменениям постоянной составляющей. Как в первом, так и во втором вариантах величина постоянного смещения контролируется программой процессора 9 и может дополнительно подстраиваться до близкого к нулевому значению на входах аналого-цифрового преобразователя 8 за счет подачи соответствующего управляющего кода на входы умножающих цифроаналоговых преобразователей 6.
Использование источников тока на выходах аналоговых мультиплексоров, как показано на фиг.2 и 5, позволяет отключать не используемые в данный момент датчики. Если источники тока включены на входах аналоговых мультиплексоров, датчики постоянно находятся в рабочем состоянии, что исключает необходимость временных задержек при переключении каналов, связанных с необходимостью выхода датчиков на рабочий режим.