БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
QUICK-ACTING CONVERTER OF RESISTIVE SENSOR RESISTANCE CHANGE INTO ELECTRIC SIGNAL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения дефектов поверхности катания железнодорожного подвижного состава в движении.
Известен полумостовой измеритель сопротивлений (его варианты) (авт.св. №1196773, G01R 17/02, БИ №45, 1985), содержащий источник питания, первый выход которого соединен с общей шиной, полумост из последовательно соединенных первого и второго резисторов, первую выходную клемму, соединенную с общими выводами резисторов полумоста, вторую выходную клемму, соединенную с общей шиной, операционный усилитель, выход и инвертирующий вход которого соединен с вторым выводом первого резистора полумоста. Кроме того, в него введен инвертирующий масштабный усилитель, а источник питания выполнен в виде источника тока, второй выход которого соединен с вторым выводом второго резистора полумоста и входом инвертирующего масштабного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, а коэффициент передачи инвертирующего масштабного усилителя равен отношению номинального сопротивления первого резистора полумоста к номинальному сопротивлению второго резистора полумоста.
Полумостовой измеритель сопротивлений, содержащий источник питания, первый выход которого соединен с общей шиной, полумост из последовательно соединенных первого и второго резисторов, первую выходную клемму, соединенную с общими выводами резисторов полумоста, вторую выходную клемму, соединенную с общей шиной, операционный усилитель, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора полумоста. Кроме того, в него введен инвертирующий масштабный усилитель, а источник питания выполнен в виде источника тока, второй выход которого соединен с вторым выводом второго резистора полумоста и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с выходом инвертирующего масштабного усилителя, вход которого соединен с вторым выводом первого резистора полумоста, а коэффициент передачи инвертирующего масштабного усилителя равен отношению номинального сопротивления второго резистора полумоста к номинальному сопротивлению первого резистора полумоста.
Однако данное устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку позволяет проводить измерение только по полумостовой схеме. В данном устройстве нельзя проводить измерение для схем «мост», «1/4 мост». Кроме того, данное устройство обладает низким быстродействием, поскольку из-за переходных процессов, возникающих из-за влияния распределенных емкостей и индуктивностей на подводящих проводах, масштабный усилитель входит в режим насыщения, ограничивая быстродействие устройства.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, содержащий резистивные датчики, токовые и потенциальные линии, источник тока питания датчиков, операционный усилитель, общую шину. Кроме того, модулятор напряжения, делитель напряжения и коммутатор потенциальных линий являются программируемыми потенциальными линиями, вход программируемого коммутатора потенциальных линий подключен к резистивному датчику (мосту или одиночному датчику), управляющий вход программируемого коммутатора потенциальных линий подключен к первому входу устройства управления, а его выход - к входу инструментального усилителя опорный вход которого соединен с выходным контактом первого двухпозиционного переключателя, один вход которого соединен с общей шиной, а второй вход с выходом программируемого делителя, а управляющий контакт первого двухпозиционного переключателя соединен с вторым входом устройства управления, а выход инструментального усилителя соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, его выход - с входом регистратора, источник тока, состоящий из источника опорного напряжения, выход которого соединен с входом программируемого модулятора напряжения и неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с номинальным резистором и последовательно соединенными выходным контактом второго двухпозиционного переключателя и первым входом блока двухпозиционных переключателей, второй конец номинального резистора соединен с общей шиной, а выход операционного усилителя соединен с входом второго двухпозиционного переключателя, второй вход двухпозиционного переключателя соединен с вторым входом блока двухпозиционных переключателей, а управляющий вход второго двухпозиционного переключателя соединен с третьим входом устройства управления, управляющий вход блока двухпозиционных переключателей соединен с четвертым входом устройства управления, а первый и второй выходы блока двухпозиционных переключателей соединены с токовыми линиями, вход программируемого делителя соединен с выходом программируемого модулятора напряжения, управляющий вход которого соединен с пятым входом устройства управления, а управляющий вход программируемого делителя соединен с шестым входом устройства управления (патент РФ №2292051 МПК G01R 27/02, БИ №2, 2007 г), принятый за прототип.
Недостатком преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, принятого за прототип, является ограниченное быстродействие из-за наличия большого числа ключей, требующих дополнительного времени для переключения. Кроме того, быстродействие и точность преобразователя существенно уменьшается за счет влияния переходных процессов, возникающих из-за действия паразитных емкостей и индуктивностей подводящих проводов.
При разработке быстродействующего преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал была поставлена задача повышения точности и быстродействия при определении дефектов поверхности катания (ползунов, выкрашивания поверхности катания, наваров, образующихся при экстренном торможении и т.д.). Данные дефекты приводят к ускорению износа колес и появлению усталостных трещин. Кроме того, они оказывают негативное влияние на верхнее строение пути. При наличии дефектов на поверхности катания колес увеличивается сила ударного воздействия колеса на рельс, измерение которой осуществляется резистивными датчиками (тензодатчиками), наклеенными с двух сторон шейки рельса вертикально, через измерение деформаций рельса. Обнаружение сигналов, несущих информацию о дефекте, происходит за счет использования одновременной регистрации ударного воздействия несколькими резистивными датчиками. При обработке сигналов с датчиков получают корреляционную функцию, максимум которой совпадает с моментом появления дефекта (Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков А.С. и др. Разработка методики определения дефектов поверхности катания колесных пар в движении // Контроль. Диагностика, 2010, №5, С.64-67).
Поставленная задача решается за счет того, что быстродействующий преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, содержащий резистивные датчики, источник тока питания датчиков, состоящий из операционного усилителя источника тока, инвертирующий вход которого соединен с токозадающим эталонным резистором, второй конец которого соединен с общей шиной, инструментальный усилитель, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены к резистивному датчику, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления снабжен температурными датчиками, подключенными к центральному процессору через последовательно соединенные коммутатор, аналого-цифровой преобразователь температурного датчика и интерфейсное устройство, а также - цифроаналоговым преобразователем источника тока, входным инструментальным усилителем, инструментальным усилителем разности, фильтром нижних частот, двумя цифровыми мультиплексорами, двумя оперативными запоминающими устройствами, цифровым сигнальным процессором, цифроаналоговым преобразователем подстройки нуля каналов, интерфейсным устройством, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя источника тока соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя источника тока, а выход операционного усилителя соединен с инвертирующим входом входного инструментального усилителя и резистивным датчиком, а инвертирующий вход операционного усилителя источника тока соединен со вторым концом резистивного датчика, с неинвертирующим входом входного инструментального усилителя и входом цифроаналогового преобразователя номинала резистивного датчика, выход которого соединен с неинвертирующим входом инструментального усилителя разности, инвертирующий вход которого соединен с выходом входного инструментального усилителя, выход инструментального усилителя разности соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым цифровым мультиплексором, выходы которого двунаправленными шинами соединены с цифровыми входами первого и второго оперативных запоминающих устройств, управляющие входы которых объединены и соединены с первым выходом устройства управления блоком, выходы оперативных запоминающих устройств двунаправленными шинами соединены с входами второго цифрового мультиплексора, выход которого двунаправленной шиной соединен с первым входом устройства управления и шиной PCI, которая подключена к первому входу центрального процессора компьютера, второй вход устройства управления двунаправленной шиной соединен с цифровым сигнальным процессором, а второй и третий выходы устройства управления соединены с управляющими входами первого и второго цифровых мультиплексоров, четвертый выход устройства управления соединен с входами цифро-аналоговых преобразователей подстройки нуля каналов, выход которого соединен с опорным входом инструментального усилителя разности, пятый выход устройства управления соединен со входами цифро-аналоговых преобразователей номинала резистивного датчика, шестой выход устройства управления соединен с входами цифро-аналоговых преобразователей источника тока, выход интерфейсного устройства подключен ко второму входу центрального процессора компьютера.
Предлагаемый быстродействующий преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал позволяет повысить быстродействие за счет того, что в схеме отсутствуют коммутирующие устройства. Отсутствие в измерительных сигналах переходных процессов позволяет повысить точность измерения и быстродействие, поскольку усилители не входят в режим глубокого насыщения.
На фиг.1 приведена функциональная схема быстродействующего преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал. На фиг.2 показана схема установки на рельс резистивных датчиков. На фиг.3 показано расположение резистивных датчиков и датчиков температуры на рельсе и в системе.
Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал (фиг.1) содержит:
1 - резистивный датчик;
2 - источник тока питания датчика;
3 - операционный усилитель источника тока;
4 - токозадающий эталонный резистор;
5 - общая шина;
6 - входной инструментальный усилитель;
7 - аналого-цифровой преобразователь;
8 - устройство управления блоком;
9 - первый датчик температуры;
10 - второй датчик температуры;
11 - центральный процессор компьютера;
12 - коммутатор;
13 - аналого-цифровой преобразователь температурного датчика;
14 - интерфейсное устройство;
15 - цифроаналоговый преобразователь источника тока;
16 - цифроаналоговый преобразователь номинала резистивного датчика;
17 - инструментальный усилитель разности;
18 - фильтр нижних частот;
19 - первый цифровой мультиплексор;
20 - первое оперативное запоминающее устройство;
21 - второе оперативное запоминающее устройство;
22 - второй цифровой мультиплексор;
23 - шина PCI;
24 - цифровой сигнальный процессор;
25 - цифроаналоговый преобразователь подстройки нуля.
Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:
1. Операционный усилитель источника тока 3 выполнен на микросхеме AD817.
2. фильтры 18 выполнены по двухзвенной схеме активных фильтров второго порядка на операционных усилителях МС33282 фирмы «Мо-torolla», пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энерго-атомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.105, рис.3.9).
3. Прецизионный инструментальный усилитель 17 выполнен на микросхеме AD 620, инструментальный усилитель 6 - выполнен на микросхеме AD 621.
4. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 15, 16, 25 собраны на микросхемах AD7545 и МС33272.
5. Устройство управления и цифровые мультиплексоры выполнены на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» EPF10K30TC.
6. Аналого-цифровой преобразователь 7 тензометрического канала - на микросхеме AD7892 фирмы Analog Devices.
7. Цифровой сигнальный процессор реализован на микросхеме фирмы «Texas Instruments» TMS320VC5402A.
8. Оперативное запоминающее устройство выполнено на микросхемах динамического ОЗУ 48LCI16MA2.
Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Motorolla, Altera, (Motorolla - www.moto.com: фирмы ALTERA- www.altera.com', фирмы Analog Devices - www.ad.com, фирмы Burr-Brown Corporation - www.burr-brown.corn, фирмы Texas Instruments -www.ti.com,).
Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал, содержит резистивные датчики 1, источник тока питания датчиков 2, состоящий из операционного усилителя источника тока 3, инвертирующий вход которого соединен с токозадающим эталонным резистором 4, второй конец которого соединен с общей шиной 5, инструментальный усилитель 6, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены к резистивному датчику 1, аналого-цифровой преобразователь 7, устройство управления 8. Кроме того, быстродействующий преобразователь снабжен температурными датчиками 9,10, подключенными к центральному процессору 11 через последовательно соединенные коммутатор 12, аналого-цифровой преобразователь температурного датчика 13 и интерфейсное устройство 14, неинвертирующнй вход операционного усилителя 3 источника тока 2 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя источника тока 15, а выход операционного усилителя 3 соединен с инвертиующим входом входного инструментального усилителя 6 и резистивным датчиком 1, а инвертирующий вход операционного усилителя 3 источника тока 2 соединен со вторым концом резистивного датчика 1, с неинвертирующим входом входного инструментального усилителя 6 и входом цифро-аналогового преобразователя номинала резистивного датчика 16, выход которого соединен с неинвертирующим входом инструментального усилителя разности 17, инвертирующий вход которого соединен с выходом входного инструментального усилителя 6, выход инструментального усилителя разности 17 соединен с входом фильтра нижних частот 18, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, цифровой выход которого соединен с первым цифровым мультиплексором 19, выходы которого двунаправленными шинами соединены с цифровыми входами первого 20 и второго 21 оперативных запоминающих устройств, управляющие входы которых объединены и соединены с первым выходом устройства управления блоком 8, выходы оперативных запоминающих устройств 20,21 двунаправленными шинами соединены с входами второго цифрового мультиплексора 22, выход которого двунаправленной шиной соединен с первым входом устройства управления 8 и шиной PCI 23, которая подключена к первому входу центрального процессора компьютера 11, второй вход устройства управления 8 двунаправленной шиной соединен с цифровым сигнальным процессором 24, а второй и третий выходы устройства управления 8 соединены с управляющими входами первого 19 и второго 22 цифровых мультиплексоров, четвертый выход устройства управления 8 соединен с входами цифро-аналоговых преобразователей подстройки нуля каналов 25, выход которого соединен с опорным входом инструментального усилителя разности 17, пятый выход устройства управления 8 соединен со входами цифроаналоговых преобразователей номинала резистивного датчика 16, шестой выход устройства управления 8 соединен с входами цифроаналоговых преобразователей источника тока 15, выход интерфейсного устройства 14 подключен ко второму входу центрального процессора компьютера 11.
Устройство работает следующим образом.
∂
Резистивные датчики 1 R наклеиваются на шейку одного рельса с противоположных сторон напротив друг друга и подключаются ко входу быстродействующего преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал. После установки первого температурного датчика 9 внутри быстродействующего преобразователя и второго температурного датчика 10 (фиг.3) на рельсы, они подключаются к коммутатору 12 (фиг.1).
∂
Перед началом измерений центральный процессор компьютера 11 задает для всех каналов блока значения величин силы тока питания резистивных датчиков 1 для получения необходимой чувствительности. Для этого центральный процессор 11 поочередно посылает через шину PCI 23 в устройство управления блока 8 команду записи кодового эквивалента тока питания резистивных датчиков 1. Устройство управления блока 8 записывает эти коды по последовательной линии в цифро-аналоговые преобразователи источника тока 15. На выходах цифро-аналоговых преобразователей источника тока 15 формируются напряжения, значения которых определяют величины силы токов питания резистивных датчиков 1 R. Операционные усилители источника тока 3 поддерживают постоянной величину силы тока питания резистивных датчиков 1. Значение силы тока определяется величиной токозадающих эталонных резисторов 4 и напряжением на выходе цифро-аналоговых преобразователей источника тока 15. Затем подбирается такое значение напряжения на выходах цифроаналоговых преобразователей номинала тензодатчиков 16, чтобы напряжение на входах инструментальных усилителей разности 17 стало равным напряжениям на резистивных датчиках 1. Для этого центральный процессор 11 посылает через шину PCI 23 в устройство управления блока 8 команду записи кодового эквивалента номинального сопротивления резистивного датчика 1. Устройство управления блока 8 записывает эти коды по последовательной линии в цифро-аналоговые преобразователи номинала резистивных датчиков 16. Для компенсации дрейфа выходного напряжения инструментальных усилителей разности 17 служит цифроаналоговый преобразователь подстройки нуля 25. Значение нулевого напряжения на выходе инструментальных усилителей разности 17 соответствует коду результата аналого-цифрового преобразователя 7, равному половине диапазона измерения.
В режиме компенсации дрейфа устройство управления блока 8 периодически считывает результаты измерения аналого-цифрового преобразователя 7 из оперативных запоминающих устройств 20, 21 через мультиплексор 22 и подбирает напряжение компенсации дрейфа путем записи кодов в цифроаналоговый преобразователь подстройки нуля 25. Перед началом записи информации центральный процессор компьютера 11 считывает через интерфейсное устройство 14 показания аналого-цифрового преобразователя температурного датчика 13 и сохраняет в памяти значения температуры внутри блока и в месте наклейки резистивного датчика 1 на рельсе.
После настроек быстродействующий преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал готов к измерениям.
10
∂
∂
Перед проходом состава центральный процессор 11 посылает через шину PCI 23 в устройство управления блока 8 команду на начало измерений. После этого устройство управления блока 8 разрешает оперативному запоминающему устройству 20 через мультиплексор 19 запись измерительной информации. При прохождении колеса над парами резистивных датчиков 1, деформация рельса вызывает изменение их сопротивлений, и на выходах инструментальных усилителей 6 появляются электрические сигналы, значения напряжений которых равны напряжениям на резистивных датчиках 1. При этом на выходах инструментальных усилителей разности 17 формируется напряжение U=К·ΔR, (где К - коэффициент усиления инструментального усилителя 17; ΔR - изменение электрического сопротивления резистивного датчика 1). Затем сигнал поступает на входы фильтров 18, для исключения паразитных высокочастотных шумов и затем - на входы аналого-цифровых преобразователей 7, где происходит оцифровка аналогового сигнала. С выхода аналого-цифровых преобразователей 7 измерительная информация поступает через мультиплексор 19 на вход оперативного запоминающего устройства 20. После заполнения оперативного запоминающего устройства 20 устройство управления блока 8 переключает мультиплексоры 19 и 22 таким образом, что измерительная информация с аналого-цифрового преобразователя 7 через мультиплексор 19 теперь записывается в оперативное запоминающее устройство 21, а содержимое оперативного запоминающего устройства 20 становится доступным через мультиплексор 22 цифровому сигнальному процессору 24, а также через шину PCI 23 центральному процессору 11. Цифровой сигнальный процессор 24 считывает измерительную информацию из оперативного запоминающего устройства 20 и рассчитывает суммы деформаций двух противоположно наклеенных резистивных датчиков 1, величина которых пропорциональна значениям вертикальной силы, действующей на рельс при прохождении железнодорожного состава. Цифровой сигнальный процессор 24 также рассчитывает значения корреляционной функции двух сигналов, соответствующих значениям вертикальной силы на соседних участках рельсового пути.
Для оценки величины изгибающих моментов, действующих на рельс, рассчитываются разности деформаций противоположно наклеенных резистивных датчиков 1. После заполнения оперативного запоминающего устройства 21 устройство управления блока 8 переключает мультиплексоры 19 и 22 в исходное состояние и процесс записи и считывания измерительной информации повторяется. По окончании проезда контролируемого состава измерение заканчивается, и устройство управления блока 8 останавливает запись измерительной информации в оперативные запоминающие устройства 20, 21. На этом процесс измерения заканчивается. Центральный процессор компьютера 11 считывает через интерфейсное устройство 14 показания аналого-цифрового преобразователя температурного датчика 13 и сохраняет в памяти значения температуры внутри блока и в месте наклейки резистивного датчика 1 после прохождения поезда. Затем центральный процессор компьютера 11 пересчитывает значения деформаций с тензодатчиков с учетом измеренного значения температуры.
При наличии дефектов на поверхности катания колес увеличивается сила ударного воздействия колеса на рельс. Измерение сил, воздействующих на рельсы, осуществляется через измерение деформаций рельса. В свою очередь, измерение деформаций производится резистивными датчиками (тензодатчиками), наклеенными с двух сторон шейки рельса вертикально (фиг.2, фиг.3). Обнаружение сигналов, несущих информацию о дефекте, происходит за счет использования одновременной регистрации ударного воздействия несколькими резистивными датчиками (фиг.3). При обработке сигналов с резистивных датчиков получают корреляционную функцию, максимум которой совпадает с моментом появления дефекта на поверхности катания железнодорожного колеса. При использовании быстродействующего преобразователя изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал измерения проводятся в области высоких частот, что позволяет существенно уменьшить влияние шумов и помех.
Предложенный быстродействующий преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков с электрический сигнал по сравнению с известными обладает более высоким быстродействием, так как производится предварительная обработка информации цифровым сигнальным процессором 24 в режиме реального времени. Кроме того, достигается более высокая точность за счет предлагаемого алгоритма компенсации дрейфа. Введение температурных зависимостей изменения сопротивления резистивных датчиков и результатов измерений измерительных каналов блоков в условиях эксплуатации в пути позволяет достигать высокой точности результатов измерений.