АВТОМАТИЧЕСКИЙ КАЛИБРАТОР МНОГОКАНАЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
AUTOMATIC CALIBRATOR OF MULTICHANNEL MEASURING SYSTEM

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для проведения в автоматическом режиме метрологической поверки и аттестации каналов измерения сигналов тензорезисторных и терморезисторных датчиков быстродействующих информационно-измерительных систем, в которых измерительные и управляющие устройства соединены соответствующими магистралями с коммутаторами датчиков. При проведении экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния натурных авиационных конструкций на исследуемую конструкцию наклеивают несколько тысяч тензорезисторов, устанавливают несколько десятков датчиков силы, давления и перемещения. Применяемые при этом измерительные системы (ИС) должны обеспечить измерение такого количества датчиков. Для решения этой задачи применяют ИС, в которых измерительные выходы коммутаторов датчиков подключаются к измерительной магистрали, соединенной с входом измерительного устройства системы, а управление выбором номера канала коммутатора осуществляется устройством управления системы через магистраль управления. Количество измерительных и управляющих устройств в системе зависит от того количества датчиков, на измерение сигналов которых рассчитана система. При необходимости в эксперименте применяют несколько систем, которые технически согласованы для совместной работы. Метрологическая аттестация и поверка систем предполагает определение погрешности всех измерительных каналов коммутаторов датчиков. Применение средств поверки с ручным управлением для этих целей является трудоемким. Поэтому ИИС стали оснащать автоматическими калибраторами, что привело к значительному сокращению времени на проведение метрологической аттестации и поверки, исключению ошибок от действий оператора. Если в структуре измерительных систем не предусмотрена возможность использования известных автоматических калибраторов, то такие системы желательно оснастить устройствами, которые будут способны обеспечить проведение метрологической аттестации и поверки в автоматическом режиме работы без применения специально выделенных для этого каналов управления в магистрали управлении системы и программного управления выбором ступеней калибратора. Один из возможных вариантов устройства является предметом настоящего изобретения.
Известен автоматический калибратор каналов измерения сигналов тензорезисторных и терморезисторных датчиков измерительной системы - [Патент РФ №2345377, МПК G01R 35/00, 2009 г.]. Калибратор состоит из имитаторов сигналов, устройства управления подключением ступеней сигналов имитатора к измерительным каналам системы и выделенных разрядов управления. Управление выбором ступеней калибратора осуществляется по программе, введенной в компьютер. Автоматический калибратор может быть использован в измерительных системах, в которых управляющие входы коммутаторов датчиков подсоединены к магистрали управления, а измерительные выходы - к измерительной магистрали.
Недостаток известного автоматического калибратора состоит в том, что он встроен в измерительную систему, в которой имеются выделенные разряды управления подключением ступеней имитаторов по программе управления. В магистрали управления коммутаторами датчиков систем, которые не оснащены автоматическими калибраторами, не имеется дополнительных разрядов для управления подключением ступеней имитаторов по программе управления. Поэтому данный автоматический калибратор не может быть применен в измерительных системах, которые не имеют выделенных разрядов для программного управления выбором ступеней.
Известен автоматический калибратор каналов измерения сигналов тензорезисторных и терморезисторных датчиков измерительной системы - [Патент РФ №2324899, МПК G01D 9/00, 2008 г., выбран в качестве прототипа]. Калибратор включает в себя имитатор сигналов датчиков, выполненный в виде формирователя ступеней и коммутатора калибратора, аналогичного коммутатору датчиков системы, при этом каждая ступень формирователя подключена к соответствующему входу коммутатора калибратора. Измерительный выход коммутатора калибратора соединен с каждым измерительным входом поверяемого коммутатора датчиков системы. Коммутаторы датчиков и коммутатор калибратора выполнены по пирамидальной схеме. В системе применяется несколько коммутаторов датчиков, поэтому используется трехступенчатая схема соединения ключевых элементов: первая ступень - номер точки в разъеме коммутатора (№тк), вторая ступень - номер разъема коммутатора (№рк), третья ступень - номер коммутатора в системе (№ком). Для управления выбором требуемой точки в коммутаторе используются шины управления измерительной системы, имеющие соответствующие названия: №тк, №рк, №ком. Передаваемый по ним двоичный код от устройства управления системы в коммутаторах датчиков системы преобразуется в дешифраторах коммутаторов в управляющий сигнал, который открывает соответствующие ключи по цепочке: номер заданной точки в выбранном разъеме, номер требуемого разъема из всех разъемов, номер заданного коммутатора из всех коммутаторов. Управляющие входы коммутатора калибратора соединены с соответствующими входами блока управления измерительной системы. Для выбора номера коммутатора калибратора используются те же шины №ком, что и для коммутатора датчиков, так как эти коммутаторы должны иметь одинаковый логический номер. Для выбора номера точки в разъеме и номера разъема в коммутаторе калибратора используются дополнительные шины, которые названы соответственно №ти и №ри. По этим шинам передаются сигналы управления на подключение ступеней сигналов калибратора к измерительному устройству системы. Управление осуществляется программно управляемым компьютером устройством управления системы. В известном автоматическом калибраторе, взятым за прототип, формирователь ступеней является конструктивно отделяемым от коммутатора калибратора устройством. Имея набор таких формирователей ступеней для различных типов датчиков, можно проводить метрологическую аттестацию и поверку различных измерительных каналов системы.
Недостаток прототипа автоматического калибратора, как и приведенного аналога, состоит в том, что он встроен в измерительную систему, в которой имеются выделенные разряды управления подключением ступеней калибратора, по которым передаются выработанные в устройстве управления калибратором коды в соответствии с введенной в компьютер программой управления. В магистрали управления коммутаторами датчиков систем, которые не оснащены автоматическими калибраторами, не имеется дополнительных разрядов для управления подключением ступеней имитаторов по программе управления, а сами системы не оснащены устройствами управления калибратором. Поэтому известный автоматический калибратор не может быть применен в таких измерительных системах.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей автоматического калибратора для обеспечения проведения метрологической аттестации и поверки многоканальных измерительных систем при использовании для управления выбором ступеней сигналов автоматического калибратора тех же управляющих сигналов, передаваемых по магистрали управления, что и для коммутаторов датчиков системы.
Технический результат в автоматическом калибраторе многоканальной измерительной системе достигается тем, что автоматический калибратор многоканальной измерительной системы, содержащий устройство управления калибратора, формирователь сигналов с выходами для каждой ступени сигнала и коммутатор калибратора, аналогичный коммутатору датчиков поверяемой системы, при этом выход каждой ступени формирователя сигналов подключен к соответствующему входу коммутатора калибратора, измерительный выход которого соединен с каждым измерительным входом коммутатора датчиков поверяемой системы, а устройство управления калибратора содержит двоичный счетчик ступеней, выходы которого соединены с управляющими входами номера точки в коммутаторе калибратора и логическим элементом И-НЕ этого устройства управления, счетный вход двоичного счетчика ступеней соединен с «нулевым» в исходном состоянии выходом триггера, а вход «установка нуля» этого счетчика соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля», первым входом первого логического элемента ИЛИ и первым входом второго логического элемента ИЛИ, первый вход триггера соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ, второй вход триггера соединен с однополюсным переключателем и вторым входом второго логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом «установка нуля» двоичного счетчика количества циклов измерений, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента И, а выходы соединены с входами двоичного дешифратора количества циклов измерений, первый выход которого соединен с вторым входом первого логического элемента ИЛИ, а выход с номером, равным количеству циклов измерений, соединен с входом однополюсного переключателя, первый вход логического элемента И соединен с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ, второй вход логического элемента И соединен с выходом логического элемента И-НЕ, входы логического элемента ИЛИ-НЕ, являющиеся входами устройства управления калибратора, соединены с выходами номера коммутатора магистрали управления поверяемой системы, управляющие входы номера разъема и номера коммутатора в коммутаторе калибратора соединены с выходами узла формирования номера разъема и номера коммутатора калибратора.
Схема автоматического калибратора и его подключения к измерительной системе представлена на фиг. 1.
Автоматический калибратор 1 состоит из формирователя ступеней 2, коммутатора калибратора 3 и устройства управления 4. Формирователь ступеней 2 и коммутатор имитатора 3 образуют имитатор сигналов, который предназначен для формирования дискретных ступеней сигналов того типа датчиков, для которого он создан. Как и в известном автоматическом калибраторе, взятым за прототип, формирователь ступеней 2 состоит из набора соединенных между собой и запитываемых током резисторов. Выходы формирователя ступеней представляют ступени аналоговых сигналов. Выходы питания и потенциальные выходы каждой ступени формирователя соединены с соответствующим измерительным входом коммутатора имитатора: максимальная отрицательная ступень соединяется с первой точкой коммутатора имитатора, следующая отрицательная ступень - с второй точкой и так далее, пока не подсоединится максимальная положительная ступень. В системе на фиг. 1 к одному разъему можно подключить до 8 датчиков, для симметрии в формирователе ступеней 2 количество отрицательных и положительных ступеней относительно нулевой ступени должно быть равным. Поэтому формирователь ступеней должен быть рассчитан на 7 ступеней, из которых три отрицательные, нулевая и три положительных.
Формирователь 2 является конструктивно отделяемым от коммутатора имитатора устройством. Имея набор таких формирователей ступеней для различных типов датчиков (одиночных тензорезисторов, мостовых тензорезисторных датчиков силы, давления и перемещения, термометров сопротивления), можно проводить с помощью одного и того же автоматического калибратора метрологическую аттестацию и поверку соответствующих измерительных каналов не одной, как в прототипе, а нескольких систем. На фиг. 1 приведена схема формирователя ступеней 2 в составе имитатора сигналов одиночных тензорезисторов.
Коммутатор имитатора 3 имеет общую с коммутаторами датчиков системы принципиальную схему. Измерительный выход коммутатора 3 соединен с каждым измерительным входом поверяемого коммутатора датчиков системы, а управляющие входы №тк, №рк, №ком соединены с управляющими выходами устройства управления 4.
В состав устройства управления 4 входят: логический элемент ИЛИ-НЕ 5, логический элемент И 6, формирователь сигнала «установка нуля» 7, двоичный счетчик количества циклов измерений 8, двоичный дешифратор количества циклов измерений 9, первый логический элемент ИЛИ 10, второй логический элемент ИЛИ 11, однополюсный переключатель 12, триггер 13, двоичный счетчик ступеней 14, логический элемент И-НЕ 15, узел формирования номера разъема и номера коммутатора имитатора 16.
На входе устройства управления 4 установлен логический элемент ИЛИ-НЕ 5. Входы элемента ИЛИ-НЕ 5, представляющие управляющие входы устройства управления 4, соединены с выходами номера коммутатора (№ком) магистрали управления системы. В состав системы, представленной на фиг. 1, входит до 16 коммутаторов датчиков. Поэтому по шинам №ком передается двоичный четырехразрядный код управления выбором номера коммутатора и количество входов элемента ИЛИ-НЕ 5 равно 4. Выход элемента ИЛИ-НЕ 5 соединен с первым входом элемента И 6, второй вход элемента И соединен с выходом элемента И-НЕ 15. Выход элемента И соединен со счетным входом двоичного счетчика количества циклов измерений 8, вход «установка нуля» которого соединен с выходом второго логического элемента ИЛИ 11, первый вход которого соединен с выходом формирователя сигнала «установка нуля» 7. Выход формирователя сигнала «установка нуля» 7 соединен также с первым входом первого логического элемента ИЛИ 10 и входом «установка нуля» двоичного счетчика ступеней 14. Количество выходов двоичного счетчика 8 зависит от количества циклов измерений, заложенных в системе для повышения точности измерений при борьбе с шумами путем усреднения результатов измерений каждого цикла измерения. На фиг. 1 счетчик 8 имеет 4 двоичных выхода для обеспечения возможности подсчета 15 циклов измерений. Выходы счетчика 8 соединены с входами двоичного дешифратора количества циклов измерений 9, первый выход которого соединен со вторым входом первого логического элемента ИЛИ 10, а выход с номером, равным количеству циклов измерений, соединен с входом однополюсного переключателя 12. Выход переключателя 12 соединен со вторым входом триггера 13, первый вход которого соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ 10, а «нулевой» в исходном состоянии выход триггера 13 соединен со счетным входом двоичного счетчика ступеней 14. Выходы счетчика 14, представляющие собой первые выходы устройства управления (выходы №тк), соединены с управляющими входами номера точки в коммутаторе имитатора и логическим элементом И-НЕ 15.
Формирователь сигнала «установка нуля» 7 включает в себя кнопку, при нажатии на которую формируется перепад напряжения с нуля на плюс, обеспечивающий установку в «нуль» непосредственно счетчика 14, а через логические элементы ИЛИ 10 и 11 соответственно - триггера 13 и счетчика 8. В отжатом состоянии кнопки на выходе формирователя 7 напряжение равно нулю. Питание формирователя 7, как и всех элементов и узлов устройства управления 4, осуществляется от ИС, возможны другие варианты питания формирователя 7.
1
Узел формирования номера разъема и номера коммутатора имитатора 16 состоит из тумблеров, количество которых равно количеству входов номера разъема и номера коммутатора в коммутаторе калибратора: 3 по одному тумблеру на каждый вход. Тумблер в одном положении соединен с источником напряжения +U, а в другом положении - с нулевым потенциалом. Выходы контактов тумблеров номера разъема, представляющие вторые управляющие выходы устройства управления 4, соединены с управляющими входами номера разъема (№рк) коммутатора калибратора 3. Выходы контактов тумблеров номера коммутатора, представляющие третьи управляющие выходы устройства управления 4, соединены с управляющими входами номера коммутатора (№ком) в коммутаторе калибратора 3. Включение тумблеров номера разъема в двоичном коде соответственно номеру разъема коммутатора калибратора 3, к которому подсоединен формирователь ступеней 2, приводит к постоянному подключению измерительного выхода ключевых элементов выбранного номера точки в этом разъеме к измерительному входу ключевых элементов номера коммутатора калибратора. Это позволяет на различные разъемы коммутатора 3 подсоединить формирователи ступеней для формирования сигналов различных типов датчиков и, выбирая тумблерами соответствующий номер разъема коммутатора имитатора, последовательно провести метрологическую поверку всех измерительных каналов системы при наличии в ней программируемых нормирующих преобразователей измеряемых сигналов различных типов датчиков. Если в системе каждый нормирующий преобразователь предназначен для измерения сигналов одного типа датчиков, то формирователь ступеней 2, соответствующий данному типу датчиков, рекомендуется подключать к одному и тому же, например, первому разъему коммутатора калибратора 3. В этом случае тумблеры номера разъема в узле 16 будут установлены постоянно в одном положении.
Включение тумблеров соответственно номеру коммутатора калибратора в двоичном коде приводит к постоянному подключению измерительного выхода коммутатора калибратора 3 к измерительной магистрали системы. Это позволяет применять один коммутатор калибратора в составе автоматического калибратора для проведения метрологической поверки ИИС при поочередном подключении всех коммутаторов датчиков системы, имеющих различные между собой номера.
Логические элементы, триггер, двоичные счетчики и дешифратор, входящие в состав устройства управления 4, являются цифровыми микросхемами.
Информационно-измерительная система состоит из коммутаторов датчиков 17, измерительного модуля 18, интерфейсного блока 19 и компьютера 20. В состав представленной на фиг. 1 системы входит до 16 коммутаторов датчиков, поэтому используется трехступенчатая схема соединения ключевых элементов: первая ступень - номер точки в разъеме коммутатора (№тк), вторая ступень - номер разъема коммутатора (№рк), третья ступень - номер коммутатора в системе (№ком). Для управления выбором требуемой точки в коммутаторе используются шины управления измерительной системы, имеющие соответствующие названия: №тк, №рк, №ком. Передаваемый по ним двоичный код от устройства управления в составе измерительного модуля системы в коммутаторах датчиков системы преобразуется в дешифраторах коммутаторов в управляющий сигнал, который открывает соответствующие ключи по цепочке: номер заданной точки в подключенном разъеме, номер выбранного разъема из всех разъемов, номер заданного коммутатора из всех коммутаторов. На фиг. 1 представлен один коммутатор датчиков 17 и приведена схема его соединения с автоматическим калибратором 1 и блоками системы для пояснения работы калибратора при метрологической поверке. По шинам №тк передается три двоичных кода управления выбором номера точки в одном разъеме, поэтому к одному разъему можно подключить до 8 датчиков. По шинам №рк передается три двоичных кода управления выбором номера разъема, поэтому в одном коммутаторе имеется 8 разъемов. Таким образом, к одному коммутатору можно подключить до 64 датчиков. Система, как было указано выше, рассчитана на подсоединение до 16 коммутаторов датчиков, потому что по шинам №ком передается четыре двоичных кода управления выбором номера коммутатора. Всего к системе можно подключить до 1024 датчиков.
Применение заявляемого автоматического калибратора для проведения метрологической поверки и аттестации измерительных систем не зависит от технических параметров систем по количеству управляющих сигналов, передаваемых по шинам управления, и количества датчиков, подключаемых к системе, они могут отличаться от приведенных параметров в системе на фиг. 1. В подобных ИС необходимым условием применения калибратора для этих целей является подсоединение коммутаторов датчиков к блокам системы по магистрали управления и измерительной магистрали, как это показано на фиг. 1.
Автоматический калибратор в составе системы работает следующим образом. Вначале автоматический калибратор 1 подсоединяется к коммутатору системы 17 в соответствии со схемой фиг. 1. Тумблеры узла формирования номера разъема и номера коммутатора имитатора 16 устанавливаются в положения, соответствующие номеру разъема коммутатора калибратора 3, к которому подсоединен формирователь ступеней 2, и номеру коммутатора калибратора 3, который используется в составе автоматического калибратора 1. В компьютер 20 вводится программа метрологической поверки системы, в соответствии с которой устройством управления измерительного модуля 18 выдаются коды по магистрали управления. Эти коды равны логическим нулям по всем шинам №тк, №рк, №ком. Нажатием кнопки формирователя сигнала «установка нуля» 7 осуществляется установка в исходное состояние устройства управления 4 автоматического калибратора 1. При этом на выходах счетчика ступеней 8 будут нулевые потенциалы, что обеспечит открытие ключевых элементов первой точки коммутатора калибратора 3. Открытие тумблерами узла 16 ключевых элементов номера разъема и номера коммутатора калибратора а приведет к тому, что максимальная отрицательная ступень формирователя ступеней 2 подключается к первой точке коммутатора калибратора 3, открытый измерительный выход которого будет соединен с измерительными входами всех точек коммутатора датчиков 17. В коммутаторе датчиков 17 измерительные входы первой точки через открытые ключевые элементы первой точки и первого разъема подключатся к входам ключевых элементов номера коммутатора. Дешифратор номера коммутатора в коммутаторе датчиков 17 сформирует на первом выходе положительный потенциал, на остальных выходах дешифратора потенциал будет нулевой. Это означает, что выбран коммутатор датчиков с номером 1. При совпадении установленного в коммутаторе датчиков 17 номера коммутатора с номером 1 ключевые элементы номера датчика будут открыты, и измерительные входы первой точки коммутатора 17 будут соединены с измерительной магистралью системы. При несовпадении измерительный выход коммутатора 17 не будет соединен с измерительной магистралью. В результате проведенных действий автоматический калибратор подготовлен к метрологической поверке системы.
Работа калибратора начинается с опроса коммутаторов датчиков. Все коммутаторы датчиков последовательно опрашиваются за один цикл. При совпадении номера коммутатора 17, подсоединенного к калибратору 1, с номером коммутатора, который передается по магистрали управления, коммутатор датчиков 17 подключается к измерительной магистрали системы. Напряжение, соответствующее максимальной отрицательной ступени имитатора сигналов, будет последовательно подключаться коммутатором 17 на вход нормирующего преобразователя, измеряться и преобразовываться в код измерительным устройством системы, передаваться в компьютер и запоминаться.
После завершения цикла опроса коммутаторов система будет установлена в исходное состояние. При этом коды, соответствующие нулевому потенциалу по всем шинам №ком, поступят по магистрали управления на входы логического элемента ИЛИ-НЕ 5 устройства управления 4 автоматического калибратора 1. Логический элемент ИЛИ-НЕ 5 сформирует на первом выходе положительный перепад напряжения, потому что перед этим по шинам №ком передавался код, отличный от всех нулей. Этот положительный перепад напряжения поступит на первый вход логического элемента И 6, на втором входе элемента И 6 в это время будет положительный потенциал, сформированный на выходе элемента И-НЕ 15. Положительный потенциал будет постоянно формироваться на выходе элемента И-НЕ 15, пока на всех выходах счетчика 14 не установятся положительные потенциалы, а это произойдет в конце работы устройства 4. Положительный перепад напряжения, сформированный на выходе элемента И 6, переключит выход счетчика 8 в состояние единицы в двоичном коде. Этот код поступит на вход дешифратора 9, который сформирует положительный потенциал на втором выходе. На фиг. 1 переключатель 12 установлен в положение, при котором его выход соединен с шестнадцатым выходом дешифратора 9. Такое соединение произведено в качестве примера для системы, в которой используется пятнадцать циклов измерений для повышения точности измерений по каждому датчику путем последующего усреднения результатов измерений. Применение калибратора для метрологической поверки системы не должно ухудшить точность системы, поэтому каждая ступень имитатора сигналов должна опрашиваться и измеряться за то же количество циклов, сколько их заложено в программе измерения сигналов датчиков. Поэтому калибратор 1 на фиг. 1 обеспечивает проведение измерений каждой ступени имитатора сигналов за 15 циклов измерений. Изложенная выше последовательность переключений приведет к пятнадцатикратному опросу и измерению максимальной отрицательной (-3) ступени имитатора. После того, как счетчик отсчитает 15 циклов измерений, на шестнадцатом выходе дешифратора 9 сформируется положительный перепад напряжения, который с выхода переключателя 12 передастся на второй вход триггера 13. В результате триггер из состояния логического нуля перейдет в состояние логической единицы и переключит счетчик ступеней 14 в состояние, при котором на его выходе сформируется единица в двоичном коде. Этот код поступит на входы номера точки коммутатора калибратора 3 и сформирует на втором выходе дешифратора номера точки этого коммутатора положительный потенциал. В результате минус вторая ступень формирователя ступеней 2 подключится ко второй точке коммутатора калибратора 3. Затем, как и для ступени с номером минус три формирователя, произойдет пятнадцатикратный опрос и измерение этой ступени. Так последовательно ступени формирователя 2 будут опрашиваться и измеряться, пока не будет опрошена и измерена максимальная положительная ступень (+3). Этому состоянию будет соответствовать на выходе счетчика 14 число 6 в двоичном коде. При завершении следующего цикла опроса коммутаторов датчиков на выходе счетчика 14 сформируется число 7 в двоичном коде. Код из трех логических единиц с выхода счетчика 14 сформирует на выходе логического элемента И-НЕ 15 нулевой потенциал, что приведет к формированию на выходе логического элемента И 6 нулевого потенциала и запрету на дальнейшее прохождение импульсов от магистрали управления на калибратор 1. На этом работа калибратора 1 завершается. Для повторения метрологической поверки надо произвести действия, которые описаны в разделе по подготовке калибратора к работе с системой.
Проведенные исследования показали работоспособность предложенного автоматического калибратора. Применение данного изобретения позволит проводить в автоматическом режиме метрологическую поверку и аттестацию каналов измерения сигналов тензорезисторных и терморезисторных датчиков быстродействующих измерительных систем, в которых измерительные и управляющие устройства соединены соответствующими магистралями с коммутаторами датчиков, и которые не были оснащены автоматическими калибраторами для осуществления такой аттестации и метрологической поверки. Применение формирователей ступеней сигналов тензорезисторов и термосопротивлений, выполненных в виде отдельных конструктивных узлов, позволит использовать один и тот же блок управления калибратора для проведения метрологической поверки различных систем и различных, соответствующих типу формирователя сигналов, измерительных каналов систем. Предлагаемое изобретение рекомендуется применять в измерительных системах, для которых количество ступеней в формирователе ступеней автоматического калибратора не превышает количества точек в разъеме коммутатора датчиков.