МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА СИГНАЛОВ С АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
MULTICHANNEL DEVICE FOR COLLECTING SIGNALS FROM ACCELEROMETERS

Область техники.
Предлагаемое изобретение относится к многоканальным 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. Предлагаемое решение может применяться при построении мобильных и стационарных систем мониторинга, диагностики и защиты оборудования по вибрационным параметрам.
Уровень техники.
Известно многоканальное устройство для сбора сигналов 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 для сбора сигналов 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 для сбора сигналов 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 соединен 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 для сбора сигналов 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 для сбора сигналов 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 для сбора сигналов с акселерометров, содержащее первый, второй и третий входы для подключения акселерометров, первый и второй согласующие усилители, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго интеграторов, а также содержащее первый и второй аналоговые коммутаторы, первый и второй фильтры нижних частот, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами узла аналого-цифрового преобразования, выход которого является выходом устройства, а первый и второй управляющие выходы узла аналого-цифрового преобразования соединены с управляющими входами соответственно первого и второго аналоговых коммутаторов, причем выход первого аналогового коммутатора соединен с входом первого фильтра нижних частот, а вход первого согласующего усилителя является первым входом для подключения акселерометра [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]. Данное устройство может быть использовано для сбора сигналов с акселерометров и передачи их в компьютер.
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, достоверности функционирования и отказоустойчивости.
Поставленная цель достигается тем, что многоканальное устройство для сбора сигналов с акселерометров, содержащее первый, второй и третий входы для подключения акселерометров, первый и второй согласующие усилители, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго интеграторов, а также содержащее первый и второй аналоговые коммутаторы, первый и второй фильтры нижних частот, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами узла аналого-цифрового преобразования, выход которого является выходом устройства, а первый и второй управляющие выходы узла аналого-цифрового преобразования соединены с управляющими входами соответственно первого и второго аналоговых коммутаторов, причем выход первого аналогового коммутатора соединен с входом первого фильтра нижних частот, а вход первого согласующего усилителя является первым входом для подключения акселерометра, дополнительно содержит третий согласующий усилитель, третий интегратор, третий аналоговый коммутатор и третий фильтр нижних частот, а также три дополнительных интегратора, второй и третий входы для подключения акселерометров соединены с входами соответственно второго и третьего согласующих усилителей, выход третьего согласующего усилителя соединен с входом третьего интегратора, выходы первого, второго и третьего интеграторов соединены с входами соответственно первого, второго и третьего дополнительных интеграторов, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого, второго и третьего аналоговых коммутаторов, выход второго аналогового коммутатора соединен с входом второго фильтра нижних частот, а выход третьего аналогового коммутатора соединен с входом третьего фильтра нижних частот, выход которого соединен с третьим входом узла аналого-цифрового преобразования, третий управляющий выход которого соединен с управляющим входом третьего аналогового коммутатора, второй и третий входы первого аналогового коммутатора соединены соответственно с выходом третьего интегратора и выходом второго согласующего усилителя, второй и третий входы второго аналогового коммутатора соединены соответственно с выходом первого интегратора и выходом третьего согласующего усилителя, второй и третий входы третьего аналогового коммутатора соединены соответственно с выходом второго интегратора и выходом первого согласующего усилителя.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве для сбора сигналов с акселерометров 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 соответствующими входами узла аналого-цифрового преобразования, выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с входами интерфейса, выход которого является выходом данного узла аналого-цифрового преобразования, а соответствующие управляющие выходы интерфейса соединены с управляющими входами усилителей с программируемым коэффициентом усиления и с управляющими выходами данного узла аналого-цифрового преобразования.
Другое отличие состоит в том, что в многоканальном устройстве для сбора сигналов с акселерометров 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 данного 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 показан пример второго варианта выполнения структурной схемы узла аналого-цифрового преобразования.
Многоканальное устройство для сбора сигналов с акселерометров содержит первый 1, второй 2 и третий 3 входы для подключения акселерометров, первый 4 и второй 5 согласующие усилители, выходы которых соединены с входами соответственно первого 6 и второго 7 интеграторов, а также содержит первый 8 и второй 9 аналоговые коммутаторы, первый 10 и второй 11 фильтры нижних частот, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами узла 12 аналого-цифрового преобразования, выход 13 которого является выходом устройства, а первый и второй управляющие выходы узла 12 аналого-цифрового преобразования соединены с управляющими входами соответственно первого 8 и второго 9 аналоговых коммутаторов, причем выход первого аналогового коммутатора 8 соединен с входом первого фильтра 10 нижних частот, а вход первого согласующего усилителя 4 является первым входом 1 для подключения акселерометра, дополнительно содержит третий 14 согласующий усилитель, третий 15 интегратор, третий аналоговый коммутатор 16 и третий фильтр 17 нижних частот, а также три дополнительных интегратора 18-20, второй 2 и третий 3 входы для подключения акселерометров соединены с входами соответственно второго 5 и третьего 14 согласующих усилителей, выход третьего согласующего усилителя 14 соединен с входом третьего интегратора 15, выходы первого 6, второго 7 и третьего 15 интеграторов соединены с входами соответственно первого 18, второго 19 и третьего 20 дополнительных интеграторов, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого 8, второго 9 и третьего 16 аналоговых коммутаторов, выход второго аналогового коммутатора 9 соединен с входом второго фильтра 11 нижних частот, а выход третьего аналогового коммутатора 16 соединен с входом третьего фильтра 17 нижних частот, выход которого соединен с третьим входом узла 12 аналого-цифрового преобразования, третий управляющий выход которого соединен с управляющим входом третьего аналогового коммутатора 16, второй и третий входы первого аналогового коммутатора 8 соединены соответственно с выходом третьего интегратора 15 и выходом второго согласующего усилителя 5, второй и третий входы второго аналогового коммутатора 9 соединены соответственно с выходом первого интегратора 6 и выходом третьего согласующего усилителя 14, второй и третий входы третьего аналогового коммутатора 16 соединены соответственно с выходом второго интегратора 7 и выходом первого согласующего усилителя 4.
Узел 12 аналого-цифрового преобразования содержит в каждом канале аналого-цифровой преобразователь 21, входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей 22 с программируемым коэффициентом усиления, входы которых являются соответствующими входами узла 12 аналого-цифрового преобразования, выходы аналого-цифровых преобразователей 21 соединены с входами интерфейса 23, выход которого является выходом (выходной шиной) 13 данного узла 12 аналого-цифрового преобразования, а соответствующие управляющие выходы интерфейса 23 соединены с управляющими входами усилителей 22 с программируемым коэффициентом усиления и с управляющими выходами данного узла 12 аналого-цифрового преобразования.
Как показано на фиг. 2, узел 12 аналого-цифрового преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь 21, вход которого соединен с выходом мультиплексора 24, аналоговые входы которого соединены с выходами соответствующих элементов 25 выборки и хранения, аналоговые входы которых соединены с выходами соответствующих усилителей 22 с программируемым коэффициентом усиления, аналоговые входы которых являются входами узла 12 аналого-цифрового преобразования, управляющие входы усилителей 22 с программируемым коэффициентом усиления и управляющие входы элементов 25 выборки и хранения соединены с выходами интерфейса 23, входная шина которого соединена с выходом аналого-цифрового преобразователя 21, а выходная шина интерфейса 23 является выходом (выходной шиной) 13 данного узла 12 аналого-цифрового преобразования, управляющие выходы которого являются управляющими выходами интерфейса 23.
Интерфейс 23 может быть реализован в виде программируемой интегральной логической схемы (ПЛИС), микроконтроллера или микропроцессора. Он обеспечивает прием и передачу логических сигналов по выходной шине 13 на внешнее вычислительное устройство в соответствии с требуемым интерфейсом, а также формирование управляющих логических сигналов.
Устройство работает следующим образом.
На входы 1-3 поступают сигналы от акселерометров. Эти сигналы проходят через усилители 4, 5 и 14 и с выходов этих усилителей поступают на входы интеграторов 6, 7 и 15. На выходах согласующих усилителей 4, 5 и 15 сигналы соответствуют ускорению. На выходах интеграторов 6, 7 и 15 сигналы соответствуют скорости. С выходов интеграторов 6, 7 и 15 сигналы поступают на дополнительные интеграторы 18, 19 и 20. На их выходах сигналы соответствуют перемещению. Эти сигналы поступают на первые входы коммутаторов соответственно 8, 9 и 16, откуда через фильтры нижних частот, которые являются антиалайзинговыми, поступают на входы узла 12 аналого-цифрового преобразования, если аналоговые коммутаторы скоммутированы на передачу сигналов первых входов на их выходы. В данном режиме устройство обеспечивает сбор сигналов перемещения, которые наиболее достоверно описывают низкочастотную вибрацию, воздействующую на акселерометры, обеспечивая высокую точность оценки такой вибрации.
Если аналоговые коммутаторы 8, 9 и 16 скоммутированы на передачу сигналов с их вторых входов на их выходы, устройство обеспечивает сбор сигналов скорости, которые оптимальны для оценки среднечастотных составляющих контролируемой вибрации.
Если аналоговые коммутаторы 8, 9 и 16 скоммутированы на передачу сигналов с их третьих входов на их выходы, устройство обеспечивает сбор сигналов ускорения, которые оптимальны для оценки высокочастотных составляющих контролируемой вибрации.
Рассмотренные режимы позволяют оценить вибрацию в широком динамическом диапазоне, если она преимущественно соответствует соответственно низкочастотному, среднечастотному или высокочастотному диапазону.
Если на датчики воздействует широкополосная вибрация, предлагаемое устройство позволяет для каждого из каналов ввести синхронно сигналы перемещения, скорости и ускорения, оптимально выбрав усиление каналов, и использовать наилучшим образом имеющуюся разрядность аналого-цифровых преобразователей. Для этого, например, первый аналоговый коммутатор 8 обеспечивает ввод сигнала перемещения от первого датчика, второй аналоговый коммутатор 9 обеспечивает ввод сигнала скорости, а третий аналоговый коммутатор 16 - сигнала ускорения датчика, подключенного к первому входу. Это позволяет для такого сигнала подробно оценить все характеристики во всем частотном диапазоне, повысив точность и достоверность оценки вибрации. Кроме того, поскольку выполняется синхронный ввод сигналов, такие сигналы можно сравнить при их цифровой обработке, оценив правильность работы действующих элементов аналоговых каналов, т.е. повысить контролепригодность устройства сбора сигналов.
Наличие перекрестных связей между каналами также обеспечивает возможность повышенной отказоустойчивости, поскольку при отказе отдельных элементов в каком-либо канале, например дополнительного интегратора 18, первого аналогового коммутатора 8 и первого фильтра 10 нижних частот, а также соответствующих входных цепей узла 12 аналого-цифрового преобразования, сигналы с входа дополнительного интегратора 18 или с выхода первого согласующего усилителя 4 могут быть введены в виде скорости или перемещения по другим входам узла 12 аналого-цифрового преобразования. Это позволяет, пусть и с несколько худшим разрешением, получить информацию о вибрации, действующей на акселерометр, подключенный к первому входу 1, что повышает достоверность функционирования и отказоустойчивость устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает сбор данных, соответствующих ускорению, скорости и/или перемещению.
Предлагаемое устройство обеспечивает возможность такого прецизионного синхронного ввода для каждого из сигналов и для их комбинаций.
Возможность ввода сигналов от одной группы датчиков через два узла аналого-цифрового преобразования разных групп каналов обеспечивает возможность контроля и резервирования в случае отказа в одной из групп каналов, что существенно повышает надежность устройства, при сохранении возможности по всем каналам. Таким образом предлагаемое решение, не требуя увеличения затрат на дополнительные элементы и узлы, обеспечивает повышение контролепригодности, надежности 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 с акселерометров.
Предлагаемое устройство обеспечивает благодаря наличию возможности перекрестного сбора сигналов и режим, когда информация с одного из входов одновременно вводится на все три входа узла 12. Фактически это обеспечивает возможность троичного резервированного ввода, что существенно, например, для систем защиты по вибрации. Это позволяет обеспечить возможность сбора сигналов с повышенной надежностью.