УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ И ПРЕДАВАРИЙНЫХ СОСТОЯНИЙ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области диагностики состояния различных конструкций, находящихся в напряженных условиях при эксплуатации или экспериментальных исследованиях.

Известно устройство для исследования трещинообразования в образце с применением фольгового датчика аварийных ситуаций (ДАС) с фигурной конфигурацией, наклеенного таким образом, что появление трещины и ее развитие разрывает последовательно полоски датчика, что приводит к скачкообразному изменению амплитуды колебаний генератора за счет изменения суммарной емкости, входящей в резонансный контур. По расстоянию между полосками датчика и по времени зарегистрированных обрывов определяют среднюю скорость движения трещины [1]
Известно также устройство для исследования развития трещины, содержащее в качестве ДАС проволочные датчики разрушения и опросный механизм (блок переключения датчиков), запускаемый периодически от генератора тактовых импульсов при достижении в конструкции максимальных нагрузок и поочередно проверяющий каждый датчик. Через каждый ДАС пропускается через резистор ток от блока питания. При разрушении проволоки ДАС ток прекращается и блок переключения ДАС фиксирует нарушение контакта и указывает номер разрушенного ДАС. Со схемы управления вырабатывается сигнал на блок аварийной сигнализации. Возобновление спроса ДАС осуществляется по сигналу от ручной кнопки [2]
Однако приведенные выше устройства не могут эффективно использоваться для контроля предаварийных ситуаций в тех случаях, где при большом числе датчиков аварийных ситуаций (ДАС) возможно кратковременное появление сигнала с датчика с последующим возвращением его к нормальному уровню. Во-первых, это событие может оказаться незарегистрированным при последовательном опросе ДАС из-за конечной длительности переходных процессов в линиях связи и коммутирующих элементов, а также из-за помех разного рода. Во-вторых, в ряде случаев кратковременное появление сигнала с ДАС, например, при правильном проходе резонансных частот компрессора не представляет опасности для установки и экспериментатор может продолжить работу, что бывает крайне важно, когда дорогостоящий эксперимент, например в аэродинамических трубах, необходимо довести до конца. Вместе с тем необходимо эти события регистрировать и исследовать частоту и длительность процесса в течение всего времени эксперимента с целью прогнозирования поведения установки.

Кроме того, приведенные выше устройства не позволяют выявить и предотвратить аварию в случае одновременного появления сигналов с ДАС с двух или более датчиков, что бывает необходимо при исследовании в особо опасных режимах или внезапного нарушения нормального режима работы, вызванного, например, попаданием постороннего предмета в движущиеся части и т.п.

Все описанные устройства не имеют также встроенной текущей диагностики работоспособности системы, что снижает надежность системы особенно при долговременных испытаниях.

При многоточечных испытаниях устройства потребляют значительную мощность за счет того, что каждый ДАС постоянно подключен через токозадающий резистор к источнику питания, что также является недостатком.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия, помехозащищенности, точности, надежности и экономичности устройства диагностирования процессов при исследовании аварийных и предаварийных состояний различных конструкций.

Техническим результатом является:
опрос состояния ДАС по группам, собранным по функциональному признаку;
тестирование сигнала с ДАС по продолжительности и по характерным признакам (например, сигнал с двух датчиков одновременно и т.п.);
подключение группы датчиков к блоку питания через токозадающие резисторы только на время опроса группы;
имитация аварийной и предаварийной ситуации для постоянного контроля работоспособности системы;
введение в информационное сообщение наряду с сигналами с ДАС дополнительных признаков.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для обнаружения и исследования аварийных и предаварийных состояний различных конструкций, содержащее датчики аварийных ситуаций, генератор тактовой частоты, токозадающие резисторы, схему управления, блок аварийной сигнализации, блок питания, блок переключения датчиков аварийных ситуаций, причем один выход каждого датчика аварийных ситуаций присоединен ко входу блока переключения датчиков аварийных ситуаций, а другой к общей шине блока питания, выход генератора тактовой частоты присоединен к первому входу схемы управления, а адресный выход схемы управления присоединен к адресным входам блока переключения датчиков аварийных ситуаций, один вывод каждого токозадающего резистора присоединен к блоку питания, введены формирователи сигналов с датчиков аварийных сигналов по функциональным признакам, оперативное запоминающее устройство, временной селектор, формирователь стробирующего импульса, адресуемый имитатор датчиков аварийных и предаварийных ситуаций, система сбора и обработки данных, а блок переключения датчиков аварийных ситуаций выполнен в виде ряда адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций, причем второй вывод каждого токозадающего резистора присоединен к параллельно соединенным выходам с одинаковыми номерами адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и к каждому входу формирователей сигналов с датчиков аварийных ситуаций, адресные входы адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и адресуемого имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций соединены параллельно, выходы имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций соединены параллельно с одноименными выходами адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и к информационным входам оперативного запоминающего устройства, причем к информационным входам оперативного запоминающего устройства подключены также порознь адресные входы адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и выходы всех формирователей сигналов с датчиков аварийных ситуаций, первый вход временного селектора присоединен к выходу одного из формирователей сигналов с датчиков аварийных ситуаций, а выход временного селектора через формирователь стробирующего импульса присоединен к управляющему входу оперативного запоминающего устройства, второй вход схемы управления соединен с выходом формирователя стробирующего импульса, а первый выход схемы управления соединен со вторым входом временного селектора, второй выход схемы управления соединен с входом синхронизации оперативного запоминающего устройства, третий выход соединен со входами адресуемого имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций, а выход оперативного запоминающего устройства соединен с устройством сбора и обработки информации, выход которого подключен к блоку аварийной сигнализации.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство состоит из ДАС, объединенных в функциональные группы 1, адресуемых блоков переключения групп ДАС 2, токозадающих резисторов (R₁±R_n) 3, формирователей сигналов с ДАС по различным признакам 4, генератора стробирующего импульса 7, оперативного запоминающего устройства 8, схемы управления 9, системы сбора и обработки данных 10, адресуемого имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций 11, блок аварийной сигнализации 12, блока питания 13.

ДАС, объединенный в функциональные группы 1, присоединены каждый одним выводом к одному из информационных входов адресуемых блоков переключения групп ДАС 2, причем каждый адресный вход адресуемого блока переключения групп ДАС присоединен к одному из адресных входов схемы управления 9, вторые выводы всех ДАС присоединены к общей шине блока питания 13, а выходы с одинаковыми номерами всех блоков переключения групп ДАС соединены параллельно и присоединены каждый к одному информационному входу оперативного запоминающего устройства 8, причем число информационных входов оперативного запоминающего устройства 8 равно в сумме числу ДАС в группе 1, числу адресных линий схемы управления 9 и числу выходов формирователей сигнала с ДАС 4, при этом каждый вход формирователя сигнала с ДАС 1 и через токозадающий резистор R_i(3) к блоку питания 13, а выход одного из формирователей сигналов с ДАС 4 присоединен к одному входу временного селектора 6, причем другой вход временного селектора 6 подключен к одному выходу схемы управления 9, а выход временного селектора 6 присоединен к формирователю стробирующего импульса 7, выход которого подключен к одному входу схемы управления 9 и к управляющему входу оперативного запоминающего устройства 8, а другой вход схемы управления 9 связан с выходом генератора тактовой частоты 5, второй выход схемы управления 9 связан со входом синхронизации оперативного запоминающего устройства 8, а третий выход схемы управления связан со входами имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций 11, каждый выход которого присоединен порознь к токозадающим резисторам 3, а адресные входы соединены параллельно с адресными входами всех блоков переключения ДАС 1, причем выход оперативного запоминающего устройства 8, присоединен к системе сбора и обработки данных 10, выход которой присоединен к блоку аварийной сигнализации 12.

Работу устройства можно описать следующим образом. ДАС организованы в функциональные группы 1 и опрашиваются адресуемыми переключателями групп с тремя состояниями 2.

Принцип организации ДАС в группы определяется типом проводимых работ. Подключение каждого ДАС к блоку питания 13 осуществляется через токозадающий резистор 3 в момент выбора адреса блока переключения данной группы 2. При отсутствии неисправности на всех выходах блока переключения групп ДАС устанавливается, например, уровень логического "0". Опрос групп ДАС при отсутствии дефектов проводится с большой скоростью, что позволяет фиксировать с большой точностью начало аварийного процесса (например, трещинообразование).

Управление опросом блоков переключателей групп ДАС 2 осуществляется со схемы управления 9, на второй вход которой поступают сигналы с тактового генератора частоты 5.

Если хотя бы один ДАС в опрашиваемой группе находится в аварийном режиме, на соответствующем выходе блока переключателя групп ДАС 2 формируется, например, уровень логической "1", и на выходе формирователя сигнала с ДАС 4 появляется уровень логического "0", запускающий временной селектор 6. Из сигнала на выходе временного селектора 6, если длительность процесса на датчике больше или равна времени, заданного временным селектором, формируется стробирующий импульс, по переднему фронту которого информация о состоянии ДАС в группе заносится в оперативное запоминающее устройство 8, заносится адрес группы и состояние выходов всех формирователей сигналов с ДАС 4 с тех ДАС, одновременное разрушение которых должно вызвать прекращение эксперимента. Такая форма записи дает возможность регистрации быстропротекающих процессов и повышает надежность и точность диагностирования процесса, т.к. исключает ошибку при расшифровке родовых сообщений, что бывает важно при дистанционной связи с системой сбора и обработки данных. Кроме того, временной селектор позволяет выделять сигналы с ДАС с заданной длительностью.

Опрос следующей группы ДАС возобновляется по заднему фронту стробирующего импульса. Одновременно по тактовым импульсам со схемы управления 9 информация с оперативного запоминающего устройства 8 выводится в систему сбора и обработки данных 10.

Контроль работоспособности устройства осуществляется адресуемым имитатором датчиков аварийных и предаварийных ситуаций 11.

Сигналы с имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций 11 с длительностью, различаемой временным селектором 6, вырабатываются в схеме управления с периодом в несколько секунд, проходят через оперативное запоминающее устройство 8 в систему сбора и обработки 10, где опознаются, анализируются и в случае, если кодовая комбинация, отражающая заданные аварийные ситуации, отличается от заданной, выдает сигнал оповещения на устройство аварийной сигнализации 12. Число сигналов с имитатора ДАС 11 равно числу датчиков в группе. Вид сигналов определен таким образом, чтобы проверить полное функционирование системы.

Ниже приводится описание элементов устройства.

Датчик аварийных ситуаций (ДАС). В качестве ДАС могут быть применены различные датчики, обеспечивающие при нарушении нормального состояния объекта изменение сигнала на своем выходе.

Типичными ДАС при исследовании конструкций являются проволочные или фольговые датчики, наклеиваемые на исследуемую конструкцию и разрушающиеся при появлении трещин. Через датчики пропускается ток, и разрушение датчика приводит к резкому изменению сигнала на его выходе.

Кроме того, в качестве ДАС могут использоваться самые различные датчики физических величин температуры, деформации, давления и т.д. снабженные соответствующими нормализаторами. При изменении значений наблюдаемой физической величины до опасного уровня на выходе нормализатора формируется резкий скачок напряжения. В.И. Литвак. Автоматизация усталостных натурных испытаний. М. Машиностроение, 1972, с. 142.

Адресуемый блок переключения групп датчиков. Опрашивает состояние одновременно всех ДАС в группе при обращении по его адресу. В качестве этого блока могут быть использованы электронные устройства с тремя состояниями: регистры, шинные приемопередатчики, коммутаторы групп и т.п. Могут быть использованы также механические групповые переключатели, шаговые искатели с синхронным управлением и т.д.

Формирователь сигналов с ДАС. Предназначен для выявления сигнала об аварии в группе ДАС. Формирователь может представлять собой микросхему с числом входов, равным числу датчиков в группе. Микросхема выполняет логическую функцию "ИЛИ", если исследователя интересует разрушение любого одного датчика в группе, "2И-ИЛИ" если необходима информация об одновременном разрушении двух датчиков и т. д. Управляющий сигнал для временного селектора снимается с выхода того формирователя, информация с которого является приоритетной. Выходные сигналы с остальных формирователей поступают в оперативное запоминающее устройство и обеспечивают дополнительную информацию.

Временной селектор. Служит для "масштабирования" по времени сигналов ДАС. Параметры временного селектора выбираются равнымы времени, допустимому с точки зрения безопасности.

В простейшем случае в качестве временного селектора может использоваться счетчик с управляющим входом (см. Фролкин В.Т. Л.Н. Попов. Импульсные устройства. М. Советское Радио, 1980 с. 355).

Формирователь стробирующего импульса. Формирует из сигнала с выхода временного селектора импульс, по которому информация с опрашиваемой группы ДАС, выходов формирователей сигналов с ДАС, адресной шины ДАС заносится в оперативное запоминающее устройство. Этот же импульс через схему управления возобновляет опрос следующих групп ДАС.

Схема управления выполняет следующие функции.

1. Управление блоками переключения групп ДАС.

2. Деление частоты тактового генератора для получения синхронизирующих импульсов для управления оперативным запоминающим устройством.

3. Прекращение опроса блока переключателей групп ДАС на время появления сигнала с ДАС.

4. Возобновление опроса ДАС в случае, если длительность сигнала с ДАС меньше, равна или больше времени, установленного временным селектором.

5. Вырабатывание входных сигналов для имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций.

Схема составлена из простых логических элементов счетчиков, вентилей, одновибратора и т.д.

Примеры аналогичных схем приведены, например, в справочнике "Применение интегральных микросхем в электронной и вычислительной технике", М. Радио и связь, 1987.

Адресуемый имитатор датчиков аварийных и предаварийных ситуаций состоит из блока, аналогичного блоку переключения ДАС. Часть входов блока может быть соединена с общей шиной и имитирует исправные датчики, а на остальные со схемы управления периодически подается уровень логической "1", имитируя сигнал с ДАС с длительностью, равной или большей времени, задаваемой временным селектором. Комбинация состояния датчиков задается таким образом, чтобы проверить исправность функционирования всего устройства.

В качестве формирователя логической "1" сигналов, имитирующих ДАС, может использоваться, например, одновибратор, на вход которого через делитель частоты подается сигнал с генератора тактовой частоты.

Оперативное запоминающее устройство может быть выполнено на нескольких регистрах с параллельным вводом информации со входов по стробирующему импульсу, поданному на управляющий вход, и затем выводу в последовательной или параллельной форме со скоростью, определяемой возможностями применяемой системы сбора и обработки данных, длине линий до системы сбора и обработки и т.п.

Система сбора и обработки состоит из устройств ввода данных в последовательной или параллельной форме и электронной вычислительной машины.

Назначение прием и обработка данных с ДАС, вырабатывание сигнала аварийной сигнализации. Примеры выполнения таких систем с применением персональных компьютеров типа PC-AT описаны в книге "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC" под редакцией У. Томпкинса и Дж. Уэбстера, М. Мир, 1992.

Предлагаемое устройство может быть особенно полезным при исследовании быстропротекающих процессов, например при растрескивании конструкций или конструкций, находящихся под воздействием знакопеременных механических нагрузок, так как позволяет фиксировать кратковременные отклонения от нормального режима работы. В частности, устройство может получить применение при контроле состояния большого числа лопаток турбин, компрессоров, испытаниях различных конструкций на ресурс, прочность, удар, где в качестве датчиков аварийного состояния используются проволочные или фольговые датчики обрыва.

Устройство может быть также полезным везде, где за аварийным состоянием, вызванным превышением заданных уровней физических параметров, следят датчики температуры, вибраций давления и т.п.

В последнем случае для усиления сигнала с датчиков необходимо применять простейшие нормализаторы.

Устройство было изготовлено, опробовано в условиях энергонасыщенного объекта (аэродинамической трубы) с количеством проволочных ДАС около 216 шт. Частота опроса групп ДАС составила 750 кГц.

Устройство позволило надежно различить аварийные ситуации с длительностью 0,3 м сек и частотой до 1 кГц благодаря тому, что цикл опроса ДАС сократился пропорционально числу датчиков в группе. Для данной реализации устройства ДАС были организованы в группе по 8, что позволило поднять быстродействие в 8 раз и обнаружить аварийный процесс максимум через 30 мк/сек после его начала. Для других реализаций эта цифра может быть сокращена за счет увеличения числа датчиков в группе.

При традиционном способе с последовательным опросом при тех же частотах опроса цикл опроса ДАС составлял бы величину 250 мк/сек.

Устройство экономично, т.к. потребляет около 0,25 Вт (без ЭВМ PC-AT; при традиционном исполнении, когда через проволочные ДАС постоянно протекает ток, мощность возрастает пропорционально числу датчиков. Для этой реализации она составила бы 30 Вт (216х10•10^-3А•15В=32 Вт.

Сущность изобретения: устройство содержит соединенные между собой датчики аварийных ситуаций 1, адресуемые блоки переключения 2 датчиков аварийных ситуаций, адресуемый имитатор аварийных ситуаций 11, временной селектор 6, формирователь сигналов 4 датчиков аварийных ситуаций 1 по функциональным признакам, формирователь стробирующего импульса 7, систему сбора и обработки данных 10, блок аварийной ситуации 12 и блок питания 13. 1 ил.

Устройство для обнаружения и исследования аварийных и предаварийных состояний различных конструкций, содержащее датчики аварийных ситуаций, генератор тактовой частоты, токозадающие резисторы, схему управления, блок аварийной сигнализации, блок питания, блок переключения датчиков аварийных ситуаций, причем один выход каждого датчика аварийных ситуаций присоединен к входу блока переключения датчиков аварийных ситуаций, а другой к общей шине блока питания, выход генератора тактовой частоты присоединен к первому входу схемы управления, а адресный выход схемы управления присоединен к адресным входам блока переключения датчиков аварийных ситуаций, один вывод каждого токозадающего резистора присоединен к блоку питания, отличающееся тем, что в него введены формирователи сигналов с датчиков аварийных сигналов по функциональным признакам, оперативное запоминающее устройство, временной селектор, формирователь стробирующего импульса, адресуемый имитатор датчиков аварийных и предаварийных ситуаций, система сбора и обработки данных, а блок переключения датчиков аварийных ситуаций выполнен в виде ряда адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций, причем второй вывод каждого токозадающего резистора присоединен к параллельно соединенным выходам с одинаковыми номерами адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и к каждому входу формирователей сигналов с датчиков аварийных ситуаций, адресные входы адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и адресуемого имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций соединены параллельно, выходы имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций соединены параллельно с одноименными выходами адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и к информационным входам оперативного запоминающего устройства, причем к информационным входам оперативного запоминающего устройства подключены также порознь адресные входы адресуемых блоков переключения групп датчиков аварийных ситуаций и выходы всех формирователей сигналов с датчиков аварийных ситуаций, первый вход временного селектора присоединен к выходу одного из формирователей сигналов с датчиков аварийных ситуаций, а выход временного селектора через формирователь стробирующего импульса присоединен к управляющему входу оперативного запоминающего устройства, второй вход схемы управления соединен с выходом формирователя стробирующего импульса, а первый выход схемы управления соединен с вторым входом временного селектора, второй выход схемы управления соединен с входом синхронизации оперативного запоминающего устройства, третий выход соединен с входами адресуемого имитатора датчиков аварийных и предаварийных ситуаций, а выход оперативного запоминающего устройства соединен с устройством сбора и обработки информации, выход которого подключен к блоку аварийной сигнализации.