УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МНОГОСВЯЗНОЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/16 G01L25/00 

Изобретение предназначено для формирования диагностических сигналов в многосвязной тензоизмерительной системе и может быть использовано при эксплуатации измерительных и управляющих систем, имеющих в составе многокомпонентные тензорезисторные измерительные устройства.

Многокомпонентные тензорезисторные датчики (МТД) для измерения компонентов вектора сил и моментов используются достаточно широко и имеют различные конструктивные решения [1] Одним из таких решений является применение специальной платформы, в которой тензорезисторы или тензодатчики (ТД) располагаются так, что сигналы, снимаемые с ТД и воздействующие на МТД нагрузки F связаны соотношением
F A • U
где
U вектор выходных параметров (сигналы с ТД), (u₁, u₂,u_n);
A прямоугольная матрица коэффициентов

F вектор входных воздействий (для шести компонентов МТД соответственно; F_x сила по оси X, F_y сила по оси Y, F_z сила по оси Z, M_x момент вокруг оси X, M_y момент вокруг оси Y, M_z момент вокруг оси Z).

Сказанное поясняется фиг. 1, где 1 и 2 верхнее и нижнее основания платформы соответственно, 3 ТД в количестве шести штук, установленные парами, каждая пара смещена по отношению к другой на угол 120^o.

Вектор выходных параметров U при известном F определяется на основе соотношения
U A^-1 • F
где
A^-1 матрица, обратная к матрице A.

При эксплуатации установок и стендов, имеющих в своем составе подобные измерительные устройства, часто бывает необходимым осуществить оперативную сквозную диагностику тензоизмерительных каналов перед очередным испытанием или после него без дополнительных коммутаций и переключений, что особенно характерно при установке тензоизмерительных устройств в труднодоступных местах.

Известно также устройство [2] для диагностирования многосвязной тензоизмерительной системы (МТС) по одной координате (F_x), являющееся наиболее близким из аналогов.

Устройство формирует на выходах всех шести ТД синусоидальные сигналы одинаковой амплитуды, на основе которых затем вычисляется координата F_x, изменяющаяся синхронно с сигналом испытательного генератора.

Структурная схема данного устройства приведена на фиг. 2 и содержит платформы 1 и 2 (не показаны), закрепленные между ними 3.1-3.6 тензодатчики, 4 блок усиления и преобразования сигналов ТД, 5.1-5.6 блоки вычисления компонентов вектора сил F_x, F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z соответственно, 6 средства отображения, 7.1-7.6 - управляемые сопротивления, 8 масштабирующий блок, 9 ключ, 10 генератор синусоидального сигнала.

При замыкании ключа 9 от генератора синусоидального сигнала (ГСС) 10, работающего постоянно в автоколебательном режиме, сигнал одновременно поступает на управляемые сопротивления (оптроны) 7.1-7.6, подключенные своими выходами параллельно рабочим плечам ТД 3.1-3.6, при этом изменяется общее сопротивление плеча каждого ТД, генерируя таким образом на выходах ТД 3.1-3.6 одинаковые синусоидальные сигналы. Сигналы с выходов ТД моделируются-усиливаются-демодулируются блоком усиления и преобразования сигналов ТД 4, при этом мостовая схема ТД запитывается напряжением постоянного тока от блока 4, и поступают на блоки вычисления F_x, F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z 5.1-5.6, где в соответствии с (1) происходит их вычисление. Из описания прототипа и (2) следует, что при воздействии только координаты F_x компоненты вектора U содержат только уровни, соответствующие этой координате. Компоненты вектора сил F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z в этом случае равно 0 в соответствии с (1), что и подтверждает наличием нулевых уровней на выходах блоков 5.2-5.6. Вычисленная в соответствии с (1) координата F_x и эталонный сигнал с ГСС, приведенный к шкале F_x с помощью масштабирующего блока (операционного усилителя ОУ) 8, поступают на средства отображения 6, где сравниваются по амплитуде. При исправном состоянии тензоканала и корректности вычисления координат F_x отличие в амплитудах сигналов фиксируется на средствах отображения в пределах допуска.

Недостатком известного решения является ограниченность контроля функционального состояния МТС, а именно: не обеспечивает контроль корректности вычисления компонент вектора сил F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z, т.к. равенство нулю компонент F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z при генерировании одинаковых сигналов в ТД может быть, например, при выходе из строя какого-либо ОУ в соответствующем блоке вычисления координаты F_y, F_z, M_x, M_y, M_z; при нарушении (обрыве) линии связи; отличии коэффициента усиления в канале вычисления координаты от требуемого значения.

Диагностирование МТС должно обеспечить контроль, проверку работоспособности и прогноз функционального состояния измерительных схем ТД, образующих МТД, блока усиления и преобразования сигналов ТД 4, блоков 5.1-5.6 вычислений компонент вектора сил F_x, F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z. Диагностирование в соответствии с известным решением не обеспечивает функционального контроля блоков вычисления значений F_y, F_z, M_x, M_y, M_z, т.к. для получения определенных значений компонент вектора сил F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z, т.е. для контроля корректности вычислений в блоках 5.2-5.6, необходимо определенным образом изменять уровни сигналов в каждом из ТД в соответствии с коэффициентами матрицы A^-1.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для диагностирования многосвязной тензорезисторной системы, заключающее в генерировании в измерительных схемах тензодатчиков электрическим способом сигналов, адекватных сигналам, возникающих в тензодатчиках при одновременном воздействии физических параметров по всем координатам, что позволяет провести сквозную динамическую диагностику функционального состояния МТС с одновременным контролем корректности вычислений всех компонентов вектора сил и моментов.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее ключ, управляемые сопротивления, подсоединенные своими выходами параллельно рабочим тензорезисторам тензодатчиков, выходы которых через блок усиления и преобразования сигналов тензодатчиков соединены с одноименными входами блоков вычисления компонентов вектора сил и моментов, соединенных выходами с информационными входами средства отображения, контрольный вход которого соединен с выходом масштабирующего блока, дополнительно введены разделительный конденсатор, блок формирования электрических аналогов компонент вектора сил и моментов, блок моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика, содержащий блок масштабирующих резисторов, неинвертирующий и инвертирующий усилители, при этом усилители, входы которых являются входами блока моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика, выходами соединены с соответствующими входами блока масштабирующих резисторов, каждый выход которого соединен с входом соответствующего управляемого сопротивления, а разделительный конденсатор установлен между выходом ключа и соединенными между собой входами блока моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика и масштабирующего блока, при этом вход ключа соединен с выходом блока формирования электрических аналогов компонент вектора сил и моментов.

Такое решение позволяет задавать на выходе каждого тензодатчика разбаланс с амплитудами и знаками, адекватными воздействию реальных нагрузок по всем координатам и получать на выходе многосвязной тензоизмерительной системы компоненты вектора сил и моменты, соответствующие задаваемому обобщенному контрольному параметру, т.е. осуществить сквозной контроль функционального состояния МТС в полном объеме. На известную заранее обобщенную синусоиду каждый блок вычисления F_x, F_y, F_z, M_x, M_y, M_z реагируют в соответствии с (1), т. е. он извлекает только свою составляющую из каждого сигнала u_j и в соответствии с (1) вычисляют определенное значение F₁, изменяющееся также по синусоидальному закону. Сравнение амплитуд F₁ и эталонной синусоиды позволяют судить о корректности вычисления компонент вектора сил и моментов.

Структурная схема устройства приведена на фиг. 3, где платформы 1 и 2 (не показаны), закрепленные между ними 3.1-3.6 тензодатчики, 4 блок усиления и преобразования сигналов ТД, 5.1-5.6 блоки вычисления компонент вектора сил F_x, F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z, 6 средства отображения, 7.1-7.6 управляемые сопротивления, 8 - масштабирующий блок, 9 ключ, 11 разделительный конденсатор, 12 блок формирования электрических аналогов компонент вектора сил и моментов, 13 блок моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика, 14 неинвертирующий усилитель, 15 инвертирующий усилитель, 16 блок масштабирующих резисторов.

Устройство работает следующим образом. Предварительно посредством суммирования (F_x•sin wt + F_y•sin wt + F_z•sin wt + M_x•sin wt + M_y•sin wt + M_z•sin wt) в соответствии с (2) выбирается совокупность всех шести входных воздействий (сил и моментов) так, чтобы в любом из шести ТД сумма составляющих не вышла за пределы шкалы. Таким образом определяется обобщенный синусоидальный входной сигнал A₀•sin wt, эквивалентный суммарному одновременному воздействию на МТД F_x, F_y, F_z, M_x, M_y, M_z. Этот суммарный синусоидальный сигнал с амплитудой A₀ устанавливается оператором на блоке 12. Отношение u_j/A₀ по каждому ТД дает обобщенное значение показывающее с каким знаком и во сколько раз должна быть изменена амплитуда обобщенного синусоидального сигнала на выходе каждого ТД по отношению к A₀, что и реализуется с помощью усилителя 14 либо 15, соответствующего резистора в блоке масштабирующих резисторов 16 и управляемого сопротивления 7.1-7.6. Токовое управление управляемыми сопротивлениями 7.1-7.6, пропорциональное , обеспечивается нагрузочной способностью усилителей 14 и 15 и их точностью отработки входного синусоидального сигнала (с этой целью могут быть применены усилители 157УД1 либо стандартные ОУ с усилителем мощности на выходе). Реализация управляемого сопротивления 7 дана на фиг. 4, где светодиод оптрона 17 (30Д109А) последовательно с резистором 18 с целью линеаризации входной характеристики светодиода включен в цепь обратной связи (ОС) ОУ 19 (153УД6). Потенциометр 20 совместно с резисторами 21 и 18 определяют рабочую точку оптрона 17 (уровень смещения ТД, так как блок усиления и преобразования сигналов ТД 4, в качестве которого используется промышленная тензометрическая станция ВТ5508, обрабатывает только положительные сигналы). Резистор 18 совместно с соответствующим резистором в блоке масштабирующих резисторов 16 определяют ток в оптроне, пропорциональный обобщенному . С целью исключения при возможности появления на выходе блока 12 постоянной составляющей и ее влияния на токи управления оптронами установлен разделительный конденсатор 11. Блок 12 построен по стандартной схеме генератора с положительной ОС [3] Блоки вычисления компонент вектора сил F_x, F_y, F_z и моментов M_x, M_y, M_z 5.1-5.6 построены по однотипной схеме, в каждом из которых в соответствии с (1) происходит вычисление соответствующей компоненты F либо M на основе сигналов с ТД. Каждый блок построен на шестивходовом сумматоре на ОУ, при этом коэффициенты передачи по каждому входу равны соответствующим элементам матрицы в соответствии с (1). На одноименные входы каждого блока поступает сигнал с соответствующего ТД, при этом предварительно вычитается постоянный уровень, задаваемый с помощью потенциометра 20 в управляемом сопротивлении 7. Вычисленные силы и моменты вместе с контрольным сигналом с блока 8 поступают на средства отображения 6, где анализируются совместно либо раздельно.

Работа предлагаемого устройства диагностирования МТС поясняется фиг. 5, где на 1 и 2 дорожках представлены зафиксированные на средствах отображения 6 вычисления в блоках 5.1-5.6 синусоидальные зависимости F_x и F_z, взятые для наглядности в противофазе, а на дорожках с 3 по 8-сигналы с ТД на выходах блока 4. Из графиков видно, что на любой момент времени (вертикальный визир) все сигналы с ТД имеют разные значения (левая колонка, дорожки 3-8). Для выбранных уровней сигналов в ТД конкретные значения F_x, F_y, F_z, M_x, M_y, M_z в относительных единицах равны 2,4; 1,2; -1,2;57;89;89 соответственно. Контроль функционирования блоков вычисления сил и моментов и соответственно корректности вычисления ведется на основе сравнений в любой момент времени их выходных амплитуд по отношению друг к другу либо к амплитуде эталонного сигнала.

Таким образом, помимо расширения функциональных возможностей предлагаемое устройство повышает готовность МТС к испытаниям за счет оперативной предыспытательной диагностики тензотракта и надежность, т.к. позволяет упредить внезапные отказы, вызываемые деградационными процессами элементов контура.

Использование: устройство относится к управляющим и измерительным системам. Сущность: светодиод каждого оптрона включен в обратную связь ОУ, а фотодиод - параллельно рабочему плечу соответствующего тензодатчика. Управление входными токами оптронов осуществляется обобщенным коэффициентом матрицы A^-1 (обратной к матрице A), для чего сигнал с блока 12 формирования электрических аналогов компонент вектора сил и моментов, содержащий все компоненты вектора сил и моменты, поступает через ключ 9 и разделительный конденсатор 11 на блок 13 моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика, содержащий блок 16 масштабирующих резисторов, инвертирующий 15 и неинвентирующий 14 усилители, а также на масштабирующий блок 8, при этом входы усилителей являются входами блока 13. Входы каждого усилителя через токозадающий резистор блока 16 подключены к входу соответствующего ОУ, в обратную цепь которого включен светодиод оптрона. Усилители 14 и 15 совместно с токозадающими резисторами определяют знак и амплитуду обобщенного синусоидального сигнала на выходе каждого из тензодатчиков. Оценка работоспособности тензотракта и корректности вычислений осуществляется на средствах отображения. 5 ил.

Устройство для диагностирования многосвязной тензорезисторной системы, содержащее ключ, управляемые сопротивления, подсоединенные своими выходами параллельно рабочим тензорезисторам тензодатчиков, выходы которых через блок усиления и преобразования сигналов тензодатчиков соединены с одноименными входами блоков вычисления компонент вектора сил и моментов, соединенных выходами с информационными входами средства отображения, контрольный вход которого соединен с выходом масштабирующего блока, отличающееся тем, что в него дополнительно введены разделительный конденсатор, блок формирования электрических аналогов компонент вектора сил и моментов, блок моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика, содержащий блок масштабирующих резисторов, неинвертирующий и инвертирующий усилители, при этом усилители, входы которых являются входами блока моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика, выходами соединены с соответствующими входами блока масштабирующих резисторов, каждый выход которого соединен с входом соответствующего управляемого сопротивления, а разделительный конденсатор установлен между выходом ключа и соединенными между собой входами блока моделирования коэффициентов обратной матрицы многокомпонентного тензодатчика и масштабирующего блока, при этом вход ключа соединен с выходом блока формирования электрических аналогов компонент вектора сил и моментов.