МНОГОКАНАЛЬНОЕ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК G01L1/22 G01B7/16 G01D3/28 

Предлагаемое изобретение относится к электрическим измерительным устройствам, предназначенным для измерения деформаций твердых тел, например отдельных элементов конструкций в машиностроении, и возникающих при этом сил путем их преобразования в электрические величины.

Многокомпонентные тензометрические устройства, применяемые, например, для исследования летательных аппаратов, выполненные в виде стержня с упругими элементами, на которые наклеены тензодатчики, объединенные в тензомост, описаны в книге А.И.Чуднова “Методы и техника летных испытаний самолетов на прочность”, М.: Машиностроение, 1972 г., стр. 96-106. Там же изложены основные принципы по разделению нагрузок на компоненты и по измерению этих нагрузок. Схемы чувствительных элементов, применяемых в стержневых тензовесах, приведены в книге Р.А.Макарова “Тензометрия в машиностроении”. М.: Машиностроение, 1975г., стр. 128-130. Для разделения нагрузок покомпонентно выходные сигналы с тензомостов усиливают и подают через коммутатор на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого вводится в компьютер для дальнейшей обработки.

Известно также многоканальное тензометрическое устройство по заявке РФ №98122947/28, G 01 B 7/16, принятое за прототип. Это устройство содержит по числу контролируемых объектов тензодатчики, выходы которых подключены к входам усилителей напряжения, измерительные органы, входы которых функционально связаны с выходами усилителей напряжения, блок питания, основные ключи, дополнительные замыкающие ключи, через которые цепи питания тензодатчиков подключены к блоку питания, генератор кодовых импульсов, элемент ИЛИ, преобразователь напряжения.

Существенными признаками предлагаемого технического решения, совпадающими с существенными признаками прототипа, является то, что многоканальное тензометрическое устройство содержит выполненные по количеству измеряемых каналов тензомосты, каждый из которых подключен входом к источнику постоянного напряжения, а выходом - к входу дифференциального усилителя, выход которого соединен со входом коммутатора, выход коммутатора подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя.

Общим недостатком описанных аналогов и прототипа является низкая помехозащищенность многоканального тензометрического устройства. Это объясняется тем, что измерительные точки распределены в пространстве, а электронный блок должен быть сосредоточен в одном месте, что приводит к достаточно длинным аналоговым линиям связи между тензомостом и дифференциальным усилителем.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является снижение наведенных шумов и повышение чувствительности многоканального тензометрического устройства.

Для достижения указанного технического результата многоканальное тензометрическое устройство, содержащее выполненные по количеству измеряемых каналов тензомосты, каждый из которых подключен входом к источнику постоянного напряжения, а выходом - к входу дифференциального усилителя, выход которого соединен со входом коммутатора, выход коммутатора подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, снабжено балансировочным устройством, выполненным в виде цифровой мостовой схемы, состоящей из двух цифровых потенциометров, соединенных между собой параллельно-встречно, причем цифровые входы управления всех цифровых потенциометров объединены между собой, входы цифровых мостовых схем запитаны от источника постоянного напряжения тензомостов, выходы цифровых мостов подключены к дополнительно введенным дифференциальным усилителям, при этом выходы дифференциальных усилителей тензомостов и усилителей цифровых мостовых схем каждого канала подключены ко входам дополнительно введенных усиливающих сумматоров, выходы которых соединены со входами дополнительно введенного коммутатора, выход которого объединен с выходом коммутатора тензосигналов, при том аналого-цифровой преобразователь снабжен памятью для запоминания старших разрядов сигнала тензомоста, выход памяти подключен ко входу преобразователя кода аналого-цифрового преобразователя в код управления потенциометров, выход указанного преобразователя соединен с цифровыми входами управления цифровых потенциометров, кроме того, тензомосты и цифровые мосты каждого канала размещены рядом, а провода от тензомостов и от цифровых мостов к усилителям идут в общем кабеле.

Отличительными признаками предлагаемого многоканального тензометрического устройства является то, что оно снабжено балансировочным устройством, выполненным в виде цифровой мостовой схемы, состоящей из двух цифровых потенциометров, соединенных между собой параллельно-встречно, причем цифровые входы управления всех цифровых потенциометров объединены между собой, входы цифровых мостовых схем запитаны от источника постоянного напряжения тензомостов, выходы цифровых мостов подключены к дополнительно введенным дифференциальным усилителям, при этом выходы дифференциальных усилителей тензомостов и усилителей цифровых мостовых схем каждого канала подключены ко входам дополнительно введенных усиливающих сумматоров, выходы которых соединены со входами дополнительно введенного коммутатора, выход которого объединен с выходом коммутатора тензосигналов, при том аналого-цифровой преобразователь снабжен памятью для запоминания старших разрядов сигнала тензомоста, выход памяти подключен ко входу преобразователя кода аналого-цифрового преобразователя в код управления потенциометров, выход указанного преобразователя соединен с цифровыми входами управления цифровых потенциометров, кроме того, тензомосты и цифровые мосты каждого канала размещены рядом, а провода от тензомостов и от цифровых мостов к усилителям идут в общем кабеле.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными, указанными в ограничительной части формулы, достигается следующий технический результат - снижаются наведенные шумы и повышается чувствительность многоканального тензометрического устройства. За счет разделения во времени измерения по каждому из каналов имеется возможность объединить цифровые входы управления всех каналов, за счет организации цифровых моделей тензомостов с усилителем, которые выполнены из цифровых потенциометров со своим дифференциальным усилителем, удается с помощью этой модели замерить шум в тензоканале и затем его вычесть на сумматоре. Для этого лишь необходимо цифровые потенциометры разместить рядом с тензомостом и провода с выхода цифрового моста и тензомоста разместить в одном кабеле. Кроме того, цифровая модель моста позволяет нарастить разрядность аналого-цифрового преобразования без повышения разрядности примененного аналого-цифрового преобразователя.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемое многоканальное тензометрическое устройство, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новизна".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.

Предложенное техническое решение может найти применение в электрических измерительных устройствах, предназначенных для высокоточного и оперативного измерения деформаций в различных отраслях техники, например в многоканальных тензовесах, используемых при исследовании аэродинамических характеристик при трубном эксперименте, а также для исследования нагрузок, возникающих между фрагментами конструкции или распределения нагрузок по конструкции, а следовательно, данное решение соответствует критерию “промышленная применимость”.

Изобретение поясняется чертежом, где дана электрическая схема устройства.

Изображенные на схеме тензометрическое устройство содержит n (на схеме 2) тезомостов 1, n (на схеме 2) цифровых мостов 2, n (на схеме 2) источников постоянного напряжения 12. Каждый тензомост 1 и цифровой мост 2 подключены попарно входами к общему источнику питания 12. Выходы тензомостов 1 и цифровых мостов 2 подключены к соответствующим дифференциальным усилителям 3 и 4. Выходы усилителей 3 и 4 подключены ко входам суммирующих усилителей 5. Выходы суммирующих усилителей 5 соединены со входами коммутатора 7, а выходы усилителей тензосигнала 3 подключены ко входам коммутатора 6. Выходы коммутаторов 6 и 7 объединены и связаны со входом аналого-цифрового преобразователя (ADC) 8, выход которого подключен к памяти младших разрядов 9 и памяти старших разрядов 10. Память старших разрядов 10 соединена с шифратором (преобразователем кода аналого-цифрового преобразователя в код управления потенциометров) 11, выход которого является общим цифровым выходом управления цифровыми потенциометрами всех цифровых мостов 2. Входное сопротивление цифровых мостов 2 равно входному сопротивлению тензомостов 1. Коэффициенты усиления усилителей 3 равны коэффициентам усиления усилителей 4. Тензомосты 1 и цифровые мосты 2 каждого канала размещены рядом. Провода от тензомостов 1 к усилителям 3 и от цифровых мостов 2 к усилителям 4 идут в общем кабеле 13.

Схема работает следующим образом:

Вначале поочередным коммутированием (коммутатор 6) ко входу (ADC) 8 подключают выходы усилителей 3. Запоминают в памяти 10 данные о старших разрядах. Эти данные в шифраторе 11 преобразовываются в цифровой сигнал управления цифровых потенциометров мостов 2, которым резистивная матрица цифровых потенциометров подстраивается под разбаланс тензомоста 1 с точностью до отброшенных младших разрядов. Разбаланс цифровых мостов 2 усиливается на усилителях 4. При этом, поскольку импеданс и входной и выходной в тензомостах 1 и цифровых мостах 2 одинаков и одинаковы усилители 3 и 4, а провода от тензомостов 1 и цифровых мостов 2 идут в общем кабеле 13, то наведенные шумы в тензоканале и в канале цифровой модели идентичны и по фазе, и по амплитуде, то они вычитаются на сумматоре 5. На выходе сумматора 5 сигнал равен сигналу разбаланса тензомоста 1, соответствующему отброшенным младшим разрядам. Будучи усиленным этот сигнал через коммутатор подключается ко входу (ADC) 8, оцифровывается и запоминается в памяти младших разрядов 9. При оцифровке младших разрядов на вход (ADC) 8 поступает усиленный сигнал разбаланса тензомоста 1, соответствующий младшим разрядам, и, кроме того, этот сигнал уже лишен шума, наведенного на линиях связи измерительной точки и электронного блока.

Устройство содержит тензомосты, балансировочные устройства, два коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, шифратор. Балансировочное устройство каждого канала образовано цифровым мостом. Импедансы цифровых мостов и тензомостов одинаковы. Провода от цифровых мостов и тензомостов идут в общем кабеле. Коммутаторы позволяют получить на входе аналого-цифрового преобразователя либо сигнал с тензомоста, либо сумму сигналов с тензомоста и балансировочного устройства. Разбаланс тензомоста преобразуется в двоичный код, старшие разряды которого запоминаются в регистре и в шифраторе преобразуются в код управления потенциометрами цифрового моста балансировочного устройства. Предложенное решение позволяет обнулять начальный сигнал тензометрического устройства с точностью до отброшенных младших разрядов, компенсировать электромагнитные шумы в кабеле соединения тензомостов и электронного блока и повысить чувствительность устройства. 1 ил.

Многоканальное тензометрическое устройство, содержащее выполненные по количеству измеряемых каналов тензомосты, каждый из которых подключен входом к источнику постоянного напряжения, а выходом - к входу дифференциального усилителя, выход которого соединен со входом коммутатора, выход коммутатора подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что оно снабжено балансировочным устройством, выполненным в виде цифровой мостовой схемы, состоящей из двух цифровых потенциометров, соединенных между собой параллельно-встречно, причем цифровые входы управления всех цифровых потенциометров объединены между собой, входы цифровых мостовых схем запитаны от источника постоянного напряжения тензомостов, выходы цифровых мостов подключены к дополнительно введенным дифференциальным усилителям, при этом выходы дифференциальных усилителей тензомостов и усилителей цифровых мостовых схем каждого канала подключены ко входам дополнительно введенных усиливающих сумматоров, выходы которых соединены со входами дополнительно введенного коммутатора, выход которого объединен с выходом коммутатора тензосигналов, при этом аналого-цифровой преобразователь снабжен памятью для запоминания старших разрядов сигнала тензомоста, выход памяти подключен ко входу преобразователя кода аналого-цифрового преобразователя в код управления потенциометров, выход указанного преобразователя соединен с цифровыми входами управления цифровых потенциометров, кроме того, тензомосты и цифровые мосты каждого канала размещены рядом, а провода от тензомостов и от цифровых мостов к усилителям идут в общем кабеле.