СИСТЕМА КАЛИБРОВКИ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИИ, УПРАВЛЯЕМОГО МИКРОПРОЦЕССОРОМ Российский патент 2007 года по МПК G01M7/02 

Изобретение относится к измерению механических колебаний по изменению электрических свойств, осуществляемому с помощью пьезоэлектрических приборов. В частности, изобретение относится к системам поверки (то есть калибровки) устройств, измеряющих вибрацию (то есть механическое колебание) по таким ее параметрам, как виброскорость, виброускорение.

Известен прибор для измерения и контроля вибрации «Аргус-М» (Руководство по эксплуатации ИМБР.421 417.002 РЭ Прибор контроля вибрации «Аргус-М» (с памятью EPPROM) 2005 г.)) (далее РЭ). Прибор «Аргус-М» совместно с пьезоэлектрическим датчиком, устанавливаемым на объекте, подлежащем контролю вибрации, и предварительным усилителем сигнала от пьезоэлектрического датчика, соединенный с одной стороны с выходом пьезоэлектрического датчика и с другой стороны с входом прибора «Аргус-М», образуют устройство измерения и контроля вибрации (стр.3, пункт 1.4 РЭ). Объектами, подлежащими контролю вибрации, могут быть подшипники электродвигателей и насосов, а также любые другие твердые тела, например стены зданий и т.п.

Прибор «Аргус-М» выполнен на основе микропроцессора и состоит из одного или нескольких микропроцессорных модулей различного назначения (стр.6 РЭ, пункт 4.1): модуля контроля температуры, модуля аналоговых входов, модуля блока питания, модуля контроля вибрации.

Модули прибора «Аргус-М» содержат печатную плату нормирующих усилителей (аналоговая часть модуля), цифровую схему управления, плату контроллера и индикации (стр.6, п.4.5., стр.7, п.5.1. РЭ).

Аналоговая часть модулей обеспечивает усиление, фильтрацию и другие необходимые преобразования входных сигналов. С выхода платы нормирующих усилителей нормированный сигнал поступает на плату контроллера и индикации.

Прибор «Аргус-М» позволяет обращаться ЭВМ по последовательному цифровому интерфейсу RS-485 (по протоколу MODBUS, режим RTU (стр.8, абз.3 РЭ)) к любому модулю в своем составе.

Модуль контроля вибрации имеет релейную сигнализацию по допустимому значению виброскорости. Модуль контроля вибрации предназначен для усиления, фильтрации и преобразования сигнала, поступающего в него от пьезоэлектрического датчика, установленного на объекте контроля (подшипнике электродвигателя или насоса, либо любом другом твердом теле) через предварительный усилитель, в мгновенное значение виброускорения и среднеквадратичное значение (СКЗ) виброскорости, оцифровывания этого значения и сравнения в цифровом виде с контрольными уставками виброскорости для сигнализации. Модуль контроля вибрации обеспечивает индикацию принимаемых от объекта контроля значений параметров вибрации, а также выдает управляющие сигналы на цепи внешней автоматики и сигналы на включение сигнализации. В состав аналоговой части модуля контроля вибрации входят буферный усилитель, узел формирования среднеквадратичного значения виброскорости, состоящий из интегратора, полосового фильтра и детектора среднеквадратичного значения, с выхода которого сигнал постоянного тока после усиления поступает через аналоговый коммутатор на аналого-цифровой преобразователь процессора модуля контроля вибрации. В состав аналоговой части модуля контроля вибрации входит также узел формирования сигнала виброускорения на активных фильтрах, с которых снимается нормализованный сигнал. В аналоговой части модуля контроля вибрации расположен узел автоматики.

Датчиками, контролирующими вибрацию, являются пьезоэлектрические датчики, установленные на объекте контроля (например, на подшипниках электродвигателей, насосов, на любом другом твердом теле) (стр.12, п.5.3. РЭ): однокоординатные пьезоэлектрические датчики, используемые совместно с отдельными предварительными усилителями, или трехкоординатные пьезоэлектрические датчики, в которых встроен предварительный усилитель и которые не требуют использования отдельного предварительного усилителя.

Поверка (то есть калибровка) параметров описанного выше устройства измерения и контроля вибрации осуществляется в соответствии с Методикой поверки ИМБР 421417.002 МП «Прибор контроля Аргус-М» г.Пермь 1996 г. (далее МП).

Калибровка включает, наряду с некоторыми другими операциями, в том числе,

определение основной погрешности модуля контроля вибрации,

определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АХЧ) модуля контроля вибрации,

проверку индикации сигнализации о выходе параметра виброскорости на заданные пределы,

проверку обрыва пьезоэлектрических датчиков.

Для выполнения перечисленных операций требуются генератор низкой частоты (генератор синусоидального сигнала напряжения) с диапазоном используемых частот в области (10-1000) Гц и стабильностью частоты, не превышающей 0,5%, который используется в качестве имитатора сигнала от пьезоэлектрического датчика.

Кроме того, для калибровки аналогового выхода модуля контроля вибрации и для определения неравномерности амплитудно-частотной характеристики модуля контроля вибрации необходим вольтметр, например, типа В7-40 с диапазоном измерений в интервале (0-120) мВ, с погрешностью измерений постоянного напряжения ±0,16% в диапазоне измерений (0-5) В или амперметр с диапазоном измерения сигнала в интервале (4-20) мА и погрешностью измерения по постоянному току ±0,2%.

Поверку производят следующим образом. К входу модуля контроля вибрации подключают генератор низкой частоты (генератор синусоидального сигнала напряжения), имитирующий сигнал от пьезоэлектрического датчика.

Определение основной погрешности модуля контроля вибрации.

Основную погрешность модуля контроля вибрации определяют:

по порогу срабатывания сигнализации в модуле контроля вибрации,

по показаниям индикатора модуля контроля вибрации,

по аналоговым выходам модуля контроля вибрации.

При поверке по порогу срабатывания сигнализации в модуле контроля вибрации устанавливают уставку виброскорости, при которой должно произойти срабатывание сигнализации. Подают постепенно увеличивающийся эталонный синусоидальный сигнал, имитирующий эталонную виброскорость, от генератора на модуль контроля вибрации до тех пор, пока не произойдет срабатывание сигнализации. Сравнивают эталонное и реальное значения виброскорости, при которых произошло срабатывание сигнализации. Разница между этими значениями является погрешностью модуля контроля вибрации по порогу срабатывания сигнализации.

При поверке по показаниям индикатора модуля контроля вибрации подают на модуль контроля вибрации с помощью генератора сигналы, соответствующие определенным эталонным значениям виброскорости. Затем сравнивают эталонные значения со значениями на индикаторе модуля контроля вибрации. Разница между этими значениями является погрешностью модуля контроля вибрации по показаниям индикатора модуля контроля вибрации.

При поверке по аналоговым выходам модуля контроля вибрации подают генератором низкой частоты на этот модуль несколько разных эталонных синусоидальных сигналов напряжения, имитирующих разные эталонные значения виброскорости. Вольтметром или амперметром измеряют напряжение или ток на выходных контактах модуля контроля вибрации. Сравнивают эталонное значение напряжения или тока на выходе модуля контроля вибрации с реальным значением, измеренным вольтметром или амперметром. Разница между этими значениями является погрешностью модуля контроля вибрации по аналоговым выходам модуля контроля вибрации.

Определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АХЧ) модуля контроля вибрации.

Установив частоту синусоидального сигнала напряжения, поступающего от генератора на вход модуля контроля вибрации, равную 80 Гц, изменением величины синусоидального сигнала напряжения добиваются получения на аналоговом выходе модуля контроля вибрации напряжения (или тока) 2±0,005 В (или 10 мА±0,005 мА). Не меняя значения сигнала напряжения от генератора для этого значения тока на выходе модуля контроля вибрации, изменяют входную частоту синусоидального сигнала напряжения и замеряют вольтметром или амперметром значения выходного напряжения или тока на выходе модуля контроля вибрации при различных значениях этой входной частоты. Сравнивают полученные значения напряжения или тока на аналоговом выходе модуля контроля вибрации с эталонными, таблично заданными значениями. Модуль контроля вибрации соответствует по АХЧ установленным требованиям, если разница между полученными значениями и эталонными лежит в пределах, установленных нормами поверки.

Проверка индикации сигнализации модуля контроля вибрации о выходе параметра виброскорости на заданные пределы.

При поверке индикации сигнализации о выходе параметра виброскорости на заданные пределы в модуле контроля вибрации устанавливают уставку виброскорости, при которой должно произойти срабатывание сигнализации. Подают постепенно увеличивающийся или уменьшающийся эталонный синусоидальный сигнал, имитирующий эталонную виброскорость, от генератора на модуль контроля вибрации.

В правильно работающем устройстве измерения и контроля вибрации при превышении виброскоростью величины ее уставки для сигнализации должна включиться сигнальная индикация.

В устройстве измерения и контроля вибрации на передней панели его модуля контроля вибрации должен загореться мигающий желтый светодиод и должна включиться звуковая сигнализация. После подачи сигнала на квитирование путем нажатия кнопки "Квитирование", расположенной на модуле блока питания, желтый светодиод должен гореть непрерывно, а звуковая сигнализация должна отключиться. При превышении контролируемым параметром величины уставки виброскорости для сигнализации на передней панели модуля контроля вибрации светодиод должен мигать красным цветом и должна включиться прерывистая звуковая сигнализация. После нажатия на кнопку "Квитирование" красный светодиод должен гореть непрерывно, а звуковая сигнализация должна отключиться.

Кроме того, при превышении контролируемым параметром виброскорости величины уставки включаются реле, контакты которых выведены на заднюю панель модуля контроля вибрации. Срабатывание реле проверяется измерением сопротивления между коммутируемыми контактами.

Для коммутации аварийного сигнала используется двухпозиционное поляризованное реле, обладающее механической памятью. Отключение этого реле (то есть деблокировка аварийного сигнала) осуществляется поворотом ключа в модуле блока питания.

Если происходит включение сигнальной индикации при превышении виброскоростью величины уставки, то поверка свидетельствует о правильной работе устройства измерения и контроля вибрации.

Проверка контроля обрыва пьезоэлектрических датчиков.

При моделировании обрыва пьезоэлектрических датчиков необходимо поочередно отключить эти датчики от модулей контроля вибрации. Индикация входа модуля контроля вибрации должна показать состояние обрыва пьезоэлектрического датчика.

Следует отметить, что для осуществления своей работы и калибровки устройство для измерения и контроля вибрации имеет следующие входы и выходы:

аналоговый вход для подачи сигнала от пьезоэлектрического датчика,

аналоговый выход для подключения регистрирующих аналоговых приборов (вольтметра или амперметра),

цифровой вход/выход для данных, поступающих от цифрового интерфейса RS-485 или в него при общении устройства с ЭВМ.

дискретный вход для подачи сигнала от системы калибровки на квитирование и деблокировку аварийного сигнала,

дискретный выход для контроля аварийного сигнала от релейной защиты.

Из вышеизложенного следует, что известная система калибровки устройства измерения и контроля вибрации, управляемого микропроцессором, выполненного с возможностью измерения электрического сигнала от пьезоэлектрического датчика и имеющего аналоговые, цифровые и дискретные вход и выход, включает генератор эталонного синусоидального электрического сигнала, имитирующего вибрацию, вольтметр или амперметр, как средства для измерения сигнала, ответного на сигнал генератора, от устройства измерения и контроля вибрации. При этом генератор эталонного синусоидального электрического сигнала присоединен к аналоговому входу устройства измерения и контроля вибрации, а вольтметр или амперметр присоединен к аналоговому выходу устройства измерения и контроля вибрации.

Данная система выбрана за наиболее близкий аналог к заявляемому изобретению.

Недостатком данной системы калибровки является то, что она не автоматизирована, поэтому для процесса калибровки требуется много времени. Кроме того, эта система занимает много места, так как разнесена в пространстве и не имеет единого корпуса.

Согласно документу «Правила по метрологии. ГСИ. Требования к выполнению калибровочных работ» ПР 50.2.016-94 калибровка средства измерений (калибровочные работы) - это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и пригодности к применению средства измерений, не подлежащих государственному контролю и надзору.

Задачей изобретения является автоматизация в устройстве для измерения и контроля вибрации таких калибровочных операций, как:

определение основной погрешности модуля виброскорости,

определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики модуля виброскорости,

проверка индикации о выходе параметра виброскорости за заданные пределы,

проверка контроля обрыва датчиков.

Технический результат заключается в сокращении времени калибровки.

Как и наиболее близкий аналог, заявляемая система калибровки устройства измерения и контроля вибрации, управляемого микропроцессором, выполненного с возможностью измерения электрического сигнала от пьезоэлектрического датчика и имеющего аналоговые, цифровые и дискретные вход и выход, включает генератор эталонного синусоидального электрического сигнала, выполненный с возможностью подачи эталонного синусоидального электрического сигнала на аналоговый вход устройства измерения и контроля вибрации, средство для измерения сигнала, ответного на сигнал генератора, от устройства измерения и контроля вибрации, выполненное с возможностью соединения с аналоговым выходом последнего.

В отличие от наиболее близкого аналога, генератор эталонного синусоидального электрического сигнала выполнен в виде цифроаналогового преобразователя с последовательным интерфейсом, а система калибровки включает аналоговый мультиплексор для коммутации генератора и устройства измерения и контроля вибрации, соединенный своим аналоговым входом с аналоговым выходом генератора и своим аналоговым выходом с аналоговым входом устройства измерения и контроля вибрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с последовательным интерфейсом для измерения сигнала, ответного на сигнал генератора, от устройства измерения и контроля вибрации, аналоговый демультиплексор для коммутации АЦП и устройства измерения и контроля вибрации, соединенный своим аналоговым входом с аналоговым выходом устройства измерения и контроля вибрации и своим аналоговым выходом с аналоговым входом АЦП, интерфейс управления системой калибровки, соединенный своими дискретными входом и выходом соответственно с дискретными выходом и входом устройства измерения и контроля вибрации, цифровым входом с цифровым выходом АЦП, первым цифровым выходом с цифровым входом генератора эталонного синусоидального электрического сигнала, вторым цифровым выходом с цифровым входом аналогового мультиплексора, третьим цифровым выходом с цифровым входом аналогового демультиплексора, цифровой интерфейс для осуществления контроля за показаниями устройства измерения и контроля вибрации в цифровой форме, имеющий первый цифровой вход/выход для соединения с цифровым выходом/входом устройства измерения и контроля вибрации и второй цифровой вход/выход для соединения с первым цифровым выходом/входом интерфейса управления системой калибровки, цифровой интерфейс для связи системы калибровки с ЭВМ, соединенный своим первым цифровыми входом/выходом со вторым цифровым выходом/входом интерфейса управления системой калибровки и имеющий второй цифровой вход/выход для соединения с ЭВМ.

Изобретение иллюстрировано следующими чертежами:

фиг.1 - функциональная схема заявляемой системы калибровки,

фиг.2 - принципиальная электрическая схема генератора эталонного синусоидального электрического сигнала,

фиг.3 - функциональная схема генератора эталонного синусоидального электрического сигнала, выполненного в виде цифроаналогового преобразователя (ЦАП) с последовательным интерфейсом,

фиг.4 - временная диаграмма, отражающая процесс загрузки входного слова в ЦАП генератора эталонного синусоидального электрического сигнала,

фиг.5 - принципиальная электрическая схема аналогового мультиплексора,

фиг.6 - пример функциональной схемы аналогового мультиплексора 4×1,

фиг.7 - функциональная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП),

фиг.8 - принципиальная электрическая схема АЦП,

фиг.9 - принципиальная электрическая схема аналогового демультиплексора,

фиг.10 - принципиальная электрическая схема подключения заявляемой системы калибровки к устройству измерения и контроля вибрации (гальваническая развязка, разъемы «входы/выходы»),

фиг.11 - принципиальная электрическая схема интерфейса управления системой калибровки,

фиг.12 - принципиальная электрическая схема цифрового интерфейса, предназначенного для контроля показаний устройства измерения и контроля вибрации в цифровой форме,

фиг.13 - принципиальная электрическая схема цифрового интерфейса, предназначенного для связи системы калибровки с электронно-вычислительной машиной.

Заявляемая система калибровки изображена на фигуре 1 со следующими обозначениями:

1 - устройство измерения и контроля вибрации,

2 - генератор эталонного синусоидального электрического сигнала,

3 - аналоговый мультиплексор,

4 - аналоговый вход мультиплексора 3,

5 - аналоговый выход генератора 2,

6 - аналоговый выход мультиплексора 3,

7 - аналоговый вход устройства 1,

8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

9 - аналоговый демультиплексор,

10 - аналоговый вход демультиплексора 9,

11 - аналоговый выход устройства 1,

12 - аналоговый выход демультиплексора 9,

13 - аналоговый вход АЦП 8,

14 - интерфейс управления системой калибровки,

15 - дискретный выход интерфейса 14,

16 - дискретный вход интерфейса 14,

17 - дискретный вход устройства 1,

18 - дискретный выход устройства 1,

19 - цифровой вход интерфейса 14,

20 - цифровой выход АЦП 8,

21 - первый цифровой выход интерфейса 14,

22 - цифровой вход генератора 2,

23 - второй цифровой выход интерфейса 14,

24 - цифровой вход аналогового мультиплексора 3,

25 - третий цифровой выход интерфейса 14,

26 - цифровой вход аналогового демультиплексора 9,

27 - цифровой интерфейс для контроля показаний устройства 1 в цифровой форме,

28 - первый цифровой вход/выход цифрового интерфейса 27,

29 - цифровой вход/выход устройства 1,

30 - второй цифровой вход/выход цифрового интерфейса 27,

31 - первый цифровой вход/выход интерфейса 14,

32 - цифровой интерфейс для связи системы калибровки с ЭВМ 33,

33 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ),

34 - первый цифровой вход/выход цифрового интерфейса 32,

35 - второй цифровой вход/выход интерфейса 14,

36 - второй цифровой вход/выход цифрового интерфейса 32.

Генератор эталонного синусоидального электрического сигнала 2 (фиг.1) выполнен в виде цифроаналогового преобразователя (ЦАП) с последовательным интерфейсом. Такой преобразователь содержит на кристалле помимо собственно ЦАП дополнительно также последовательный регистр загрузки, параллельный регистр хранения и управляющую логику. В конкретном исполнении генератора эталонного синусоидального электрического сигнала ЦАП выполнен в виде микросхемы марки AD 7233 (фиг.2 ЦАП обозначен DD7). В качестве последовательного интерфейса чаще всего используют трехпроводный интерфейс SPI (serial peripheral interface), который обеспечивает управление цифроаналоговым преобразователем. При активном уровне сигнала CS (clock synchronization) (в данном случае - нулевом) входное слово длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии DI (direct imput) (фиг.3) в регистр сдвига под управлением тактовой последовательности SCLK (serial clock) (фиг.3). После окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD (load data), входное слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно управляют ключами ЦАП. Для того чтобы иметь возможность передавать по одной линии данных входные коды в несколько ЦАП, последний разряд регистра сдвига у многих моделей ЦАП с последовательным интерфейсом соединяется с выводом интегральной микросхемы (ИМС) DO (digital output) (фиг.3). Этот вывод подключается к входу DI следующего ЦАП и т.д. Коды входных слов передаются, начиная с кода самого последнего преобразователя в этой цепочке.

В качестве примера на фиг.4 представлена временная диаграмма, отражающая процесс загрузки входного слова в ЦАП (AD7233) генератора эталонного синусоидального электрического сигнала 2 (или эпюры напряжений на входе ЦАП). Минимально допустимые значения интервалов времени (порядка 50 нс), обозначенных на временных диаграммах, указываются в технической документации на интегральную микросхему.

Принцип работы генератора 2 заключается в следующем.

На вход SCLK подается тактовый синхронизирующий сигнал с известной частотой f_CLK=230.4 кГц (фиг.3). Период следования тактового импульса, следовательно, и период квантования необходимого синусоидального сигнала (Т_CLK) составит I/f_CLK. Если нам известна частота требуемого сигнала и его период (T_sin), то число квантов, формирующих период сигнала составит T_sin/Т_CLK. А уровень сигнала на i-ом кванте будет:

где U_{sin_i} - сигнал на выходе генератора 2 на i-ом кванте;

U₀ - амплитуда сигнала на выходе генератора 2;

f_sin - требуемая частота сигнала на выходе генератора 2;

t₀ - время начала отсчета;

Сформированная последовательность сигнала последовательно передается на вход ЦАП генератора 2, который в свою очередь формирует сигнал требуемой формы.

Так как сигнал на выходе будет в виде ступенек, то здесь включена RC цепочка C17R43 (фиг.2), время переходного процесса которой равно T_CLK.

Генератор 2 имеет цифровой вход 22 и аналоговый выход 5.

Заявляемая система калибровки включает аналоговый мультиплексор 3 (фиг.1), предназначенный для коммутации генератора 2 и устройства измерения и контроля вибрации 1 и для передачи сигнала с аналогового выхода 5 генератора 2 на аналоговый вход 7 калибруемого устройства 1. Аналоговый мультиплексор 3 имеет аналоговый вход 4, соединенный с аналоговым выходом 5 генератора 2, и аналоговый выход 6, соединенный с аналоговым входом 7 устройства измерения и контроля вибрации 1. Аналоговый мультиплексор 3 имеет также цифровой вход 24, через который обеспечивается управление аналоговым мультиплексором 3, соединенный со вторым цифровым выходом 23 интерфейса управления системой калибровки 14.

В конкретном исполнении заявляемой системы калибровки аналоговым мультиплексором 3 является мультиплексор, обеспечивающий коммутацию по одной линии 16 сигналов, что общепринято обозначать 1×16. Основу данного мультиплексора 3 составляют две интегральные микросхемы марки ADG708 (фиг.5). Аналоговый мультиплексор 3 - это схема, которая позволяет выбрать один из нескольких входов калибруемого устройства 1 по указанию управляющего цифрового сигнала, подаваемого на цифровой вход 24 мультиплексора 3 от второго цифрового выхода 23 интерфейса управления системой 14. Аналоговый сигнал с выхода 6 мультиплексора 3 будет проходить на аналоговый вход 7 устройства 1.

На фиг.6 в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора из четырех направлений в одно и ее условное обозначение. Каждый из ключей от S0 до S3 представляет собой аналоговый КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник)-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде, и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то, независимо от состояния адресных входов, все ключи мультиплексора 3 разомкнуты. На фиг.6 имеются также следующие обозначения А₀, A₁ - входы соответственно младшего значащего разряда (МЗР) и среднего значащего разряда (СЗР), SW-switch - ключ.

Микросхема ADG708 (фиг.5) аналогового мультиплексора 3 (фиг.1) представляет собой мультиплексор 1×8. Для организации шестнадцати выходов используется две микросхемы, включенные параллельно и имеющие одну шину выбора канала A0_OUT-A2_OUT и разные сигналы выбора микросхемы EN1_OUT, EN2_OUT.

Реле P1 используется в качестве мультиплексора 1×2 для связи сигнала, поступающего с генератора эталонного синусоидального электрического сигнала 2, через буфер DA10:A на мультиплексоры DA5, DA6 и управляется линией EN3_OUT (фиг.5).

Другое реле Р2 используется для коммутации синусоидального сигнала на RC делитель, необходимый для проверки амплитудно-частотной характеристики калибруемого устройства 1, и управляется линией EN4_OUT (фиг.5).

Система калибровки включает также аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП) с последовательным интерфейсом (фиг.1). АЦП 8 предназначен для измерения сигнала, ответного на сигнал генератора 2, от устройства измерения и контроля вибрации 1. АЦП 8 имеет аналоговый вход 13, соединенный с аналоговым выходом 12 демультиплексора 9 и цифровой выход 20, соединенный с цифровым входом 19 интерфейса управления системой 14

В конкретном исполнении заявляемой системы калибровки АЦП 8 выполнен в виде микросхемы AD7896. АЦП 8 в этом случае является высокоскоростным 12-битным аналого-цифровым преобразователем (фиг.7 и фиг.8). Данный АЦП 8 имеет входной динамический диапазон напряжения питания микросхемы AD7896 от 0 Вольт до напряжения электрического питания V_dd, работает от однополярного источника питания от 2,7 В до 5,5 В и имеет максимальную потребляемую мощность 9 мВт. Прибору не требуется внешний источник опорного напряжения, так как в качестве опорного напряжения используется напряжение питания.

На фигуре 7 имеются следующие обозначения: AD7896 - марка микросхемы аналого-цифрового преобразователя, 12-bit ADC (analog digital converter) - высокоскоростной 12-битный аналого-цифровой преобразователь, output register - выходной регистр, V_dd - напряжение питания микросхемы AD7896, V_in - входное напряжение, которое микросхема AD7896 оцифровывает, track/hold - запоминающий элемент, convst - разрешающий импульс, clock - таймер, AGND - аналоговая «земля», DGND - цифровая «земля», busy - выход готовности оцифрованных данных, SCLK - (serial clock) синхронизирующая тактовая последовательность, sdata - последовательные данные.

АЦП 8 в виде микросхемы AD7896 (фиг.7) выдает результат преобразования сигналов по высокоскоростному последовательному интерфейсу (sdata, SCLK, busy, convst). Этот двухпроводный последовательный интерфейс имеет последовательный вход внешних тактовых импульсов SCLK и последовательный выход данных sdata, синхронизированных с внешними тактовыми импульсами SCL.

Дополнительно к традиционно определяемым статическим характеристикам, таким как линейность и абсолютная и относительная ошибки, для АЦП 8 в виде AD7896 определены динамические характеристики, такие как коэффициенты нелинейных искажений и шума.

АЦП 8 в виде AD7896 имеет 1) режим высокоскоростного преобразования и 2) автоматический режим с пониженным потреблением электроэнергии, в котором по окончании преобразования прибор переходит в ждущий режим, активизируясь только при инициализации следующего преобразования для применения в устройствах с малым потреблением электроэнергии.

Аналоговый демультиплексор 9 (фиг.1) изготавливают на основе аналогового мультиплексора, так как аналоговые ключи аналогового мультиплексора являются двунаправленными. Сигнал может быть подан на вход демультиплексора и снят с избранного выхода. Схемотехнически аналоговый демультиплексор 9 выполнен на аналоговых мультиплексорах и может включать, как показано в примере (фиг.9) конкретного исполнения, 16 токовых и 6 потенциальных входов. Интегральные микросхемы DA7, DA8 осуществляют коммутацию напряжения, пропорционального измеряемому току, которое падает на входных резисторах R12-R27 (фиг.10). Интегральная микросхема DA9 (ADG708) (фиг.9) коммутирует сигналы с микросхем DA7, DA8, а также с потенциальных входов демультиплексора 9 на АЦП 8 через усилитель-буфер DA10:B. Микросхемы DA7, DA8 (фиг.9) включены параллельно друг относительно друга и последовательно с микросхемой DA9. Усилитель-буфер DA10:B масштабирует входной сигнал для согласования с АЦП 8 с коэффициентом усиления по напряжению К_U=5 В/120 мВ≈40.

Резисторы R41, R44 (фиг.9) рассчитываются по формуле:

где U_вых - максимальное напряжение на выходе операционного усилителя, составляет 5 В;

Uвх - максимальное напряжение на входе операционного усилителя, составляет 5 В.

Аналоговый демультиплексор 9 соединен своим аналоговым входом 10 с аналоговым выходом 11 устройства измерения и контроля вибрации 1, а также соединен своим аналоговым выходом 12 с аналоговым входом 13 АЦП 9 (фиг.1).

Система калибровки содержит интерфейс управления системой калибровки 14 (фиг.1) на низком уровне.

В основе интерфейса управления системой калибровки 14 находятся сверхбольшие интегральные схемы программируемой логики (СБИС ПЛ), которые являются цифровыми СБИС высокой степени интеграции, имеющими программируемую пользователем внутреннюю структуру и предназначенными для реализации сложных цифровых устройств. Использование СБИС ПЛ и соответствующих средств автоматизации проектирования позволяет в сжатые сроки создавать устройства и системы, удовлетворяющие жестким требованиям по производительности, энергопотреблению, надежности, массогабаритным параметрам, стоимости.

В конкретном исполнении заявляемой системы калибровки используются СБИС ПЛ DD6 - EPM7128SQC100-10 и DD9 - EPM7128SLC84-15 серии MAX7000S фирмы ALTERA (фиг.11).

Эти СБИС ПЛ обеспечивают:

- задержку распространения сигнала от любого входа до выхода СБИС не более 10 нс;

- устойчивую работу на частотах до 147 МГц;

- возможность регулирования скорости переключения выходных буферов;

- возможность использования четырех режимов работы выходных буферов: вход, выход, двунаправленный, открытый коллектор;

- возможность программирования и репрограммирования после распайки на плате;

- возможность задания режима секретности разработки (Design Security).

Через интерфейс JTAG (разъемы ХР4 и ХР6) (фиг.11) в интерфейсе 14 (фиг.1) производится конфигурирование СБИС ПЛ (фиг.11). Запрограммированная микросхема DD6 (фиг.11) в интерфейсе управления системой 14 (фиг.1) производит считывание с АЦП 8 (фиг.1) (или с микросхемы DA12 на фиг.8) данных и их буферизацию, последовательную выдачу кода сигнала на генератор эталонного синусоидального электрического сигнала 2 (фиг.1) (или на микросхему DD7 на фиг.2), переключение каналов аналогового мультиплексора 3 и демультиплексоров 9 (фиг.1).

Совместно со СБИС ПЛ DD6 и DD9 в интерфейсе управления системой калибровки 14 используется генератор тактовых импульсов DD4, выполненный на мультивибраторе SN74S124D, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) DD3 (537РУ10), DD5 (537РУ10).

ОЗУ (микросхемы DD3 и DD5 на фиг.11) используется для хранения кода эталонного синусоидального электрического сигнала от генератора 2. Этот код загружается в ОЗУ в процессе работы с ЭВМ 33 (фиг.1) через цифровой интерфейс 32 (в конкретном исполнении: СОМ (communications port) порт (RS-232)).

Система калибровки общается с ЭВМ 33 по протоколу, представленному ниже.

Кадр записи/чтения представляет двухбайтовую последовательность, причем младшие 4 бита первого байта несут информацию о системе калибровки и о команде, а последующие 12 бит несут данные.

В таблице, представленной ниже, описаны команды, выполняемые системой калибровки, то есть алгоритм низшего уровня, выполняемый системой калибровки.

Таблица№ командыКод команды, битОписание команды10011Выставить адрес ячейки памяти системы калибровки для записи информации об эталонном синусоидальном электрическом сигнале20101Записать данные в память системы калибровки по установленному адресу30111Начать последовательное чтение памяти и запись прочитанных данных в ЦАП генератора эталонного сигнала 241001Остановить последовательное чтение памяти и запись прочитанных данных в ЦАП генератора эталонного сигнала 251011Прочитать данные из АЦП 8 и данные состояния релейной сигнализации устройства 1

№ командыКод команды, битОписание команды61101Записать данные для коммутации сигнала с аналогового выхода 5 генератора эталонного сигнала 2, а также данные для управления сигналами Деблокировка и Квитирование71111Записать с помощью ЭВМ 33 данные на вход 26 аналогового демультиплексора 9 для коммутации сигнала с аналогового входа 10 на АЦП8

Общую синхронизацию интерфейса управления системой калибровки 14 с периферией, в которую входят генератор эталонного синусоидального электрического сигнала 2, АЦП 8, аналоговый мультиплексор 3, аналоговый демультиплексор 8, и с портами ввода-вывода, которыми являются цифровой интерфейс 27 (например, порт RS-485), цифровой интерфейс 36 (например, порт RS-232) осуществляется при помощи синхроимпульсов (f=460.8 кГц) генератора тактовых импульсов DD4 (фиг.11), входящего в состав интерфейса управления системой 14.

Интерфейс управления системой калибровки 14 имеет дискретные и цифровые выходы и входы, которые связывают интерфейс 14 со всеми элементами системы калибровки следующим образом (фиг.1).

Дискретные выход 15 и дискретный вход 16 интерфейса 14 (фиг.1) предназначены для соединения соответственно с дискретными входом 17 и выходом 18 устройства измерения и контроля вибрации 1.

Дискретный выход 15 и дискретный вход 16 (фиг.1) интерфейса управления системой калибровки 14 выполнены на основе цифровых линий передачи данных управления системой калибровки 14. Дискретный вход 16 имеет гальваническую развязку (оптроны DA1 и DA2 на фиг.10) для защиты системы калибровки от возможных перегрузок по току и напряжению.

На фиг.10 дискретный выход 15 обозначен как kvit 33 и Deblok 34, а дискретный вход 16 обозначен как Rele1 35 и Rele2 36.

Дискретный выход 15 используется для дистанционного управления сигналом «квитирование» и «деблокировка», передаваемым на дискретный вход 17 устройства 1.

Дискретный вход 16 считывает информацию с дискретного входа 18 устройства 1, необходимую для контроля срабатывания реле при превышении уставки виброскорости.

Цифровые входы и выходы интерфейса 14 (позиции 19, 21, 23, 25, 31, 35) (фиг.1) выполнены на основе цифровых линий передач.

Цифровой вход 19 интерфейса 14 соединен с цифровым выходом 20 аналого-цифрового преобразователя 8.

Первый цифровой выход 21 интерфейса 14 соединен с цифровым входом 22 генератора эталонного синусоидального электрического сигнала 2.

Второй цифровой выход 23 интерфейса 14 соединен с цифровым входом 24 аналогового мультиплексора 3.

Третий цифровой выход 25 интерфейса 14 соединен с цифровым входом 26 аналогового демультиплексора 9.

Первый цифровой вход/выход 31 интерфейса 14 соединен со вторым цифровым входом/выходом 30 цифрового интерфейса 27.

Второй цифровой вход/выход 35 интерфейса 14 соединен с первым цифровым входом/выходом 34 цифрового интерфейса 32.

Цифровые входы/выходы 28, 30, 31, 35, 34, 36 заявляемой системы калибровки являются каждый единым элементом, работающим как на вход сигнала, так и на выход. Цифровой вход/выход 28 на фиг.12 обозначен DB9M ХР2 А В. Цифровой вход/выход 30 и цифровой вход/выход 31 обозначены на фиг.12 элементами RXD TXD. Цифровой вход/выход 35 обозначен на фиг.13 элементом RXD TXD. Цифровой вход/выход 34 и цифровой вход/выход 36 обозначены на фиг.13 элементом ХР5 DB9M.

Заявляемая система калибровки содержит цифровой интерфейс 27 (фиг.1), предназначенный для контроля показаний устройства измерения и контроля вибрации 1 в цифровой форме и имеющий цифровой вход/выход 28 для соединения с цифровым выходом/входом 29 устройства измерения и контроля вибрации 1.

В качестве цифрового интерфейса 27 в конкретном исполнении используют интерфейс RS-485 (фиг.12). Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно А) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно В) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли").

Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Аппаратно интерфейс 27 собран на драйвере ADM485 (фиг.12). Сигнал IN 485 с оптрона DA4 подается на вход DI ADM 485. С выхода RO ADM 485 сигнал подается на DA3.

Выходы А и В драйвера ADM485 (фиг.12) используются для передачи данных по интерфейсу RS485. На таймере DD1 (NE555) (интегральная цифровая микросхема) собран одновибратор, который переключает драйвер ADM485 в режим передачи данных. В схеме интерфейса 27 (RS-485) параметры цепочки R33C3 (фиг.12) рассчитаны для скорости 9600 б/с. Оптическая развязка DA3, DA4 (фиг.12) защищает заявляемую систему калибровки от перегрузок по току и напряжению.

Взаимодействие интерфейса управления системой калибровки 14 (следовательно, всей заявляемой системы калибровки) и ЭВМ 33 (фиг.1), на базе которой построен интерфейс высокого уровня для управления процессом калибровки, отображения, накопления, обработки информации и диалога с пользователем, осуществляется через цифровой интерфейс 32 (фиг.1). Интерфейс 32 имеет первый цифровой вход/выход 34, соединенный со вторым цифровым выходом/входом 35 интерфейса управления системой калибровки 14. Интерфейс 32 имеет также второй цифровой вход/выход 36 для соединения с ЭВМ 33.

В конкретном исполнении системы калибровки цифровым интерфейсом 32 является интерфейс RS-232 (фиг.13).

Для передачи данных в ЭВМ 33 от калибруемого устройства 1 через интерфейс управления системой 14 и цифровой интерфейс 27 (в конкретном исполнении системы калибровки это интерфейс RS-485) осуществляется преобразование принимаемых и передаваемых данных из формата RS-485 в формат RS-232 и обратно. Эта функция выполнена в интерфейсе управления системой 14.

Цифровой интерфейс 32 (фиг.1) предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (АПД), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД). В роли АПД в нашем случае выступает ЭВМ 33, а в роли АКД разрабатываемая система калибровки.

Стандарт интерфейса RS-232 описывает несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли. Физически интерфейс RS-232 реализован на микросхеме ADM232 (фиг.13), которая является драйвером - преобразователем логических уровней сигналов на линии RS-232 в соответствующие сигналы TTL уровня (TTL - transistor - transistor-logic - логическая микросхема на транзисторах). Соединение заявляемой системы калибровки с ЭВМ 33 производится минимальным нуль-модемным кабелем, схема которого представлена ниже.

Заявляемая система калибровки прибора измерения и контроля вибрации работает следующим образом. Посредством ЭВМ 33 (фиг.1) подают команду в соответствии с ранее представленной таблицей команд, выполняемых системой калибровки (алгоритм низшего уровня) через цифровой интерфейс 32 на интерфейс управления системой 14 о проведении калибровки, при этом вводят данные о количестве, расположении, очередности калибровки модулей контроля вибрации. Команда о проведении калибровки поступает в виде цифрового сигнала с интерфейса 14 на генератор эталонного синусоидального электрического сигнала 2, имитирующего сигнал о вибрации с пьезоэлектрических датчиков. Цифроаналоговый преобразователь генератора 2 преобразует цифровой сигнал в аналоговый.

Как было указано выше, генератор 2 реализован на цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) с последовательным интерфейсом фирмы Analog Device AD7233. Этот генератор 2 преобразует цифровой сигнал в виде 12-разрядного кода в эквивалентный ему аналоговый сигнал в виде напряжения в диапазоне ±5В с погрешностью преобразования ±1LSB (±2,5 млВ), максимальная дискретизация сигнала составляет 300 кГц. Погрешность преобразования такого генератора 2 по частоте не превышает 0,5%, а по амплитуде 2,5 мВ. Генератор 2 обладает более высокой стабильностью и точностью, чем требуется в соответствии с Методикой поверки прибора контроля «Аргус-М» ИМБР 421417.002 МП и может быть использован для калибровки этого прибора 1.

После этого аналоговый сигнал проходит в аналоговый мультиплексор 3. В конкретном исполнении аналоговый мультиплексор 3 коммутирует этот сигнал на 16 аналоговых входов устройства измерения и контроля вибрации 1. Каждый модуль контроля вибрации устройства 1 создает на соответствующем ему аналоговом выходе 11 устройства 1 аналоговый сигнал, ответный на сигнал генератора 2. Далее аналоговые сигналы от всех аналоговых выходов 11 поступают на аналоговый демультиплексор 9, который передает их на аналого-цифровой преобразователь 8.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 с последовательным интерфейсом, например, фирмы Analog Device AD7896 реализует в себе вольтметр или амперметр. Этот АЦП осуществляет преобразование аналогового сигнала в 12-и разрядный цифровой код в диапазоне измерения 0 -+5 В с погрешностью преобразования ±3LSB (±3,7 млВ), максимальная дискретизация сигнала составляет 780 кГц. При масштабировании сигнала в диапазон 0-120 мВ погрешность измерения составит ±87 мкВ, что составляет 0,07% от всей шкалы измерения. Так как точность измерения данного прибора более чем в 2 раза выше точности требуемых тестовых приборов по Методике поверки прибора контроля «Аргус-М» ИМБР 421417.002 МП, то предложенная микросхема может использоваться в процессе калибровки этого устройства 1. С АЦП 8 цифровой сигнал передается на интерфейс управления системой 14. И далее сигнал поступает в интерфейс 32 и в ЭВМ 33, в которой происходит сравнение эталонного значения сигнала, подаваемого генератором 2, с реальным значением, измеряемым АЦП 8.

Такой порядок работы заявляемой системы калибровки относится к определению основной погрешности и неравномерности АХЧ модуля контроля вибрации в устройстве 1.

Что касается проверки индикации сигнализации о выходе параметра виброскорости на заданные пределы (уставку), при правильной работе устройства 1 происходит следующее. Если эталонный сигнал генератора 2 превышает уставку виброскорости, то срабатывает реле, настроенное на эту уставку, а сигнал о срабатывании реле устройства 1 поступает с дискретного выхода 18 устройства 1 на дискретный вход 16 интерфейса 14 и далее последовательно в цифровой интерфейс 32 и ЭВМ 33. Для квитирования и деблокировки сигнала срабатывания реле устройства 1 программа ЭВМ 33 подает сигнал через ЭВМ 33, цифровой интерфейс 32, интерфейс 14, дискретный выход 15 на дискретный вход 17 устройства 1. Если устройство 1 исправно, то происходят квитирование и деблокировка устройства 1.

Для обеспечения автоматизации проверки обрыва пьезоэлектрических датчиков выходы аналогового мультиплексора 3 (фиг.1) переводятся в высокоомное состояние, тем самым моделируется обрыв датчиков. При правильной работе устройства 1 сигнал об обрыве пьзоэлектрического датчика поступает на интерфейс управления системой калибровки 14, а далее через цифровой интерфейс 32 на ЭВМ 33. С ЭВМ 33 идет команда на интерфейс 27 прочитать информацию из устройства 1 об обрыве пьзоэлектрического датчика. Эта прочитанная информацию даее поступает в ЭВМ 33 для обработки.

Таким образом, заявляемая система калибровки автоматизирует следующие операции калибровки: определение основной погрешности модуля контроля вибрации, определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики модуля контроля вибрации, проверка индикации сигнализации о выходе параметра виброскорости за заданные пределы и проверка обрыва пьезоэлектрических датчиков. За счет этой автоматизации сокращается время калибровки. Заявляемая система в отличие от наиболее близкого аналога не разнесена в пространстве, а имеет единый корпус и поэтому занимает меньше места.

Изобретение относится к системам калибровки устройств, измеряющих вибрацию по таким ее параметрам, как виброскорость, виброускорение. Техническим результатом изобретения является сокращение времени калибровки. Система калибровки устройства измерения и контроля вибрации 1 состоит из генератора эталонного синусоидального электрического сигнала 2, аналогового мультиплексора 3, аналого-цифрового преобразователя 8, аналогового демультиплексора 9, интерфейса управления системой калибровки 14, цифрового интерфейса для контроля показаний 27 устройства контроля и измерения вибраций 1, цифрового интерфейса для связи системы калибровки с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) 32, ЭВМ 33. 13 ил., 1 табл.

Система калибровки устройства измерения и контроля вибрации, управляемого микропроцессором, выполненного с возможностью измерения электрического сигнала от пьезоэлектрического датчика и имеющего аналоговые, цифровые и дискретные вход и выход, включающая генератор эталонного синусоидального электрического сигнала, выполненный с возможностью подачи эталонного синусоидального электрического сигнала на аналоговый вход устройства измерения и контроля вибрации, средство для измерения сигнала, ответного на сигнал генератора, от устройства измерения и контроля вибрации, выполненное с возможностью соединения с аналоговым выходом последнего, отличающаяся тем, что генератор эталонного синусоидального электрического сигнала выполнен в виде цифроаналогового преобразователя с последовательным интерфейсом, а система калибровки включает аналоговый мультиплексор для коммутации генератора и устройства измерения и контроля вибрации, соединенный аналоговым входом с аналоговым выходом генератора и аналоговым выходом с аналоговым входом устройства измерения и контроля вибрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с последовательным интерфейсом для измерения сигнала, ответного на сигнал генератора, от устройства измерения и контроля вибрации, аналоговый демультиплексор для коммутации АЦП и устройства измерения и контроля вибрации, соединенный аналоговым входом с аналоговым выходом устройства измерения и контроля вибрации и аналоговым выходом с аналоговым входом АЦП, интерфейс управления системой калибровки, соединенный дискретными входом и выходом соответственно с дискретными выходом и входом устройства измерения и контроля вибрации, цифровым входом с цифровым выходом АЦП, первым цифровым выходом с цифровым входом генератора эталонного синусоидального электрического сигнала, вторым цифровым выходом с цифровым входом аналогового мультиплексора, третьим цифровым выходом с цифровым входом аналогового демультиплексора, цифровой интерфейс для осуществления контроля за показаниями устройства измерения и контроля вибрации в цифровой форме, имеющий первый цифровой вход/выход для соединения с цифровым выходом/входом устройства измерения и контроля вибрации и второй цифровой вход/выход для соединения с первым цифровым выходом/входом интерфейса управления системой калибровки, цифровой интерфейс для связи системы калибровки с ЭВМ, соединенный первым цифровыми входом/выходом со вторым цифровым выходом/входом интерфейса управления системой калибровки и имеющий второй цифровой вход/выход для соединения с ЭВМ.