УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ИМИТИРУЮЩИХ ОДНОВРЕМЕННОЕ СРАБАТЫВАНИЕ ГРУППЫ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ Российский патент 2015 года по МПК G04F13/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследованиях однократных быстропротекающих физических процессов, сопровождаемых многоканальными измерениями интервалов времени между электрическим сигналом, инициирующим физический процесс в исследуемом объекте, и сигналами, формируемыми при замыкании электроконтактных датчиков (ЭКД) в ходе развития процесса.

В простейшем случае ЭКД представляет центральный проводник, заключенный в коаксиальный корпус и изолированный от него. Центральный проводник ЭКД подсоединяют к жиле длинной кабельной линии канала измерения интервалов времени, которую перед проведением измерений заряжают статическим напряжением отрицательной полярности, корпус ЭКД подсоединяют к оплетке кабельной линии. При воздействии на ЭКД динамической нагрузки происходит замыкание центрального проводника на корпус ЭКД и по кабельной линии распространяется положительный перепад напряжения, поступающий на вход устройства формирования сигналов, в котором перепад напряжения преобразуется в сигнал положительной полярности. С выхода устройства формирования сигналов этот сигнал подают на информационный вход устройства измерения интервалов времени, на пусковой вход которого приходит сигнал, формируемый одновременно с началом исследуемого физического процесса, и проводят измерение интервала времени между началом исследуемого процесса и срабатыванием ЭКД [1].

Количество ЭКД и, соответственно, каналов измерения интервалов времени при исследованиях однократных быстропротекающих процессов в большинстве экспериментов находится в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен.

При замыкании ЭКД, подсоединенного к кабельной линии с волновым сопротивлением 50 Ом, заряженной до напряжения минус 200 В (максимального по абсолютной величине напряжения зарядки в методике измерений интервалов времени, применяющей ЭКД), по линии распространяется электрический сигнал с амплитудой тока 4 А, таким образом, суммарный ток в измерительных каналах при наличии 100 ЭКД составляет величину 0,4 кА.

Перед проведением измерений проводится проверка функционирования измерительных каналов, позволяющая убедиться в их нормальной работе.

С этой целью осуществляется поочередное замыкание вручную жил всех кабельных линий, от которых на время проверки отсоединяются центральные проводники ЭКД, на общий провод (оплетку кабеля), что имитирует срабатывание ЭКД и формирует сигнал, поступающий на вход измерительного канала при срабатывании ЭКД.

Простейшим устройством для коммутации жил и оплеток заряженных кабельных линий является проводник, один конец которого при проверке соединен с оплеткой кабельной линии, другой кратковременно вручную соединяется с ее жилой.

Указанное устройство, с помощью которого имитировалось срабатывание ЭКД и формировался сигнал на входе измерительного канала, применялось при проведении исследований, приведенных в [1], и принято за прототип.

При такой проверке вывод о характере функционирования измерительных каналов делался путем анализа характеристик электрических сигналов на выходах устройств формирования сигналов, зарегистрированных с помощью осциллографа.

Недостатком этого способа формирования сигналов является то, что устройства измерения интервалов времени между началом исследуемого процесса и замыканием ЭКД, также входящие в состав измерительных каналов, не включены в число контролируемых при проверке функционирования измерительных каналов перед проведением измерений, поскольку для их пуска требуется сигнал, опережающий момент замыкания ЭКД, который отсутствует при указанной выше проверке.

Вторым его недостатком является то, что при большом количестве ЭКД на поочередное замыкание кабелей и анализ зарегистрированных осциллограмм при проверке измерительных каналов требуется значительное время, что приводит к увеличению продолжительности проведения проверки функционирования измерительных каналов.

Для включения устройств измерения интервалов времени в число проверяемых необходимо обеспечить формирование одновременно с электрическим сигналом, инициирующим исследуемый физический процесс, сигнала для пуска устройств измерения интервалов времени, осуществить с задержкой относительно пускового сигнала одновременное замыкание жил всех кабельных линий на общий провод для формирования на входах кабелей измерительных каналов сигналов, поступающих при одновременном срабатывании всех ЭКД, сигналы с выходов устройств формирования подать на соответствующие информационные входы устройств измерения интервалов времени и провести измерения по всем каналам интервалов времени между пусковым сигналом и сигналами, имитирующими срабатывание ЭКД. При этом также уменьшается продолжительность проверки измерительных каналов, поскольку проверка всех каналов выполняется одновременно.

В случае когда задержка между пусковым сигналом и замыканием кабельных линий будет равна расчетному времени развития исследуемого физического процесса, проверка будет наиболее близкой к реальным условиям.

Из-за большого суммарного тока в измерительных каналах при увеличении количества ЭКД и необходимости формирования опережающего сигнала для запуска устройств, регистрирующих интервалы времени, выполнить перечисленные выше условия для включения устройств измерения интервалов времени в число проверяемых с помощью устройства-прототипа невозможно.

Техническим результатом изобретения является включение устройств измерения интервалов времени в число контролируемых при проверке функционирования измерительных каналов перед проведением измерений, а также уменьшение продолжительности проведения проверки функционирования измерительных каналов.

Технический результат достигается тем, что устройство формирования электрических сигналов, имитирующих одновременное срабатывание группы электроконтактных датчиков, содержащее кабельные линии каналов измерения интервалов времени, источник зарядки кабельных линий, соединенный с зарядным резистором, и коммутатор для соединения жил заряженных кабельных линий каналов измерения интервалов времени с оплетками, устройство дополнительно содержит генератор пускового сигнала и устройство преобразования пускового сигнала, в состав которого входят оптрон, MOSFET-транзистор, драйвер MOSFET-транзистора и источник питания, а также резисторы нагрузки MOSFET-транзистора и оптрона, коммутатор является электронным и выполнен на силовом IGBT модуле, затвор электронного коммутатора соединен с истоком MOSFET-транзистора и через резистор нагрузки MOSFET-транзистора соединен с выходом VS драйвера MOSFET-транзистора, сток MOSFET-транзистора, вход VCC драйвера MOSFET-транзистора и катод фотодиода оптрона соединены с положительным выводом источника питания, затвор MOSFET-транзистора соединен с выходом НО драйвера MOSFET-транзистора, вход IN которого соединен с анодом фотодиода оптрона, анод светодиода оптрона соединен с выходом генератора пускового сигнала, отрицательный вывод источника зарядки кабельных линий каналов измерения интервалов времени через зарядный резистор соединен с жилами кабельных линий каналов измерения интервалов времени, входом СОМ драйвера MOSFET-транзистора, отрицательным выводом источника питания и эмиттером электронного коммутатора, резистор нагрузки оптрона одним выводом соединен с анодом фотодиода оптрона, вторым - с жилами кабельных линий каналов измерения интервалов времени, положительный вывод источника зарядки кабельных линий, коллектор электронного коммутатора, катод светодиода оптрона, земляная клемма генератора пускового сигнала и оплетки кабельных линий каналов измерения интервалов времени соединены с земляной шиной.

Применение электронного коммутатора для замыкания двух групп контактов до настоящего времени сдерживалось значительным (более 10² А при количестве измерительных каналов более 25) коммутируемым током.

Кроме того, необходимость коммутации с землей (общей шиной) группы контактов, заряженных по отношению к ней отрицательно, делает невозможным применение традиционной схемы включения транзисторов типа p-n-р, на основе которого может быть создан электронный коммутатор, согласно которой к земле подсоединяют эмиттер транзистора, а на коллектор подают положительный потенциал.

Эти проблемы устранены в предлагаемом устройстве.

На чертеже представлена электрическая схема устройства формирования электрических сигналов, имитирующих одновременное срабатывание группы ЭКД.

Принятые на чертеже обозначения:

1 - генератор пускового сигнала;

2 - источник зарядки кабельных линий;

3 - зарядный резистор;

4 - устройство преобразования пускового сигнала;

5 - источник питания;

6 - оптрон;

7 - резистор нагрузки оптрона;

8 - драйвер MOSFET-транзистора;

9 - MOSFET-транзистор;

10 - резистор нагрузки MOSFET-транзистора;

11 - электронный коммутатор;

12 - кабельные линии каналов измерения интервалов времени.

Устройство формирования электрических сигналов содержит генератор 1 пускового сигнала, источник 2 зарядки кабельных линий с зарядным резистором 3, устройство 4 преобразования пускового сигнала, в состав которого входят источник питания 5, оптрон 6, резистор 7 нагрузки оптрона, драйвер 8 MOSFET-транзистора, MOSFET-транзистор 9, резистор 10 нагрузки MOSFET-транзистора, а также электронный коммутатор 11 и кабельные линии 12 каналов измерения интервалов времени.

Затвор электронного коммутатора 11 соединен с истоком MOSFET-транзистора 9 и через резистор 10 нагрузки соединен с выходом VS драйвера 8 MOSFET-транзистора, сток MOSFET-транзистора 9, вход VCC драйвера 8 MOSFET-транзистора и катод фотодиода оптрона 6 соединены с положительным выводом источника питания 5, затвор MOSFET - транзистора 9 соединен с выходом НО драйвера 8 MOSFET-транзистора, вход IN которого соединен с анодом фотодиода оптрона 6, анод светодиода оптрона 6 соединен с выходом генератора 1 пускового сигнала, отрицательный вывод источника 2 зарядки кабельных линий через зарядный резистор 3 соединен с жилами кабельных линий 12, входом СОМ драйвера 8 MOSFET-транзистора, отрицательным выводом источника питания 5 и эмиттером электронного коммутатора 11, резистор 7 нагрузки оптрона одним выводом соединен с анодом фотодиода оптрона 6, вторым - с жилами кабельных линий 12, положительный выход источника 2 зарядки кабельных линий, коллектор электронного коммутатора 11, катод светодиода оптрона 6, земляная клемма генератора 1 пускового сигнала и оплетки кабельных линий 12 соединены с земляной шиной.

Устройство формирования электрических сигналов работает следующим образом. Сигнал с генератора 1 пускового сигнала, имеющий положительную полярность и амплитуду 10 В, поступает на светодиод оптрона 6. С фотодиодной части оптрона 6 сигнал, выделившийся на резисторе 7, поступает на вход VCC драйвера 8 MOSFET-транзистора.

Далее сигнал с выхода НО драйвера 8 MOSFET-транзистора через усилитель тока, выполненный на MOSFET-транзисторе 9 и резисторе 10, поступает на затвор электронного коммутатора 11, выполненного на силовом IGBT модуле. Кабели 12 измерительных каналов, заряженные до заданного отрицательного напряжения (например, минус 200 В) от источника 2 зарядки кабельных линий через зарядный резистор 3, разряжаются электронным коммутатором 11, при этом в них формируются положительные перепады напряжения от отрицательного зарядного до нуля, поступающие на входы устройства формирования сигналов ЭКД, в котором они преобразуются в сигналы положительной полярности амплитудой, близкой к зарядному напряжению кабелей, и далее поступают на входы устройства измерения интервалов времени между началом физического процесса и моментом замыкания ЭКД. Питание оптрона 6, MOSFET-транзистора 9 и драйвера 8 MOSFET-транзистора, входящих в устройство 4 преобразования пускового сигнала, осуществляется от источника питания 5.

В качестве генератора 1 пускового сигнала, обеспечивающего формирование пускового сигнала для запуска устройства измерения интервалов времени и второго сигнала, задержанного относительно пускового, необходимого для срабатывания электронного коммутатора, может быть применен генератор сигналов Tektronix AFG 3252.

В качестве источника питания 5, обеспечивающего питание схемы устройства 4 преобразования пускового сигнала постоянным напряжением амплитудой 15 В, может быть применен преобразователь напряжения TMLM05115 фирмы Traco.

В качестве источника 2 зарядки кабельных линий может быть применен источник питания Б5-32.

В качестве электронного коммутатора 11 может быть применен силовой IGBT модуль МТКИ-400-12Н, максимальный ток коллектора которого составляет 800 А. Как отмечалось, при замыкании одной кабельной линии, заряженной до напряжения 200 В, по ней распространяется электрический сигнал с амплитудой тока 4 А, что дает возможность с помощью предлагаемого устройства осуществить коммутацию не менее 200 кабельных линий.

Схема формирования сигналов, преобразующая перепады напряжения в кабельных линиях в электрические сигналы, принимаемые устройством измерения интервалов времени, приведена в [1], в качестве многоканального устройства измерения интервалов времени может быть применено 1024-канальное устройство преобразования информации СУПИ62.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Монография. Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук М.В. Жерноклетова. Саров, ФГУП РФЯЦ «ВНИИЭФ», 2003 г., стр. 74-79.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследованиях однократных быстропротекающих физических процессов с помощью электроконтактных датчиков. Устройство содержит кабельные линии каналов измерения интервалов времени, источник зарядки кабельных линий, соединенный с зарядным резистором, и коммутатор для соединения жил заряженных кабельных линий каналов измерения интервалов времени с оплетками. Также дополнительно содержит генератор пускового сигнала и устройство преобразования пускового сигнала, в состав которого входят оптрон, MOSFET-транзистор, драйвер MOSFET-транзистора и источник питания, а также резисторы нагрузки MOSFET-транзистора и оптрона, коммутатор является электронным и выполнен на силовом IGBT модуле, затвор электронного коммутатора соединен с истоком MOSFET-транзистора и через резистор нагрузки MOSFET-транзистора соединен с выходом VS драйвера MOSFET-транзистора. Сток MOSFET-транзистора, вход VCC драйвера MOSFET-транзистора и катод фотодиода оптрона соединены с положительным выводом источника питания. Затвор MOSFET-транзистора соединен с выходом НО драйвера MOSFET-транзистора, вход IN которого соединен с анодом фотодиода оптрона. Анод светодиода оптрона соединен с выходом генератора пускового сигнала. Отрицательный вывод источника зарядки кабельных линий каналов измерения интервалов времени через зарядный резистор соединен с жилами кабельных линий каналов измерения интервалов времени, входом СОМ драйвера MOSFET-транзистора, отрицательным выводом источника питания и эмиттером электронного коммутатора. Резистор нагрузки оптрона одним выводом соединен с анодом фотодиода оптрона, вторым - с жилами кабельных линий каналов измерения интервалов времени. Положительный вывод источника зарядки кабельных линий, коллектор электронного коммутатора, катод светодиода оптрона, земляная клемма генератора пускового сигнала и оплетки кабельных линий каналов измерения интервалов времени соединены с земляной шиной. Технический результат заключается в уменьшении продолжительности проведения проверки функционирования измерительных каналов. 1 ил.

Устройство формирования электрических сигналов, имитирующих одновременное срабатывание группы электроконтактных датчиков, содержащее кабельные линии каналов измерения интервалов времени, источник зарядки кабельных линий, соединенный с зарядным резистором, и коммутатор для соединения жил заряженных кабельных линий каналов измерения интервалов времени с оплетками, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит генератор пускового сигнала и устройство преобразования пускового сигнала, в состав которого входят оптрон, MOSFET-транзистор, драйвер MOSFET-транзистора и источник питания, а также резисторы нагрузки MOSFET-транзистора и оптрона, коммутатор является электронным и выполнен на силовом IGBT модуле, затвор электронного коммутатора соединен с истоком MOSFET-транзистора и через резистор нагрузки MOSFET-транзистора соединен с выходом VS драйвера MOSFET-транзистора, сток MOSFET-транзистора, вход VCC драйвера MOSFET-транзистора и катод фотодиода оптрона соединены с положительным выводом источника питания, затвор MOSFET-транзистора соединен с выходом HO драйвера MOSFET-транзистора, вход IN которого соединен с анодом фотодиода оптрона, анод светодиода оптрона соединен с выходом генератора пускового сигнала, отрицательный вывод источника зарядки кабельных линий каналов измерения интервалов времени через зарядный резистор соединен с жилами кабельных линий каналов измерения интервалов времени, входом COM драйвера MOSFET-транзистора, отрицательным выводом источника питания и эмиттером электронного коммутатора, резистор нагрузки оптрона одним выводом соединен с анодом фотодиода оптрона, вторым - с жилами кабельных линий каналов измерения интервалов времени, положительный вывод источника зарядки кабельных линий, коллектор электронного коммутатора, катод светодиода оптрона, земляная клемма генератора пускового сигнала и оплетки кабельных линий каналов измерения интервалов времени соединены с земляной шиной.