Устройство для диагностирования многосвязной тензорезисторной системы

 

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.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5