Тензометричний пристрій

Реферат: Тензометричний пристрій містить блок перемикання, блок перетворення сигналів і блок обробки сигналів, входи для підключення до джерела живлення і тензорезисторів, вихід для підключення до електронно-обчислювальної машини, конденсатор. Блок перемикання, блок перетворення сигналів і блок обробки сигналів виконані у вигляді часово-цифрового перетворювача. Часово-цифровий перетворювач з'єднано із входами для підключення до джерела живлення і тензорезисторів і виходом для підключення до електронно-обчислювальної машини. Конденсатор підключений до загального ланцюга часово-цифрового перетворювача, а вихід для підключення до електронно-обчислювальної машини виконаний у вигляді мережевого порту з підтримкою формату передачі перетвореного цифрового сигналу за допомогою інтернет-протоколу. UA 79210 U (12) UA 79210 U UA 79210 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв для вимірювання деформацій твердих тіл і може використовуватись для визначення динамічних деформацій елементів конструкцій вагонів під впливом змінних навантажень під час випробувань з використанням тензорезисторів. Відомий тензометричний пристрій (див. патент UA № 11599, G01B 7/16, дата публікації 16.01.2006 p.), який містить блок перемикання, блок перетворення сигналів і блок обробки сигналів, входи для підключення до джерела живлення і тензорезисторів та вихід для підключення до електронно-обчислювальної машини. Блок перемикання складається з електронних ключів з нормально-розімкненими і нормально-замкненими контактами. Блок перетворення сигналів виконаний у вигляді аналого-цифрового перетворювача, який з'єднаний з блоком перемикання і блоком обробки сигналів. Останній виконаний з можливістю обробки цифрового коду сигналу, що надходить від попереднього блока, формування вихідного цифрового коду пристрою, а також управління роботою блока перемикання, з яким він з'єднаний за допомогою керуючого виходу. Тензорезистори з'єднані між собою у мостову і зразкову напівмостову схеми. Зразкова напівмістова схема складається з послідовно з'єднаних двох прецизійних резисторів і змінного резистора. Згадані схеми тензорезисторів підключені до джерела живлення і з'єднані з блоком перемикання. Останній виконаний з можливістю контролю працездатності тензорезисторів, з'єднаних між собою у мостову схему, в різних комбінаціях їх з'єднання зі зразковим напівмостом. Блок перетворення сигналів з'єднаний з блоком перемикання за допомогою підсилювача. Відомий тензометричний пристрій побудований на посиленні сигналу про зміну опору тензорезисторів під впливом змінних навантажень і його аналого-цифровому перетворенні в дискретні коди, що відповідають різниці абсолютних значень динамічних деформацій. Недоліками відомого пристрою є: - відносно велике споживання електроенергії, що ускладнює використання автономних джерел живлення і виключає використання бездротового інтерфейсу; - відносно великі габаритні розміри і вага пристрою, що знижує зручність використовування пристрою при проведенні випробувань; - складність архітектури, яка містить відносно велику кількість елементів і вузлів їх з'єднання, що знижує надійність та зручність використовування пристрою при приведенні випробувань. В основу корисної моделі поставлена задача створення тензометричного пристрою за рахунок використання принципово іншого перетворювача сигналів від тензорезисторів і введення зв'язаного з ним конденсатора, взаємозв'язку їх між собою і з елементами пристрою і виконання виходу у вигляді мережевого порту. Технічний результат від створення пристрою полягає в зниженні споживання електроенергії і підвищенні зручності використання при проведенні випробувань при забезпеченні надійності передачі даних до електроннообчислювальної машини. Вказаний результат досягається при одночасному спрощенні схеми пристрою, зниженні витрат на проведення випробувань і поширенні області використання пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в тензометричному пристрої, який містить блок перемикання, блок перетворення сигналів і блок обробки сигналів, входи для підключення до джерела живлення і тензорезисторів, вихід для підключення до електронно-обчислювальної машини, згідно з корисною моделлю він містить конденсатор, а блок перемикання, блок перетворення сигналів і блок обробки сигналів виконані у вигляді часово-цифрового перетворювача, з'єднаного зі входами для підключення до джерела живлення і тензорезисторів і виходом для підключення до електронно-обчислювальної машини, при цьому конденсатор підключений до загального ланцюга часово-цифрового перетворювача, а вихід для підключення до електронно-обчислювальної машини виконаний у вигляді мережевого порту з підтримкою формату передачі перетвореного цифрового сигналу за допомогою інтернет-протоколу. Доцільно, щоб він був виконаний з можливістю з'єднання з однією або двома напівмостовими схемами тензорезисторів. Сукупність істотних ознак корисної моделі, що заявляється, дозволяє створити таку конструкцію тензометричного пристрою, яка дозволяє суттєво зменшити споживання електроенергії, забезпечити надійність передачі даних до електронно-обчислювальної машини та зручність використання при проведенні випробувань. Виконання блока перемикання, блока перетворення сигналів і блока обробки сигналів у вигляді часово-цифрового перетворювача дозволяє виключити зі складу пристрою аналогові елементи, що суттєво спрощує використання сучасних мікросхем в конструкції пристрою, які суттєво зменшують споживання електроенергії і дозволяють використовувати автономні джерела живлення. Крім того, використання часовоцифрового перетворювача для вимірювання змін опору тензорезисторів під впливом змінних 1 UA 79210 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 навантажень дозволяє знизити його чутливість до шумів вхідного сигналу і за рахунок цього підвищити розрядність з одночасним зменшенням вихідної похибки. Одночасно це суттєво зменшує габаритні розміри і вагу пристрою, що підвищує зручність його використовування при приведенні випробувань. Включення до складу пристрою конденсатору забезпечує його роботу при суттєво меншому споживанні електроенергії. Виконання пристрою з входами для підключення до джерела живлення і тензорезисторів і виходом для підключення до електроннообчислювальної машини дозволяє зменшити кількість елементів і вузлів їх з'єднання і за рахунок цього спростити його архітектуру, що підвищує надійність пристрою та зручність його використовування при приведенні випробувань. Виконання виходу для підключення до електронно-обчислювальної машини у вигляді мережевого порту з підтримкою формату передачі перетвореного цифрового сигналу за допомогою інтернет-протоколу дозволяє забезпечити надійність передачі даних до електронно-обчислювальної машини під час випробувань, а також здійснювати при проведенні випробувань одночасну обробку сигналів від декількох схем тензорезисторів в електронно-обчислювальній машині. Крім того, виконання пристрою із зазначеним виходом для підключення до електронно-обчислювальної машини поширює область його використання. Технічне рішення, що заявляється, пояснюється на прикладі виконання тензометричного пристрою, що використовується Державним підприємством "Український науково-дослідний інститут вагонобудування" (далі ДП "УкрНДІВ"), м. Кременчук, Україна. Суть корисної моделі пояснюється представленими кресленнями, де на фіг. 1 зображена схема підключення тензометричного пристрою до однієї напівмостової схеми тензорезисторів; на фіг. 2 - схема підключення двох тензометричних пристроїв до чотирьох напівмостових схем тензорезисторів. Тензометричний пристрій містить (фіг. 1) блок перемикання 1, блок перетворення сигналів 2 і блок обробки сигналів 3, які виконані у вигляді часово-цифрового перетворювача 4 (ЧЦП), конденсатор 5, входи 6 і 7 для підключення, відповідно, до тензорезисторів 8, 9 і джерела живлення 10 і вихід 11 для підключення до електронно-обчислювальної машині (ЕОМ) 12. ЧЦП 4 виконаний з можливістю перетворення зміни опору тензорезисторів 5 і 6 у часово-цифровий сигнал без використання аналогових компонентів. ЧЦП 4 з'єднаний на вході 6 з ланцюгами 1315 тензорезисторів 8 і 9, входом 7 для підключення до джерела живлення 10 і виходом 11 для підключення до ЕОМ 12. Входи 6 виконані з можливістю з'єднання з двома напівмостовими схемами, що складаються з тензорезисторів 8 і 9, і в кожній схемі - з їх загальним ланцюгом 14 і окремими ланцюгами 13 і 15. Конденсатор 5 підключений до загального ланцюга 14 ЧЦП 4. Вихід 11 для підключення до ЕОМ 12 виконаний у вигляді мережевого порту з підтримкою формату передачі перетвореного цифрового сигналу за допомогою інтернет-протоколу. При виконанні вимірювань більш ніж на двох напівмостових схемах використовують кілька тензометричних пристроїв (фіг. 2), кожний з яких з'єднаний через відповідні входи 6 з двома напівмостовими схемами, що складаються з тензорезисторів 8 і 9. При цьому виходи 11 тензометричних пристроїв з'єднані з ЕОМ 12 за допомогою мережного комутатора 16. Живлення конденсатору 5 здійснюється через ЧЦП 4. В свою чергу конденсатор 5 є джерелом живлення для тензорезисторів 8 і 9, що виключає необхідність в окремому живленні і опорній напрузі для них. Імпульсний розряд конденсатора 5 дозволяє з високою точністю контролювати час його розряду в ланцюгах тензорезисторів 8 і 9 за допомогою ЧЦП 4. Крім цього, використання імпульсного розряду конденсатора 5 істотно знижує енергоспоживання запропонованого пристрою в порівнянні з відомим технічним рішенням. Робота тензометричного пристрою здійснюється наступним чином. Тензорезистори 8 і 9 наклеюють на заздалегідь підготовлену поверхню об'єкта дослідження і з'єднують в напівмостову схему. Загальну 14 і окремі 13 і 15 ланцюги тензорезисторів 8 і 9 підключають до входу 6 тензометричного пристрою (фіг. 1). Вхід 7 підключають до джерела живлення 10 постійного струму з напругою +9 В, а вихід 11 за допомогою мережевого порту підключають до ЕОМ 12. При цьому конденсатор 5 спільно з тензорезисторами 8 і 9 створює в загальному ланцюзі напівмостової схеми низькочастотний фільтр (не показаний). Після підключення ЧЦП 4 до джерела живлення 10 конденсатор 5 заряджається і потім розряджається на один з тензорезисторів, наприклад, 8, через нормально замкнутий загальний ланцюг 14 і підключений окремий ланцюг 13, які за допомогою входу 6 з'єднані з ЧЦП 4. Імпульсний розряд конденсатора 5 відбувається за час від 2 до 100 мкс і обмежується заданим рівнем. Роздільна здатність ЧЦП 4 становить близько 15 пс, що дозволяє вимірювати час розряду з необхідною точністю. ЧЦП 4 фіксує пороги початку і завершення розряду конденсатора 5, визначає тривалість розряду і перетворює її в цифровий код, що відображає величину деформації тензодатчика 8 з урахуванням компенсованих температурних похибок. 2 UA 79210 U 5 10 15 20 25 30 Зазначені перетворення виконуються за час, необхідний для повторного заряду конденсатора 5. За цей же час ЧЦП 4 виконує на вході 6 відключення окремого ланцюга 13 тензорезистора 8 і підключення окремого ланцюга 15 тензорезистора 9. Далі імпульсний розряд конденсатора 5 вступає в ланцюг тензорезистора 9. Обробка цього сигналу відбувається аналогічно з тензорезистором 8. Кожний наступний цикл вимірювання починається з фіксування порогу початку розряду конденсатора 5 на відповідний тензодатчик 8 або 9. Блок перемикання 1 виконує в порядку черги перемикання окремих ланцюгів 13 і 15 тензорезисторів 8 і 9, блок обробки сигналів 3 здійснює обробку різниці між інтервалами часу при почерговому розряді конденсатора 5, а блок перетворення сигналів 2 - перетворення цієї інформації в цифрові коди, що відображають величини деформації тензорезисторів 8 і 9 у відповідні періоди часу з урахуванням компенсованих температурних похибок. За допомогою мережевого порту на виході 11, виконаного з підтримкою формату передачі даних по інтернет-протоколу, цифрові коди передаються для подальшої обробки за заданою програмою в ЕОМ 12. При виконанні вимірювань з використанням більше двох напівмостових схем робота пристрою здійснюється наступним чином (фіг. 2). Підготовку напівмостових схем, що складаються з тензорезисторів 8 і 9, і їх підключення до відповідних входів 6 тензометричних пристроїв виконують аналогічно вищерозглянутого прикладу. На кожному тензометричному пристрої вхід 7 підключають до загального джерела живлення 10, а виходи 11 за допомогою відповідних мережевих портів підключають до мережного комутатора 16, з'єднаного з ЕОМ 12. Робота кожного з тензометричних пристроїв відбувається аналогічно раніше розглянутому прикладу. За допомогою мережевих портів на виході 11 цифрові коди від тензометричних пристроїв надходять на мережний комутатор 16, який виконує їх розподіл в інтернет-протоколі і подальшу передачу на обробку за заданою програмою в ЕОМ 12. Тензометричний пристрій, що заявляється, на відміну від найбільш близького аналога, перетворює зміну опору тензорезисторів не в зміну напруги, а в часовий інтервал. В результаті однозначно зменшуються споживання електроенергії та габаритні розміри і вага пристрою, що дозволяє автономне використання пристрою з бездротовим інтерфейсом і, відповідно, скорочує терміни випробувань і витрати на їх проведення. А виконання пристрою з виходом для підключення до електронно-обчислювальної машини у вигляді мережевого порту з підтримкою формату передачі перетвореного цифрового сигналу за допомогою інтернет-протоколу поширює область його використання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 1. Тензометричний пристрій, що містить блок перемикання, блок перетворення сигналів і блок обробки сигналів, входи для підключення до джерела живлення і тензорезисторів, вихід для підключення до електронно-обчислювальної машини, який відрізняється тим, що він містить і конденсатор, а блок перемикання, блок перетворення сигналів і блок обробки сигналів виконані у вигляді часово-цифрового перетворювача, з'єднаного із входами для підключення до джерела живлення і тензорезисторів і виходом для підключення до електронно-обчислювальної машини, при цьому конденсатор підключений до загального ланцюга часово-цифрового перетворювача, а вихід для підключення до електронно-обчислювальної машини виконаний у вигляді мережевого порту з підтримкою формату передачі перетвореного цифрового сигналу за допомогою інтернет-протоколу. 2. Тензометричний пристрій за пунктом 1, який відрізняється тим, що він виконаний з можливістю з'єднання з однією або двома напівмостовими схемами тензорезисторів. 3 UA 79210 U 4 UA 79210 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5