способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа
Классы МПК: | G01D9/00 Регистрация (запись) измеряемых величин |
Автор(ы): | Алексеев О.Г., Бобровский В.С., Борнин Ю.Г., Железняк В.М., Матвеев В.З., Моренко А.И., Прасолов Д.В., Чирков Е.И., Шаповалов В.И., Яровиков В.И. |
Патентообладатель(и): | Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики, Министерство Российской Федерации по атомной энергии |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-10-30 публикация патента:
20.09.2002 |
Изобретение относится к неразрушающему контролю объектов. Согласно способу измеряют величину в частотном диапазоне от 1 до f2посредством первичного преобразователя, сигнал с которого преобразуют в цифровой вид с частотой дискретизации fдискр и подают в оперативное запоминающее устройство. При этом цифровой сигнал сравнивают с пороговым уровнем, в случае недостижения которого аналого-цифровое преобразование сигнала производят при отключенном запоминающем устройстве с частотой 2f2<f<f дискр, а при достижении и превышении указанного уровня сигнал записывают в запоминающее устройство в течение времени Tзап
1/f1 и перезаписывают с него в энергонезависимое запоминающее устройство. Регистратор содержит первичный преобразователь величины и электронный блок предварительной обработки сигнала. Первичный преобразователь и электронный блок объединены в один корпус. В электронный блок дополнительно введено электрически программируемое энергонезависимое запоминающее устройство. Технический результат проявляется в повышении долговечности работы без замены батареи питания, а также в снижении влияния температуры на показания и исключении несанкционированного срабатывания. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189039/8805.gif)
Формула изобретения
1. Способ регистрации механической величины контролируемого объекта в частотном диапазоне от f1 до f2, заключающийся в том, что измеряют механическую величину посредством первичного преобразователя, сигнал с которого преобразуют в цифровой вид с частотой дискретизации fдискр и подают на вход оперативного запоминающего устройства, а при сборе информации о регистрируемой величине ее передают в систему окончательной обработки сигнала, отличающийся тем, что цифровой сигнал сравнивают с пороговым уровнем, в случае недостижения которого преобразование сигнала в цифровой вид производят при отключенном оперативном запоминающем устройстве с частотой 2f2<f![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189039/8805.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189039/8805.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к неразрушающему контролю различных (промышленных, опасных, ценных и др. ) объектов, основанному на регистрации механических возмущений с помощью первичных преобразователей с хранением зарегистрированной информации в памяти автономного регистратора, и может быть использовано, в частности, для контроля нерегламентируемых ударов и вибрации транспортируемых опасных и ценных объектов. Продолжительность работы регистратора, работающего в автономном режиме, связана с энергопотреблением его электронной части. Обеспечение его долговечности весьма проблематично в условиях ограниченного доступа к контролируемым объектам, без возможности замены батареи питания и, особенно, при контроле перевозимых железнодорожным транспортом грузов. Данная проблема сопряжена с рядом особенностей такого контроля:1) энергопотребление регистраторов зависит от сложности обработки сигналов и объема запоминаемой информации и, соответственно, сложности его схемы (количества элементов, требующих питания, напряжения питания и др.). Чем сложнее предварительная обработка сигнала (усиление и преобразование сигнала, сравнение с заданным уровнем, вычисление функций) и больше объем запоминаемой информации, тем выше энергопотребление регистратора и меньше срок его работы в непрерывном режиме без замены батареи питания. В настоящее время сложились тенденции к комплексной (интегральной) оценке состояния контролируемого объекта, требующей проведения сложной обработки сигнала и запоминания, при этом, больших объемов информации. Причем, такая обработка должна производиться непосредственно во время транспортировки груза неквалифицированным обслуживающим персоналом;
2) ограниченное время нахождения обслуживающего персонала рядом с опасным объектом при его осмотре и сборе информации о нерегламентированных нагрузках;
3) осмотр транспортируемого объекта и сбор информации о нерегламентируемых механических возмущениях может осуществляться через достаточно большие промежутки времени. Решение поставленных задач усложняется еще и проблемами влияния температуры окружающей среды на показания регистратора. Изменение коэффициента преобразования, например, пьезоэлектрических преобразователей из сегнетомягкой пьезокерамики в температурном диапазоне от - 60 до +50 oС может достигать десятки процентов. Известен автономный запоминающий датчик для измерения пиковых значений ускорения /1/, в корпусе которого размещен запоминающий чувствительный элемент - магнитный крешер. Датчик позволяет долговременно сохранять без потребления электрической энергии зарегистрированное значение ускорения, однако он мало информативен: не измеряет действующую механическую величину, как функцию времени, не регистрирует время появления механических возмущений выше заданного порогового уровня и т.п. Известно портативное устройство для сбора данных при измерениях различных физических величин /2/, содержащее первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, соединенный кабелем с электронным блоком предварительной обработки сигнала, включающим источник питания, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессор, включающий контроллер, таймер реального времени и запоминающее устройство. Электронный блок предварительной обработки данных (электронный блок) выполнен в отдельном корпусе и может работать независимо от системы окончательной обработки сигналов (компьютера). Источник питания в виде одной или нескольких батарей обеспечивает сохранение измеренных данных в запоминающем устройстве. Регистрацию физической величины портативным прибором осуществляют следующим образом: сигналы первичных преобразователей подают на вход мультиплексора, производят аналого-цифровое преобразование и передают на вход микропроцессора, в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) которого записывают информацию о регистрируемой величине. При сборе и окончательной обработке измеренных данных портативный прибор соединяют с компьютером и перезаписывают информацию в систему окончательной обработки сигналов. Недостатком данного портативного прибора и способа регистрации физической величины, основанного на использовании портативного прибора в качестве регистратора с хранением информации в ОЗУ, является ограниченный ресурс работы в непрерывном режиме без замены батареи питания. Задача, решаемая изобретением, направлена на создание способа регистрации механической величины (ускорения, силы, давления и др.) и автономного устройства, реализующего способ, предназначенных для контроля механических возмущений транспортируемых опасных и ценных объектов. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение долговечности работы (времени непрерывной работы без замены батареи питания). Дополнительными техническими результатами являются снижение влияния температуры на показания регистратора и устранение несанкционированного срабатывания (записи механической величины при случайном ударе по регистратору предметами карманного пользования). Технический результат достигается тем, что в известном способе регистрации механической величины контролируемого объекта в частотном диапазоне от f1 до f2, заключающемся в том, что измеряют механическую величину посредством первичного преобразователя, сигнал с которого преобразуют в цифровой вид с частотой дискретизации fдискр и подают на вход ОЗУ, а при сборе информации о регистрируемой величине ее передают в систему окончательной обработки сигнала, новым является то, что цифровой сигнал сравнивают с пороговым уровнем, в случае недостижения которого преобразование сигнала в цифровой вид производят при отключенном ОЗУ с частотой 2
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-2t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-3t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189039/8805.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-4t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-5t.gif)
K=Kнорм
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189011/945.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
где К - относительная температурная зависимость, в соответствии с которой производится корректировка напряжения срабатывания контроллера или коэффициента усиления предварительного усилителя-формирователя до заданного порогового уровня сигнала;
Кнорм - относительный коэффициент, измеренный в нормальных условиях при температуре tнорм, в большинстве случаев, Кнорм=1;
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189011/945.gif)
to - измеренная в процессе эксплуатации регистратора температура окружающей среды (контролируемого объекта), [oК];
tнорм - нормальная температура, при которой производилась калибровка первичного преобразователя, в большинстве случаев, tнорм=293-298 К. Повышение долговечности работы регистратора для осуществления описанного способа регистрации механической величины достигается введением в электронный блок регистратора ЭПЭЗУ, которое позволяет долговременно сохранять измеренные данные без потребления электрической энергии и отключать ОЗУ на время действия нормальных механических нагрузок. Объединение первичного преобразователя механической величины и электронного блока предварительной обработки сигнала в один корпус позволяет скомпоновать регистратор в приемлемых габаритах, добиться удобства крепления и эксплуатации регистратора на контролируемом объекте и, одновременно, снизить потери электрической энергии в соединительных кабелях, способствуя тем самым повышению долговечности работы регистратора. Дополнительное введение ЭПЭЗУ, вход и выход которого соединены с соответствующими выходом и входом контроллера, и соединение другого выхода контроллера с электрическим соединителем, установленным на корпусе регистратора с возможностью подключения системы окончательной обработки сигналов, обеспечивают как долговременное сохранение измеренной информации без потребления электрической энергии и возможность отключения на время действия нормальных механических нагрузок ОЗУ, так и перезапись из него измеренной информации в систему окончательной обработки сигналов и запись в него необходимой для работы информации (температурной зависимости коэффициента преобразования, момента времени включения рабочего режима регистратора и др.) из системы окончательной обработки сигналов через портативный пульт сбора данных. Следует отметить, что контроллер микропроцессора может содержать собственную оперативную и долговременную память, обеспечивающие нормальную работу электронного блока (пуск и отключение элементов электронного блока, включая ОЗУ, сравнение измеренного сигнала с пороговым уровнем, перезапись из ОЗУ в ЭПЭЗУ, изменение тактовой частоты, расчеты уровней срабатывания, хранение служебной информации, например, идентификационных кодов и др.), однако запись измеренных данных (механической величины, времени появления нерегламентированных нагрузок и температуры) производится только в ОЗУ с последующей перезаписью через контроллер в ЭПЭЗУ. Дополнительное введение датчика температуры, выход которого соединен с контроллером, обеспечивает регистрацию температуры контролируемого объекта в момент воздействия нерегламентированных механических нагрузок с целью дальнейшей температурной корректировки записанной информации и одновременно уточнение порогового уровня сигнала с учетом температурной зависимости коэффициента преобразования первичного преобразователя, записанной в ЭПЭЗУ в виде таблицы или математической формулы. Нормализация коэффициента преобразования и снижение влияния температуры на показания первичного преобразователя механической величины достигаются тем, что первичный преобразователь выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя, соединенного с входной цепью усилителя, включающей, по крайней мере, шунтирующий резистор, параллельно которому дополнительно включена подстроечная емкость, обеспечивающая, одновременно, приведение индивидуальных значений коэффициента преобразования к заданному значению и компенсацию влияния температуры на коэффициент преобразования. При этом выбор первичного преобразователя механической величины на основе пьезоэлектрического эффекта позволяет также увеличить ресурс непрерывной работы регистратора без замены батареи питания, поскольку для пьезопреобразователей не требуется питание. Наличие шунтирующего резистора во входной цепи усилителя обеспечивает формирование нижней границы рабочего частотного диапазона (f1) и, одновременно, защиту от электрического пробоя входного активного элемента предварительного усилителя-формирователя (транзистора или микросхемы). Через него стекает накопленный пироэлектрический заряд пьезопреобразователя и электрический заряд, возникший на электродах пьезоэлемента при квазистатических механических возмущениях (f<f). Особенно это важно при отключенном питании усилителя и резких изменениях температуры. Механизм нормализации и снижения влияния температуры на коэффициент преобразования пьезоэлектрического преобразователя сводится к следующему:
При параллельном подключении ко входу предварительного усилителя-формирователя подстроечной емкости Сn коэффициент преобразования по напряжению
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-6t.gif)
где
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
Cc - емкость пьезоэлектрического преобразователя (емкость пьезоэлемента);
Сn - подстроечная емкость;
Су - входная емкость усилителя. В большинстве случаев входной емкостью Сy можно пренебречь. Из приведенной зависимости видно, что коэффициент преобразования
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-7t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-8t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-9t.gif)
где KQ - относительный коэффициент влияния температуры на коэффициент преобразования по заряду;
ТКЕn - относительный температурный коэффициент подстроечной емкости. В случае же сравнимости значений емкости пьезоэлектрического преобразователя Сc и подстроечной емкости Сn коэффициент преобразования
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-10t.gif)
где КС - относительный коэффициент влияния температуры на электрическую емкость пьезоэлектрического преобразователя. Из приведенной формулы видно, что температурная компенсация осуществляется подбором температурного коэффициента подстроечной емкости ТКЕn из условия равенства:
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-11t.gif)
Откуда:
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-12t.gif)
При условии Сc
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189019/8776.gif)
TKEn
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189019/8776.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-13t.gif)
где Rc - сопротивление пьезоэлектрического преобразователя (пьезоэлемента);
Rш - шунтирующий резистор;
Ry - входное сопротивление усилителя. Откуда
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-14t.gif)
При этом, если емкость пьезоэлектрического преобразователя c получается существенно меньше рассчитанной подстроечной емкости Сn, то ею (Сc) можно пренебречь, и окончательными условиями выбора величины Сn и температурного коэффициента подстроечной емкости ТКЕn являются:
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-15t.gif)
TKEn
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189019/8776.gif)
В других случаях
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-16t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-17t.gif)
Защита от несанкционированного срабатывания (записи механической величины при случайном ударе по регистратору предметами карманного пользования) обеспечивается демпфированием ударов оболочкой из эластичного материала. При этом конструкция оболочки выполнена такой, чтобы падающие предметы при ударе соприкасались только с шипами оболочки. Причем большая часть кинетической энергии удара трансформируется в потенциальную энергию изгиба шипов, часть превращается в тепло, а остальная, меньшая часть - в потенциальную энергию деформаций корпуса регистратора. Потери кинетической энергии, переходящие в тепловую энергию, связаны с внутренним трением материала оболочки, трением падающего предмета о шипы оболочки, а также - трением оболочки при скольжении по корпусу регистратора и при повороте основания шипов при их изгибе. Изгиб шипов при ударе падающего предмета вызывает их свободные, быстро затухающие колебания и не приводит к деформации корпуса регистратора. Этому способствуют выбранные форма и размеры оболочки: тонкостенность цилиндра оболочки, регулярность шипообразной структуры, коническая или цилиндрическая форма шипов, размеры шипов (H > L > D
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189039/8805.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-18t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189057/8594.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-19t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189565/2189565-20t.gif)
![способ регистрации механической величины и регистратор для осуществления способа, патент № 2189565](/images/patents/281/2189039/8805.gif)
Под действием инерционных сил чувствительные элементы 30 трехкомпонентного пьезоэлектрического преобразователя 1 испытывают деформации изгиба и генерируют электрический заряд, пропорциональный действующему ускорению контролируемого объекта 19. Преобразователь 1 соединен с электронным блоком 2, где производится предварительная обработка данных: усиление сигнала, преобразование в цифровой вид, регистрация температуры контролируемого объекта 19 с помощью датчика температуры 15, температурная коррекция порогового уровня, сравнение цифрового сигнала с пороговым уровнем, фиксация времени появления нерегламентированных механических нагрузок и запись зарегистрированной информации. Одновременно электронный блок 2 обеспечивает перезапись зарегистрированной информации в систему окончательной обработки сигналов 20 и запись из нее исходной информации, необходимой для новых циклов работы регистратора. Увеличение долговечности работы регистратора достигается отключением ОЗУ 14 и уменьшением частоты аналого-цифрового преобразования на время действия нормальных механических нагрузок, которые считаются механическим шумом и не записываются регистратором 18. Информативные сигналы регистрируются и записываются в ЭПЭЗУ 16 и перезаписываются в систему окончательной обработки сигналов 20 посредством пульта сбора данных 21. Источники информации
1. Патент РФ 2123189 "Автономный запоминающий датчик для измерения пиковых значений ускорения", МПК 6 G 01 Р 15/04, опубл. в БИ 34 от 10.12.98, приоритет от 10.06.97. 2. Патент США 5526287 "Портативное устройство сбора данных", МПК 6 G 01 D 9/00, опубликовано в 1996 г.
Класс G01D9/00 Регистрация (запись) измеряемых величин