Файл: Каверкин, И. Я. Анализ и синтез измерительных систем.pdf

3.Измерение и регистрация результатов измерения всех вели­ чин по команде оператора, которым также определяется продол­ жительность работы системы в этом режиме.

4.Измерение и регистрация результатов измерения всех вели­ чин по команде оператора в течение одного цикла опроса и перио­ дически один раз в час.

Система может работать одновременно в первом, втором и третьем режимах или в первом, втором и четвертом режимах.

Организация работы устройств системы (коммутатора, аналогоцифрового преобразователя, компараторов, схем управления ин­ дикацией и регистрацией) обеспечивается устройством управления.

Одновременно с основными режимами работы системы преду­ смотрен также режим автоматического контроля ее исправности. Этот режим осуществляется постоянно с каждым циклом опроса. При контроле компараторов (канал сигнализации) на их входы по­ даются значения напряжений, при которых должны срабатывать компараторы, настроенные на максимальные и минимальные зна­ чения «уставок». Контроль исправности аналого-цифрового преоб­ разователя выполняется путем подачи определенного сигнала на его вход и сравнения результатов преобразования с кодом, который хранится в устройстве контроля. Сигналы неисправности, сформи­ рованные устройством контроля, передаются на устройства сиг­ нализации. Связи всех устройств системы, работающих в режиме контроля исправности, показаны на рис. 3-17 штрихами.

Следует отметить две особенности построения системы. Это, во-первых, применение в ее структуре набора первичных измери­ тельных преобразователей с унифицированным электрическим вы­

ходным сигналом и, во-вторых,— использование компараторов, в которых сравнение контролируемых значений с допустимыми осу­ ществляется в аналоговой форме.

С и с т е м ы д л я п р о ч н о с т н ы х и с п ы т а н и й . Экспериментальные ме­

тоды исследования деформаций и напряжений конструкций полу­ чают все большее распространение в практике проектирования до­ водки и усовершенствования сложных конструкций и сооружений.

При испытаниях измерению и обработке подлежат данные, по­ лученные как результаты последовательных состояний объекта испытаний, обусловленных различными величинами и пространст­ венным распределением приложенных к нему усилий. При большом числе вариантов приложения сил и числе параметров, характери­ зующих поведение объекта эксперимента, объем информации ста­ новится настолько значительным, что ее сбор, преобразование, обработка и представление без автоматизации этих операций ока­ зываются трудно выполнимыми, а зачастую практически не реали­ зуемыми. Сокращение времени измерения и обработки результатов имеет большое значение еще и с точки зрения повышения достовер­ ности экспериментальных данных, во-первых, и снижения вероят­ ности разрушения объекта испытаний до их завершения, во-вторых. Дело в том, что при статических испытаниях значения множества

101

параметров, подлежащих измерениям, должны сниматься на ряде фиксированных значений нагрузок. Поддержание постоянства на­ грузок в течение длительного времени в сложном, многофакторном эксперименте представляет собой серьезную техническую задачу. Поэтому при большом объеме измерений и применении аппаратуры с малым быстродействием результаты, получаемые в начале и конце отсчета, соответствуют различным деформированным состояниям объекта. Это обстоятельство в значительной степени затрудняет обработку информации и может послужить причиной неверных вы­ водов о прочности изделия. Повышение быстродействия измери­ тельной аппаратуры особенно важно при изучении прочности из­ делий с большими скоростями изменения деформаций в зоне пла­ стических деформаций и при изучении состояний при нагрузках, близких к разрушающим, когда эти состояния быстро меняются. Что касается обработки результатов эксперимента, то также не­ обходима ее автоматизация, обеспечивающая при всех прочих тре­ бованиях выполнение вычислительных операций в ритме измере­ ний.

Цифровые измерительные системы для измерения статических деформаций производятся рядом зарубежных фирм: «Солартрон», «Дайнамко» (Англия), «Фришен Электроник» (ФРГ), «Кийова», «Такеда Рикэн» (Япония), «Пикел» (Голландия) и т. д. Большин­ ство подобных систем построены с применением цифровых вольт­ метров постоянного тока, что предопределяет использование в них тензометрических мостов постоянного тока. Относительно высокая степень помехоустойчивости в этих системах достигается за счет метода интегрирования, на котором основаны цифровые вольтметры, входящие в состав систем. В то же время степень подавления помех, что особенно важно при низких уровнях сигналов тензометров, в таких вольтметрах пропорциональна времени интегрирования и обеспечение большой помехозащищенности связано с необходи­ мостью, увеличения периода интегрирования и, следовательно, со снижением быстродействия систем. Одно из перспективных ре­ шений задачи — применение в быстродействующих точных и по­ мехоустойчивых измерительных системах тензометрических мостов переменного тока, и в частности, с импульсным питанием.

В таких мостах напряжение питания, подключаемое к диаго­ нали, подается на очень короткое время, необходимое для уравно­ вешивания моста быстродействующей схемой компенсации. При малой длительности импульсов напряжения питания их амплитуда может быть в десятки раз большей, чем в случае питания моста непрерывно. Это позволяет соответственно увеличить сигналы раз­ баланса моста и увеличить отношение сигнал-помеха при высоком быстродействии системы.

Подобные мосты применены в быстродействующей измеритель­ ной многоканальной системе (БИМС), предназначенной для авто­ матизации статических прочностных испытаний. Система [13] обес­ печивает:

102

1.Сбор информации от тензо- и термометрических преобразо­ вателей и ее преобразование в цифровую форму.

2.Передачу результатов измерения на устройство обработки (ЦВМ) и выполнение вычислительных операций.

3.Прием и визуальное представление информации, полученной как результат измерения и обработки.

Рис. 3-18. Структурная схема быстродействующей измеритель­ ной многоканальной системы (БИМС)

рис. 3-18, построена по модульному принципу. Каждый измери­ тельный «модуль» содержит коммутатор на 100 каналов и цифровой мост. Быстродействие «модуля» равно 100 измерениям в секунду.

103

Общее число «модулей» в системе может быть увеличено до 30. В этом случае быстродействие системы с параллельно работающими модулями равно 3000 измерениям в секунду. Работа «модуля» ос­ нована на разностном методе измерения, позволяющем избежать необходимости балансировки моста, одним из элементов которого являются подключаемые поочередно коммутатором тензометры.

Измеряемая деформация определяется по разности двух отсче­ тов: начального у 0, полученного при ненагруженном объекте ис­ следования, и любого из последующих уь произведенных при раз­ личных величинах нагрузки, приложенной к объекту:

^У = Уі— Уо-

Деформация е в каждой поверяемой точке объекта, получаемая расчетным путем, связана определенной зависимостью с величиной относительного изменения сопротивления тензорезистора

чальное значение сопротивления тензорезистора, установленного на ненагруженном объекте; R 0 — номинальное значение сопротив­ ления тензорезистора; С — «вес» единицы младшего разряда кода цифрового моста.

Цифровой мост работает по принципу поразрядного уравнове­ шивания схемы, в одно из плеч которой включен тензорезистор. Схема включения тензометров — двухпроводная и трехпроводная с одним общим проводом для двенадцати тензочувствительных эле­ ментов.

Номинальное сопротивление тензорезисторов 120 ом, тензочувствительность 2.

Чувствительность, обеспечиваемая измерительной частью, со­

ставляет 2,5-ІО-5 е (относительных единиц деформации). Обмен информацией измерительных модулей с другими устройствами си­ стемы осуществляется параллельным десятиразрядным кодом.

Результаты измерения от измерительных «модулей» (рис. 3-19) через групповой коммутатор и устройство связи передаются для обработки на вычислительную машину. Данные, полученные в ре­ зультате обработки, также через устройство связи вводятся в уст­ ройства представления: мнемосхему состояния объекта (информа­ ционную модель), построитель эпюр, построитель графических за­ висимостей деформации от нагрузки, цифровое табло.

Мнемосхема представляет собой в определенном масштабе сти­ лизованную модель объекта, заполненную световыми сигнальными ячейками с различными светофильтрами, число которых соответст­ вует количеству измеряемых параметров (точек). В зависимости от приложенных нагрузок и величин деформации объекта происхо­ дит локальное и зональное изменение цвета модели, обеспечиваю­ щее непрерывное поступление к оператору оперативной информа-

104

S

ции о состоянии объекта в процессе эксперимента. В случае необ­ ходимости выяснения, например, предаварийной ситуации опера­ тор может воспользоваться построителем эпюр, на экране элек­ троннолучевой трубки которого строится распределение деформа­ ции (изменение геометрии объекта) в том или ином, выбранном опе­ ратором сечении. Для более подробного изучения характера изме­ нения деформации в данной точке объекта при разных значениях

Рис. 3-20. Структурная схема измерительной системы для измерения и вычисления энергетических параметров моделей гидротурбин

нагрузки (Р) используется также электронный построитель зави­ симости е — ф (Р ).

Результаты измерений по каждому из измерительных каналов по вызову оператора фиксируются на цифровом табло. Все пере­ численные средства наглядного представления информации, кроме мнемосхемы состояния объекта, установлены на пульте управле­ ния экспериментом. В него же вмонтированы телевизионные эк­ раны, обеспечивающие в процессе эксперимента наблюдение за объектом.

При настройке схемы, ее проверке, а также в случае отказов вычислительной машины измерительная информация может быть

106

выведена через групповой коммутатор на быстродействующее циф­ ровое регистрирующее устройство.

Регистрация данных осуществляется фотоспособом путем пере­ носа изображения цифровых символов, формируемых электронным лучом (синтезируемых из отрезков линий) на экране электронно­ лучевой трубки, на фотобумагу.

Весь массив информации по мере ее поступления записывается в запоминающем устройстве цифровой вычислительной машины. Возможность вывода информации из устройства памяти на средства представления и после окончания эксперимента представляет су­ щественное удобство, поскольку изучение хранящихся данных в этом случае не лимитируется временем проведения эксперимента. Организация работы всех устройств системы определяется группо­

схема которой показана на рис. 3-20, обеспечивает:

1. Измерение числа оборотов модели турбины и ввод результа­ тов в вычислительное устройство.

2.Измерение высоты переливающегося слоя воды с переводом значения высоты в величину расхода, ввод этой величины в вычис­ лительное устройство и ее осреднение.

3.Измерение момента на валу рабочего колеса турбины.

4.Ввод в вычислительное устройство вручную значений на­ грузки и коэффициентов, постоянных для данного периода испы­

таний.

5. Вычисление величины коэффициента полезного действия мо­ дели турбины по формуле:

где Р — нагрузка на валу турбины; п — число оборотов турбины; Q — расход воды; /Сл — коэффициент, постоянный для данного периода испытаний.

6. Вычисление величины приведенных значений расхода, обо­

на цифровом табло и печать на бланке следующих величин: т], п, n', Q, Q', N, N'.

Суммарная погрешность измерений и вычислений не превышает

± 0,2%. Время цикла вычислений не более 50 мсек. Время изме­ рения может быть принято равным 30 или 60 сек. За это время сни­ мается соответственно 10 или 20 значений с преобразователей рас­ хода и момента, и эти данные усредняются в вычислительном уст­

107

ройстве, работающем в одном из трех режимов: «Вызов», «Автомат», «Контроль».

В первом режиме все параметры вычисляются и регистрируются поочередно по команде оператора. В режиме «Автомат» оператор осуществляет только запуск устройства; в дальнейшем цикл вы­ числения и регистрации всех параметров выполняется без участия оператора.

В режиме «Контроль» блоки съема результатов с преобразова­ телей отключаются и съем контрольных значений параметров про­ изводится с запоминающих регистров, в которых эти данные (рас­ ход, момент, число оборотов) записаны. Полученные в результате вычислений величины должны быть равными величинам, преду­ смотренным контрольной программой.

Вычислительное устройство представляет собой специализи­ рованную вычислительную машину последовательного действия. Информация в машине представлена семиразрядными десятич­ ными числами с фиксированной запятой (седьмой разряд зна­ ковый).

Цикл работы системы делится на две части: измерения и вычис­ ления. При измерении информация, снимаемая с преобразователей расхода и момента, поступает на блоки съема. Команды на опрос выдаются устройством управления. Преобразованные в блоках съема расхода Q и момента М значения передаются для усреднения в регистр арифметического устройства и затем в регистр памяти. Число оборотов за время измерений подсчитывается счетчиком им­ пульсов, поступающих от преобразователя оборотов. Процесс вы­ числения выполняется в соответствии с командами, формируемыми в распределителе команд — устройстве с фиксированными програм­ мами вычислений каждого параметра. Сигналы распределителя команд поступают на устройство управления, блок постоянных коэффициентов, блок контрольных программ и схему управления, печатающей машинкой. Для выполнения той или иной команды устройство управления выдает через равные и определенные интер­ валы времени сигналы. Источником тактовых импульсов служит генератор, соединенный с делителем частоты.

Датчики расхода и момента основаны на использовании преоб­ разователя «угол—код», обеспечивающего получение в качестве цифрового эквивалента результатов преобразования измеряемых величин двоично-десятичного циклического кода.

Для измерения числа оборотов применен индуктивный преобра­ зователь. Использование системы для целей эксперимента позво­ ляет не только избавить исследователя от выполнения измеритель­ ных операций и трудоемких расчетов, но и повысить точность по­ лучаемых результатов. Последнее приобретает особую важность при исследовании моделей турбин большой мощности (300, 500 Мет и более). Для таких турбин увеличение к. п. д. даже на доли про­ цента равноценно вводу в действие дополнительных источников электрической энергии.

108