СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ИМИТИРУЮЩИХ ОДНОВРЕМЕННОЕ СРАБАТЫВАНИЕ ГРУППЫ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ

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 проводят проверку функционирования измерительных каналов, позволяющую убедиться в готовности их к измерениям, для чего на входе каждого измерительного канала вручную кратковременно замыкают жилу заряженной кабельной линии измерительного канала, от которой на время проверки отсоединяют центральный проводник ЭКД, с общим проводом (оплеткой кабеля), имитируя тем самым сигнал, поступающий на вход измерительного канала при срабатывании ЭКД.

О функционировании измерительного канала судят по характеристикам электрического сигнала на выходе устройства формирования сигналов, который регистрируют с помощью осциллографа.

Указанный способ формирования сигнала, имитирующего сигнал на входе измерительного канала при срабатывании ЭКД, применялся при проведении исследований, приведенных в [1], и принят за прототип.

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

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.

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

Технический результат достигается тем, что в способе формирования электрических сигналов, имитирующих одновременное срабатывание группы электроконтактных датчиков, заключающемся в том, что электрические сигналы получают путем кратковременного замыкания в измерительных каналах жил кабельных линий, заряженных до заданного отрицательного потенциала, с оплетками кабельных линий, соединенными с общей шиной (землей), сигналы, имитирующие срабатывание электроконтактных датчиков, формируют одновременно по всем каналам путем кратковременного замыкания двух групп проводников, одна из которых состоит из соединенных между собой жил кабельных линий измерительных каналов, заряженных отрицательным напряжением, вторая - из оплеток кабельных линий измерительных каналов, соединенных с общей шиной (землей), замыкание осуществляют с помощью электронного коммутатора с задержкой относительно сигнала, инициирующего исследуемый процесс и являющегося пусковым для устройств регистрации интервалов времени, величину задержки выбирают равной расчетному времени развития исследуемого процесса, электрические сигналы с выходов устройств формирования подают на соответствующие информационные входы устройств измерения интервалов времени и по всем измерительным каналам определяют интервал времени между пусковым сигналом и сигналами, имитирующими одновременное срабатывание электроконтактных датчиков.

Таким образом, для проведения проверки функционирования измерительных каналов заявляемым способом необходимо объединить между собой в одну группу проводников жилы всех кабельных линий измерительных каналов и в другую - оплетки кабельных линий, соединенные с общим проводом, с задержкой относительно пускового сигнала осуществить одновременное замыкание жил и оплеток всех кабельных линий, имитируя одновременное срабатывание всех ЭКД, преобразовать в сигналы положительной полярности положительные перепады напряжения, поступающие на входы устройств формирования сигналов, и передать их с выходов устройств формирования на соответствующие информационные входы устройств измерения интервалов времени, пуск которых осуществить с опережением относительно замыкания жил и оплеток кабельных линий, после чего провести измерения интервалов времени между пусковым сигналом и сигналами, имитирующими срабатывание ЭКД, по всем каналам.

Объединение между собой в одну группу большого количества жил кабельных линий и во вторую - их оплеток облегчается тем, что при проведении исследований кабельные линии монтируют в многоконтактные соединители, контакты ответных частей которых подсоединяют к центральным проводникам и корпусам ЭКД. На время проверки функционирования измерительных каналов соединители с кабельными линиями отстыковывают от соединителей с ЭКД и присоединяют их к ответным частям, установленным на корпусе устройства формирования сигналов, имитирующих срабатывание ЭКД. Контакты, соединенные с жилами кабельных линий, подводят проводниками к проводящей поверхности слоя, находящегося на одной стороне двухслойной платы, на которой смонтирована электрическая схема устройства формирования сигналов; контакты, соединенные с оплетками кабельных линий проводниками, соединяют со слоем, находящимся на противоположной стороне платы.

Из-за большого суммарного тока в измерительных каналах в момент замыкания ЭКД при увеличении их количества и необходимости формирования опережающего сигнала для запуска устройств, регистрирующих интервалы времени, осуществить замыкание двух групп контактов вручную, по способу-прототипу, невозможно, поэтому между слоями платы устанавливают электронный коммутатор, осуществляющий замыкание двух групп контактов.

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

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

Соединение коллектора транзистора с общей шиной (землей) потребовало изменения схемы включения транзистора, поясняемого с помощью схемы, приведенной на фиг. 1.

Принятые на фиг. 1 обозначения:

1 - источник питания;

2 - генератор пускового сигнала;

3 - устройство преобразования пускового сигнала;

4 - электронный коммутатор (транзистор типа p-n-p; З, К, Э - затвор, коллектор и эмиттер транзистора);

5 - группа проводников, состоящая из оплеток кабельных линий измерительных каналов, соединенных с общей шиной (землей);

6 - группа проводников, состоящая из соединенных между собой жил кабельных линий измерительных каналов, заряженных отрицательным напряжением.

Как следует из приведенной на фиг. 1 схемы, для коммутации с помощью электронного коммутатора 4 двух групп проводников, одна из которых (группа проводников 5, состоящая из оплеток кабельных линий измерительных каналов), соединена с землей, а вторая (группа проводников 6, состоящая из соединенных между собой жил кабельных линий измерительных каналов) заряжена отрицательным напряжением, группу проводников 5, имеющую более высокий потенциал, подсоединяют к коллектору К, группу проводников 6 - к эмиттеру Э электронного коммутатора 4, общие шины источника питания 1 и устройства преобразования 3 пускового сигнала изолируют от земли, коммутацию проводников осуществляют при поступлении на затвор 3 электронного коммутатора 4 пускового сигнала с генератора 2 пускового сигнала, преобразованного в устройстве 3 преобразования пускового сигнала.

При проведении проверки функционирования измерительных каналов пусковой сигнал, инициирующий исследуемый процесс, и сигнал, задержанный по отношению к пусковому и являющийся командным для срабатывания коммутатора, могут быть получены с помощью генератора 2 пускового сигнала, имеющего два выхода (Ch1 и Ch2), на одном из которых сигнал формируется одновременно со срабатыванием генератора 2 от внешнего сигнала или от кнопки, на втором - с установленной задержкой.

Для пуска устройств измерения интервалов времени используют сигнал с выхода канала Ch1 генератора 2, формируемый одновременно со срабатыванием генератора 2, для срабатывания электронного коммутатора 4 используют сигнал с выхода канала Ch2 генератора 2, сформированный с установленной оператором задержкой. Сигнал с выхода Ch2 преобразуют в устройстве 3 для согласования его характеристик с требованиями, предъявляемыми к сигналу, поступающему на затвор 3 электронного коммутатора 4, результатом срабатывания которого является одновременное замыкание всех жил заряженных кабельных линий на оплетку.

В случае, когда задержка между сигналами с выходов генератора 2 равна расчетному времени развития исследуемого физического процесса, которое определяют заранее суммированием известных времен срабатывания всех элементов, входящих в состав исследуемого объекта, проверка является наиболее близкой к реальным условиям.

При замыкании кабельных линий, жилы которых соединены с отрицательным выходом источника питания 1 и имеют отрицательный потенциал, по ним распространяются положительные перепады напряжения от величины отрицательного зарядного напряжения до нуля, которые поступают на входы устройства формирования сигналов, преобразующего перепады напряжения в сигналы с характеристиками, отвечающими требованиям к входным информационным сигналам устройств измерения интервалов времени.

Результаты измерений интервала времени между пусковым сигналом и моментом срабатывания электронного коммутатора 4 по всем каналам в пределах погрешности измерений должны быть одинаковы и должны совпадать с установленной задержкой между сигналами, что является критерием нормального функционирования измерительных каналов.

Переход от поочередного замыкания жил кабелей измерительных каналов при проверке их функционирования по способу-прототипу к одновременному замыканию всех жил кабельных линий с задержкой относительно пускового сигнала, равной расчетному времени развития исследуемого процесса, дает возможность достичь нескольких положительных эффектов:

- включить устройства регистрации интервалов времени, являющиеся составной частью измерительных каналов, в число проверяемых, что дает возможность провести более полный контроль их функционирования;

- уменьшить продолжительность проверки функционирования всех каналов, поскольку для ее проведения требуется всего одно замыкание кабелей;

- провести контроль функционирования измерительных каналов в условиях, наиболее приближенных к реальным, измеряя по всем каналам интервал времени, близкий к ожидаемому;

- по отклонению зарегистрированных интервалов времени от среднего значения получить данные о погрешности измерений интервалов времени с помощью примененных устройств и об идентичности измерительных каналов.

В качестве электронного коммутатора 4 при реализации предлагаемого способа формирования электрических сигналов, имитирующих одновременное срабатывание группы электроконтактных датчиков, может быть применен силовой IGBT модуль МТКИ-400-12Н, максимальный импульсный ток коллектора которого составляет 800 А при ширине импульса 1 мс.

Как отмечалось, при замыкании ЭКД, подсоединенного к кабельной линии с волновым сопротивлением 50 Ом, заряженной до напряжения минус 200 В, по ней распространяется электрический сигнал с амплитудой тока 4 А, что дает возможность коммутировать заявляемым способом не менее 200 кабельных линий.

В качестве генератора 2 пускового сигнала, обеспечивающего формирование пускового сигнала для запуска устройства измерения интервалов времени и задержанного относительно него сигнала для срабатывания коммутатора, может быть применен генератор сигналов Tektronix AFG 3252.

Электрическая схема формирования сигналов, преобразующая перепады напряжения в кабельных линиях в электрические сигналы с параметрами, отвечающими требованиям, предъявляемым к входным сигналам устройств измерения интервалов времени, приведена в [1].

В качестве многоканального устройства измерения интервалов времени может быть применено 1024-канальное устройство преобразования информации СУПИ62.

На фиг. 2 приведена осциллограмма одного из сигналов на выходе схемы формирования в случае имитации срабатывания ЭКД путем замыкания вручную жилы кабеля на общую шину (оплетку).

На фиг. 3 приведена осциллограмма одного из сигналов на выходе схемы формирования при использовании электронного коммутатора для осуществления замыкания жил измерительных кабельных линий с оплеткой.

По осям Х и Y на осциллограммах отложены время и амплитуда сигнала соответственно; цена деления по оси Х - 400 нс, по оси Y - 200 мВ.

Напряжение зарядки кабельных линий устанавливалось равным минус 200 В.

Регистрация сигналов выполнялась с помощью делителей амплитуды сигнала в к=200 раз.

Как следует из осциллограмм, приведенных на фиг. 2 и 3, характеристики сигналов близки:

- амплитуда сигнала на входе регистраторов интервалов времени с учетом деления сигнала при регистрации составляет 183 В и 199 В;

- длительность фронта сигнала равна 211 нс и 228 мкс при механической и электронной коммутации соответственно.

В таблице приведены результаты измерений по 160 каналам интервалов времени между сигналом, инициирующим исследуемый процесс, и замыканием с помощью электронного коммутатора всех жил кабельных линий измерительных каналов.

Задержка между пусковым сигналом и сигналами, поступившими на информационные входы устройства измерений интервалов времени, составляла величину 30014,7 мкс и складывалась из двух частей: задержки между сигналами по каналам Ch1 и Ch2, которая была установлена равной 30000 мкс, и внутренней задержки между входными и выходными сигналами в устройстве формирования электрических сигналов, имитирующих одновременное срабатывание группы электроконтактных датчиков, равной 14,7 мкс.

Среднее значение измеренных по 160 каналам интервалов времени составило 30014,745 мкс, что в пределах погрешности измерений совпадает с установленной задержкой.

Разброс между результатами измерений по каналам, характеризуемый среднеквдратическим отклонением σ=0,002 мкс, не превышает погрешности измерений, что свидетельствует об идентичности измерительных каналов.

Полученные результаты подтверждают возможность применения предлагаемого способа формирования электрических сигналов, имитирующих одновременное срабатывание группы ЭКД, при проверке функционирования измерительных каналов в ходе подготовки к эксперименту при исследовании быстропротекающих процессов.

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., с. 74-79.