Автоматизированный модуль тензоизмерений

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В настоящее время все больше возрастает значение компьютерных технологий при создании информационно-измерительных систем. Наряду с относительной дешевизной, это связано с широкими возможностями компьютеров по оперативной обработке результатов измерений и их наглядной интерпретации. С повсеместным внедрением компьютеров и микропроцессоров, развитием стандартов связи и сетевых технологий инженеры вынуждены в равной степени увеличивать сложность процессов разработки, производства и тестирования новых продуктов, а также ориентироваться на разработку все более сложных приложений для программируемых встраиваемых систем.

Для решения задачи автоматизации трудоемких, рутинных измерительных операций и обработки больших массивов данных предложена концепция технологии виртуальных приборов (ВП), которая базируется на предоставлении ученым и инженерам инструментария для создания своих пользовательских контрольно-измерительных систем.

Одним из основных разработчиков по созданию виртуальных измерительных приборов и систем, является программный пакет LabVIEW фирмы National Instruments, используемый в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами [1].

На отечественном рынке представлен ряд фирм (ZetLab, L-Card) мало уступающих National Instruments по техническим возможностям, и особенно в создании средств автоматизации тензоизмерений [2, 3].

Тензометрические измерения производятся при помощи тензостанции и модулей. Тензорезистивный эффект применяется для измерения различных физических величин: веса, давления, механического напряжения и т.п. [4]. В качестве чувствительльных элементов используются тензодатчики или тензорезисторы в различных исполнениях. На практике сигналы с датчиков, ввиду малых изменений (сотые доли mV), необходимо усиливать, для чего применяются нормализаторы сигналов с датчиков (в частности дифференциальные усилители) [5].

Широкий спектр устройств и средств автоматизации тензоизмерений, разработаных фирмой ZetLab, позволяет гибкую реконфигурацию измерительных модулей, для решения конкретных задач.

Разработана измерительная система, которая включает блок датчиков, модуль тензоизмерений АЦП-ЦАП ZET 210 , усилитель сигнала ZEN 410, ПК с программным обеспечением ZET VIEW. Сигнал с выхода усилителя по каналу USB подключен к виртуальному прибору реализованному на компьютере в среде ZET VIEW. Система позволяет строить характеристики зависимости напряжения на выходе электрической схемы.

Рисунок 1 - Функциональная схема измерительной системы

программный тензоизмерение виртуальный

Модуль АЦП/ЦАП ZET 210 это многофункциональное устройство, предназначенное для измерений параметров сигналов в широком частотном диапазоне (с частотой дискретизации до 400 кГц), поступающих с первичных преобразователей. Цифровой (разъем DB_15) и аналоговый выходы (разъем DB_25) используются в цепях управления различными исполнительными механизмами. Подключение к ПЭВМ и питание модуля осуществляется по шине USB 2.0, базовое программное обеспечение - ZETLAB.

Для расширения функциональных возможностей измерительного прибора ZET 210, используется предварительный усилитель ZET 410 с фиксированными коэффициентами усиления - (1, 10, 100, 1000) . К одному компьютеру подключаются до 10 различных модулей АЦП/ЦАП, что позволяет создавать мобильные измерительные комплексы.

Используя программное обеспечение ZETLAB, строится виртуальная лаборатория, для визуализации, спектрального анализа, измерения электрических параметров, генерации, записи и воспроизведения сигналов с тензодатчиков.

Виртуальные приборы ZETLAB позволяют решать задачи измерения и управления в области сейсмики, вибрации, термометрии, тензометрии и т.д. Программы из состава ZETLAB обрабатывают сигналы, поступающие на входные каналы анализаторов спектра, сейсмостанций, тензостанций, плат АЦП/ЦАП, интеллектуальных датчиков.

В работе программного модуля, основную часть панели ZETLAB составляют меню запуска программ ZETLAB: виртуальных приборов, сервисных и сетевых программ, программ, реализованных в SCADA системе ZETVIEW.

В частности, модуль ZETLAB имеет следующие программы:

- предоставляет быстрый доступ к файлам конфигурации и записанным сигналам, позволяет сохранять/загружать проекты, содержит функции автоматического размещения окон и сторожевого таймера;

- программы анализа сигналов с применением различных алгоритмов: преобразование Фурье, Вейвлет-анализ, преобразование STA/LTA, статический анализ, корреляционный анализ и др.;

- программы измерения параметров сигналов;

- программы визуализации сигналов, результатов измерений и работы с записанными данными.

- программы генерации сигналов;

- программы записи и воспроизведения;

- программы снятия АЧХ и ФЧХ.

Подключение устройств ZET к компьютеру осуществляется кабелем HighSpeed USB 2.0 к порту HighSpeed USB 2.0 ПЭВМ.

Программы раздела «Измерение» предназначены для измерения различных параметров сигналов. Программа «Тензодатчик» предназначена для измерения усилия с помощью тензорезисторов и тензодатчиков. Программа работает как в реальном времени, так и по записям оцифрованных сигналов.

Программа «Тензодатчик» создает виртуальный канал, таким образом, результаты измерений доступны для других программ ZETLAB, можно вести непрерывную запись показаний программы Тензодатчик с помощью программы Многоканальный самописец, или просматривать их в программе Осциллограф.

Вольтметры являются универсальными измерительными приборами и рассчитывают постоянные и переменные уровни сигналов (СКЗ, СКО, амплитудные, пиковые и др.).

Все программы раздела «Измерение» отображают результат измерения на цифровом табло. Специализированные программы (т.е. все, кроме вольтметров) создают виртуальные каналы с результатами обработки, которые доступны другим программам ZETLAB.

При настройке виртуального прибора важно правильно выбрать частоту дискретизации сигнала, поскольку программы ZETLAB предназначены для обработки оцифрованных сигналов. Аналоговый сигнал с датчика оцифровывается измерительным прибором и полученный цифровой сигнал формируется в виде канала сервера данных ZETSERVER. Канал данных представляет собой мгновенные отсчёты сигнала - определенное количество в секунду. Количество отсчетов в секунду называется частотой дискретизации FADC и задается для измерительного прибора в программе «Диспетчер устройств» ZET.

Частота дискретизации при оцифровке сигнала должна быть достаточной для анализа исследуемого процесса. Общее правило при выборе частоты дискретизации: чем быстрее протекает процесс, чем выше должна быть частота дискретизации.

При выборе частотного диапазона необходимо обратить внимание, что поскольку сигналы оцифровываются с определенной частотой дискретизации, то их анализ может проводиться в ограниченном диапазоне частот. Значения параметров сигнала могут быть вычислены программами, если на период сигнала приходится не менее 2-3-х точек. Например, при частоте дискретизации сигнала 25 кГц возможен анализ в диапазоне до 10 кГц.

При вычислении параметров сигнала необходимо вычислить другой параметр - время усреднения данных. Оцифрованный сигнал представляет собой последовательность мгновенных значений сигнала. И на данном этапе из всех временных параметров измерений имеется только один - частота дискретизации, т.е. количество точек в секунду.

На рисунках ниже приведен пример расчета среднеквадратического значения сигнала (СКЗ) с усреднением, равным двум периодам сигнала Т, и с усреднением, равным десяти периодам сигнала Т. Время усреднения подбиралось в соответствии с решаемой задачей. Для сглаживания помех рекомендуется увеличить время усреднения данных при измерениях. При исследованиях переходных процессов, наоборот, требуется высокая степень детализации и быстрое усреднение.

Рисунок 2 - Вычисление СКЗ за время, равное 10 периодам сигнала

Рисунок 3 - Вычисление СКЗ за время, равное 2 периодам сигнала

Виртуальный прибор построенный в ZETLAB предназначен для решения задач автоматизации измерения и управления в области тензометрии.

Тензоизмерения осуществляются с использованием тензометрической станции ZET-210 и программы «Тензодатчик», предназначеной для измерения усилия с помощью тензорезисторов, деформация которых приводит к изменению их электрического сопротивления. Программа работает как в реальном времени, так и по записям оцифрованных сигналов.

Программа «Тензодатчик» создает виртуальный канал, таким образом, что результаты измерений доступны для других программ ZETLAB, с возможностью ведения непрерывной записи показаний программы «Тензодатчик».

Средства автоматизации тензоизмерений позволяют свободное конфигурирование измерительных систем на базе современных модулей для задач современной тензоизмерений.

Литература

1. Тревис, Жд. LabVIEW для всех / Дж.Тревис: Пер. с англ. Клушин Н. А. ~ М.: ДМКПресс; ПриборКомплект, 2005. - 544 с.

2. Электронное оборудование для промышленной автоматизации L-CARD (http://www.lcard.ru)

3. Измерительные средства ZETLAB (http://www.zetlab.ru)

4. Аш Ж., Андре П. и др. Датчики измерительных систем / Аш Ж.: Пер с франц. Васильченко Н.Н. - М.: Мир, 1992. - 480 с.

5. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков / автор перевода Горшков Б.Л. 311с.

Размещено на Allbest.ru