PL174017B1 - Sposób oraz układ do pomiaru natężenia prądu zgrzewania - Google Patents

Abstract

1 Sposób pomiaru natężenia prądu zgrzewania dokonywany z wykorzystaniem sterowalnego toru pomiarowego, znamienny tym, że w etapie przygotowawczym zmniejsza się wartość kompensacji i wprowadza tę wartość do toru pomiarowego w przypadku zmiany wartości wyjściowej sygnału toru pomiarowego z wartości ujemnej na dodatnią, a zwiększa się wartość kompensacji i wprowadza tę wartość do toru pomiarowego w przypadku zmiany wartości wyjściowej sygnału toru pomiarowego z wartości dodatniej na ujemną, a dodatkowo wprowadza do toru pomiarowego maksymalną wartość kompensacji i zwiększa wartość kompensacji, gdy wartość wyjściowa sygnału toru pomiarowego pozostaje ujemna przez czas dłuższy od czasu granicznego oraz wprowadza się do toru pomiarowego minimalną wartość kompensacji i zmniejsza wartość kompensacji, gdy wartość wyjściowa sygnału toru pomiarowego pozostaje dodatnia przez czas dłuższy od czasu granicznego, przy czym z kolejnych wartości kompensacji wyznacza się wartość średnią, zakończenie etapu przygotowawczego, a jednocześnie rozpoczęcie etapu pomiaru właściwego polega na tym, że określa się początek sygnału 2 Układ do pomiaru natężenia prądu zgrzewania składający się z różniczkującego czujnika sygnału, kluczy analogowych kondensatora integrującego, integrującego wzmacniacza operacyjnego, mikrokomputera z blokiem pamięci, znamienny tym, ze różniczkujący czujnik sygnału (PCS), połączony jest z "n" blokami zakresów (BZ1,...BZk...BZn), gdzie "n" określa ilość zakresów pomiarowych, a w każdym bloku zakresu (BZk) jego wejście podłączone jest do rezystora danego zakresu (RZk1), który łączy się z następnymi rezystorami (RZk21 RZk3), a drugi rezystor (RZk2) połączony jest z masą, natomiast trzeci rezystor (RZk3) łączy się z kluczem analogowym danego zakresu (KZk), który to klucz ma wejście sterujące połączone z mikrokomputerem (μΚ), i w wybranym przez mikrokomputer bloku zakresu klucz zwierany jest z wejściem wzmacniacza operacyjnego (WO), natomiast w pozostałych blokach klucze zwierane są do masy, a ponadto wzmacniacz operacyjny (WO) pomiędzy swoim wyjściem, a wejściem odwracającym ma włączony kondensator integrujący (KI), oraz do wejścia nieodwracającego ma podłączony blok cyfrowo-analogowy (BCA) i rezystor kompensacji zera (RKZ) podłączony drugim końcem do masy, przy czym blok cyfrowo-analogowy (BCA) połączony jest z mikrokomputerem (μΚ),

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz układ do pomiaru natężenia prądu zgrzewania.

Pomiary niektórych wielkości fizycznych, na przykład wysokich natężeń prądów w zgrzewarkach reóystancejnyyh lub iskrowych, dokonywane są za pomocą czujników różniczkujących. Na wyjściu tych czujników otrzymuje się sygnał proporcjonalny do różniczki mierzonego sygnału wejściowego. Aby uzyskać sygnał proporcjonalny do sygnału wtjZciowtge należy dokonać integracji sygnału z wyjścia czujnika różniczkującego, przy czym przed rozpoczęciem pomiaru wartość sygnału na wyjściu integratora musi być równa zeru. Elektroniczne układy całkujące, ze względu na występowanie zjawiska zmienności w czasie parametrów poszczególnych elementów układu, pomimo braku sygnału wejściowego, nie utrzymują stałej, w szczególności zerowej, wartości sygnału na swoim wyjściu. Efekt ten określany jest jako płynięcie sygnału wyjściowego układu całkującego. Może stanowić przyczynę znacznych błędów pomiarowych. W celu usunięcia tej niedogodności stosuje się kilka rozwiązań konstrukcyjnych.

Znane są układy integratorów z kluczem analogowym służącym do zerowania integratora. Takie rozwiązanie pociąga za sobą konieczność rozwarcia klucza analogowego przed rozpoczęciem pomiaru. Stosowanie integratora w przyrządach pomiarowych, w których moment pojawienia się sygnału mierzonego nie jest znany, może doprowadzić, w przypadku rozwarcia klucza po pojawieniu się mierzonego sygnału, do całkowicie błędnych pomiarów. Natomiast w przypadku zbyt wczesnego rozwarcia klucza analogowego, przed rozpoczęciem zasadniczego pomiaru, na wyjściu integratora pojawi się sygnał wynikający z niezlównowarenia wzmacniacza operacyjnego wchodzącego w układ integratora, mogący nawet przekraczać wartość sygnału użytecznego.

Znane są również układy integratora ze wstępną kompensacją niezrównowarenia wzmacniacza integrującego, która zmniejsza efekt płynięcia sygnału wyjściowego integratora, ale nie niweluje tego efektu całkowicie i przy długich czasach od rozwarcia klucza zerującego integrator do rozpoczęcia zasadniczego pomiaru, efekt płynięcia sygnału wyjściowego może spowodować błąd o wartości przekraczającej wartość sygnału użytecznego. Ponadto kompensacja musiałaby być wykonywana bezpośrednio przed pomiarem. W przypadku przyrządów pomiarowych, w których moment rozpoczęcia pomiaru jest na ogół nieznany, takie wymaganie nie może być spełnione.

Znane są również układy, na przykład według patentu polskiego nr 144325, w których integrator zastąpiono filtrem gólnopróepustowem. Zapewnia to wyeliminowanie efektu płynięcia sygnału wyjściowego filtru, ale pociąga za sobą zniekształcenia odtwarzania przebiegu natężenia prądu. Tego typu rozwiązanie wprowadza błąd metody przy pomiarach wartości natężenia prądu przemiennego i całkowicie nie nadaje się do pomiarów sygnałów o stałym kierunku przepływu, na przykład natężenia prądu w zgrzewarkach prądu stałego.

Drugim problemem, niezależnym od odtwarzania sygnału mierzonego po zróżniczkowaniu go przez czujnik pomiarowy, jest sposób określenia wartości skutecznej mierzonego sygnału. Znane są układy, na przykład według patentu polskiego nr 144325, w których problem ten rozwiązany został metodą przetwarzania analogowego, ale dają one wyniki obarczone błędem tym większym, im krótszy jest czas mierzonego przebiegu.

Niedogodności te usuwa sposób pomiaru natężenia prądu zgrzewania według wynalazku z wykorzystaniem sterowalnego toru pomiarowego, zgodnie z którym pomiar w etapie przygotowawczym polega na tym, że zmniejsza się wartość kompensacji i wprowadza tę wartość do toru pomiarowego w przypadku zmiany wartości wyjściowej sygnału toru pomiarowego z wartości ujemnej na dodatnią, a zwiększa się wartość kompensacji i wprowadza tę wartość do toru pomiarowego w przypadku zmiany wartości wyjściowej sygnału toru pomiarowego z wartości dodatniej na ujemną, a dodatkowo wprowadza się do toru pomiarowego maksymalną

174 017 wartość kompensacji i zwiększa wartość kompensacji, gdy wartość wyjściowa sygnału toru pomiarowego pozostaje ujemna przez czas dłuższy od czasu granicznego oraz wprowadza się do toru pomiarowego minimalną wartość kompensacji i zmniejsza wartość kompensacji, gdy wartość wyjściowa sygnału toru pomiarowego pozostaje dodatnia przez czas dłuższy od czasu granicznego, przy czym z kolejnych wartości kompensacji wyznacza się wartość średnią. Sygnał kompensacji jest sygnałem sprzężenia zwrotnego wprowadzanym do toru pomiarowego, którego wartość w postaci cyfrowej jest przechowywana w jednym z rejestrów pamięci mikrokomputera realizującego sposób wyznaczania wartości kompensacji.

Zakończenie etapu przygotowawczego, a jednocześnie rozpoczęcie etapu pomiaru właściwego polega na tym, że określa się początek sygnału pomiarowego, który następuje w momencie przekroczenia zadanej wartości granicznej przez bezwzględną wartość sygnału wyjściowego toru pomiarowego. Sterowanie torem pomiarowym w etapie pomiaru właściwego polega na tym, że wprowadza się na początku tego etapu do toru pomiarowego wartość średnią z wartości kompensacji wyznaczanych w etapie przygotowawczym, przy czym w etapie pomiaru właściwego dokonuje się cyklicznego pomiaru sygnałów wyjściowych toru pomiarowego, a po zakończeniu pomiaru dokonuje się podziału zmierzonego przebiegu na półokresy i w każdym półokresie wyznacza się wartość skuteczną, moc, wartość rezystancji dynamicznej dla chwili, w której natężenie prądu osiąga wartość szczytową w półokresie, a następnie dokonuje się przekształcenia zmierzonego przebiegu na postać graficzną i numeryczną przeznaczoną do wyświetlania na monitorze graficznym.

Do pomiaru natężenia prądu zgrzewania służy układ według wynalazku zawierający różniczkujący czujnik sygnału, który jest połączony z blokami zakresów. W każdym z tych bloków wejście bloku zakresu podłączone jest do jednego rezystora danego zakresu, który łączy się z drugim i trzecim rezystorem zakresu, przy czym drugi z rezystorów połączony jest z masą, a trzeci rezystor łączy się z kluczem analogowym tego zakresu. Klucz ten ma wejście sterujące połączone z mikrokomputerem i w wybranym przez mikrokomputer bloku zakresu, zwierany jest z wejściem wzmacniacza operacyjnego, a w pozostałych blokach zwierany jest do masy. Wzmacniacz operacyjny, podłączony do wyjść bloków zakresowych, pomiędzy swoim wyjściem a wejściem odwracającym, ma włączony kondensator integrujący, a do nieodwracającego wejścia ma podłączony blok cyfrowo-analogowy i rezystor kompensacji zera podłączony drugim końcem do masy. Blok cyfrowo-analogowy połączony jest z mikrokomputerem, połączonym z kolei z wyjściem bloku analogowo-cyfrowego, którego wejście połączone jest z wyjściem multipleksera analogowego. Jedno z wejść tego multipleksera połączone jest z wyjściem integrującego wzmacniacza operacyjnego, drugie natomiast - z wyjściem bloku pomiaru napięcia, a wejście sterujące - z mikrokomputerem. Blok pomiaru napięcia połączony jest ze zgrzewarką, a wejściem sterującym z mikrokomputerem, który to mikrokomputer połączony jest z blokiem pamięci i monitorem graficznym. W bloku pamięci znajduje się rejestr wartości kompensacji. Zespół połączonych bloków: różniczkującego czujnika sygnału, bloków zakresów z rezystorami i kluczem analogowym, wzmacniacza operacyjnego, integrującego kondensatora, rezystora kompensacji zera, multipleksera analogowego oraz bloków analogowo-cyfrowego, cyfrowo-analogowego i bloku pomiaru napięcia określany jest torem pomiarowym układu.

Rozwiązanie przedstawione w wynalazku opiera się o układ integratora z kompensacją napięcia niezrównoważenia. Specjalny algorytm zapewnia ciągłą kompensację niezrównoważenia wzmacniacza integrującego i jednocześnie utrzymywanie zerowej wartości sygnału na wyjściu integratora przez dowolnie długi czas przed rozpoczęciem fazy pomiaru właściwego. Dzięki temu proces ciągłego zerowania integratora, poprzez oddziaływanie na sygnał kompensacji, a nie przez zerowanie integratora kluczem analogowym, a także proces kompensacji niezrównoważenia wzmacniacza integrującego - kończą się dokładnie w momencie pojawienia się sygnału pomiarowego, zapewniając optymalną kompensację i zerowy błąd wstępny. Ponadto wyznaczanie wartości skutecznej odbywa się na drodze obliczeniowej i w odróżnieniu od układów z analogowym wyznaczaniem wartości skutecznej - nie wprowadza błędu, niezależnie od długości okresu pomiarowego, pozwalając na prawidłowe wyznaczanie wartości skutecznych dla pojedynczych okresów mierzonego sygnału.

174 017

Układ do pomiaru natężenia prądu przedstawiony jest w przykładowym wykonaniu na rysunku, w postaci elektrycznego schematu blokowego.

Sposób pomiaru natężenia prądu zgrzewania dokonywany z wykorzystaniem sterowalnego toru pomiarowego polega w etapie przygotowawczym na tym, że zmniejsza się wartość kompensacji WK i wprowadza tę wartość do bloku cyfrowo-analogowego BCA w przypadku zmiany wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego WO z wartości ujemnej na dodatnią, a zwiększa wartość kompensacji WK i wprowadza tę wartość do bloku cyfrowo-analogowego BCA w przypadku zmiany wartości napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego WO z wartości dodatniej na ujemną, a dodatkowo ustawia się za pomocą bloku cyfrowo-analogowego BCA maksymalne napięcie kompensacji na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego WO i zwiększa wartość kompensacji WK, gdy napięcie wyjściowe tego wzmacniacza pozostaje ujemne przez czas dłuższy od czasu granicznego oraz ustawia się za pomocą bloku cyfrowo-analogowego BCA minimalne napięcie kompensacji na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego WO i zmniejsza wartość kompensacji WK, gdy napięcie wyjściowe tego wzmacniacza pozostaje dodatnie przez czas dłuższy od czasu granicznego, przy czym z kolejnych wartości kompensacji WK wyznacza się wartość średnią.

Zakończenie etapu przygotowawczego, ajednocześnie rozpoczęcie etapu pomiaru właściwego polega na tym, że określa się początek sygnału pomiarowego, który następuje w momencie przekroczenia zadanej wartości granicznej przez bezwzględną wartość napięcia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego WO, natomiast sterowanie torem pomiarowym w etapie pomiaru właściwego polega na tym, że wprowadza się na początku tego etapu do bloku cyfrowo-analogowego BCA wartość średnią z wartości kompensacji WK wyznaczanych w etapie przygotowawczym, przy czym w etapie pomiaru właściwego dokonuje się cyklicznego pomiaru napięcia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego WO i sygnału z wyjścia bloku pomiaru napięcia BPN poprzez przełączanie multipleksera analogowego MX oraz gromadzenie kolejnych pomiarów w bloku pamięci PAM, a po zakończeniu pomiaru dokonuje się podziału zmierzonego przebiegu na półokresy i w każdym półokresie wyznacza się wartość skuteczną, moc oraz wartość rezystancji dynamicznej dla chwili, w której natężenie prądu osiąga wartość szczytową w półokresie, a następnie dokonuje się przekształcenie zmierzonego przebiegu na postać graficzną i numeryczną przeznaczoną do wyświetlania na monitorze graficznym MG.

W układzie pomiarowym według wynalazku różniczkujący czujnik sygnału PCS, jest połączony z n blokami zakresów BZl,...BZk ...BZn, gdzie n określa ilość zakresów pomiarowych. W przykładzie wykonania znajduje się osiem bloków zakresów. W każdym bloku zakresu BZk jego wejście podłączone jest do rezystora zakresu RZk1, który łączy się z rezystorami RZk2 i RZk3. Rezystor RZk2 połączony jest z masą, natomiast rezystor RZk3 łączy się z kluczem analogowym KZk danego zakresu. Wejście sterujące klucza KZk połączone jest z mikrokomputerem pK. W wybranym przez mikrokomputer bloku zakresu, klucz zwierany jest z wejściem wzmacniacza operacyjnego WO, a w pozostałych blokach zwierany jest do masy. Wartości rezystancji rezystorów RZk1, RZk2, RZk3 są tak dobrane, że rezystancja wszystkich bloków zakresów od strony połączenia ze wzmacniaczem operacyjnym WO jest jednakowa. Wzmacniacz operacyjny WO pomiędzy swoim wyjściem a wejściem odwracającym ma włączony kondensator integrujący K1, a do wejścia nieodwracającego ma podłączony blok cyfrowo-analogowy BCA i rezystor kompensacji zera RKZ podłączony drugim końcem do masy. Wyjście wzmacniacza operacyjnego WO połączone jest z wejściem multipleksera analogowego MX, którego wejście sterujące połączone jest z mikrokomputerem pK, natomiast wyjście połączone jest z wejściem bloku analogowo-cyfrowego BAC połączonego z mikrokomputerem pK. Drugie wejście multipleksera MX połączone jest z wyjściem bloku pomiaru napięcia BPN, którego wejście połączone jest ze zgrzewarką ZG, a wejście sterujące - z mikrokomputerem. Mikrokomputer pK połączony jest z blokiem pamięci PAM, w którym znajduje się rejestr wartości kompensacji WK oraz z monitorem graficznym MG.

Zasadniczym elementem urządzenia pomiarowego realizującym sposób działania urządzenia jest mikrokomputer pK. Dokonuje on sterowania pozostałymi blokami urządzenia i rozpoznania faz pomiaru. W fazie przygotowawczej, na podstawie sygnału wyjściowego z bloku analogowo-cyfrowego BAC przetwarzającego na postać cyfrową sygnał z wyjścia wzmacniacza

174 017 operacyjnego WO pracującego w konfiguracji integratora z kondensatorem KI, za pomocą bloku cyfrowo-analogowego BCA, poprzez rezystor RKZ wprowadza na wejście odwracające integrującego wzmacniacza operacyjnego WO sygnał kompensacji błędu toru pomiarowego zgodnie ze sposobem pomiaru przechowując wartość średnią kompensacji w postaci cyfrowej w rejestrze wartości kompensacji WK w bloku pamięci PAM. Jednocześnie prowadzi detekcję chwili rozpoczęcia przepływu prądu przez różniczkujący czujnik sygnału PCS. W przypadku wyznaczenia tej chwili rozpoczyna fazę pomiaru zasadniczego. Do bloku cyfrowo-analogowego BCA wprowadza wartość kompensacji WK z rejestru wartości kompensacji i dokonuje cyklicznego przełączania multipleksera analogowego MX. Z bloku pomiaru napięcia BPN i z wyjścia wzmacniacza operacyjnego WO pobiera poprzez multiplekser analogowy MX i blok analogowo-cyfrowy BAC naprzemiennie sygnały odpowiednio napięcia i prądu zgrzewania oraz gromadzi je w bloku pamięci PAM. Po zakończeniu fazy pomiaru właściwego, zgodnie z opisem sposobu pomiaru dokonuje przetwarzania danych pomiarowych i przedstawienia ich na monitorze graficznym MG. Podczas trwania wszystkich faz pomiaru stan kluczy analogowych KZk nie jest zmieniany. Zmiana stanu kluczy KZk dokonywana jest przez mikrokomputer μΚ w wyniku polecenia zmiany zakresu przekazanego do mikrokomputera μΚ pomiędzy cyklami pomiarowymi.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru natężenia prądu zgrzewania dokonywany z wykorzystaniem sterowalnego toru pomiarowego, znamienny tym, że w etapie przygotowawczym zmniejsza się wartość kompensacji i wprowadza tę wartość do toru pomiarowego w przypadku zmiany wartości wyjściowej sygnału toru pomiarowego z wartości ujemnej na dodatnią, a zwiększa się wartość kompensacji i wprowadza tę wartość do toru pomiarowego w przypadku zmiany wartości wyjściowej sygnału toru pomiarowego z wartości dodatniej na ujemną, a dodatkowo wprowadza do toru pomiarowego maksymalną wartość kompensacji i zwiększa wartość kompensacji, gdy wartość wyjściowa sygnału toru pomiarowego pozostaje ujemna przez czas dłuższy od czasu granicznego oraz wprowadza się do toru pomiarowego minimalną wartość kompensacji i zmniejsza wartość kompensacji, gdy wartość wyjściowa sygnału toru pomiarowego pozostaje dodatnia przez czas dłuższy od czasu granicznego, przy czym z kolejnych wartości kompensacji wyznacza się wartość średnią, zakończenie etapu przygotowawczego, a jednocześnie rozpoczęcie etapu pomiaru właściwego polega na tym, że określa się początek sygnału pomiarowego, za który uznaje się chwilę przekroczenia zadanej wartości granicznej przez bezwzględną wartość sygnału wyjściowego toru pomiarowego, natomiast sterowanie torem pomiarowym w etapie pomiaru właściwego polega na tym, że wprowadza się na początku tego etapu do toru pomiarowego wartość średnią z wartości kompensacji wyznaczanych w etapie przygotowawczym, a następnie w etapie pomiaru właściwego dokonuje się cyklicznego pomiaru sygnału wyjściowego toru pomiarowego, który odpowiada naprzemiennie wyznaczanym wartościom natężenia prądu i napięcia zgrzewania, a po zakończeniu pomiaru dokonuje się podziału zmierzonego przebiegu na półokresy i wyznacza w każdym półokresie wartość skuteczną, moc oraz wartość rezystancji dynamicznej dla chwili, w której natężenie prądu osiąga wartość szczytową w półokresie, a następnie dokonuje przekształcenia zmierzonego przebiegu na postać graficzną i numeryczną przeznaczoną do wyświetlania na monitorze graficznym.
2. 2. Układ do pomiaru natężenia prądu zgrzewania składający się z różniczkującego czujnika sygnału, kluczy analogowych, kondensatora integrującego, integrującego wzmacniacza operacyjnego, mikrokomputera z blokiem pamięci, znamienny tym, że różniczkujący czujnik sygnału (PCS), połączony jest z n blokami zakresów (BZl,...BZk...BZn), gdzie n określa ilość zakresów pomiarowych, a w każdym bloku zakresu (BZk) jego wejście podłączone jest do rezystora danego zakresu (RZk1), który łączy się z następnymi rezystorami (RZk2 i RZk3), a drugi rezystor (RZk2) połączony jest z masą, natomiast trzeci rezystor (RZk3) łączy się z kluczem analogowym danego zakresu (KZk), który to klucz ma wejście sterujące połączone z mikrokomputerem (gK), i w wybranym przez mikrokomputer bloku zakresu klucz zwierany jest z wejściem wzmacniacza operacyjnego (WO), natomiast w pozostałych blokach klucze zwierane są do masy, a ponadto wzmacniacz operacyjny (WO) pomiędzy swoim wyjściem, a wejściem odwracającym ma włączony kondensator integrujący (KI), oraz do wejścia nieodwracającego ma podłączony blok cyfrowo-analogowy (BCA) i rezystor kompensacji zera (RKZ) podłączony drugim końcem do masy, przy czym blok cyfrowo-analogowy (BCA) połączony jest z mikrokomputerem (gK), połączonym z wyjściem bloku analogowo-cyfrowego (BAC), wejście tego bloku połączone jest z wyjściem multipleksera analogowego (MX), a jedno z wejść tego multipleksera - z wyjściem wzmacniacza operacyjnego (WO), drugie - z wyjściem bloku pomiaru napięcia (BPN), a wejście sterujące multipleksera połączone jest z mikrokomputerem (gK), natomiast blok pomiaru napięcia (BPN) połączony jest ze zgrzewarką (ZG), a wejściem sterującym - z mikrokomputerem (gK), ponadto mikrokomputer połączony jest z blokiem pamięci (PAM), w którym znajduje się rejestr wartości kompensacji (WK), oraz z monitorem graficznym (MG).

   174 017
3. 3. Układ według e^astrz.. 2, znamienny tym, ze wartości rezystorów oRZkl, RZk2) i (RZk3) są tak dobrane, że rezystancja wszystkich bloków zakresów od strony połączenia ze wzmacniaczem operacyjnym (WO) jest jednakowa.