RU2821303C1 - Датчик ударов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к средствам измерения и фиксирования ударов (скачков ускорения) и может быть использовано при контроле работы различных машин и агрегатов, а также контроле условий перевозки критичных грузов или механизмов. Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый датчик ударов, является расширение его функциональных возможностей, а именно: повышение быстродействия выхода из дежурного режима, фиксация момента времени аномального удара и сохранение данных, накопленных к моменту разрушения датчика ударов. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей датчика ударов за счет повышения быстродействия выхода из дежурного режима, записи момента времени аномального удара и сохранения тех данных, которые были накоплены к моменту прекращения штатного функционирования датчика ударов. Указанный технический результат достигается за счет введения новых элементов и связей: введены второй акселерометр, третий акселерометр, компаратор, цифроаналоговый преобразователь и второе устройство объединения данных, выход автономного источника питания соединен с первыми входами компаратора, цифроаналогового преобразователя, двоичного счетчика, второго устройства объединения данных, четвертого запоминающего устройства и входом третьего акселерометра. 1 ил.

Description

Изобретение относится к средствам измерения и фиксирования ударов (скачков ускорения) и может быть использовано при контроле работы различных машин и агрегатов, а также контроле условий перевозки критичных грузов или механизмов.

Известен датчик ударов [1 - Патент США №6138516, МПК: G01H 11/08, Low-Power Shock Detector And Detection Method], содержащий акселерометр, компаратор, запоминающее устройство.

Недостаток указанного датчика ударов [1] состоит в ограниченных функциональных возможностях, связанных с нерациональным использованием ресурса источника питания, что обусловлено отсутствием дежурного режима в датчике ударов, а также невозможностью записи времени катастрофического удара, если последний приводит к разрушению самого датчика.

Известен также датчик ударов [2 - Патент РФ №2673777, МПК: G01P 15/18, Устойчивый к механическим ударам узел МЭМС-акселерометра и связанные с ним способ, устройство и система], содержащий первый акселерометр, второй акселерометр, первое запоминающее устройство и второе запоминающее устройство.

Недостаток указанного датчика ударов [2] состоит в ограниченных функциональных возможностях, связанных с нерациональным использованием ресурса источника питания, что обусловлено отсутствием дежурного режима в датчике ударов, а также невозможностью записи времени катастрофического удара, если последний приводит к разрушению самого датчика.

Из известных технических решений, принятому за прототип, наиболее близким по технической сущности к заявляемому датчику ударов является электронная метка [3 - патент РФ №2797795, МПК: G07C 1/00, Электронная метка], содержащая автономный источник питания, первый ключ, второй ключ, первый акселерометр, устройство программирования, первое запоминающее устройство, второе запоминающее устройство, третье запоминающее устройство, четвертое запоминающее устройство, первое устройство объединения данных, тактовый генератор, контроллер и двоичный счетчик, выход автономного источника питания соединен с первым входом первого ключа, входом первого акселерометра, первым входом первого запоминающего устройства и входом тактового генератора, первый выход устройства программирования соединен с вторым входом первого запоминающего устройства, второй выход устройства программирования соединен с вторым входом второго запоминающего устройства, выход первого ключа соединен с входом устройства программирования и первыми входами второго запоминающего устройства, второго ключа, контроллера и первого устройства объединения данных, выход тактового генератора соединен с вторым входом контроллера.

Указанная электронная метка [3] обладает способностью за счет встроенного акселерометра определять режимы работы транспортного средства или прицепного механизма, и может использоваться как датчик ударов.

Вообще, к датчикам ударов предъявляются противоречивые требования, реализация которых требует нестандартных решений. Так, датчик ударов должен экономно расходовать ресурс встроенного автономного источника питания, для чего целесообразно использование в датчике ударов режима сна, то есть дежурного режима. С другой стороны, удар - это вибрационное воздействие с очень коротким временем, при котором скорость изделия изменяется на конечную величину за ничтожно малый промежуток времени, в модельной идеализации - за бесконечно малый промежуток времени (см., например [4] - Юдин В.А. Дополнительные лекции по теоретической механике. -Новосибирск: НГАСУ, 2017, с. 8.; [5] - Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах. Т.2. - М.: Наука, 1966, с. 546). Таким образом, обоснованным является требование о том, что датчик ударов должен выходить из дежурного режима за минимально возможное время.

Кроме того, следует учитывать, что ударные нагрузки негативно воздействуют не только на контролируемый механизм или груз, но и на сам датчик ударов, а при появлении ударов аномально большой величины способны вывести из строя датчик ударов. При этом, тем не менее, актуальной для последующего анализа является задача фиксации момента времени, при котором произошло нарушение штатной работоспособности датчика ударов, а также, по возможности, сохранение массива сделанных записей о величинах и времени более слабых ударных воздействий, предшествующих аномальному удару.

Недостатки устройства-прототипа [3] состоят в следующем. Во-первых, устройство-прототип в дежурном режиме обладает низким быстродействием, которое обусловлено использованием цифрового акселерометра и контроллера, в котором осуществляется сравнение текущего значения уровня вибрации с установленным порогом. Кроме того, при воздействии на устройство-прототип аномально большого удара, при котором происходит нарушение штатной работоспособности самого датчика ударов, в прототипе не происходит фиксации момента времени аномального удара, а также не принимаются меры по сохранению массива накопленных к этому моменту записей о величинах и времени более слабых ударных воздействий, предшествующих аномальному удару.

Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый датчик ударов, является расширение его функциональных возможностей, а именно: повышение быстродействия выхода из дежурного режима, фиксация момента времени аномального удара и сохранение данных, накопленных к моменту разрушения датчика ударов.

Для решения технической проблемы предлагается датчик удара, содержащий автономный источник питания, первый ключ, второй ключ, первый акселерометр, устройство программирования, первое запоминающее устройство, второе запоминающее устройство, третье запоминающее устройство, четвертое запоминающее устройство, первое устройство объединения данных, тактовый генератор, контроллер и двоичный счетчик, выход автономного источника питания соединен с первым входом первого ключа, входом первого акселерометра, первым входом первого запоминающего устройства и входом тактового генератора, первый выход устройства программирования соединен с вторым входом первого запоминающего устройства, второй выход устройства программирования соединен с вторым входом второго запоминающего устройства, выход первого ключа соединен с входом устройства программирования и первыми входами второго запоминающего устройства, второго ключа, контроллера и первого устройства объединения данных, выход тактового генератора соединен с вторым входом контроллера.

Согласно изобретению, в него введены второй акселерометр, третий акселерометр, компаратор, цифро-аналоговый преобразователь и второе устройство объединения данных, выход автономного источника питания соединен с первыми входами компаратора, цифро-аналогового преобразователя, двоичного счетчика, второго устройства объединения данных, четвертого запоминающего устройства и входом третьего акселерометра, выход тактового генератора соединен с вторыми входами двоичного счетчика и цифро-аналогового преобразователя, выход двоичного счетчика соединен с вторыми входами первого устройства объединения данных и второго устройства объединения данных, выход первого устройства объединения данных соединен с вторым входом третьего запоминающего устройства, выход второго устройства объединения данных соединен с вторым входом четвертого запоминающего устройства, выход третьего акселерометра соединен с вторым входом второго ключа и третьим входом второго устройства объединения данных, выход второго акселерометра соединен с третьим входом первого устройства объединения данных, выход второго ключа соединен с первым входом третьего запоминающего устройства, выход первого запоминающего устройства соединен с третьим входом цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом компаратора, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, выход первого акселерометра соединен с третьим входом компаратора, выход второго запоминающего устройства соединен с вторым входом второго акселерометра, выход первого ключа соединен с первым входом второго акселерометра, выход третьего запоминающего устройства соединен с третьим входом контроллера, выход четвертого запоминающего устройства соединен с четвертым входом контроллера, выход контроллера является выходом устройства.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого датчика ударов из литературы не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Техническим результатом изобретения является внедрение дополнительных устройств и связей с целью расширения функциональных возможностей датчика ударов за счет повышения быстродействия выхода из дежурного режима, а также за счет введения функции фиксации времени аномально большого удара одновременно с функцией сохранения массива накопленных к этому моменту записей о величинах и времени более слабых ударных воздействий, предшествующих аномальному удару.

Датчик ударов иллюстрирует фиг.

Датчик ударов содержит автономный источник питания 1, первый ключ 2, первый акселерометр 3, компаратор 4, второй акселерометр 5, цифро-аналоговый преобразователь 6, третий акселерометр 7, первое запоминающее устройство 8, второе запоминающее устройство 9, второй ключ 10, третье запоминающее устройство 11, четвертое запоминающее устройство 12, первое устройство объединения данных 13, второе устройство объединения данных 14, устройство программирования 15, тактовый генератор 16, двоичный счетчик 17 и контроллер 18.

Выход автономного источника питания 1 соединен с первым входом первого ключа 2, входом первого акселерометра 3, первым входом первого запоминающего устройства 8, первыми входами компаратора 4, цифро-аналогового преобразователя 6, двоичного счетчика 17, второго устройства объединения данных 14, четвертого запоминающего устройства 12, входом третьего акселерометра 7 и входом тактового генератора 16, первый выход устройства программирования 15 соединен с вторым входом первого запоминающего устройства 8, второй выход устройства программирования 15 соединен с вторым входом второго запоминающего устройства 9, выход первого ключа 2 соединен с входом устройства программирования 15 и первыми входами второго запоминающего устройства 9, второго ключа 10, контроллера 18 и первого устройства объединения данных 13, выход тактового генератора 16 соединен с вторыми входами контроллера 18, двоичного счетчика 17 и цифро-аналогового преобразователя 6.

Выход двоичного счетчика 17 соединен с вторыми входами первого устройства объединения данных 13 и второго устройства объединения данных 14, выход первого устройства объединения данных 13 соединен с вторым входом третьего запоминающего устройства 11, выход второго устройства объединения данных 14 соединен с вторым входом четвертого запоминающего устройства 12, выход третьего акселерометра 7 соединен с вторым входом второго ключа 10 и третьим входом второго устройства объединения данных 14, выход второго акселерометра 5 соединен с третьим входом первого устройства объединения данных 13, выход второго ключа 10 соединен с первым входом третьего запоминающего устройства 11, выход первого запоминающего устройства 8 соединен с третьим входом цифро-аналогового преобразователя 6, выход которого соединен с вторым входом компаратора 4, выход которого соединен с вторым входом первого ключа 2, выход первого акселерометра 3 соединен с третьим входом компаратора 4, выход второго запоминающего устройства 9 соединен с вторым входом второго акселерометра 5, выход первого ключа 2 соединен с первым входом второго акселерометра 5, выход третьего запоминающего устройства 11 соединен с третьим входом контроллера 18, выход четвертого запоминающего устройства 12 соединен с четвертым входом контроллера 18, выход контроллера 18 является выходом устройства.

Первый акселерометр 3 выполнен аналоговым. Напряжение на его выходе связано прямой зависимостью с величиной вибрации, воздействующей на первый акселерометр 3. Диапазон рабочих значений вибрации первого акселерометра составляет величину порядка 0,05 g - 0,2 g.

Второй акселерометр 5 выполнен цифровым. На его выходе присутствует параллельный код, соответствующий величине вибрации, которая превышает установленный пороговый уровень. Пороговый уровень вибрации задается в виде параллельного кода на втором входе второго акселерометра 5, на который он поступает с выхода второго запоминающего устройства 9. Диапазон рабочих значений вибрации второго акселерометра составляет величину порядка 3 g - 10 g.

Третий акселерометр 7 выполнен цифровым с однобитным выходом. На выходе третьего акселерометра 7 присутствует логическая единица, если вибрация превышает пороговый уровень, установленный для третьего акселерометра 7. Если вибрация не превышает установленный пороговый уровень, то на выходе третьего акселерометра 7 присутствует логический ноль. Пороговый уровень третьего акселерометра задается при его изготовлении и составляет величину порядка 100 g.

Приведенные выше значения величин вибрации являются в значительной мере условными, и приведены с целью облегчения понимания принципа работы предлагаемого датчика ударов. При этом первый акселерометр 3 выбирается таким образом, чтобы диапазон его рабочих значений вибрации соответствовал случаю легкого постукивания рукой по корпусу датчика ударов или легкой вибрации, соответствующей началу процесса перемещения груза. В обоих случаях это является сигналом выхода из режима сна. Исходя из опыта, такие значения вибрации обычно лежат в диапазоне величин 0,05 g - 0,2 g и могут быть уточнены для конкретных применений. Второй акселерометр 5 выбирается таким, чтобы диапазон его рабочих значений вибрации соответствовал значениям тех реальных вибраций и ударов, которые испытывает груз при транспортировании или испытывает некоторый механизм в процессе работы. Для примера, этот диапазон значений принят равным 3 g - 10 g, однако он может быть изменен как в большую, так и меньшую сторону для конкретных приложений. Третий акселерометр 7 выбирается таким, чтобы он реагировал только на удар, превышающий установленный уровень, соответствующий случаю катастрофического разрушительного удара. Для примера, в настоящем описании в качестве такого уровня удара принято значение 100 g.

Датчик ударов работает следующим образом.

Рассмотрение функционирования датчика ударов начнем со следующего момента: изготовленный и надлежащим образом запрограммированный датчик ударов установлен на соответствующем основании (упаковке с перевозимым грузом, механизме или агрегате и т.д.). При этом указанный механизм находится в неработающем состоянии (на складе, на стоянке, в режиме технологического перерыва и т.д.), а груз - без движения и, соответственно, датчик ударов находится в состоянии «сна».

У всех элементов 2-18 датчика ударов их вход (или их первый вход, если входов более одного) является входом питания, при этом у первого ключа 2, первого акселерометра 3, компаратора 4, цифро-аналогового преобразователя 6, третьего акселерометра 7, первого запоминающего устройства 8, четвертого запоминающего устройства 12, второго устройства объединения данных 14, тактового генератора 16 и двоичного счетчика 17 их входы питания соединены с выходом автономного источника питания 1 непосредственно, а у второго запоминающего устройства 9, второго ключа 10, второго акселерометра 5, первого устройства объединения данных 13, устройства программирования 15, контроллера 18 - через первый ключ 2, который в исходном состоянии является разомкнутым. Такая организация питания позволяет существенно экономить ресурс автономного источника питания 1, поскольку в состоянии «сна» запитанными оказываются только те элементы, которые необходимы для реализации дежурного режима датчика ударов (состояния «сна»).

Третье запоминающее устройство 11 получает питание на свой первый вход через первый ключ 2 и второй ключ 10. Первый ключ 2 является замкнутым при выходе датчика ударов из дежурного режима. При этом второй ключ 10 в обычном состоянии является замкнутым и размыкается тогда, когда срабатывает третий акселерометр 7. Таким образом, напряжение питания всегда присутствует на входе третьего запоминающего устройства 11 вне режима «сна» и мгновенно отключается при аномальном ударе.

Таким образом, автономный источник питания 1 в исходном состоянии поддерживает во включенном дежурном режиме первый ключ 2, первый акселерометр 3, компаратор 4, цифро-аналоговый преобразователь 6, третий акселерометр 7, первое запоминающее устройство 8, четвертое запоминающее устройство 12, второе устройство объединения данных 14, тактовый генератор 16 и двоичный счетчик 17.

Остальные элементы датчика ударов в это время питание не получают, поскольку первый ключ 2 в исходном состоянии является разомкнутым.

В первом запоминающем устройстве 8 хранится пороговое значение уровня вибрации, соответствующее состоянию сна, которое предварительно записывается в первое запоминающее устройство 8 при помощи устройства программирования 15. Данное пороговое значение определяет значение вибрации, превышение которого должно вызывать выход датчика ударов из дежурного режима. В нашем примере это пороговое значение может быть выбрано в диапазоне 0,05 g - 0,2 g. В любой момент времени напряжение, соответствующее текущему значению уровня вибрации, определяемое в первом акселерометре 3, поступает на третий вход компаратора 4, где сравнивается с пороговым значением уровня вибрации, поступающего на второй вход компаратора 4 с выхода цифро-аналогового преобразователя 6. Цифро-аналоговый преобразователь 6 служит для преобразования в аналоговый вид того порогового значения, которое хранится в первом запоминающем устройстве в цифровом виде. Такое построение позволяет использовать для организации дежурного режима быстродействующий аналоговый акселерометр 3 с минимальным временем реакции на изменение уровня вибрации. При этом разумной платой за достижение высокого быстродействия элементов дежурного режима является необходимость преобразования значения вибрации уровня «сон» в аналоговый вид.

Если по результатам сравнения в компараторе 4 оказывается, что уровень текущей вибрации превышает уровень сна, то на выходе компаратора 4 формируется сигнал, переводящий первый ключ 2 в открытое положение, что приводит к поступлению питания на элементы, которые не были запитаны в дежурном режиме. Стоит отметить, что к числу наиболее энергопотребляющих элементов относится третье запоминающее устройство 11, которое является основным запоминающим устройством датчика ударов, поскольку предназначено для постоянной записи рабочих значений вибрации, которые сопровождают функционирование некоторого агрегата или перемещение груза. Третье запоминающее устройство 11 после выхода датчика ударов из дежурного режима работает непрерывно вплоть до наступления нового режима сна, либо штатного считывания из него информации через контроллер 18, либо воздействия аномального удара разрушительной силы, при котором прерывается запись в него информации благодаря отключению питания от третьего запоминающего устройства 11 через размыкающийся при этом второй ключ 10.

Для «прореживания» информации о вибрации и ударах в течение всего длительного рабочего периода после выхода из дежурного режима, в третье запоминающее устройство 11 записываются только те значения вибрации, которые превышают установленное пороговое значение. Это пороговое значение хранится во втором запоминающем устройстве 9, куда оно записывается при помощи устройства программирования 15. В нашем примере такое пороговое значение выбирается в диапазоне 3 g - 10 g и может быть изменено путем перезаписи во второе запоминающее устройство 9. Обычно это пороговое значение из рабочего диапазона 3 g - 10 g уточняется в начале перевозки груза в зависимости от особенностей этого груза, либо результатам пробного периода функционирования промышленного агрегата или механизма.

На выходе цифрового второго акселерометра 5 формируются цифровые отсчеты, соответствующие текущим уровням вибрации, которые превышают заданный порог, хранящийся во втором запоминающем устройстве 9. Такие цифровые отсчеты поступают в первое устройство объединения данных 13, где к ним добавляется код из двоичного счетчика 17, который выполняет функцию генератора временных меток. В том случае, если сигнал на выходе второго акселерометра 5 является ненулевым (что означает превышение уровня вибрации установленного порога), первое устройство объединения данных 13 производит запись этого сигнала в сопровождении соответствующей метки времени во второе запоминающее устройство 9.

В том случае, если за весь период работы датчика ударов не происходит его разрушения в результате аномальной вибрации, весь массив накопленной информации из второго запоминающего устройства 9 доступен для чтения внешними устройствами через контроллер 18.

Третий акселерометр 7 предназначен для работы в тот момент времени, когда в результате воздействия удара аномальной силы происходит разрушение самого датчика ударов. В нашем примере считается, что это удар силой 100 g. В отличие от цепей управления, куда входят первый акселерометр 3 и второй акселерометр 5, эта величина аномального удара в датчике ударов не может корректироваться и определяется конструктивным исполнением третьего акселерометра 7. Вместе с тем, это позволяет обеспечить максимальное быстродействие акселерометра 7, которое для ситуации разрушения датчика ударов, является критичной величиной. В случае воздействия на акселерометр 7 аномального удара, превышающего порог 100 g, на его выходе формируется сигнал, который в сопровождении метки времени с выхода двоичного счетчика 17 записывается в четвертое запоминающее устройство 12. Поскольку запоминающее устройство 12 предназначено для хранения единственной записи (времени разрушения датчика ударов) и потому имеет незначительный объем, то оно может быть выполнено с внутренним резервированием с целью повышения вероятности чтения из него информации. Кроме того, в случае удара аномальной силы, сигнал с выхода третьего акселерометра 7 переводит второй ключ 10 в разомкнутое состояние и тем самым размыкает цепь питания третьего запоминающего устройства 11. Отсутствие питания на третьем запоминающем устройстве 11 в момент его разрушения повышает вероятность сохранения информации в матрице запоминающих ячеек запоминающего устройства 11 и, соответственно, повышает вероятность впоследствии извлечения информации из третьего запоминающего устройства 11, возможно, специфическими методами восстановления информации, применяемыми в подобных случаях.

Таким образом, заявляемый датчик ударов, в сравнении с прототипом, обладает расширенными функциональными возможностями за счет повышения быстродействия выхода из дежурного режима, что обеспечивается применением быстродействующего аналогового акселерометра 3 и контура сравнения с пороговым значением, содержащем первое запоминающее устройство 8, цифро-аналоговый преобразователь 6 и компаратор 4.

Кроме того, заявляемый датчик ударов, в сравнении с прототипом, обладает расширенными функциональными возможностями за счет введения функции фиксации времени аномально большого удара одновременно с функцией сохранения массива накопленных к этому моменту записей о величинах и времени более слабых ударных воздействий, предшествующих аномальному удару, что обеспечивается применением третьего акселерометра 7, четвертого запоминающего устройства 12, а также второго ключа 10, отключающего питание во время аномального удара от третьего запоминающего устройства 11.

Claims (1)

1. Датчик ударов, содержащий автономный источник питания, первый ключ, второй ключ, первый акселерометр, устройство программирования, первое запоминающее устройство, второе запоминающее устройство, третье запоминающее устройство, четвертое запоминающее устройство, первое устройство объединения данных, тактовый генератор, контроллер и двоичный счетчик, выход автономного источника питания соединен с первым входом первого ключа, входом первого акселерометра, первым входом первого запоминающего устройства и входом тактового генератора, первый выход устройства программирования соединен со вторым входом первого запоминающего устройства, второй выход устройства программирования соединен со вторым входом второго запоминающего устройства, выход первого ключа соединен с входом устройства программирования и первыми входами второго запоминающего устройства, второго ключа, контроллера и первого устройства объединения данных, выход тактового генератора соединен со вторым входом контроллера, отличающийся тем, что в него введены второй акселерометр, третий акселерометр, компаратор, цифроаналоговый преобразователь и второе устройство объединения данных, выход автономного источника питания соединен с первыми входами компаратора, цифроаналогового преобразователя, двоичного счетчика, второго устройства объединения данных, четвертого запоминающего устройства и входом третьего акселерометра, выход тактового генератора соединен со вторыми входами двоичного счетчика и цифроаналогового преобразователя, выход двоичного счетчика соединен со вторыми входами первого устройства объединения данных и второго устройства объединения данных, выход первого устройства объединения данных соединен со вторым входом третьего запоминающего устройства, выход второго устройства объединения данных соединен со вторым входом четвертого запоминающего устройства, выход третьего акселерометра соединен со вторым входом второго ключа и третьим входом второго устройства объединения данных, выход второго акселерометра соединен с третьим входом первого устройства объединения данных, выход второго ключа соединен с первым входом третьего запоминающего устройства, выход первого запоминающего устройства соединен с третьим входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом компаратора, выход которого соединен со вторым входом первого ключа, выход первого акселерометра соединен с третьим входом компаратора, выход второго запоминающего устройства соединен со вторым входом второго акселерометра, выход первого ключа соединен с первым входом второго акселерометра, выход третьего запоминающего устройства соединен с третьим входом контроллера, выход четвертого запоминающего устройства соединен с четвертым входом контроллера, выход контроллера является выходом устройства.

Images