РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕНЗОМОСТОВ
2.1. Анализ возможных функциональных и метрологических отказов тензомостов
В современных тензорезисторных СИТ наиболее широкое применение нашли тензомосты, построенные по схеме полного моста с четырьмя активными тензорезисторами, поэтому анализ функциональных и метрологических отказов проводился на примере этого вида тензомостов. Наклейка тензорезисторов на чувствительный элемент при использовании этой схемы осуществляется таким образом, что тензорезисторы в смежных плечах испытывают деформации противоположных знаков. В зависимости от способа подключения тензомоста к источнику питающего напряжения различают четырехпроводную (рис. 2.1, а) и шестипроводную (рис. 2.1, б) схемы включения.
а) б)
Рис. 2.1. Схемы включения тензомоста с четырьмя активными тензорезисторами.
При использовании четырехпроводной схемы включения тензомоста его диагональ питания подключается к выходу источника питающего напряжения с помощью двух проводников. В шестипроводной схеме включения питающее напряжение подается на тензомост по токовым (Uток) и потенциальным (Uпот) линиям. Выходное напряжение тензомоста подается на вход ВНП, который, как правило, представляет собой дифференциальный усилитель. Для обеспечения возможности диагностирования тензомоста необходимо наличие в блоке измерения и обработки информации СИТ устройства сигнализации аварийных состояний, которое подает соответствующие диагностические сигналы на микропроцессор. Состояние выхода устройства сигнализации описывается вектором логических переменных , причем, если - соответствующая аварийная ситуация имеет место, - аварийная ситуация отсутствует.
Номинальные сопротивления и тензочувствительности (а, следовательно, и изменения сопротивления) всех тензорезисторов равноплечего симметричного тензомоста равны между собой:
, (2.1)
. (2.2)
Выходное напряжение тензомоста равно:
,
откуда с учетом (2.1) и (2.2) получаем ,
где - напряжение питания тензомоста;
- относительное изменение сопротивления тензорезистора.
Возможными отказами тензомоста являются:
1. Обрыв тензорезистора.
2. Полное или частичное отслоение тензорезистора.
3. Короткое замыкание цепи питания тензомоста.
4. Выход из строя источника питающего напряжения.
5. Обрыв в цепи питания тензомоста.
6. Короткое замыкание выходных цепей тензомоста.
7. Обрыв в выходных цепях тензомоста.
Для шестипроводной схемы включения тензомоста дополнительно к перечисленным имеют место следующие отказы:
1. Короткое замыкание потенциальной и токовой цепи питания между собой.
2. Обрыв потенциальной цепи питания.
Для построения диагностической модели тензомоста необходимо определить признаки наличия его отказов и диагностические показатели, характеризующие состояние тензомоста [84, 85].
Под обрывом тензорезистора подразумевается ситуация, когда вследствие либо разрушения тензорезистора, либо обрыва одного из соединительных проводников сопротивление одного из плеч тензомоста . Выходное напряжение при этом (например, при обрыве ) равно:
,
.
Таким образом, при обрыве тензорезистора выходное напряжение тензомоста выходит за пределы возможных при нормальной работе значений, что и является признаком наличия данного отказа. В качестве диагностического показателя для данного отказа целесообразно использовать , признак наличия отказа - , где - предельное значение выходного напряжения тензомоста.
Под отслоением тензорезистора понимают полную или частичную потерю механической связи между тензорезистором и чувствительным элементом тензодатчика, вызванную нарушением технологического процесса наклейки тензорезистора, влиянием условий эксплуатации тензодатчика (повышенная влажность, пульсирующие нагрузки) или другими причинами. Отслоение тензорезистора приводит к потере им чувствительности, так, при полном отслоении изменение его сопротивления . Выходное напряжение тензомоста при этом равно:
.
Таким образом, признаком полного отслоения тензорезистора является потеря тензомостом 25 % чувствительности, для определения которой необходимо подавать на вход СИТ некоторое образцовое значение измеряемой механической величины. Следовательно, для определения наличия этого отказа необходимо использование косвенных диагностических показателей.
При коротком замыкании в цепи питания тензомоста в источнике питающего напряжения срабатывает схема ограничения тока нагрузки, а устройство сигнализации аварийных состояний выдает соответствующий сигнал . Напряжение питания тензомоста при этом равно нулю. Следовательно, диагностические показатели в этом случае - и , признаки наличия отказа - , .
При выходе из строя источника питающего напряжения напряжение питания тензомоста также равно нулю, но схема ограничения тока нагрузки не срабатывает, следовательно . Таким образом, диагностические показатели для данного отказа совпадают с показателями для предыдущего отказа, признаки наличия отказа - , .
Такие отказы как обрыв в цепи питания тензомоста, обрыв в выходных цепях тензомоста и короткое замыкание выходных цепей тензомоста характеризуются полной потерей тензомостом чувствительности. Для идентификации этих отказов необходимо применять встроенные в устройство сигнализации аварийных состояний схемы контроля. При возникновении одного из указанных отказов устройство выдает сигнал , или соответственно.
Полученные диагностические показатели и признаки наличия отказов для четырехпроводной схемы включения тензомоста можно представить в виде таблицы 2.1.
Таблица 2.1
Диагностические показатели и признаки наличия отказов тензомоста.
ОтказДиагностический показательПризнак наличия отказа1. Обрыв тензорезистора2. Полное или частичное отслоение тензорезистора--3. Короткое замыкание цепи питания тензомоста
4. Выход из с