Основное назначение ПВШ заключается в следующем: преобразование звукового давления виброакустического шума работающего дизеля в аналоговый электрический сигнал, его фильтрация и передача на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя персональной ЭВМ для последующей цифровой обработки.
Кроме того, устройство обеспечивает ряд вспомогательных и сервисных функций:
- формирование и передачу сигнала в АЦП ПЭВМ в момент времени, соответствующий нахождению одного из цилиндров дизеля в верхней мертвой точке;
- измерение давления в выбранном цилиндре и передачу информации в АЦП ПЭВМ;
- выбор оператором необходимого частотного диапазона виброакустического шума (в зависимости от диагностируемого узла или механизма дизеля), подлежащего измерению, а также установка длительности измерения;
- в зависимости от режима измерений - начало измерения по команде оператора, либо автоматически при положении одного из цилиндров дизеля в верхней мертвой точке;
- ручной, либо автоматический (в зависимости от установленной длительности и режима измерений) останов измерения;
- ручную регулировку уровня выходного сигнала ПВШ и его автоматическое ограничение для защиты АЦП ПЭВМ от перенапряжения на входе;
- работу от однофазной сети переменного тока, напряжением 220 В или автономную работу от аккумулятора;
- заряд аккумуляторных батарей в режиме стабилизации тока и с автоматической защитой от перезарядки.
В соответствии с обозначенными функциями структура ПВШ должна включать следующие составные части:
Микрофонное устройство (МУ) на основе микрофона.
- многополосный фильтр (МФ), который содержит набор полосовых фильтров, осуществляющих фильтрацию сигнала с выхода микрофона в заданных диапазонах частот.
- блок выбора диапазона частот (БВДЧ), обеспечивающий коммутацию по входу и выходу отдельного канала МФ в следующих случаях:
- выбор оператором частотного диапазона виброакустического шума в зависимости от диагностируемого узла или механизма дизеля и начало преобразования;
- ручное или автоматическое (по истечении установленной оператором длительности) прекращение преобразования.
- устройство согласования и защиты (УСЗ), осуществляющего нормирование выходного сигнала ПВШ по уровню и автоматическое отключение АЦП от ПВШ в случае превышения уровня сигнала выше допустимого.
- блок питания, обеспечивающий: электропитание измерительной части ПВШ с заданным уровнем электромагнитной совместимости (нестабильность питающих напряжений, уровень пульсаций); гальваническую развязку измерительной части от сети 220 В и автоматический заряд (подзаряд) аккумулятора.
- кроме того, для обеспечения операции временной селекции информации о виброакустическом шуме в ПЭВМ в состав ПВШ необходимо включить датчик верхней мертвой точки (ДВМТ) и датчик давления (ДД), формирующие стробирующие сигналы в соответствующие моменты времени.
С учетом перечисленных элементов и взаимных связей между ними разработана структурная схема ПВШ.
Технические требования к реализуемым функциям, определяющие характеристики разрабатываемого устройства:
- преобразование звукового давления виброакустического шума дизеля должно осуществляться в диапазоне частот от 500 до 16000 Гц с максимально линейными АЧХ и ФЧХ.
- фильтрация сигнала - многополосная (частотные диапазоны: 500-2000 Гц; 2000-4000 Гц; 4000-7000 Гц и 7000-16000 Гц) с низким уровнем собственных шумов и линейными АЧХ и ФЧХ.
- уровень выходного сигнала ПВШ для сопряжения с АЦП не более 500 мВ.
- время автономной работы устройства - не менее 5 часов.
- масса и габариты - минимальные, обеспечивающие удобство эксплуатации устройства в ограниченном пространстве.
- корпус устройства ударопрочный и влагозащищенный.
- рабочий диапазон температур - от -10 до +50°С.
Рассмотрим основные элементы ПВШ.
Микрофонное устройство является одним из основных элементов в структуре преобразования информации о виброакустическом шуме работающего дизеля. Следовательно, даже в случае абсолютной точности всех последующих элементов ПВШ, АЦП и оптимальности алгоритмов обработки информации в ПЭВМ не удастся получить достоверные сведения о состоянии диагностируемого объекта при наличии значительных искажений на выходе МУ.
На МУ воздействует акустическое давление со всех сторон и во всем звуковом диапазоне частот. Поэтому применение пространственно неориентированной и широкополосной по частоте системы будет недостаточным для проведения точной диагностики отдельно взятого узла или механизма дизеля по соотношению сигнал/шум. Следовательно, МУ ПВШ реализовано как направленная избирательная система, обеспечивающая пространственное и частотное разделение виброакустического шума в зависимости от цели диагностики. Наиболее простая по конструкции и вместе с тем эффективная направленная избирательная система представляет собой набор металлических трубок, каждая из которых имеет свою резонансную звуковую частоту, определяемую по формуле [1]
, (1)
где 
- длина трубки в мм.
Соответственно длина трубки, обеспечивающая резонанс для заданной звуковой частоты равна 
.
При определенном количестве трубок обеспечивается построение системы с практически линейной АЧХ за счет взаимного перекрытия околорезонансных областей. Как известно, направляющая система, включающая 37 трубок, длины которых изменяются с шагом 25 мм, полностью перекрывает диапазон частот от 180 Гц до 8200 Гц, обеспечивая при этом высокое качество преобразования звука.
Многополосный фильтр. Начальная фильтрация сигнала в ПВШ осуществляется в процессе преобразования звуковых колебаний в электрические при помощи фильтра, реализованного на базе избирательной направляющей системы из резонансных трубок. Крутизна АЧХ МУ на границах диапазонов недостаточна для обеспечения качественного преобразования информации о виброакустическом шуме диагностируемого объекта. Поэтому в состав структурной схемы ПВШ включены активные полосовые фильтры на базе операционных усилителей.
Выбор класса фильтра осуществлен по форме его АЧХ. На основании этого выбран фильтр Бесселя, а для компенсации снижения его АЧХ в области граничной частоты расширены (на 10%) полосы пропускания фильтров по сравнению с заданными. В результате получены следующие частоты среза: для ФВЧ 450, 1800, 6300, 9000 Гц, для ФНЧ 2200, 4400, 11000, 17600 Гц.
Учитывая, что сигнал на вход МФ поступает после начальной фильтрации в МУ, применены фильтры второго порядка.
Результаты расчета МФ представлены в таблице 1. Расчетные значения округлены до ближайших значений из ряда E96 номинальных сопротивлений и емкостей при допустимых отклонениях менее ±5% [2].
Таблица 1. Результаты расчета параметров элементов фильтров МФ ПВШ
|
Диапазон частот, Гц |
Резисторы, кОм |
Конденсаторы, нФ |
||||||
|
R1 |
R2 |
R3 |
R4,R5 |
R6 |
С1,С2 |
С3 |
С4 |
|
|
500...2000 |
178.0 |
475.0 |
657.0 |
10.0
|
20.0
|
1.0 |
3.650 |
4.750 |
|
2000...4000 |
44.2 |
118.0 |
162.0 |
1.820 |
2.370 |
|||
|
7000...10000 |
12.7 |
34.0 |
47.0 |
0.723 |
0.953 |
|||
|
10000...16000 |
8.87 |
23.7 |
32.4 |
0.453 |
0.590 |
|||
В качестве усилительного элемента фильтра выбран прецизионный операционный усилитель 140УД17А,.
Схема БВДЧ.
В соответствии с функциональным предназначением БВДЧ представляет собой коммутационное устройство с полуавтоматическим режимом работы. Соответственно в его состав должны входить исполнительное устройство (ИУ) и устройство управления (УУ). Так как УУ выдает управляющие импульсы в ИУ по команде оператора (выбор коммутируемых цепей, пуск и ручной останов измерений, выбор длительности измерений), по сигналу ДВМТ или по истечении заданного времени (автоматический останов измерений), то в его состав включены: органы управления (кнопки, переключатели); таймер КР1006ВИ1 и логическое устройство, обеспечивающее подачу команд в исполнительное устройство при выполнении заданных условий.
Логическое устройство, реализованное на J-K триггерах ИМС серии ТТЛ К555(533)ТВ9, обеспечивает:
- Подачу в исполнительное устройство БВДЧ сигнала, разрешающего начало измерения ПВШ при одновременном разрешающем воздействии по двум входам: 1 вход - импульс в момент нажатия кнопки оператором; 2 вход - сигнал высокого уровня с выхода таймера.
- Поддержание разрешающего сигнала на входе исполнительного устройства в течении времени воздействия сигнала высокого уровня с выхода таймера.
- Снятие сигнала разрешающего измерение ПВШ (прекращение измерений) при поступлении сигнала низкого уровня с выхода таймера.
В качестве исполнительного устройства применены электронные ключи аналоговых сигналов на полевых транзисторах.
Устройство согласования и защиты является выходным каскадом ПВШ и обеспечивает нормирование сигналов на входе АЦП ПЭВМ для согласования их характеристик, и реализовано на базе операционного усилителя (как и в каналах преобразования - прецизионного 140УД17А), включенного по инвертирующей схеме.
Для реализации функций защиты используется включение между инвертирующим и неинвертирующими входами усилителя УСЗ двух стабисторов. В случае, если уровень сигнала на входе УСЗ превысит порог стабилизации 0,5..0,7 В диоды откроются и зашунтируют источник сигнала. Это приведет к ограничению сигнала на выходе УСЗ. В блоке применены стабисторы типа Д219С.
Блок питания. Для питания элементной базы ПВШ используется два напряжения: однополярное +5В (для питания ИМС ТТЛ) и двухполярное ±15В (для питания ИМС - операционных усилителей). Ток потребления складывается из токов потребления ИМС. Согласно справочным данным, токи потребления для используемых ИМС следующие: КР1006ВИ1 - 15мА; К555ЛН1 - 6,6мА; К555ТВ9 - 8мА; 140УД17А - 4мА. Таким образом, с учетом количества ИМС получим: общий ток потребления измерительной части ПВШ по шине +5В составляет 52,2мА, а по шинам +15В и -15В 36мА. При этом к качеству питающих напряжений предъявляются следующие требования: отклонение напряжения питания по шине +5В не более ±5% или в абсолютной величине не более ±250мВ, а по шинам ±15В не более ±10% или не более ±1,5В.
В качестве ИМС для импульсных источников питания выбрана ИМС КР1156ЕУ1.
Для схемы выпрямления использован диодный мост КЦ405Е с выходным током 
= 1А.
Зарядное устройство позволяет заряжать АБ двумя фиксированными значениями стабилизированного тока 100 мА - для АБ емкостью 1,5 А·ч и 230 мА - для АБ 2,0 - 2,3 А·ч. С учетом расчетного тока потребления данные АКБ позволят обеспечивать гарантированную непрерывную работу ПВШ в течении от 5 до 10 часов.
В качестве заключения следует отметить, что в предлагаемой статье приведены следующие результаты:
- 1. Представлена структурная схема преобразователя виброакустического шума и основного элемента предлагаемого устройства - блока выбора диапазона частоты.
- 2. Показаны принципы выбора структуры и расчета микрофонного устройства.
- 3. Рассмотрены особенности основных устройств, входящих в состав преобразователя виброакустического шума.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств: Учеб. пособие для вузов по спец. «Автоматика и упр. в техн. системах». - М.: Высш. шк., 1989. - 223 с.: ил.