романович. Романович Ж.А. Диагностирование, ремонт и техническое обслуживан. Учебник 3е издание
 Скачать 4.17 Mb.
|
|
Глава 7 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ В СОСТАВЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 7.1 Контроль двухполюсных электрических цепей в составе печатного узла В печатном узле двухполюсные цепи соединены между со- бой в многополюсные. Проведение контроля и диагностирова- ния МЭЦ возможно как по обобщенным параметрам, так и по параметрам образующих МЭЦ элементов. В первом случае для описания объекта диагностирования пользуются макромоде- лью, а во втором используется микромодель. Наиболее разра- ботаны методы контроля обобщенных параметров. Они могут быть определены различными способами: 1) на основе совокупных оценок — путем измерения вход- ных сопротивлений, проводимостей или коэффициентов пе- редачи между парами полюсов при различных режимах (хо- лостого хода и короткого замыкания) остальных полюсов и последующего решения системы уравнений; 2) на основе косвенных оценок — путем измерения токов и напряжений на зажимах МЭЦ и последующих расчетов; 3) на основе прямых оценок — путем сравнения парамет- ров контролируемой МЭЦ с параметрами образцовой. Внутрисхемное диагностирование по обобщенным пара- метрам возможно, если параметры элементов, образующих ДЭЦ, могут быть рассчитаны по результатам измерения, т. е. выполняются условия измеряемости. Если МЭЦ содержит l внешних и n − l внутренних полюсов (замкнутых контуров), недоступных для подключения измерительной аппаратуры, 193 то связь между параметрами описывают матричным уравне- нием: , (7.1) где с = 1, 2, …, l и d = 1, 2, …, n − l — соответственно внешние и внутренние полюсы (контуры), c ≠ d. Обобщенные параметры могут быть однозначно определе- ны на основе информации о структуре МЭЦ и параметрах ее элементов согласно уравнению (7.1). Обратная задача, т. е. оп- ределение параметров элементов МЭЦ по обобщенным пара- метрам в общем случае не имеет однозначного решения, так как количество обобщенных параметров МЭЦ меньше числа параметров образующих ее элементов при наличии внутрен- них полюсов или контуров. Необходимым и достаточным условием измеряемости яв- ляется доступность всех полюсов МЭЦ для подключения из- мерительной аппаратуры или наличие в цепи только внешних контуров. В этих случаях обобщенные параметры [п xij ] совпа- дают с параметрами собственно ветвей. Однако при числе по- люсов свыше четырех-пяти сложность измерительной аппа- ратуры и самого процесса диагностирования резко возрастают. Кроме того, при диагностировании систем управления после ремонта, когда возможны топологические ошибки, контроль обобщенных параметров может быть использован только для нахождения отдельных неисправных фрагментов схемы. Таким образом, измерение обобщенных параметров не экви- валентно контролю собственно элементов МЭЦ и не может быть единственно используемым для внутрисхемного диагностиро- вания. Универсальный способ поэлементного диагностирования основан на раздельном преобразовании параметров элементов МЭЦ в электрические сигналы, т. е. в вычленении на каждой из- мерительной операции контролируемой цепи из МЭЦ. Измеряемость параметров ветви Z x между полюсами a и b МЭЦ обеспечивается тогда и только тогда, когда каждый из пу- тей протекания тока от полюса a к полюсу b (исключая путь че- рез Z x ) содержат хотя бы один доступный полюс c. При доступ- 194 ности для подключения измерительной аппаратуры всех полюсов схема МЭЦ за счет внешних коммутаций может быть приведена к трехполюсной цепи типа “треугольник” (рисунок 7.1). Для этого определяют подмножество Z ′ ∈ Z вет- вей, имеющих общий полюс a с Z x , и под- множество P ′ ∈ P вторых полюсов P′ = = {p a } a = 1, 2, …, k этих ветвей. Элементами P ′ могут быть и полюсы многополюсных компонент. За счет замыкания между собой полюсов подмножества P ′ образуют цепь, в которой по отношению к исследуемой ветви Z x остальная часть МЭЦ объ- единена в две шунтирующие ветви Z ш1 и Z ш2 . Анализ топологии МЭЦ и выбор полюсов легко доступен для автоматизации. Проиллюстрируем сказанное на примере схемы (рису- нок 7.2), имеющей 11 узлов и состоящей из ДЭЦ Z 1 − Z 11 и мно- гополюсных элементов M 1 , M 2 . Рассмотрим измерение Z 1 . Выбе- рем полюс 1 в качестве общего, тогда в подмножество P ′ входит только полюс 10. Одной из шунтирующих ветвей является Z 3 , а второй — сложное соединение остальных элементов схемы. Если в качестве общего выбран полюс 2, то в подмножество P ′ входят полюсы 3 и 11. После их объединения между собой с помощью внешнего соединения одна из шунтирующих ветвей будет представлять собой параллельное соединение Z 2 и Z 4 , а вторая — сложное соединение остальных ЭРЭ. Аналогично и для других цепей. Наличие в МЭЦ внутренних полюсов, недоступных для подключения, не всегда является препятствием для поэлемен- тного диагностирования. Если недоступный полюс соединен не менее чем с тремя внешними полюсами, электрическая связь между которыми существует только через этот полюс, то поэ- лементный контроль возможен. Наличие не менее трех ветвей, соединяющих общий внутренний полюс с внешними, позволяет через внешние полюсы зафиксировать потенциал недоступно- го полюса. Рисунок 7.1 — МЭЦ типа “треугольник” 195 Рассмотрим в качестве примера МЭЦ, представленную графом на рисунке 7.3, где внутренние полюсы обведены круж- ками, а внешние обозначены точками. Полюсы 2, 3, 8, 9 препятствуют проведению поэлемент- ного диагностирования, так как с каждым из них непосредс- твенно соединено не более двух внешних полюсов, не связан- ных между собой иначе, чем через данный полюс. А именно: с полюсом 2 соединены внешние полюсы 1, 4 и 10, но полюсы 4 и 10 дополнительно связаны между собой через внутренние полюсы 3 и 8; с полюсом 3 соединены те же внешние полюсы и полюсы 1 и 10 соединены между собой через внутренние по- люсы 2 и 8; для полюса 8 внешние полюсы 1 и 4 связаны между собой через внутренние полюсы 2 и 3; с полюсом 9 соединены внешние полюсы 4, 7, 11, 12, 13, но только полюс 12 не связан с остальными, у которых имеется общий полюс 6. Полюсы 5 и 6 не препятствуют поэлементному диагностированию: полюс 5 соединен с внешними полюсами 4, 7, 11, 12 и 13, причем полю- сы 4 и 11 не соединены с другими. Полюс 6 находится в анало- гичных условиях, так как полюсы 12 и 4 или 11 не связаны с остальными. 1 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 Z 3 Z 1 Z 4 Z 2 Z 5 Z 6 Z 8 Z 9 Z 11 Z 10 Z 7 M 1 M 2 Рисунок 7.2 — Пример схемы МЭЦ 196 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Рисунок 7.3 — Пример граф-схемы МЭЦ При включении МЭЦ типа “треугольник” в обычную ИС к калиброванному резистору R 0 оказываются подключенными ряд ветвей, имеющих общий полюс. Токи реакции на энерге- тическое воздействие как измеряемой, так и шунтирующих ветвей протекают через R 0 и влияют на результат преобразо- вания. Единственной возможностью исключения этого эффек- та является эквипотенциальное разделение контролируемой и шунтирующих ветвей за счет установки на вторых полюсах шунтирующих ветвей электрического потенциала, равного по- тенциалу общего с R 0 полюса. С этой целью можно использовать с необходимыми дополнениями ИС, представленные на рисун- ке 6.4. Основные ИС для контроля ветвей МЭЦ типа “треуголь- ник” приведены на рисунке 7.4. В пассивной ИС (см. рисунок 6.3) необходимо применение повторителя напряжения ПН (рисунок 7.4, а). ПН задает по- тенциал полюса c равным потенциалу полюса a. Ток между эквипотенциальными точками через ветвь Z ш1 не протекает. Ток от источника напряжения U 0 через ветвь Z ш2 замыкается на общую шину через выходное сопротивление ПН, минуя R 0 В результате падение напряжения на калиброванном резис- торе R 0 зависит только от иммитанса Z x контролируемой вет- ви МЭЦ. Активные ИС не требуют введения дополнительных узлов для обеспечения возможности контроля МЭЦ. В схеме с поло- жительной обратной связью (рисунок 7.4, б) достаточно выход повторителя напряжения подключить к полюсу c МЭЦ. 197 В схемах на основе операционных усилителей с включени- ем МЭЦ в цепь отрицательной обратной связи (рисунки 7.4, в, г) полюс c подключается к неинвертирующему входу, который, в a b с МЭЦ ПН Z ш2 U 0 Z x Z ш1 R 0 a b с СН ПН МЭЦ U 0 R 0 Z x Z ш2 Z ш1 b a с ОУ МЭЦ Z ш2 Z ш1 U 0 R 0 Z x b a с ОУ МЭЦ R 0 Z ш2 Z ш1 U 0 Z x b a с ОУ 1 МЭЦ U 0 Z ш1 Z ш2 Z x ОУ 2 R 01 b a с МЭЦ Z ш2 Z ш1 Z x R 01 R 02 ОУ 1 ОУ 2 U 0 a) б) в) г) д) е) Рисунок 7.4 — ИС для МЭЦ с шунтирующими ветвями 198 свою очередь, может быть соединен с общей шиной или (и) вы- ходом источника напряжения U 0 . В силу свойств операционно- го усилителя разность потенциалов на полюсах ветви Z ш1 и ток через нее стремятся к нулю, а ветвь Z ш2 включена параллельно выходу источника напряжения U 0 или ОУ и не влияет на ре- зультат измерения. При необходимости одновременной оценки параметров двух ветвей могут быть использованы измерительные схемы на двух ОУ (рисунки 7.4, д, е). В преобразователях сопротивле- ния цепи в напряжение ветвь Z ш1 включена между инвертиру- ющими входами ОУ 1 и ОУ 2 , потенциал которых в силу свойств ОУ близок к нулю. Выходное напряжение ОУ 1 прямо пропор- ционально адмиттансу ветви Z x в схеме на рисунке 7.4, д или ее импедансу в схеме на рисунке 7.4, е. Выходное напряжение ОУ 2 в схеме на рисунке 7.4, д зависит только от Z ш2 , а в схеме на рисунке 7.4, е — от отношения сопротивлений двух ветвей. Дополнительная погрешность , вызванная влиянием шунтирующих цепей МЭЦ, возникает из-за остаточной раз- ности потенциалов на полюсах ветви Z ш1 . Значение этой по- грешности зависит от соотношения токов, протекающих через Z x и ветвь Z ш1 : . (7.2) Причиной возникновения может быть как несовер- шенство узлов, ответственных за потенциал точки c, так и кон- тактные сопротивления зондов, через которые объект диагнос- тирования подключен к ИС. Первый фактор при использовании современных аналоговых интегральных схем можно исключить из рассмотрения. На вторую причину следует обратить особое внимание при выборе точек подключения к объекту. Покажем это на простейшем примере измерения сопротивления резис- тора R x с помощью схемы на ОУ (рисунок 7.5). Пусть номиналы резисторов в объекте диагностирования составляют: R x = 1 кОм, R ш1 = R ш2 = 100 Ом, U 0 = 1 В, а сопро- тивление контактирования r к = 5 Ом (среднее значение для 199 многозондового контактирующего устройства). Тогда напря- жение между точками a и c, вызванное током, протекающим через R ш2 и r к , . Под действием этого на- пряжения через R 0 протекает вызывающий погрешность ток , в то время как ток, обусловленный измеряе- мым сопротивлением равен . Таким образом, по- грешность составляет 50%. Такой же результат получается и при расчете по формуле (7.2). Для минимизации рассмотренной погрешности необходи- мо использовать двухпроводное подключение к каждой точке МЭЦ, т. е. шестипроводное подключение к МЭЦ объекта диа- гностирования. Обычно это не вызывает затруднений, так как каждый из элементов, входящих в многополюсную цепь, имеет два вывода и монтируется на печатном узле двумя пайками. То есть каждый полюс МЭЦ, образованный электрическим соеди- нением двух элементов, в объекте имеет не менее чем две точ- ки (пайки) для подключения внешних контактов. Коммутатор АСКД выбирает контакты, подключенные к пайкам соединен- ных между собой элементов. Организация шестипроводного подключения к МЭЦ про- иллюстрирована на рисунке 7.6, а для случая контроля импе- данса и на рисунке 7.6, б — для адмиттанса. Цифрами 1 −6 обоз- начены точки контактирования, т. е. точки припайки элементов R 0 U x ОУ R x 1к 100 100 5 R ш2 R ш1 1В a b c r к Рисунок 7.5 — Учет влияние контактных сопротивлений зондов 200 к плате. Собственно измерительная схема выполнена на опера- ционном усилителе ОУ 1 а) б) Рисунок 7.6 — Шестипроводное подключение контролируемой МЭЦ Влияние контактного сопротивления r к2 , соединяющего по- люс c шунтирующей цепи Z ш1 − Z ш2 (точки 3 и 6 МЭЦ) с общей шиной, в схемах исключается за счет соединения точки 6 с не- инвертирующим входом ОУ 1 через контактное сопротивление r к4 . Вследствие этого потенциал инвертирующего входа усили- теля оказываются равными потенциалу точек 3 и 6, и ток через ветвь Z ш1 стремится к нулю. В схеме на рисунке 7.6, а влияние контактных сопротивле- ний r к1 , r к3 , r к5 , r к6 , обеспечивающих подключение контролиру- емого импеданса Z x устраняется за счет разделения токовых и потенциальных цепей (классическое 4-зажимное подключение). 201 В схеме на рисунке 7.6, б влияние r к1 и r к3 устраняется вклю- чением их в цепь отрицательной обратной связи ОУ 1 , работающе- го в режиме повторителя напряжения. За счет свойств ОУ (ма- лый входной ток и большой коэффициент усиления) при таком включении напряжение на инвертирующем входе усилителя и в точках соединения сопротивлений r к1 и r к3 устанавливается рав- ным напряжению на его неинвертирующем входе. В точках 1 и 2 напряжение воздействия на контролируемую цепь Z x равно U 0 и нет потерь на контактных сопротивлениях. Влияние сопротивле- ния r к5 устраняется путем измерения падения напряжения непос- редственно на калиброванном резисторе R 0 . Сопротивление r к6 не влияет на результат контроля, так как ток, протекающий через него, равен входному току ОУ 2 и пренебрежимо мал. Недостатком рассмотренных измерительных схем явля- ется погрешность, вызванная уменьшением приложенного к Z x сигнала из-за падения напряжения на контактном сопротивле- нии r к2 . Погрешность становится ощутимой при контроле малых сопротивлений, соизмеримых с сопротивлением контактов. Схемы, изображенные на рисунке 7.7 лишены этого недо- статка. В них к потенциал точек 3 и 6 МЭЦ равен нулю благода- ря использованию повторителя напряжения на ОУ 2 Метод измерения параметров ветвей МЭЦ с недоступной точкой соединения (МЭЦ типа “звезда”) дуален рассмотрен- ному, как и сама схема МЭЦ. Для раздельного диагностирова- ния необходимо обеспечить равенство токов, протекающих че- рез две ветви МЭЦ. Для этого в пассивных ИС энергетическое воздействие осуществляется от источника тока I 0 , включенно- го между ветвями Z x и Z 1 , а напряжение снимают с помощью схемы с высоким входным сопротивлением через оставшуюся ветвь Z 2 (рисунок 7.8, а). Выходной сигнал схемы прямо пропор- ционален контролируемому импедансу В активных ИС на основе операционных усилителей при использовании токового воздействия I 0 (рисунок 6.4, б) влия- ние сопротивления ветвей Z 1 и Z 2 на результат преобразования устраняется за счет включения их последовательно с больши- ми сопротивлениями — внутренним сопротивлением источни- 202 ка тока и входным сопротивлением операционного усилителя. Выходное напряжение схемы при этом прямо пропорциональ- но . При использовании в этой схеме вместо источника тока с высоким внутренним сопротивлением источника напряжения U 0 выходной сигнал пропорционален отношению сопротивле- ний: В схеме на рисунке 7.8, в выходное напряжение снимают через ветвь Z 2 При этом необходимо, чтобы последу- ющий узел имел высокое входное сопротивление. а) б) Рисунок 7.7 — Улучшенное шестипроводное подключение МЭЦ 203 а) б) в) г) д) Рисунок 7.8 — ИС для МЭЦ с недоступной точкой соединения плеч В схеме на рисунке 7.8, г за счет положительной обратной связи устанавливается значение тока, протекающего через ветви Z x − Z 1 . При этом выходное напряжение узла вычитания УВ , а В схеме на рисунке 7.8, д также используют ИС с положи- тельной обратной связью. Выходные напряжения ИС равны Дополнительная погрешность, вызванная влиянием некон- тролируемых ветвей МЭЦ, возникает из-за тока, протекающе- го через ветвь Z ш2 (остаточной разности потенциалов на полю- сах ветви). Значение этой погрешности зависит от соотношения токов, протекающих через Z x и ветвь Z 2 , и может быть рассчи- тано по аналогии с выражением (7.2). |