CC BY
102
Для надежной эксплуатации промышленного оборудования требуются постоянный контроль и диагностика общего состояния машин и механизмов, а также проверка параметров технологических процессов. При этом важными для анализа являются параметры механического движения, в частности параметры периодических перемещений исследуемого объекта в пространстве (вибрации). Результаты исследований влияния различных видов дефектов на функционирование машин подтвердили, что наибольшей диагностической информацией обладает именно сигнал вибрации.
ДАТЧИКИ ВИБРАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Г.Е. КИБРИК кандидат физико-математических наук Пермь
ООО НПП «ТИК» 1
Характер и масштабы изменения вибрации во времени для каждого случая индивидуальны, конкретный вибрационный процесс содержит большой объем важнейшей информации, использование которой позволяет диагностировать техническое состояние механизмов и машин и рационально устранять многие дефекты. В последние годы завоевало популярность обслуживание по состоянию, когда машина ремонтируется только в том случае, если известно, что в работе узлов появляются сбои и развивается неисправность, которая может привести к отказу оборудования. Чем надежней и конкретней диагноз, тем ниже затраты, необходимые для восстановления агрегата [1-5].
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Достоверность измерений и корректность поставленных диагнозов во многом определяются качеством измерительных каналов. Первым звеном любого измерительного канала, предназначенным для измерения неэлектрической величины, являются датчики - измерительные преобразователи (ИП). ИП - это средства измерений, преобразующие измеряемую неэлектрическую величину в другую физическую величину, например электрическую, удобную для передачи на расстояние информации об измеряемой величине. При разработке и изготовлении датчиков необходимо обеспечить минимальную зависимость их параметров от различных видов внешних воздействий: температуры, давления, влажности, магнитных и электрических полей, промышленных помех и наводок, ударных нагрузок, радиационного облучения, проникновения влаги и газов. В аппаратуре виброконтроля широко применют-ся пьезоэлектрические акселерометры, наиболее полно обеспечивающие необходимые характеристики [1-5]. Несмотря на широкий спектр имеющихся на рынке изделий, в случае разработки систем
контроля и диагностики оборудования в конкретных областях промышленности возникает необходимость в минимизации номенклатуры датчиков и их стоимости, а также унификации сигналов и конструкций. С другой стороны, нередко необходимо обеспечить особые требования заказчика и учитывать современный уровень достижений разработки и производства микроэлектронных схем. Все это вынуждает фирмы разрабатывать собственные специализированные датчики, наиболее полно удовлетворяющие требованиям сегодняшнего производства.
Производимые НПП «ТИК» датчики вибрации предназначены для систем диагностического обслуживания работы роторных машин с целью своевременного обнаружения появляющихся дефектов. Эти вибропреобразователи разделены на подгруппы:
• по способам крепления к машине;
• по виду выходных электрических сигналов;
• по типу чувствительных элементов вибропреобразователя;
• по наличию встроенных электронных схем.
Внешний вид датчиков и их размеры определяются во многом способами крепления и габаритами измерительных преобразователей. Информативность сигнала датчика зависит от способа установки датчика на контролируемой точке. Стационарно установленные датчики позволяют наиболее достоверно определять наличие и вид неисправности. Особое внимание уделено нами разработке двухпроводных выходных схем, в которых напряжение питания и сигнал подаются одновременно по одним и тем же проводникам. Аналоговый выходной сигнал по напряжению обеспечивается стандартом 1СР, разработанным специально для пьезоакселерометров. В тех случаях, когда необходимо иметь выход «токовая петля», используется схема, генерирующая выходной токовый сигнал, находящийся в диапазоне 4-20 мА. ►
VIBRATORY SENSORS FOR INDUSTRIAL EQUIPMENT CONTROL SYSTEMS
G.E. KIBRIK, Candidate, Physics and Mathematics, OOO NPP «TIK» («TIK» Scientific and Production Enterprise, LLC), Perm
Reliable operation of industrial equipment requires that constant control and diagnostics of the general condition of machines and mechanisms should be made as well as the parameters of the production processes should be checked. At the same time, critical for such analysis are the mechanical motion parameters, specifically speaking, the parameters of periodic movements in space (vibration) of the object under investigation. The results of research to determine the influence of various types of defects on the functioning of machines have corroborated that it is a vibration signal that contains maximum diagnostic information.
The nature and scale of vibration change in time for each particular case is specific, a specific vibratory process contains a large amount of most important information which, when used, allows the technical condition of mechanisms and machines to be diagnosed and many defects to be rationally eliminated. In recent years it has become popular to service according to condition when a machine is repaired only if it is known that failures will occur in the operation of the components or a fault may develop which would lead to failure of the equipment. The more reliable and specific the diagnosis is, the lower the costs required for the unit to be fixed are. [1-5].
SPECIAL FEATURES OF THE MEASURING TRANSDUCER DESIGN
The trueness of readings and the correctness of diagnoses made are, to a great extent, determined by the quality of the measuring channels. The first link in any measuring channel designed to measure a non-electric value is the senders - measuring transducers. Measuring transducers are the measurement devices which convert the measured non-electric value into another physical value, for example, an electric one, which is convenient to transmit information about the value being measured over some distance. When designing and manufacturing the senders it is necessary to ensure minimum dependence of their parameters on various types of external effects: temperature, pressure, humidity, magnetic and electric fields, industrial interference, impact load, radiation, penetration of moisture and gases. Piezoelectric accelerometers are widely used in the vibratory control instrumentation as they meet the necessary requirements more completely [1-5].
Внешний вид датчиков и их размеры определяются во многом способами крепления и габаритами измерительных преобразователей. Информативность сигнала датчика зависит от способа установки датчика на контролируемой точке
ДИАГНОСТИКА
ЭКСПОЗИЦИЯ 3/Н (64) май 2008 г. DIAGNOSTICS
Despite a broad spectrum of products available in the market in a situation where one needs to develop a control and diagnostics system for the equipment in specific industries, there arises a need to minimize the model mix of the senders and their price as well as to commonize signals and designs. On the other hand, one often has to satisfy the customer's special requirements and to take into consideration the current level of achievements in the development and production of microelectronic circuits. All this makes companies design their own specialized senders which address in a more comprehensive way the needs of today's operations.
The vibratory sensors produced by NPP «TIK» are intended for diagnostic service systems to support the operation of rotary machines with a view to early detecting emerging defects. These vibratory transducers are divided into sub-groups:
• by the method of attaching to the machine;
• by the type of electric output signals;
• by the type of the vibratory transducer sensitive elements;
• depending on whether they have inbuilt electronic circuits.
The appearance of the sensors and their dimensions are determined, in many respects, by the method of attachment and dimensions of the measuring transducers. The informativeness of the sensor signal depends on the method of positioning the sender at the control point. The sensors installed in a stationary manner enable the existence and the type of fault to be identified most properly. We have given special consideration to developing two wire output circuits in which the power voltage and the signal are fed through the same conductors simultaneously. Similar output voltage signal is ensured by the ICP standard devised specially for piezo accelerometers. Where «current loop» output is required, a circuit generating a current output signal within the range between 4-20 mA is used.
PIEZOELECTRIC VIBRATORY TRANSDUCERS
Piezoelectric accelerometer was chosen as a basic transducer. Sensors based on direct piezoelectric effect are most common in many industries and have the characteristics corresponding to all the requirements applicable to a vibratory sensor and are rather inexpensive. According to the type of the output value piezoelectric transducers belong to generating sensors as they are based on the effect of producing electric charges on the surface of the piezoelectric material and electric polarization within it which result from compression and extension deformations. In order to make sure that an alarm signal warns that the anti-vibration cable has broken, Resistor R1 is connected in parallel to the measuring transducer capacitance. The output signal travels through the cable to the input of the circuit board of the device for communication with a facility. The most common method of processing the signal of the piezoelectric vibratory transducer is the charge amplification. All the charge generated accumulates on the feedback capacitor C of the charge amplifier while the output voltage U0 equals [6-7] as follows: (1),
where K - conversion coefficient, x - amount of deformation.
Acceleration signal or the mean square root value of the vibration speed are normally chosen as the measuring transducer output value. In the second case the device is structured as shown in the functional diagram, given in Fig.1. Microcontroller [8] performs the functions of an analogue-to-digital converter, a voltmeter of the mean square root value of the input voltage variable component, a level comparator and a code modulator. The
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
В качестве базового преобразователя выбран пьезоэлектрический акселерометр. Датчики на основе прямого пьезоэлектрического эффекта наиболее широко распространены во многих отраслях промышленности, имеют характеристики, удовлетворяющие всем требованиям к датчику вибрации, и достаточно низкую стоимость. По виду выходной величины пьезоэлектрические преобразователи относятся к генераторным датчикам, в них используется эффект образования электрических зарядов на поверхности пьезоэлектрика и электрической поляризации внутри него, которые происходят в результате деформаций сжатия и растяжения. Для обеспечения сигнализации обрыва антивибрационного кабеля параллельно емкости ИП включен резистор R1. Выходной сигнал по кабелю поступает на вход платы устройства связи с объектом (УСО). Наиболее распространенным методом обработки сигнала пьезоэлектрического вибропреобразователя является усиление заряда. Весь генерируемый заряд накапливается на конденсаторе обратной связи С усилителя заряда, а выходное напряжение ио равно [6-7]:
здесь К- коэффициент преобразования, х-величина деформации.
В качестве выходной величины ИП обычно выбирают либо сигнал ускорения, либо среднеквадратичное значение (СКЗ) скорости вибрации. Во втором случае устройство строится по функциональной схеме, представленной на рис.1.
Функции аналого-цифровых преобразователей, вольтметра СКЗ переменного компонента входного напряжения, регулятора усиления цифрового,
компаратора уровней и кодового модулятора выполняет микроконтроллер [8]. Потребление всех компонентов схемы меньше 4 мА, что обеспечивает минимальный ток в двухпроводной схеме «токовая петля» 4-20 мА.
В приборах применён 8-битный микроконтроллер ATTINY 15L со встроенным 4-канальным 10-битным аналого-цифровым преобразователем [10]. Данный микроконтроллер при небольшом электропотреблении и невысокой стоимости имеет все необходимые функции для решения поставленной задачи. Программа обработки входных сигналов оптимально использует все ресурсы микроконтроллера . Блок - схема алгоритма программы приведена на рис.2.
АКТИВНЫЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СО ВСТРОЕННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ БЛОКОМ
Диапазон рабочих температур многих промышленных агрегатов не очень широк, а максимальная температура поверхности не превышает +850С. В этом случае датчики, устанавливаемые на машины, могут содержать в своем составе электронные компоненты, в том числе полупроводниковые микросхемы, для которых фирмы-производители гарантируют обеспечение паспортных параметров для температур от - 400С до + 850С. Преобразователи строятся по тем же функциональным схемам (например, рис.1), из которых исключаются входной кабель и схема обрыва кабеля. В активных ИП используются только двухпроводные выходные схемы, что значительно снижает стоимость линий связи, которые выполняются из обычного экранированного провода. Эти ИП, например DVА-1 -1 -2, DVА-1 -2-1 (таблица 1) и другие, имеют дополнительную экранировку элементов, которая обеспечивает существенное снижение уровня промышленных наводок на входные цепи. ►
Рис. 1 Функциональная схема ИП СКЗ скорости вибрации
1) Пьезоакселерометр; 2) Кабель; 3) Схема контроля обрыва кабеля; 4) Усилитель заряда; 5) Активный многозвенный полосовой фильтр; 6) Фильтр низких частот; 7) Интегратор; 8) Усилитель; 9) Аналого-цифровой преобразователь; 10) Аналого-цифровой преобразователь; 11) Компаратор уровней; 12) Вольтметр СКЗ переменного компонента входного напряжения; 13) Регулятор усиления цифровой; 14) Модулятор кодовый; 15) Цифро-аналоговый преобразователь; 16) Источники вторичного питания схем; 17) Формирователь выходного сигнала; 18) Схема искрозащиты
Достоверность получаемых при виброконтроле результатов измерений во многом зависит от способов установки и крепления элементов и узлов прибора, а в особенности, чувствительного элемента -микромеханического акселерометра
ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЕМКОСТНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
В настоящее время достаточно широко применяются акселерометры, при разработке которых использована технология iMEMS (интегральные микроэлектромеханические системы). Система содержит микромеханический сенсор и интегральную электронную схему. По виду выходной величины микроэлектромеханические емкостные преобразователи относятся к параметрическим датчикам. Микромеханические устройства на основе кристалла кремния позволяют измерять как постоянные ускорения, так и параметры вибрации. Быстрое развитие и совершенствование технологии iMEMS привело к появлению к настоящему времени сравнительно недорогих датчиков, имеющих высокие потребительские свойства:
• полоса рабочих частот от 0 до 6 кГц;
• высокая точность и широкий диапазон измеряемых значений ускорения от 0,025д до 150д;
• высокая температурная стабильность не хуже 0,005%/К;
• температурный рабочий диапазон от -550С до +1250С;
• чувствительность по одной, двум или трем осям при одних и тех же размерах;
• ударная нагрузка до 3500 д.;
• малые размеры корпусов микросхем;
• встроенные электронные схемы обработки сигналов при высоком уровне интеграции;
• высокая линейность - 0,2%;
• аналоговые и цифровые выходные сигналы;
Рис. 2 Блок-схема алгоритма программы
• малая потребляемая мощность при типичном значении потребляемого тока - 0,6 мА;
• резонансная частота сенсора до 10... 18 кГц;
• малая поперечная чувствительность, типичное значение которой - 2%;
• отсутствие генерации высоковольтных взрывоопасных выбросов напряжения при ударной нагрузке.
Ряд параметров интегральных акселерометров к настоящему времени достиг значений, сопоставимых с характеристиками пьезоэлектрических преобразователей [9]. К основным недостаткам микроакселерометров следует отнести зависимость чувствительности от напряжения источника питания, заметный разброс чувствительности, заметное смещение нулевого уровня выходного напряжения при нулевом ускорении, недостаточно широкий диапазон рабочих температур и, наконец, заметный уровень шумов. Емкостные акселерометры, исполненные в виде стандартной микросхемы и имеющие высокий коэффициент электромеханического преобразования, позволяют быстро проектировать активные вибропреобразователи для индустриального использования. Научно-производственным предприятием «ТИК» разработан ряд активных датчиков, в которых использован аналоговый выход микросхемы-акселерометра. В датчиках с микроакселерометрами (рис. 3) применены такие же электрические схемы, что и в активных пьезодатчиках, исключен только усилитель заряда.
При измерениях величины ускорения применен двухпроводный аналоговый выход, обеспечивающий сигнал формата 1СР. В этом случае полоса пропускания ИП лежит в диапазоне 0...3 кГц. Если на выходе прибора необходимо иметь среднеквадратичное значение (СКЗ) скорости вибрации, то выдается токовый сигнал, находящийся в диапазоне 4-20 мА, а полоса пропускания таких датчиков обычно лежит в диапазоне 3...Ы03 Гц. Во всех типах датчиков диапазон измерения ускорений, например ±2,5д или ±150д и т.д., обеспечивается установкой акселерометра, имеющего нужную чувствительность, остальные элементы и режимы работы устройств остаются неизменными.
Достоверность получаемых при виброконтроле результатов измерений во многом зависит от способов установки и крепления элементов и узлов прибора [3], а в особенности, чувствительного элемента - микромеханического акселерометра. Размеры всех деталей и ►
current consumption of all the circuit elements is less than 4mA, which ensures a minimum current in the two wire «current loop» circuit of 4-20 mA.
The instruments feature an 8-bit microcontroller ATTINY 15L with in-built 3-channel 10-bit analog-to-digital converter [10]. This microcontroller with its reasonable current consumption and fairly low cost has all the necessary functions to tackle the role assigned to it. The program for input signal processing makes an optimum use of all the microcontroller resources. The block diagram of the program algorithm is set out in Fig.2.
ACTIVE PIEZOELECTRIC VIBRATORY TRANSDUCERS WITH AN IN-BUILT ELECTRONIC MODULE
The range of working temperatures of many industrial units is not very wide while the maximum surface temperature does not exceed +850C. In this case, the sensors installed on the machines may contain within, the electronic components including semi-conductor micro-circuits, for which their manufacturers guarantee attainment of the specified parameters at temperatures ranging from -400C up to +850C. The transducers are structured per the same functional diagrams (e.g. Fig.1) from which the input cable and the cable breakage circuit are eliminated. In the active measuring transducers only two-wire output circuits are used which significantly cuts down the cost of the communication lines which are made from regular shielded cable. These measuring transducers, for example, DVA-1-1-2, DVA-1-2-1 (Table 1) and others, have an additional shielding of the elements which dramatically reduces the level of industrial interferences in the input circuits.
VIBRATORY TRANSDUCERS BASED ON THE INTEGRATED MICRO-ELECTRIC- MECHANICAL CAPACITANCE ACCELEROMETERS
At the present time, the accelerometers whose design features the iMEMS technology (integrated micro- electric- mechanical systems) are in wide use. The system incorporates s micro-mechanical sensor and integrated electronic circuit. In terms of the type of the output, the micro- electric- mechanical capacitance transducers are referred to parameter sensors. The micro- mechanical devices based on the silicon crystal allow one to measure both constant accelerations and vibration parameters. Rapid development and improvement of the iMEMS technology have now led to emergence of comparatively inexpensive sensors with high consumer qualities:
• working frequency band from 0 to 6 kHz;
• high accuracy and a wide range of acceleration readings from 0.025g to 150g;
• high temperature stability, no worse than 0.005%/K;
• working temperature range from -550C to +1250C;
• sensitivity on one, two or three axes with the same dimensions;
• impact load of up to 2500 g;
• small size of the integrated circuit package;
• in-built electronic circuits to process signals with a high integration level;
• high linearity - 0.2%;
• analog and digital output signals;
• low power consumption with typical current consumption value at 0.6 mA;
• resonance frequency of the sensor up to 10... 18 kHz;
• low transversal sensitivity, whose typical value is at - 2%;
• lack of generated high voltage explosion-prone spikes of voltage at impact load.
ЭКСПОЗИЦИЯ 3/Н (64) май 2008 г.
1 2
Рис. 3 Эскиз интегрального микромеханического ИП
1) Плата выходная; 2) плата акселерометра; 3) втулка; 4) наполнитель (виксинт); 5) основание; 6) стойка; 7) гайка
Some parameters of the integrated acceler-ometers have, by now, reached the level comparable to the characteristics of the piezoelectric transducers [9]. The key drawbacks of the micro-accelerometers include the dependence of sensitivity on the power supply voltage, the noticeable variation of the sensitivity, noticeable shift of the output voltage zero level at zero acceleration, insufficiently wide working temperature range and, finally, a noticeable level of noise. The capacitance accelerometers produced as a standard micro-circuit and having a high coefficient of electric - mechanical conversion allow active vibratory transducers for industrial application to be rapidly designed. «TIK» Scientific and Production Enterprise has developed a number of active sensors which use the analog input of the accelerometer micro-circuit. The sensors with micro-accelerom-eters (Fig.3) use the same electric circuits as the active piezo-sensors, it is only the charge amplifier that is eliminated.
In taking acceleration readings, the two wire analog output is used which provides a signal in the ICP format. In this case, the acceptance band of the measuring transducer lies within the range between 0...3 kHz. If at the output of the instrument one has to have a mean square root value of the vibration speed, a current signal within the range between 4-20mA is issued, while the acceptance band of such sensors usually lies between 3.1 • 103 Hz. In all the types of the sensors, the acceleration measurement range, for example, +2.5 g or +150 g, etc., is ensured by installing the accelerometer with the required sensitivity while the remaining elements and the operating mode of the devices remain unchanged.
The trueness of the readings taken during vibratory control, to a great extent, depends on the methods of installing and attaching the elements and components of the instrument [3], especially, those of the sensitive element, i.e. the micro-mechanical accelerometer. The size of all the parts and the sensor printed circuit boards has been minimized, since the smaller the size, the higher the mechanical resonance own frequencies are. The mechanical resonance own frequencies of the printed circuit boards, especially under flexu-ral strain, may fall within the acceptance band of the filters. The filling of all the space with viksint dampens the vibration of the vibratory transducer components and cover. Since the brazing of the accelerometer body without additional attachment causes resonance within the range between 7.9 kHz, the micro-circuit, prior to brazing, is glued to the board, using the glue with high modulus of elasticity. The accelerometer micro-circuit is installed on the board while the board is secured in the transducer body with the board and the sensor deviating from the symmetry centerlines by no more than 0.50 (Fig.2) to ensure minimum value of transversal sensitivity.
The vibratory transducers have the type of explosion protection classified as spark-proof electric circuit» [10]. Detailed use of capacitance integrated micro- electric- mechanical accelerom-eters in the design of the measuring transducers is described in [11].
MULTI-COORDINATE MEASURING TRANSDUCERS
A special advantage of a number of micro-sensors is the capability of measuring acceleration along two or three orthogonal axes. During random movement of the point of measurement in space all the projections of its movement are measured, i.e. the speed and the acceleration change in terms of absolute value and direction. The acceleration of the point in space can be represented as the sum of the point projection acceleration onto
печатных плат датчика минимизированы, т.к. чем меньше размеры, тем выше собственные частоты механических ре-зонансов. Собственные механические резонансные частоты печатных плат, особенно при деформации изгиба, могут попасть в полосу пропускания фильтров. Заполнение всего пространства виксинтом гасит вибрацию компонентов и крышки вибропреобразователя. Так как припайка корпуса акселерометра припоем без дополнительного крепления приводит к резонансу в диапазоне частот 7.9 кГц, микросхема перед припайкой приклеивается к плате клеем, имеющим высокий модуль упругости. Микросхема акселерометра устанавливается на плате, а плата закрепляется в корпусе преобразователя с отклонениями
от осей симметрии платы и датчика не более 0,50 (рис.2) для обеспечения минимальной величины поперечной чувствительности.
Вибропреобразователи имеют вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» [10]. Подробнее использование емкостных интегральных микроэлектромеханических акселерометров для разработки ИП описано в [11].
МНОГОКООРДИНАТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Особым преимуществом ряда микродатчиков является возможность измерять ускорения вдоль двух или трех ортогональных осей. Во время произвольного движения точки измерения в пространстве все проекции её перемещения ►
малогабаритного ви-
измерения виброуско-ыходного интерфейса:
змерения виброускоре-)го интерфейса: 1СР
СКЗ виброскорости с штерфейса: 4-20 мА
я виброускорения, тип я виброускорения, тип шпильке
1я СКЗ виброскорости,
-1 на шпильке
ия максимума СКЗ ви-ыходного интерфейса:
ия СКЗ виброскорости
ля измерения виброу-
Вибропрео- Конструкция, назначение вибропреобразователя бразователь
DV-1 Пьезоэлектрический вибропреобразователь базе
DV-2 Пьезоэлектрический вибропреобразователь для
брометра «ПИОН»
DVА-1-1-1 Пьезоэлектрический вибропреобразователь для рения с уменьшенным уровнем наводок, тип вы 4-20 мА
DVА-1-1-2 Пьезоэлектрический вибропреобразователь для и: ния с уменьшенным уровнем наводок, тип выходно
DVА-1-2-1 Пьезоэлектрический вибропреобразователь для уменьшенным уровнем наводок, тип выходного и
DVА-1-3-1 Емкостный вибропреобразователь для измерени выходного интерфейса: 4-20 мА
DVА-1-3-2 Емкостный вибропреобразователь для измерени выходного интерфейса: 1СР, корпус под винты
DVА-1-3-2с Емкостный вибропреобразователь DVA-1-3-2 на
DVА-1-4-1 Емкостный вибропреобразователь для измерени тип выходного интерфейса: 4-20 мА
DVА-1-4-1с Емкостный вибропреобразователь типа DVA-1-4-
DVА-1-6-1 Емкостный вибропреобразователь для измерени броскорости по одной из двух координат, тип вы 4-20 мА
DVА-1-7-1 Емкостный вибропреобразователь для измерен в плоскости, тип выходного интерфейса: 4-20 мА
DVА-3-3-3 Емкостный 3-х осевой вибропреобразователь д] скорения
Табл. 1 Перечень вибропреобразователей
изменяются, т. е. скорость и ускорение меняются по абсолютной величине и направлению. Ускорение точки в пространстве можно представить как сумму ускорения проекции точки на плоскость (?.■ 4-я,!, параллельную основанию акселерометра, и ускорения проекции точки на ось д £ , перпендикулярную плоскости ХУ. Измеряя оба сигнала двухосного акселерометра, мы получаем более полную картину вибрации машины. Для сокращения затрат на линии связи можно использовать только один информационный выход. Поэтому, чтобы сохранить большую часть информации, заключенной в двумерном сигнале, применяются простые системы первичной обработки входных напряжений. Например, целесообразно передавать тот компонент сигнала из двух, который имеет большую величину СКЗ напряжения [12]:
( 2 )
где их и иу - СКЗ напряжений, пропорциональных скоростям вибрации. В случае преобладания в спектре вибрации оборотной частоты будем получать заниженную оценку ивых . Максимальная погрешность - 30% имеет место для одномерной траектории и последовательно уменьшается вплоть до нуля при стремлении орбиты к окружности.
Если на выход вибропреобразователя подать сигнал, соответствующий модулю СКЗ напряжений, измеренных по двум осям, то значение среднеквадратичной скорости вибрации можно аппроксимировать выражением:
V„ = *
■■
V
fr .itf+^ttfjriv
, (3)
здесь К - коэффициент пропорциональности,
I (-ГМ ■ (Л - напряжения, пропорциональные скоростям вибрации по осям х, у, N - количество точек. Максимальная погрешность, приблизительно +40%, имеет место для круговой траектории и уменьшается, обращаясь в нуль, по мере приближения траектории движения к отрезку прямой линии.
В датчиках DVА-1-6-1, DVА-1-7-1 процедуры аналого-цифрового преобразования, вычисления СКЗ виброскорости, выделения максимального сигнала или вычисления мгновенного значения виброускорения в плоскости выполняются микроконтроллером. Функциональные схемы двухкоординат-ных датчиков аналогичны однокоорди-натным, аналоговая часть второго канала дублирует первый канал вплоть до входа АЦП. Изменения внесены только в алгоритм работы микроконтроллера в соответствии с формулами (2, 3). Разработаны и производятся также трех-координатные вибропреобразователи, DVA-3-3-3 (см. таблицу 1), которые имеют отдельные выходы по трем координатам соответственно. Для выравнивания
амплитудно-частотных характеристик в них применены фильтры Чебышева.
ВЫВОД
Наш опыт разработки вибропреобразователей с использованием как пьезоэлектрических, так и микромеханических акселерометров показал, что производство собственных приборов дает существенные преимущества при создании систем автоматизированного контроля. Проектировщик систем может обеспечить требуемые характеристики и оптимизировать параметры преобразователей, улучшить массогабарит-ные показатели устройств, уменьшить уровень промышленных наводок на чувствительные элементы схем, снизить стоимость разработки. Использование современных микродатчиков позволяет перенести основную тяжесть материальных расходов, связанных с научными исследованиями и разработкой принципиально новых конструкций и технологий, на плечи ведущих фирм - мировых лидеров в производстве микроэлектроники и микромеханики. Большинство из описанных в статье вибропреобразователей нашло широкое применение в приборах вибрационного контроля технологических параметров производственных объектов и в системах мониторинга промышленного оборудования. ■
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 1999. - 344 с.
2. Вибрация в технике. Справочник в 6 томах. М.: Машиностроение. 1981.
3. Русов В.А. Спектральная вибродиагностика. Пермь: Издательство НИИУМС, 1996. - 176с.
4. А.В.Барков, Н.А.Баркова, А.Ю.Азовцев. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. Изд. С-Пб. Государственного морского технического университета, г. СПб, 2000г, 169с.
5. Брюль и Къер. Мониторизация состояния машинного оборудования. Нэрум: Дания 1991 - 47 с.
6. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998. - 704 с.
7. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. М.: Мир, 1992. - 589 с.
8. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети интернет. Под ред. Коршунова И.В. - М: «Аким», 1998. - 272 с.
9. Analog devices. Low-cost ±2g Dual-Axis Ac-celerometer with Duty Cycle Output ADXL-202E.2000
10.ГОСТ Р 51330.10-99 Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искро-безопасная электрическая цепь. Госстандарт России. Москва.
11.Кибрик Г.Е., Налдаев Н.Д. Вибропреобразователи на основе интегральных микроэлектромеханических емкостных акселерометров серии ADXL. Сб. науч. тр. / Под ред. Н. И. Артемова; ГосНИИУМС. - Пермь, 2004. Вып. 53. С.93 - 101.
12.ГОСТ Р 10817-1 - 99 Вибрация. Системы измерений вибрации валов. Часть 1. Устройства для снятия сигналов относительной и абсолютной вибрации. Госстандарт России. Москва.
the plane parallel to the base of the accelerom-eter and the acceleration of the point projection onto the axis perpendicular to the XY plane. By measuring both signals of the double axis accel-erometer we get a better idea of the machine vibration. To curtail the costs of the communication lines one can use only one informational output. Therefore, in order to retain a large amount of the information contained in the two-dimensional signal, simple systems for the initial processing of input voltages are used. For example, it would make sense to transmit such a component of the two ones in the signal as has a greater value of mean square root voltage [12]: (2)
where Ux and Uy are mean square root voltage values proportional to the vibration speeds. In the case where the rotational frequency is converted in the vibration spectrum we will be getting an under-estimated value of Uoutput. The maximum error of - 30% exists for a one dimensional trajectory and consistently decreases all the way to zero with the orbit tending to become a circle.
If one supplies a signal corresponding to the modulus of mean square root value voltages as measured on the two axes, the value of the mean square root value of the vibration speed can be approximated with the following expression (3) where K - is the coefficient of proportionality, Ux(t), Uy(t) - voltages proportional to the vibration
speeds on x, y, axes, N - number of points. The maximum error of approximately +40% exists for a circular trajectory and decreases, turning into zero, as the trajectory of motion approximates a section of straight line.
In the DVA-1-16-1, DVA-1-7-1 sensors the procedures of analog-to-digital conversion, computing the mean square root value of the vibration speed, isolating the maximum signal or calculating the instantaneous value of the vibration acceleration in the plane are carried out by the micro-controller. The functional diagrams of the double coordinate sensors are similar to those of the single coordinate ones, with the analog part of the second channel being a copy of the first channel all the way to the input of the analog-to-digital converter. Changes have been made only to the algorithm of the micro-controller operation in line with formulas (2, 3). DVA-3-3-3 three coordinate vibratory transducers have been designed and are in production (see Table 1) which feature separate outputs for three coordinates respectively. To equalize the amplitude and frequency characteristics, Chebychev filters are used in them.
CONCLUSION
Our experience in designing vibratory transducers using both piezoelectric and micro- mechanical accelerometers goes to show that production of one's own instruments is significantly advantageous when automated control systems are created. The system design is in a position to ensure the required characteristics and to optimize the transducers' parameters, as well as to improve on the mass and dimensions of the devices, to reduce the level of industrial interferences on the sensitive elements of the circuits, to lower the cost of development. The use of modern microsensors makes the foremost firms - world leaders in the production of micro electronics and micro mechanics - bear the brunt of the material costs associated with scientific research and development of fundamentally new designs and processes. The majority of the vibratory transducers described in the article have found wide application in the vibration control instruments for process parameters of the production facilities and in the systems for monitoring industrial equipment.
