CC BY
25
УДК 531.787.91 (088.8)
В.Н. Костюков, V.N. Kostynkov, e-mail: post@tfynarmcs.ru Ач. В. Костюков., Al.V. Kostyukov, e-mail: post@jdynamtcs.ru А.В. Боярников, Al.V. Boyarnikov, e-mail:posi@tfynamucs.ru ООО <(НПЦ «Динамиtaw. г. Омск, Россия Ltd ;'SPC "Dynamics" Omsk. Russia
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ
MULTIFUNCTIONAL SENSORS BASED ON PIEZOCERAMICS
Системы мониторинга технического состояния оборудования содержат десятки, или даже сотни, датчиков вибрации и температуры. Разработка многофункциональных датчиков, позволяющих измерять ряд параметров. является актуальной задачей приборостроения. Данная работа посвящена разработке способа определения температуры при помощи пьезокерамического внбропреобразователя. В работе представлены результаты разработан и испытаний совмещенного пьезодатчика вибрации температуры. Погрешность измерения температуры во всем диапазоне измерения вибрации не превышает=1 "С в диапазоне температур от мннус 40 до 100 "С.
Systems for equipment technical state monitoring contain dozens or even hundreds of vibration and temperature sensors. Development of multifunctional sensors, which allow to measure a number of parameters. is an important task of instrument making. The paper is devoted to developing a method for determining temperature using a piezoceramic vibration transducer. The paper presents the development and testing results for a combined vibration/temperature piezoelectric sensor. Temperature measurement inac curacy in the entire vibration measurement range does not exceed = 1 °C in the temperature range from -40 °C to 100 "C.
Ключевые слова: многофункциональные датчики, пъезокерашка, измерение температуры
Keywords: multifunctional sensors, piezoelectric ceramics, temperature measurement
135
В настоящее время довольно широкое распространение, в силу повышенной надежности и температурной стойкости, получили датчики на основе пьезокерамики [2, 5]. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения силы, давления, ускорения, влажности, температуры и расхода. При этом, например, в датчиках силы, используется прямой пьезо-эффект, заключающийся в изменении величины заряда на противоположных плоскостях кристалла под действием сил сжатия или растяжения. Измерение температуры с помошью пьезокристалла, как правило, основано на использовании анизотропии - выбирая соответствующую ориенташпо среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику (ТЧХ), которая в общем случае является нелинейной функцией температуры.
Кроме того, известно о влиянии температуры на свойства пьезокерамических внбро-преобразователей [1, 2]. а также об ограничениях по предельно-допустимой температуре, при которой еще не происходит необратимых изменений характеристик пьезокерамических материалов (ПКМ) [3, 4]. Для большинства ПКМ предельно-допустимая температура лежит в пределах ((1.5-0,8) от значения температуры точки Кюри, что например для ЦТС-19 составляет 150-200СС. В большинстве случаях, температура диагностируемого оборудования укладывается в этот диапазон температур. При этом не требуется измерение температуры с точностью до долей градуса, а необходимо определение превышения некоторого порогового значения, что указывает на развитие процесса разрушения оборудования.
В ходе проведенных исследований был установлен параметр пьезокерамического вибропреобразователя, изменяющийся в зависимости от температуры - его емкость, и была определена зависимость между температурой и емкостью (рис. 1).
Рнс. 1. Зависимость мела/ температурой вибропреобрэзонателя е его емкостью, н погрешность вычисления температуры при линейной, гиперболической н логарифмический аппроксимации
С наименьшей погрешностью зависимость оценки температуры от емкости вибропреобразователя описывается логарифмической функцией:
Т = Лс-1п(С1) + Вс (1) А -- в £и(С )--
где 1п(С—)-Ьп{С2а) и "с "С> ШСт)-ШС20)
Дальнейшие исследования с использованием 120 вибропреобразователей, подтвердили эффективность описанного выше способа определения температуры. Абсолютная погрешность измерения температуры, с вероятностью 0,95, не превысила значение ± 1 °С в диапазоне температур диагностируемого оборудования от минус 40 до 100 "С.
Таким образом, задача комплексной диагностики оборудования по параметрам вибрации и по температуре решается с использованием только вибропреобразователей.
100
60
20
-20
■60 ¿20
■ ■ измерительный кднлп 1 » • измерительный нанял 2 ь . измерительный канал 3 з ■ име-рителы- ый канал 4
1.0
0.5
0 р
-0.5
* - и эмеритапьньн канал 1 ^ - нэмвритвгьньи канал £ ь ■ ИЗНЙЙ^^ЮК! канап з е - ишерктегыпй <аиап4
240 260
г&о зоо
U. мВ
320 340 360
-1.0 ■40 -20
20 40 so ао
т, с
Рнс. 3. 'Зависимость медду температурой н измеримым напряжением, н погрешность вычисления температуры
За счет исключения датчиков температуры, кабельных линии и измерительных каналов (к которым подключались датчики температуры), возможно значительно упростить и удешевить систему мониторинга технического состояния оборудования без потери качества диагностики.
Библиографический список
1 A.c. 1740994 СССР, МКИ G01M15/00. Устройство диагностики машин /ВН. Костюков, С А. Морозов (СССР);- № 3639598; заявл 01.09.1983; опубл. 15.06.92; Бюл. № 22, 4 с.
2. Костюков, В. Н Виброизмерительные преобразователи промышленного применения /В. Н. Костюков, В.И. Донсков, A.A. Иванов, B.C. Завгородний // Зарубежная радиоэлектроника. - 1996. - № 9. - С. 65—67.
3. Богупт, М.В Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации ■ М.В. Богуш. - Ростов-на-Дону: Издательство СКНЦ ВШ 2006. - 346 с.
4. Янчич, В.В. Пьезоэлектрические датчики вибрационного и ударного ускорения учеб. пособие / В.В. Янчич - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ; 2008. - 77 с.
5. Янчич, В В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры) / В.В. Янчич. - Росгов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2010. - 304 с.
13S
