CC BY
17Александр СИМЧУК, к. т. н.
Андрей ЦЫПЛЕНКОВ Олег ШУКОВ Николай АРХИПКИН
mail@globaltest.ru
Рекомендуемые схемы подключения
пьезоэлектрических датчиков со встроенной электроникой
Все большее применение в измерительных системах находят пьезоэлектрические датчики со встроенной электронной схемой:
• вибропреобразователи миниатюрные, миниатюрные трехкомпонентные, общего назначения, двухкомпонентные, трехкомпо-нентные, промышленные, промышленные трехкомпонентные;
Рис. 1. Вибропреобразователи со встроенной электроникой
• вибропреобразователи промышленные с токовым выходом, с цифровым выходом, подводные, высокочувствительные (рис. 1);
• преобразователи виброперемещений (рис. 2);
• датчики силы (рис. 3);
• датчики динамического давления (рис. 4);
• преобразователи акустической эмиссии (рис. 5);
• преобразователи виброскорости (рис. 6). Предусилители в корпусе датчика решают
те же задачи, что и предусилители в схемах подсоединения датчиков с зарядовым выходом, исключая при этом:
• емкость соединительного кабеля, то есть емкостную нагрузку по входу предусили-теля, оказывающую влияние на коэффициент усиления, соответственно, коэффи-
1—
РЮО Р100-01
Рис. 2. Преобразователи перемещения
№
АС2020 АС2026
Рис. 3. Датчики силы
РЭ2001 Р32001-01
Рис. 4. Датчики динамического давления
»Г &
СТ200и СТ250 вТ350
Рис. 5. Преобразователи акустической эмиссии
Ьй А • V-
АУ01 АУ02 АУ02-01 АУ02-02 АУ04
Рис. 6. Преобразователи виброскорости
АР2006 АР2050 АР99 высокочувствительные
АР1
ХР
сэ <
XW
AK
XW
XW
AK
XW
XW AK XW
g- îô
2- « Ë I
AS04
И
AP71
AG04-3-01
Щг \
AK19
Осциллограф TDS3034B
AS04
AP2
ХР
о §
XW
AK
XW к Is
!■
1 i &
AS04
И
АР36
lu
m
AG04-3-01
АК19
Осциллограф TDS3034B
AS04
Рис. 7. Схемы подключения: а) промышленного трехкомпонентного вибропреобразователя АР71; б) однокомпонентного вибропреобразователя АР36; в, г) примеры их реализации с согласующими устройствами AG04-3-01, AG04-1-01, соответственно:
АР1 — АР71; АР2 — АР36; AG04-3-01 (AG04-1-01) — согласующее устройство; AS04 — блок питания; АК — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура — например, цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix
циент преобразования измерительного тракта «датчик - предусилитель»; • токи утечки и паразитные напряжения, возникающие вследствие трибоэлектриче-ского эффекта в кабеле, приводящие к появлению погрешности, пропорциональной выходному импедансу датчика. Наличие в датчиках встроенной электроники позволяет реализовать аналоговый низко-омный выход по напряжению, стандартный токовый выход (0-5 мА и 4-20 мА), цифровой выход, дополнительные опции: нормирование чувствительности с отклонением от номинала не более 2%, технологию опроса TEDS.
Технология опроса TEDS (Transd^er Electronic Data Sheet — электронные таблицы данных датчика) автоматически определяет тип датчика и его технические характеристики в соответствии со стандартом IEEE P1451.4.
Встроенный в датчик чип TEDS сохраняет важную информацию, обеспечивает оптимальное использование имеющихся датчиков, снижает вероятность появления ошибок, связанных с человеческим фактором, экономит временные и финансовые затраты. Датчики со встроенными чипами TEDS имеют встроенную память, работающую в режимах чтения и записи, которая содержит информацию о серийном номере датчика, его чувствительности и координатах, о дате последней калибровки и т. д. Одна область памяти чипа TEDS зарезервирована для хранения характеристик, установленных производителем, другая — предна-
значена для пользовательских данных (например, идентификатор канала, место установки, направление, обозначение и т. п.). Несмотря на то, что датчики с TEDS содержат цифровую информацию, их конструкция и характеристики, используемые источники питания остаются неизменными. Для доступа к цифровым данным TEDS регистрирующая аппаратура должна поддерживать такой тип датчиков.
Применение в измерительных каналах датчиков со встроенным предусилителем имеет свои особенности, связанные с организацией питания, передачи и регистрации сигнала встроенного в датчик предусилителя.
На рис. 7 приведены схемы подключения промышленных вибропреобразователей АР71 и АР36 со встроенной электроникой к регистрирующей аппаратуре. Особенность предусили-
XW АК1 XW
XW АК2 XW
Регистрирующая аппаратура
Рис. 8. Схема подключения (а) вибропреобразователей общего назначения АР98-100-3.3, АР98-100-5 и пример ее подключения (б) с согласующим устройством AG04: АР — АР98-100-3.3, АР98-100-5; АG04 — согласующее устройство;
ИП — источник питания 3,3—5 В, например GPS-3030D GW Instek; АК1 — соединительный кабель АК19;
АК2 — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура — например, анализатор спектра А17-и2 ZETLab
теля [2, 5, 6] этих датчиков в том, что он разделен на две части, одна из которых расположена в корпусе датчика и содержит усилительный каскад, а другая часть предусилителя содержит согласующий резистор 2 кОм ±1% и разделительный конденсатор емкостью >10 мкФх20 В, причем обе части соединены между собой двухпроводной линией связи максимальной длины до 100 м. Вибропреобразователи АР36 и АР71 имеют следующие особенности:
• электрическая изоляция пьезоэлемента
и встроенного предусилителя от корпуса;
• низковольтное питание (9-15 В);
• низкая чувствительность к электромагнитным полям;
• низкий уровень собственных шумов.
К ограничению в применении АР36 и АР71 следует отнести необходимость оригинального согласующего устройства при использовании стандартной регистрирующей аппаратуры.
Схема подключения вибропреобразователей общего назначения АР98-100-3.3, АР98-100-5 с предусилителем с низковольтным питанием 3,3 и 5 В соответственно приведена на рис. 8. Низковольтное значение напряжения и тока питания предусилителя ограничивает динамический диапазон измеряемых ускорений.
Отмеченные у промышленных вибропреобразователей АР71, АР36 и общего назначения АР98-100-3,3, АР98-100-5 ограничения к применению отсутствуют в датчиках со встроенным предусилителем, электропитание которого производится постоянным током 2-20 мА при напряжении 15-30 В токо-стабилизирующим диодом, например серии 1500 (схема и вольт-амперная характеристика последнего приведены на рис. 9). При этом электропитание и передача сигнала осуществляются также по двухпроводной линии связи.
Предусилитель [2, 5, 6] датчика состоит из двух частей, одна из них размещена в корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя и включает каскад усиления, а другая часть расположена вне корпуса и включает разделительный конденсатор емкостью >10 мкФх35 В для отделения полезного сигнала от постоянной составляющей напряжения 8-13 В и специальный токостабилизирующий диод.
Расширение динамического диапазона достигается тем, что в усилительном каскаде предусилителя применяется динамическая нагрузка, в качестве которой использованы то-костабилизирующий диод и дополнительный
резистивный делитель, обеспечивающий оптимальный режим работы усилительного каскада при заданном коэффициенте усиления.
Действие предусилителя в широком диапазоне напряжений и токов источника питания достигается тем, что во второй части предуси-лителя применен специальный токостабили-зирующий диод, включаемый через линию связи в исток полевого транзистора с изолированным затвором первой части предусилителя.
Величина тока питания зависит от длины соединительного кабеля (емкостной нагрузки) и условий эксплуатации датчика. Для работы датчика в заданном амплитудном диапазоне устройство питания должно обеспечивать постоянный ток, величина которого определяется зависимостью:
1п = 2лхих/хС0х1,
где и — размах напряжения сигнала на выходе, В; f— максимальное значение частоты
АР2029
AS07
ОшиллогпагЬ
И
Рис. 10. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для датчика с разъемным соединителем на выходе с блоками питания AS07, AS01:
АР — АР2029, АР2034, АР28-01, АР2037, АР98-01, АР91, АР91-01, АР2006, АР2050, АР99; AS07, AS01 — блоки питания для датчиков со встроенной электроникой; AS05, AS02 — блок питания; АК1 — соединительный кабель АК15, АК19, АК24, АК28, АК31; АК2 — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура — например, цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix
АР2030
AG01
Осциллограф TDS3Û34B
AS05
Рис. 11. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для однокомпонентного датчика с неразъемной заделкой соединительного кабеля с согласующими устройствами AG01, AG02: АР - АР2019, АР2030, АР2031, АР35, АР35-02, АР85, АР2078, АР2006-01; AG01, AG02 — согласующие устройства; AS05 — блок питания; АК — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура — например, цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix
в диапазоне рабочих частот, Гц; С0 — емкость погонного метра соединительного кабеля, пФ/м; l — длина соединительного кабеля, м.
Например, при размахе сигнала напряжения U = 10 B, в диапазоне частот до 10 кГц, емкости погонного метра кабеля С0 = 100 пФ/м и длине l = 100 м ток питания In должен быть не менее 6 мА.
На рис. 10, 11 приведены схемы подключения вибропреобразователей к регистрирующей аппаратуре, в которой отсутствует электропитание встроенного предусилителя постоянным током специальным токостаби-лизирующим диодом.
Блоки питания AS07, AS01 в схеме подключения (рис. 10) осуществляют:
• элетропитание предусилителя, встроенного в датчик, передачу сигнала по двухпроводной линии связи и позволяют подключиться к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100 м;
• снижение (для AS07) влияния переходных процессов при переключении каналов по результатам измерения в низкочастотной области;
• согласование (для AS07) параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (в частности, чувствительности) используемой регистрирующей аппаратуры. Согласующее устройство в схеме подключения (рис. 11) осуществляет:
• электропитание предусилителя, встроенного в датчик, передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
• снижение (для AG02) влияния переходных процессов, возникающих при переключении каналов, на результат измерения;
• подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100 м.
Режим питания датчиков со встроенной электроникой обеспечивают усилители заряда и напряжения АР5020, АР5230-16, измерительные усилители заряда и напряжения АР5100, АР5110, АР5200, АР5200-4, АР5200-3, АР5200-8-19", АР5010-4.
На рис. 12 приведена схема подключения датчика со встроенной электроникой с усилителем заряда и напряжения АР5020. Усилитель АР5020 в схеме подключения рис. 12 обеспечивает:
• электропитание предусилителя, встроенного в датчик;
• передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
• согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (в частности, чувствительности) используемой регистрирующей аппаратуры;
• управление режимом работы, включая режим нормирования через интерфейс USB;
• индикацию перегрузки;
• использование длинной линии связи (до 100 м).
PS
XW
АК1
XW
XW
AK2
XW
Регистрирующая
аппаратура
3
АКЗ
Компьютер
H
ж
AP5020
PS2001
Í
AK15
-Í1I3
AS05
Осциллограф TDS3034B
AK19
USB
□ □ Компьютер
AS05
0
Рис. 12. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для датчика давления с разъемным соединением с усилителем заряда и напряжения АР5020: АР5020 — усилитель заряда и напряжения; AS05 — блок питания; PS — PS2001; АК1 — соединительный кабель АК15, АК17, АК19, АК24, АК28, АК31; АК2 — соединительный кабель АК19; АК3 — интерфейсный кабель USB; регистрирующая аппаратура — например, цифровой осциллограф TDS3034 Tektronix
/Л ЛУУ
Рис. 13. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для двухкомпонентного и трехкомпонентных датчиков с неразъемным и разъемным соединителем с измерительным усилителем напряжения и заряда ДР5200-8-19": ДР1 — ДР2028; ДР2 — ДР2038 Р, ДР2043, ДР2082 М, ДР2083; ДР3 — ДР2038, ДР2081; ДР5200-8-19" — измерительный усилитель напряжения и заряда; AS05-03 — блок питания; ДК1 — соединительный кабель ДК21; ДК2 — соединительный кабель ДК19; регистрирующая аппаратура — например, цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix
На рис. 13 показана схема подключения датчиков со встроенной электроникой с измерительным усилителем напряжения и заряда АР5200-8-19". Измерительный усилитель АР5200-8-19" в схеме подключения обеспечивает:
• электропитание предусилителя, встроенного в датчик, передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
• возможность изменения (масштабирование) коэффициента усиления, усилителя для получения нормированного по выходу значения выходного напряжения;
• измерение среднеквадратического значения (СКЗ) виброускорения в м/с2, виброскорости в мм/с в режиме нормирования. На рис. 14 представлена схема подключения датчиков со встроенной электроникой с измерительным усилителем напряжения и заряда АР5100. Измерительный усилитель АР5100 в схеме подключения обеспечивает:
• электропитание предусилителя, встроенного в датчик, передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
• возможность изменения (масштабирование) коэффициента усиления усилителя для получения нормализованного по выходу значения выходного напряжения;
• измерение среднеквадратичного значения (СКЗ) виброускорения в м/с2, виброскорости в мм/с в режиме нормирования;
• интерфейсы для связи с компьютером RS-232 и USB;
• протокол измерения;
• возможность последовательного подключения 250 усилителей и идентификации конкретного экземпляра усилителя;
• режим тестирования работы усилителя.
В промышленных вибропреобразователях АР35Т, АР35Т-01, в преобразователях виброперемещения D100, преобразователях виброскорости AV02, AV02-01, AV02-02, AV02-03 выходным сигналом является ток промышленного стандарта 4-20 мА. Схема подключения датчиков с выходным сигналом тока
XW
АК2
XW
АР
XW
АК1
XW
гл Регистрирующая
аппаратура
3
АКЗ
Компьютер
Рис. 14. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для однокомпонентного датчика с разъемным соединителем
с усилителем заряда и напряжения АР5020: АР — АР2029, АР2034, АР28, АР2037, АР98, АР2006, АР2050, АР99;
АР5100 — измерительный усилитель; AS05-01 — блок питания;
АК1 — соединительный кабель АК15, АК17, АК19, АК24, АК28, АК31;
АК2 — соединительный кабель АК19; АК3 — интерфейсный кабель USB (RS-232);
регистрирующая аппаратура — например, цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix
промышленного стандарта 4-20 мА к контроллеру приведена на рис. 15.
В схеме подключения (рис. 15) формируется токовая петля, состоящая из датчика (АР, AV, AD), источника питания G1 и сопротивления нагрузки, включенного последовательно с ним. При изменении сигнала датчика меняется и ток в диапазоне 4-20 мА. Тот же самый ток, несущий информацию, предназначен для питания электронной схемы датчика. Поскольку минимальный ток в цепи равен 4 мА, его хватает для поддержания работы электронной схемы датчика. Ток, текущий в контуре, приводит к падению напряжения на сопротивлении нагрузки Rнагр. Это падение напряжения является информационным сигналом, используемым для даль-
нейшей обработки. Достоинство двухпроводной передачи — независимость величины тока от сопротивления соединительных проводов, а следовательно, и от длины линии передачи (очевидно, что это утверждение справедливо только в определенных пределах).
Схема подключения преобразователей акустической эмиссии GT200U, GT250, GT350 к регистрирующей аппаратуре приведена на рис. 16.
Особенностью приведенной на рис. 16 схемы подключения является передача усиленных сигналов и напряжения питания по двухпроводной линии связи.
Перспективным направлением разрабатываемых систем технического диагностирования объектов контроля становится исполь-
н
АР AV AD
АР35Т
J
0
1ВЬ1Х. = 4-20 мА
(л)— -&
G1
8-25 В
HY3030E
GDM-8246
/
GT
чх
GT250
го 9 о го О о
< О <
XW
АК
XW
И
Регистрирующая аппаратура
AG09
G
AS05
А23 ZETlab
АК19
□ □
•г.'
Рис. 15. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для датчиков с выходным сигналом тока промышленного стандарта 4—20 мА к контроллеру: АР - АР35 Т, АР35 Т-01; AV - AV02, AV02-01, AV02-02, AV02-03; AD - D100; G1 — источник питания, например, HY3030E Маз1ес|
регистрирующая аппаратура — например, цифровой мультиметр GDM-8246 1пв1ек
Рис. 16. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для преобразователей акустической эмиссии GT200U, GT250, GT350 с согласующим устройством AG09: GT — GT200U, GT250, GT350; AG09 ^09-01) — согласующее устройство; AS05 — блок питания; АК — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура — например, анализатор спектра A23 ZETlab
И
и
R
120 Ом
4 3 2 1 АР
AG15
АК о. г?
s
л
г
о
4 3 2 1 АР
AG15
AP35D
l-t
USB 20
Компьютер
al
рис. 17. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для вибропреобразователей AP35D с преобразователем AG15: АР — AP35D; AG15 — преобразователь USB RS-485; АК — соединительный кабель USB
зование вибропреобразователей с цифровым выходом. Передача данных в цифровом коде имеет ряд достоинств, самое главное из них — высокая помехозащищенность. На рис. 17 приведена схема подключения вибропреобразователя AP35D с цифровым выходом RS-485.
Программное обеспечение AP35D Explorer позволяет реализовать:
• простой и наглядный интерфейс оператора;
• цифровое, шкальное и графическое отображение измеренных параметров вибрации;
• изменение цвета цифровых и шкальных индикаторов от зеленого к красному при изменении вибрации, соответственно, от нормального до предельного значения;
• аварийную индикацию;
• запись измеренных параметров вибрации (виброускорения и виброскорости) в файл;
• преобразование записанных данных в формат MS Excel;
• установку, сохранение и загрузку конфигурации;
• регистрацию показаний до 32 вибропреобразователей.
Схемы подключения вибровыключателей, виброконтроллеров, автономных датчиков мониторинга вибрации
В последние годы интенсивное развитие получила виброизмерительная аппаратура с функцией автоматического контроля со-
SV01 SV01-01 SV01-02
рис. 18. Вибровыключатели
стояния опасных производственных объектов. В том числе среди них можно назвать:
• вибровыключатели SV01, SV01-01, SV01-02 (рис. 18);
• виброконтроллеры АР5300, АР5300-01 (рис. 19);
• автономные датчики мониторинга вибрации АДМВ-01, АДМВ-02, АДМВ-05, АДМВ-06 (рис. 20).
Вибровыключатели SV [1, 3] предназначены для измерения виброскорости (в диапазоне частот 3-1000 Гц) объекта и выдачи сигнала превышения заданного уровня вибрации (величина задаваемого порога срабатывания (с. к. з.)/минимальный шаг задания порога срабатывания — 1-20/0,1; 20-100/0,5; 100-200/1) в виде замкунутых или разомкнутых контактов реле с параметрами:
• ток коммутации 15-500 мА;
• напряжение коммутации 15-30 В;
• падение напряжения при токах коммутации 15 и 500 мА, соответственно, <4 В и <7 В. Для вибровыключателей SV не требуется
дополнительного питания, передача сигнала
осуществляется на расстояние до 100 м, основные параметры программируются под требования заказчика или самим заказчиком с помощью пульта SVProg. Вибровыключатели SV соответствуют требованиям ГОСТ ISO 10816.
На рис. 21 приведены примеры схем подключения вибровыключателя SV01. Для подсоединения SV01 к устройствам срабатывания (реле, индикаторной лампе) используется двухпроводная линия связи.
На рис. 22 показаны примеры схем подключения вибровыключателя SV01-01. Для подсоединения SV01-01 к устройствам срабатывания (реле, индикаторной лампе) применяется трехпроводная линия связи.
В схеме подключения (рис. 23) вибровыключатель SV01-02 осуществляет измерение и передачу с. к. з. виброскорости по стандартному токовому интерфейсу 4-20 мА по четы-рехпроводной линии связи. Диапазон измерения с. к. з. виброскорости и коэффициент преобразования по виброскорости в токовый сигнал устанавливается при выборе порога срабатывания.
Вибро-выкпючатель SV01
HL
15-30 В
= 15-500 мА
L< 100 м
Вибровыключатель SV01
Репе
-220 В
U = 15-30 В 1 = 15-500 мА
L< 100 м
АДМВ-06
рис. 21. Примеры схем подключения вибровыключателя SV01
Вибровыключатель SV01-01
HL
L
U = 15-30 В J = 15-500 мА
L < 100 м
Вибровыключатель SV01
Реле
' -220 В
U = 15-30 В = 15-500 мА
L< 100 м
рис. 20. Автономные датчики мониторинга вибрации
рис. 22. Примеры схем подключения вибровыключателя SV01-01
Вибро-выключатепь SV01-02
Репе
-220 В
2 L< 100 м
U =15-30 В ч | = 15-500 мА
РА.
1вых. = 4—20 мА
Рис. 23. Схема подключения вибровыключателя SV01-02
АР
1 канал
АК
АР
2 канал
L < 400 м АК
АР
3 канал
L < 400 м АК
АР
4 канал
L < 400 м АК
L < 400 м
АР5300
Вход 1 Реле 1
Вход 2 Репе 2
ВходЗ РепеЗ
Вход 4 Реле 4
АР2029
АР2037
АР98
AP28I
5
-> АВАРИЯ
-Д 1 канал
АВАРИЯ
2 канал
АВАРИЯ
-^ 3 канал
-> АВАРИЯ
-^ 4 канал
0
I
1
1
АР5300
АК26
АК26
AS05-01
АК34
0
АР
1 канал
АР 2 канал
АР 3 канал
АР
4 канал
AG01B
AG01B
AG01B
AG01B
АР5300
Вход 1 Реле 1
Вход 2 Реле 2
ВходЗ РелеЗ
Вход 4 Репе 4
АР85
Л
й »
I
AG01B
АВАРИЯ -^ 1 канал
-^ АВАРИЯ
-^ 2 канал
-> АВАРИЯ
3 канал
-> АВАРИЯ
4 канал
AS05-01
0
□ □
□ □
□ □
АР5300
AS05-01
□ □
0
Рис. 24. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для виброконтроллера АР5300 с датчиками с разъемным соединителем на выходе:
АР — АР2029, АР2034, АР28, АР28 В, АР281, АР2037, АР98, АР2038Р, АР2043,
АР2082М, АР2083, АР91; АР5300 — виброконтроллер;
АК — соединительный кабель АК23, АК26, АК34; AS05-01 — блок питания
Виброконтроллеры АР5300, АР5300-1 предназначены для контроля виброскорости в диапазоне 0,2-20 мм/с (частотный диапазон 102000 Гц) объекта (четырех объектов для АР5300) и выдачи сигнала в виде замкнутого или разомкнутого «сухого» контакта (ток коммутации <1 А, напряжение коммутации <30 В) реле «АВАРИЯ» при превышении допустимого уровня вибрации. Встроенными индикаторами виброконтроллеров отображаются:
• величина измеряемой виброскорости;
• величина задаваемого порога срабатывания;
• коды ошибок при обрыве кабеля и выходе из строя вибропреобразователя;
• коэффициент преобразования используемого вибропреобразователя;
• заданное время превышения информационным сигналом порогового значения;
• состояние контактов реле «АВАРИЯ».
Рис. 25. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для промышленных датчиков с неразъемной заделкой соединительного кабеля, установленных во взрывоопасной зоне, с согласующим устройством AG01В к виброконтроллеру АР5300: АР — АР35, АР85; АР5300 — виброконтроллер;
AG01В — согласующее устройство с выходными искробезопасными параметрами: и0 = 30 В, 10 = 100 мА, С0 = 0,05 мкФ, L0 = 1 мГн (монтируется на 35-мм DIN-рейку); AS05-01 — блок питания
Виброконтроллеры АР5300, АР5300-1 обеспечивают режим питания датчиков со встроенной электроникой. Эти виброконтроллеры осуществляют:
• выдачу сигнала в виде замкнутого «сухого» контакта реле «ГОТОВНОСТЬ» при исправной работе датчика и виброконтроллера;
• ввод коэффициента преобразования используемого датчика;
• ввод состояния — замкнутое или разомкнутое — контактов реле «АВАРИЯ» (АР5300-1);
• в варианте исполнения АР5300-11 с USB и RS-485 интерфейсами управление виброконтроллером с компьютера.
На рис. 24 приведена схема подключения виброконтроллера АР5300 с датчиками со встроенной электроникой.
Подключение промышленных датчиков, устанавливаемых во взрывоопасной зоне, к виброконтроллеру АР5300 производится по схеме, показанной на рис. 25. Схема подключения датчиков к виброконтроллеру АР5300-1 приведена на рис. 26.
В отличие от вибровыключателей SV и виброконтроллеров АР5300, которые срабатывают при превышении вибрации пороговых уровней, автономные датчики мониторинга вибрации (АДМВ), предназначенные для мониторинга вибрации сооружений, измеряют вибрацию в соответствующем частотном диапазоне и имеют встроенный источник питания, а главное — в автономном режиме могут накапливать и хранить измеренные значения параметров вибрации в течение длительного срока.
I < 400 м
_^ АВАРИЯ
АР5300-1 Репе 1 ->
Вход 1 ->
Реле 2 — ГОТОВНОСТЬ
И
АБ05-01
АР5300-1
И
рис. 26. Схема подключения (а) и ее реализация (б) для однокомпонентного датчика
с неразъемным соединительным кабелем к виброконтроллеру АР5300-1:
АР - АР2019, АР2030, АР2031, АР85;
АР5300-1 — виброконтроллер; AS05-01 — блок питания
Интерфейс программы АДМВ-01
Таблица измерений Содержит численные значения измерений по осям X, У и 7. с указанием порядкового номера измерения и его временного отсчета.
Окно информации Отображает заводской номер и параметры режима работы подключенного к компьютеру АДМВ-01. После чтения файла измерений в окне информации содержится заводской номер и параметры АДМВ-01, с которого данные измерения были считаны и записаны в файл.
Помимо названных особенностей, общими для всех приборов семейства АДМВ (АДМВ-01, АДМВ-02, АДМВ-05, АДМВ-06) (рис. 20) являются:
• измерение параметров скорости или ускорения (для АДМВ-05, АДМВ-06 только ускорение) вибрации одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях;
• управляемая (через интерфейс пользователя) длительность и периодичность измерений, которая должна соответствовать контролируемым процессам;
• время автономной работы (в режиме мониторинга без передачи информации) — до 3 месяцев (АДМВ-01, АДМВ-02);
• сигнализация превышения пороговых значений.
Чаще всего АДМВ применяется для контроля вибрации таких зданий и сооружений, на которые могут воздействовать:
• работающая вблизи строительная техника (общественные и жилые здания, сооружения);
• железнодорожный или автомобильный транспорт (общественные и жилые здания, сооружения);
• морские волнения (мосты, причалы, морские платформы);
• сильные порывы ветра (вышки, антенны, мачты, пилоны мостов) и т. п.
АДМВ-01 предназначен для мониторинга общего уровня вибрации и индикации превышения общего уровня. Под общим уровнем вибрации здесь понимается динамическая реакция объекта (механические колебания), измеряемая в ограниченном диапазоне частот, на воздействие основных источников возбуждения. Частотный диапазон, в котором сосредоточена основная энергия воздействия и отклика на него, как правило, ограничен полосой 3-200 Гц, используемой в данном приборе.
Конструктивно АДМВ-01 состоит из электронного блока и трех-компонентного датчика с зарядовым выходом, смонтированных в одном корпусе. АДМВ-01 может сигнализировать о превышении заданных пользователем пределов измеряемых параметров вибрации отдельно по каждому из трех направлений. Индикация превышения осуществляется светодиодом, расположенным на корпусе прибора. Основные технические характеристики АДМВ-01 представлены в таблице. Интерфейс программы АДМВ-01 показан на рис. 27.
Автономный датчик мониторинга вибрации АДМВ-02 в дополнение к функциям АДМВ-01 обеспечивает дистанционную беспроводную сигнализацию превышения заданных пределов и передачу данных. К задачам, которые необходимо решать с помощью дистанционного мониторинга вибрации, можно отнести:
рис. 27. Интерфейс программы АДМВ-01
Таблица. Основные технические характеристики АДМВ-01
характеристика АДмв-01
Одновременное измерение вибрации по осям х, Y, г
Рабочий диапазон частот с затуханием на границах не более 1 дБ, Гц 3-200
Диапазон амплитуды измеряемого виброускорения, м/с2 0,05-50
Диапазон амплитуды измеряемой виброскорости, мм/с 0,05-50
Встроенный фильтр верхних частот со спадом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) не менее 20 дБ/дек. и затуханием не более 1 дБ, Гц 3
Встроенный фильтр нижних частот со спадом АЧХ не менее 30 дБ/дек. и затуханием не более 1 дБ, Гц 200
Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерений виброускорения и виброскорости соответственно в диапазонах (0,5-50) м/с2 и (0,5-50) мм/с, дБ 0,5
Суммарная нелинейность АЧХ в полосе частот измерения, не более, дБ 1
Длительность одного замера т, с 20,2
Периодичность замеров ^ с 5-600
Максимальное количество хранимых во внутренней памяти измеренных значений по каждой оси 16 320
Время непрерывной работы, месяцы 3
Диапазон рабочих температур, °С -20...+60
Влажность окружающего воздуха, % 50-100
Габаритные размеры, мм 80x105x62
Масса, г 700
Питание от двух литиевых батарей типа SL-360P 3,6 В
• контроль технического состояния удаленного объекта или его части;
• контроль превышения предельных значений вибрации;
• контроль уровня динамического воздействия;
• выявление причин повышенной вибрации;
• необходимость прогнозирования изменения технического состояния. Беспроводная передача данных по GSM/GPRS-каналу на заданный адрес электронной почты реализуется с помощью GPRS-модема и обеспечивает две важные функции прибора. Превышение измеряемым параметром вибрации заданного предела инициирует передачу уведомляющих и тревожных SMS-сообщений по GSM-каналу на один или более номеров сотового телефона оператора (до 4), заданных пользователем. Сигнал о превышении позволяет оператору своевременно среагировать на возникшую проблему и выбрать решение, способное предотвратить возможные последствия. Для обеспечения бесперебойного питания в режиме передачи SMS-сообщений и накопленных данных по GPRS-каналу предусмотрено питание от внешнего источника.
Автономный датчик мониторинга вибрации АДМВ-05 осуществляет одновременное измерение в низкочастотном диапазоне 0,5-2000 Гц по трем направлениям и запись временной реализации
во внутренней памяти (более 2 300 000 точек по каждому направлению) параметров вибрации в амплитудном диапазоне 0,02-150 м/с2 в течение 14 дней. Максимальная длительность измерения до 4614 с. Максимальное количество хранимых во внутренней памяти измеренных значений по каждому направлению 23 068 672. Питание прибора обеспечивают две литиевые батареи типа SL-360P. В приборе предусмотрена сигнализация снижения напряжения питания до нижнего предельного уровня. Управление и считывание информации прибора осуществляется через порт USB. Схема подключения АДМВ-05 приведена на рис. 28.
Автономный датчик мониторинга вибрации АДМВ-06 осуществляет одновременное измерение в низкочастотном диапазоне 0,1200 Гц по трем направлениям и накопление во внутренней памяти объемом 512 Мбайт параметров вибрации в амплитудном диапазоне 0,0005-15 м/с2 в течение трех дней. В АДМВ-06 используются высокочувствительные датчики с зарядовым выходом, позволяющие реализовать высокий динамический диапазон до 90 дБ. Конструктивно электронный блок и датчики смонтированы в одном корпусе. Питание прибора обеспечивает встроенный Li-Ion-аккумулятор. В приборе предусмотрены:
• индикация заполнения встроенной памяти;
• индикация режима измерения;
• индикация снижения напряжения питания до нижнего предельного уровня.
Управление и считывание информации прибора осуществляется через порт USB.
Заключение
Возможности пьезоэлектрических датчиков определяются не только совокупностью их метрологических характеристик, не менее важной является корректность их подключения к регистрирующей аппаратуре.
Приведенные в статье практические рекомендации по выбору схем подключения пьезоэлектрических датчиков будут полезны широкому кругу специалистов, занятых измерением и анализом параметров динамических процессов.
Детальная проработка всех технических вопросов сопряжения датчиков с регистрирующей аппаратурой позволила компании ООО «ГлобалТест» гарантировать высокое качество измерений с помощью разработанных ею измерительных приборов.
АР
АК1
АДМВ-05
АК2
Компьютер
н
АДМВ-05
АР38Р
Компьютер
АК28
0
Рис. 28. Схема подключения (а) и пример ее реализации (б) автономного датчика мониторинга вибрации АДМВ-05:
АР — трехкомпонентный преобразователь с зарядовым выходом АР38 Р;
АДМВ-05 — автономный датчик мониторинга вибрации;
АК1 — соединительный кабель АК28; АК2 — интерфейсный кабель USB A-A
Примечание. В продукции производства НПП «ГлобалТест» используются встроенные усилители с техническими решениями, защищенными патентами [5-7].
Литература
1. Каталог фирмы «ГлобалТест» // www.globaltest.ru
2. Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006.
3. Архипкин Н. Ф., Редюшев А. А., Цыпленков А. Н. Электрические схемы подключения датчиков со встроенной электроникой // Вибрация машин. 2007. № 2 (9).
4. Кирпичёв А. А., Смирнов В. В., Редюшев А. А., Цыпленков А. Н. Виброконтрольная аппаратура ООО «ГлобалТест». Состояние и перспективы развития. В кн.: «Предотвращение аварий зданий и сооружений»: Сб-к научн. трудов. Магнитогорск, 2010.
5. Патент на изобретение № 2152621. Кл. С1 С01 К15/09. Архипкин Н. Ф., Кирпичёв А. А., Редюшев А. А, Шведов А. В. Опубл. 10.07.2000.
6. Патент на изобретение № 2097772. Кл. МКИ С01 Н15/09. Архипкин Н. Ф., Кирпичёв А. А., Редюшев А. А. Опубл. 27.11.97.
7. Патент на изобретение № 2400867. Кл. Н01 2 41/08, С01Р 15/09. Архипкин Н. Ф., Редюшев А. А., Симчук А. А., Цыпленков А. Н. Опубл. 27.10.2005.
