CC BY
3
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Научная статья УДК 681.2.083
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-4-49-54
Усовершенствованный метод определения коэффициента преобразования пьезоакселерометра
Д.А. Плотников, В.И. Лачин, А.С. Муженко
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,
г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. В процессе эксплуатации турбоагрегатов электрических станций необходим непрерывный контроль уровней вибрации основных элементов агрегата. Из всех элементов канала измерения вибрации наиболее нестабильными характеристиками обладают пьезоэлектрические акселерометры (ПА). Для автоматической компенсации нестабильности необходимо периодическое измерение коэффициента преобразования (КП) ПА. Существующие методы измерения КП ПА либо требуют остановки объекта эксплуатации, либо чувствительны к импульсным помехам. Возникает необходимость разработать метод, имеющий достаточную точность измерения КП ПА при невысокой чувствительности к импульсным помехам, что позволит использовать его в более жёстких условиях эксплуатации без выведения объекта из рабочего режима. Предлагаемый метод основан на возбуждении свободных колебаний чувствительного элемента ПА с последующим определением параметров этих колебаний путём аппроксимации зарегистрированной последовательности мгновенных значений сигнала с выхода ПА функцией, представляющей собой сумму экспоненциально затухающей и постоянной синусоидальных составляющих. Вычисление КП ПА выполняется с использованием амплитуды затухающей составляющей. Приведены результаты экспериментальных исследований, демонстрирующие достаточную точность определения КП ПА (0,7 %) и высокую устойчивость нового метода к импульсным помехам, обеспечивающую возможность его применения в условиях, где метод-прототип демонстрировал полную неработоспособность. Приведена схема и описан принцип действия интеллектуального датчика вибрации, реализующего предложенный метод.
Ключевые слова: вибромониторинг, пьезоакселерометр, коэффициент преобразования, интеллектуальный датчик вибрации, аппроксимация, импульсные помехи
Для цитирования: Плотников Д.А., Лачин В.И., Муженко А.С. Усовершенствованный метод определения коэффициента преобразования пьезоакселерометра // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 4. С. 49-54. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-4-49-54.
Original article
An improved method for determining the conversion coefficient of a piezoaccelerometer
D.A. Plotnikov, V.I. Lachin, A.S. Muzhenko
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. During the operation of turbine units of electric power plants, continuous monitoring of vibration levels of the main elements of the unit is required. Of all the elements of the vibration measurement channel, piezoelectric accelerometers (PA) have the most unstable characteristics. For automatic compensation of instability, periodic measurement of the conversion coefficient (CC) of the PA is necessary. The existing methods of measuring CC PA either require the shutdown of the operating object, or are sensitive to pulse interference. There is a need to develop a method that has sufficient accuracy in measuring CC PA with low sensitivity to pulse interference, which will allow it to be used in more severe operating conditions without removing the object from the operating mode. The proposed method is based on the excitation of free oscillations of the sensing element of the PA, followed by the determination of the parameters of these oscillations by approximating the recorded sequence of instantaneous values of the signal from the output of the PA with a function representing the sum of exponentially damped and constant sinusoidal components. The calculation of the CC PA is performed using the amplitude of the attenuating component. The results of experimental studies are presented, demonstrating sufficient accuracy in determining the CC PA (0,7 %) and high resistance of the new method to pulse interference, which makes it possible to use it in conditions where the prototype method demonstrated complete inactivity. A diagram is given and the principle of operation of an intelligent vibration sensor implementing the proposed method is described.
© ЮРГПУ (НПИ), 2023
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Keywords: vibration monitoring, piezoaccelerometer, conversion coefficient, intelligent vibration sensor, approximation, pulse interference
For citation: Plotnikov D.A., Lachin V.I., Muzhenko A.S. An improved method for determining the conversion coefficient of a piezoaccelerometer. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2023;(4):49-54. (In Russ.). http://dx.doi.org/10.! 7213/1560-3644-2023-4-49-54.
Введение
В процессе эксплуатации турбоагрегатов (ТА) электрических станций необходим непрерывный контроль уровней вибрации основных элементов ТА, осуществляемый с помощью систем вибромониторинга (СВМ). От точности измерения параметров вибрации и своевременного выявления недопустимых изменений зависит безопасность и экономическая эффективность функционирования агрегатов.
Из всех элементов измерительного канала цифровой СВМ наиболее нестабильными характеристиками обладают первичные преобразователи, в качестве которых в настоящее время широко используются пьезоэлектрические акселерометры (ПА). Коэффициент преобразования (КП) ПА может существенно зависеть от температуры. Для многих распространенных материалов коэффициент температурного изменения пьезомодуля, определяющего КП, составляет 0,0005.. .0,001 К-1 [1]. С учетом того, что ширина диапазона рабочих температур акселерометра может достигать 150.200 К, изменение пьезо-модуля в этом диапазоне составит 10.20 %, что существенно снижает показатели точности СВМ в целом. Автоматическая компенсация этих изменений в процессе цифровой обработки сигнала, поступающего с ПА, может заметно снизить дополнительную температурную погрешность измерения параметров вибрации, но для её реализации требуется измерять КП ПА в рабочем режиме СВМ. Следовательно, разработка и реализация методов периодического определения текущего значения КП ПА в процессе функционирования СВМ на работающем оборудовании является одной из важных задач при создании интеллектуальных датчиков вибрации.
Постановка задачи
Известно несколько способов дистанционного определения характеристик ПА [2 - 4]. Их общим недостатком является невозможность измерения параметров широко распространенных акселерометров в рабочем режиме объекта эксплуатации. Для выполнения диагностических мероприятий перечисленные способы
требуют либо остановки объекта, либо использования малораспространенных датчиков специальной конструкции.
С участием авторов разработаны методы определения параметров ПА [5 - 7], лишённые этого недостатка, однако на их работоспособность существенно влияет наличие импульсных помех и непериодических составляющих в сигнале, поступающем с ПА. Это связано с тем, что при реализации методов полезная составляющая сигнала выделяется путём компенсации периодической помехи, фрагмент которой сохраняется непосредственно перед началом очередного цикла измерения. При таком подходе импульсные и непериодические помехи не компенсируются, а суммируются, искажая полезную составляющую сигнала.
В данной статье предлагается усовершенствованный метод, значительно менее чувствительный к импульсным помехам, что позволяет использовать его в более жёстких условиях эксплуатации.
Теоретическая часть
Разработанный усовершенствованный метод основан на возбуждении электрическим импульсом свободных колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) ПА с последующим определением параметров этих колебаний. В [5 - 7] показано, что такие колебания с достаточной точностью описываются выражением
t
q (t) = Qe T cos (®CBt), (1)
где Q - амплитуда свободной составляющей колебаний ЧЭ ПА; т - постоянная времени затухания свободной составляющей; Юсв - круговая частота свободных колебаний ЧЭ ПА.
КП ПА связан с величиной Q выражением
к = CaJQ , (2)
где K - КП ПА; Ca - константа, определяемая механическими характеристиками ЧЭ ПА и значением тестового напряжения, используемого для возбуждения свободных колебаний.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Зная константу Са для конкретного экземпляра ПА и периодически измеряя величину Q, можно с использованием выражения (2) вычислить текущее значение КП ПА.
Определение КП ПА описанным способом затруднено тем, что значение Q недоступно для непосредственного измерения [6, 7]. Во-первых, свободные колебания ЧЭ ПА суммируются с вынужденной составляющей, вызванной вибрацией объекта эксплуатации (рис. 1), что затрудняет измерение. Во-вторых, при достаточно интенсивной вибрации объекта начальный участок суммарного сигнала может быть ограничен входными каскадами измерительного канала и, следовательно, значение Q = )| 0 будет потеряно.
Рис. 1. Затухающие свободные колебания ЧЭ ПА на фоне вынужденной составляющей, вызванной вибрацией объекта эксплуатации
Fig. 1. Attenuated free oscillations of the SE PA against the background of the forced component caused by the vibration of the object of operation
Предлагаемый в данной статье метод определения величины Q заключается в аппроксимации отклика ПА на тестовый импульс некоторой функцией, приближённо описывающей свободную и вынужденную составляющие сигнала: qa (t) = q (t) + z (t),
где q(t) - свободная составляющая колебаний ЧЭ ПА; z(t) - вынужденная составляющая колебаний ЧЭ ПА.
Метод основан на предположении о том, что свободная составляющая затухающего переходного процесса в ЧЭ ПА описывается выражением (1), а вынужденная составляющая представлена преимущественно основной гармоникой оборотной частоты /0, что справедливо для ТА. В этом случае функция, описывающая сигнал на выходе ПА после тестового воздействия, будет выглядеть так: t
qa (t) = Qe T cos () + Z cos (ю^ + ф), (3)
где Z, ®в, ф -значения амплитуды, круговой частоты и фазы основной гармоники вынужденной составляющей колебаний ЧЭ ПА соответственно.
Задача определения амплитуды Q сводится к нахождению такого вектора Ba = [Q, т, Юсв, Z, Юв, ф] параметров функции (3), что
Ba = arg min I £ (Xj - qa (?Огр + jTD, B)) ]
i=0
где Xi - мгновенные значения сигнала на выходе ПА; Torp - длительность интервала ограничения сигнала (определяется в процессе регистрации отклика ЧЭ ПА на тестовый импульс); Td - период дискретизации входного сигнала; N - количество используемых значений сигнала.
Результаты экспериментальных исследований
Результаты исследований разработанного усовершенствованного метода, выполненных по методике и на экспериментальной установке, описанных в [8, 9], приведены в табл. 1. Для определения вектора Ba параметров функции (3) использован метод доверительных областей [10], показавший хорошие результаты.
Таблица 1 Table 1
Определение параметров свободных колебаний ЧЭ ПА Determination of the parameters of free oscillations of the SE PA
Параметр Амплитуда вынужденной составляющей Z
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Частота /Св, Гц 9180,482 9221,445 9275,128 9205,067 9151,892
Амплитуда, Q 0,53742 0,54152 0,53781 0,54156 0,53987
Затухание т, с 0,001363 0,001345 0,001334 0,001359 0,001355
Результаты статистической обработки значений /Св, Q и т, полученных при различных амплитудах вынужденной составляющей, а также пределы случайной относительной погрешности (при P = 0,95) приведены в табл. 2.
Таблица 2 Table 2
Погрешности измерения параметров свободных колебаний ЧЭ ПА Measurement errors of the parameters of free oscillations of the SE PA
Параметр Среднее СКО Погр., %
Частота /Св, Гц 9206,80 46,351 0,987
Амплитуда, Q 0,53964 1,972Е-03 0,716
Затухание т, с 0,00135 1,177Е-05 1,707
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
Сопоставление результатов с полученными ранее для старого метода [6, 7] и приведёнными в [8] показывает, что вычисленные значения амплитуды Q отличаются от полученных ранее не боле чем на 0,19 %. При этом импульсные помехи длительностью до 0,05 //св и амплитудой до 1,0 не оказывают заметного влияния на результаты вычисления Q при количестве импульсов 1.3 на анализируемом отрезке сигнала. В аналогичных условиях старый метод [6, 7] демонстрировал полную неработоспособность и требовал выполнения повторных измерений.
Пределы случайной относительной погрешности для параметра Q позволяют использовать аппроксимацию сигнала при определении текущих значений КП ПА.
Практическая реализация
Разработанный усовершенствованный метод определения КП ПА реализован в интеллектуальном датчике вибрации (ИДВ), защищён-ном патентом РФ [11]. Функциональная схема ИДВ показана на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема ИДВ, использующего метод аппроксимации сигнала при измерении КП ПА Fig. 2. Functional diagram of the SVS using the signal approximation method when measuring the CC PA
Схема работает следующим образом.
В нормальном режиме модуль управления МУ переводит переключатель П в верхнее положение, разрешает работу модуля измерения и контроля (МИК) и блокирует работу модуля аппроксимации (МА). Заряд, пропорциональный ускорению ПА, обусловленному вибрацией объекта эксплуатации, с выводов ПА поступает на усилитель заряда (УЗ), а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где преобразуется в цифровую форму. Код с выхода АЦП, пропорциональный мгновенному значению заряда, поступает на вход МИК, где анализируется и преобразуется в контролируемые показатели вибрации. Предварительно МИК умножает по-
ступающие с АЦП коды на корректирующий коэффициент к, полученный с модуля коррекции коэффициента передачи (МККП). Вычисленные значения параметров вибрации периодически или по запросу передаются через интерфейсный модуль (ИМ) на следующий уровень СВМ.
В режиме определения параметров ПА МУ воздействует на МИК с целью запоминания им измеренных в нормальном режиме значений частоты юв и амплитуды Z основной гармоники виброускорения, которые впоследствии могут быть использованы при вычислении параметров собственных колебаний ЧЭ ПА. Затем МУ блокирует работу МИК и возбуждает свободные колебания ЧЭ ПА путём его подключения к источнику напряжения (ИН) и последующего кратковременного замыкания выводов ПА (более подробно этот процесс описан в [6, 7]). После этого МУ разрешает работу модуля аппроксимации МА. На вход МА с АЦП поступает последовательность кодов, пропорциональных мгновенным значениям заряда на выводах ПА, соответствующая сумме свободных и вынужденных колебаний ЧЭ ПА. Полученную последовательность кодов можно описать выражением
qx (t) = Qe-Чт cos (®CBi) + z (t).
Для определения параметров Q, т и Юсв свободной составляющей колебаний МА запоминает последовательность кодов в течение некоторого времени Трег, выявляет область ограничения сигнала ТОгр и выполняет аппроксимацию функции qi(t) функцией (3) на отрезке времени Гизм = Трег - Тогр. Длительность интервала Трег выбирается такой, чтобы за это время свободные колебания ЧЭ ПА практически затухли.
При аппроксимации начальные значения Q, т и Юсв принимаются равными значениям, полученным в предыдущем цикле измерения параметров, начальные значения Z и Юв - равными соответственно амплитуде и частоте основной гармоники виброускорения, измеренным и сохраненным в МИК в нормальном режиме работы перед формированием тестового импульса.
В ходе пусконаладочных работ рассматриваемое устройство определяет описанным способом образцовые значения параметров Q, т, ю (Qo, то, Юо) и сохраняет их в памяти модуля коррекции коэффициента передачи МККП. В рабочем режиме ИДВ периодически повторяет процедуру определения текущих параметров Qi, ti,
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
®1 и вычисляет текущее значение корректирующего коэффициента:
к.
Модуль определения исправности МОИ сравнивает полученные величины к, Т1, ®1 с заданными предельно допустимыми значениями и на основании результатов сравнения формирует признак исправности ПА, который через ИМ передаётся на следующий уровень СВМ.
Заключение
Разработанный метод определения КП ПА обладает достаточной точностью и малочувствителен к импульсным помехам, что позволяет применять его при проектировании ИДВ, предназначенных для работы в сложных условиях эксплуатации, например при наличии ударных возмущений. В менее жестких условиях по-прежнему целесообразно использовать метод [6, 7], поскольку его реализация требует меньших вычислительных затрат и, следовательно, позволяет снизить себестоимость и энергопотребление ИДВ.
Список источников
1. Богуш М.В. Влияние температуры на коэффициент преобразования пьезоэлектрических датчиков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008. № 2. С. 36-39.
2. Пат. 2150708 РФ, МПК 001Р 21/00, 001Р 15/09. Способ электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра и устройство для его осуществления / М.И. Субботин - № 99100835/28; заявлено 21.01.1999, опубл. 10.06.2000. Бюл. № 16.
3. Пат. 2176396 РФ, МПК G01P 21/00, G01P 15/09. Способ дистанционного периодического контроля коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра / М.И. Субботин - № 2000125060/28; заявлено 05.10.2000, опубл. 27.11.2001. Бюл. № 33.
4. Пат. 2226676 РФ, МПК G01H 17/00. Система виброконтроля / М.М. Валеев, Б.И. Михайлов и др. - № 2003123131/28; заявлено 28.07.2003, опубл. 10.04.2004. Бюл. № 10.
5. Пат. 99182 РФ, МПК G01P15/09. Устройство дистанционного измерения резонансной частоты пьезоэлектрического акселерометра / Д.А. Плотников, А.К. Малина, В.И. Лачин - № 2010118405/28; заявлено 06.05.2010, опубл. 10.11.2010. Бюл. № 31.
6. Пат. 99158 РФ, МПК G01H17/00. Устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра / Д.А. Плотников, А.К. Малина, В.И. Лачин - № 2010125245/28; заявлено 18.06.2010, опубл. 10.11.2010. Бюл. № 3.
7. Плотников Д.А. Метод повышения точности интеллектуального датчика вибрации // Информационное противодействие угрозам терроризма. 2012. № 19. С. 66-70.
8. Плотников Д.А., Лачин В.И. Экспериментальное исследование метода повышения точности интеллектуального датчика вибрации. // Вестн. Брянского гос. техн. ун-та. 2012. № 3(35). С. 72-77.
9. Плотников Д.А. Методика и экспериментальная установка для исследования параметров пьезоакселерометра // Вестн. Брянского гос. техн. ун-та. 2012. № 4 (36). С. 39 - 42.
10. Coleman T. F., Y. Li. An Interior, Trust Region Approach for Nonlinear Minimization Subject to Bounds // SIAM Journal on Optimization, 1996. Vol. 6. Р. 418-445.
11. Пат. 204614 РФ, МПК G01H17/00. Устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра в рабочем режиме / Д.А. Плотников, В.И. Лачин, В.К.М. Алджиязна. № 2021101996; заявлено 28.01.2021, опубл. 01.06.2021. Бюл. №16.
References
1. Bogush M.V. Influence of temperature on the conversion coefficient of piezoelectric sensors. Devices and systems. Management, control, diagnostics. 2008;(2):36-39. (In Russ.)
2. Subbotin M.I. Method of electric excitation of resonant oscillations of a piezoelectric accelerometer and a device for its implementati.on Patent RF, no. 2150708.2000.
3. Subbotin M.I. Method of remote periodic monitoring of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer. Patent RF, no. 2176396.2001.
4. Valeev M.M., Mikhailov B.I. et al. Vibration control system. Patent RF, no. 2226676.2004.
5. Plotnikov D.A., Malina A.K., Lachin V.I. Device for remote measurement of the resonant frequency of a piezoelectric accelerometer. Patent RF, no. 99182.2010.
6. Plotnikov D.A., Malina A.K., Lachin V.I. Device for remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer. Patent RF, no. 99158.2010.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 4
7. Plotnikov D.A. Method of increasing the accuracy of an intelligent vibration sensor / D.A. Plotnikov. Information counteraction to threats of terrorism. 2012;(19):66-70. (In Russ.)
8. Plotnikov D.A., Lachin V.I. Experimental study of the method of increasing the accuracy of an intelligent vibration sensor. Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2012; 3(35):72-77. (In Russ.)
9. Plotnikov D.A. Methodology and experimental setup for the study of piezoaccelerometer parameters.Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2012; 4 (36):39-42. (In Russ.)
10. Coleman, T.F., Y.Li. An Interior, Trust Region Approach for Nonlinear Minimization Subject to Bounds. SIAM Journal on Optimization. 1996;(6):418-445.
11. Plotnikov D.A., Lachin V.I., Aljiyazna V.K.M. Patent RF, no. 204614. 2021.
Сведения об авторах
Плотников Дмитрий Александрович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Автоматика и телемеханика», dpl68@mail.ru
Лачин Вячеслав Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Автоматика и телемеханика», lachinv@mail.ru
Муженко Александр Сергеевичв- ассистент, кафедра «Автоматика и телемеханика», muzhenko97@mail.ru
Information about the authors
Dmitriy A. Plotnikov - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Automation and Telemechanics», dpl68@mail.ru
Vyacheslav I. Lachin - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Automation and Telemechanics», lachinv@mail.ru
Alexander S. Muzhenko - Assistant, Department «Automation and Telemechanics», muzhenko97@mail.ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 15.11.23; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 28.11.23; принята к публикации / acceptedfor publication 30.11.23.
