ПЬЕЗОИЗМЕРИТЕЛЬ-ИНДИКАТОР ПОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВИБРАЦИИ И УДАРА

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к элементам конструкций измерительных приборов, а именно - к датчикам измерения параметров механических колебаний объектов (зданий и сооружений, гидроэлектростанций и различных объектов в машиностроении).
Из специальной технической литературы, отечественных и зарубежных нормативных документов известны основные сведения о методах и средствах измерения механических колебаний вибрации и ударов с помощью первичных пьезоэлектрических измерительных преобразователей.
Они являются электромеханическими преобразователями, пьезоэлемент (пьезоячейка) которых отдает электрический сигнал пропорциональный параметру воздействующей вибрации или удару (перемещение, скорость, ускорение).
Область применения таких преобразователей достаточно широка:
механические колебания тяжелых конструкций;
сейсмические колебания;
механические колебания оборудования легкой промышленности;
- механические колебания вращающихся элементов оборудования (роторы турбин и т.п.);
- механические колебания легких конструкций и механические удары со средними и большими амплитудами;
- механические колебания и удары с большими амплитудами.
В связи со значительным износом оборудования в различных отраслях промышленности существенно возрастает роль контроля динамических параметров с целью предсказания допустимых сроков его эксплуатации, а также с целью предупреждения катастроф для таких отраслей промышленности как авиация, энергетика (ГЭС, АЭС), транспортировка нефти и газа, наиболее эффективным методом является виброконтроль и вибродиагностика.
В настоящее время в области виброизмерительной техники имеются существенные проблемы в вопросах создания инновационных средств измерения. Более 90% используемых в мировой практике вибродатчиков (измерительных преобразователей) представляют собой однокомпонентные виброакселерометры, способные измерять лишь проекцию вектора виброускорения на вертикальную ось датчика.
Естественно, что при этом по выходным сигналам измерительного прибора нельзя судить о действительных параметрах действующей на объект вибрации.
При установке на исследуемом объекте одно, двух или трехкомпонентных пьезодатчиков трудно, не зная поля пространственной вибрации сориентировать их так, чтобы векторы фактического поля ускорения действовали перпендикулярно чувствительным пьезоэлементам для получения максимального выходного сигнала.
В связи с этим, достоверность полученной информации недостаточно высока.
Отсюда и сложность в установлении сроков службы, назначении сроков планово-предупредительных ремонтов, оценки надежности, предупреждении аварийных ситуаций.
Известен пьезоизмеритель-индикатор поля пространственной вибрации и удара, содержащий корпус с резьбовым хвостовиком для вворачивания в исследуемый объект и крышкой, при этом корпус имеет установочную поверхность в виде пространственной геометрической фигуры, к которой жестко прикреплены пьезоэлектрические чувствительные элементы - пьезоячейки, реагирующие на параметры колебательного ускорения, электроды и провода для снятия и передачи электрических сигналов на приборы обработки информации (патент RU №2383025, МПК G01P 15/09, опубликовано 27.02.2010 г.).
Данное техническое решение является наиболее близким к полезной модели, поэтому принято за прототип.
Заявленное устройство направлено на решение технической задачи создания пьезоизмерителя-индикатора поля пространственной вибрации и удара, работающего в широкой полосе частот и позволяющего измерять величину и направление вектора колебательного ускорения в любом направлении в широком диапазоне частот.
При этом предлагаемое устройство (датчик трехмерного вектора колебательного ускорения) содержит множество чувствительных элементов в виде пьезоячеек с пьезоэлементами, жестко закрепленных на корпусе, который жестко закреплен на испытуемом объекте.
Недостатком прототипа является малая достоверность информации о параметрах их пространственной вибрации и ее визуализации в различных плоскостях
Это связано с тем, что в прототипе достоверно измерить параметры и визуализировать пространственную картину действующей на исследуемый объект вибрации существующими преобразователями затруднительно из-за сложности формируемой пространственной внешней вибрации, массово-жесткой индивидуальностью испытательного оборудования и элементов сложного объекта испытаний, а также направлением вектора равнодействующая которого не перпендикулярна поверхности пьезоэлектрического чувствительного элемента.
Данное устройство относится к датчикам измерения колебательного ускорения, наиболее распространены среди которых однокомпонентные пьезоэлектрические датчики, измеряющие проекцию вектора колебательного ускорения на измерительную ось датчика.
При этом измерение величины и направления вектора колебательного ускорения, в основном используют двухкомпонентные и трехкомпонентные пьезоэлектрические датчики, объединенные в одном корпусе. Причем в качестве трехкомпонентных датчиков используют три однокомпонентных датчика в одном корпусе. Пьезоячейки таких датчиков пространственно разнесены и, поэтому их выходные сигналы не являются проекциями вектора воздействия вибрации на ось датчика. Т.е. указанные датчики не дают достоверные результаты направления и величин вектора колебательных ускорений при сложном нагружении испытательного объекта.
Решение такой актуальной задачи возможно только путем разработки нового поколения инновационных средств измерения параметров вибрации, удара и виброудара.
Заявленный пьезоизмеритель-индикатор поля пространственной вибрации и удара позволяет получить информацию о действительной пространственной вибрации и ударах в диапазоне 360°.
Для более достоверного определения величины и направления действующего вектора виброускорения в одной точке создан трехкомпонентный виброакселерометр с одним чувствительным пьезоэлементом, позволяющий получать проекции вектора виброускорения по координатным осям X, У, Z.
Технический результат от использования заявленного устройства заключается в увеличении срока службы промышленных объектов путем повышения достоверности информации о параметрах их пространственной вибрации и ее визуализации в различных плоскостях (горизонтальной, вертикальной и ориентированной под углом).
Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь полезной модели с указанным техническим результатом.
Пьезоизмеритель-индикатор поля пространственной вибрации и удара содержит корпус с резьбовым хвостовиком для вворачивания в исследуемый объект и крышкой. Корпус имеет установочную поверхность в виде пространственной геометрической фигуры, к которой жестко прикреплены пьезоэлектрические чувствительные элементы - пьезоячейки, реагирующие на параметры колебательного ускорения, электроды и провода для снятия и передачи электрических сигналов на приборы обработки информации. Установочная поверхность представляет собой открытую в сторону крышки полусферическую полость. Пьезоячейки на полусферической образующей поверхности полости размещены в точках ее пересечения с концентрическими окружностями O, распределенными с шагом H между ними в параллельных срезу корпуса под крышку плоскостях и окружностями в равномерно расположенных с шагом а секториальных секущих плоскостях S
Контактная поверхность пьезоячеек соответствует профилю установочной поверхности корпуса, а на верхней поверхности каждой пьезоячейки закреплен инерционный фуз, при этом количество концентрических окружностей, секторов и пьезоячеек определяется требованиями получения более полной информации о пространственной вибрации в различных плоскостях действия вектора вибрации или удара.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлен продольный разрез устройства; на фиг. 2 представлен вид сверху на устройство со снятой крышкой; на фиг. 3 - эпюра Эг вектора ускорений в горизонтальной плоскости А-А; на фиг. 4 - эпюра Эв вектора ускорений в вертикальной плоскости Б-Б; на фиг. 5 - эпюра Эн вектора ускорений в наклонной плоскости В-В.
Пьезоизмеритель-индикатор поля пространственной вибрации и удара содержит корпус 1 с резьбовым хвостовиком 2 для вворачивания в исследуемый объект 3 и крышкой 4.
Корпус 1 имеет установочную поверхность L в виде пространственной геометрической фигуры, к которой жестко прикреплены пьезоэлектрические чувствительные элементы - пьезоячейки 5, реагирующие на параметры колебательного ускорения, электроды (не показано) и провода (не показано) для снятия и передачи электрических сигналов на приборы обработки информации (не показано).
Установочная поверхность L представляет собой открытую в сторону крышки полусферическую полость.
Пьезоячейки 5 на полусферической образующей поверхности полости L размещены в точках ее пересечения с концентрическими окружностями O, распределенными с шагом H между ними в параллельных срезу корпуса под крышку плоскостях и окружностями в равномерно расположенных с угловым шагом а секториальных секущих плоскостях S.
Контактная поверхность пьезоячеек 5 соответствует профилю установочной поверхности L корпуса 1, а на верхней поверхности каждой пьезоячейки 5 закреплен инерционный груз (не показан).
Количество концентрических окружностей O, секторов S и пьезоячеек 5 определяется требованиями получения более полной информации о пространственной вибрации в различных плоскостях действия векторов вибрации или удара, показанного в виде эпюры Эг ускорений в горизонтальных плоскостях, эпюры ЭВ в вертикальных плоскостях и эпюры Эн ускорений в наклонных плоскостях.
Крышка 4 пьезоизмерителя-индикатора может быть прикреплена к корпусу 1 болтами 6 или может быть приклеена.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета, в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле полезной модели, включая характеристику назначения. Т.е. совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии полезной модели указано его назначение, оно может быть изготовлено промышленным способом и использовано для получения информации об истинности процесса нагружения объектов.
Техническое решение работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки устройства позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.
Полезная модель в том виде, как она охарактеризована в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлена с помощью средств и методов, описанных в прототипе RU2383025, ставшим общедоступным до даты приоритета полезной модели. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Устройство работает следующим образом.
Механические колебания через базовое основание воздействуют на корпус датчика и вызывают механические напряжения в пьезоэлектрических чувствительных элементах, которые преобразуются в электрические сигналы и передаются через электроды и провода к приборам тракта приема и обработки информации.
Таким образом, предложенная конструкция датчика обеспечивает решение поставленной задачи - измерение и определение направления вектора колебательного ускорения в любом направлении относительно датчика.
Работа трехкомпонентного датчика осуществляется следующим образом. Корпус 1 жестко закреплен резьбовым хвостовиком 2 на объекте 3, подвергающемуся механическим колебаниям.
Механические колебания воспринимаются пьзоячейкой и вызывают механические напряжения в пьезоэлектрических чувствительных элементах, которые преобразуются в электрические сигналы и с помощью электродов передаются по проводам на измерительно-вычислительный комплекс, на котором визуализируются в виде эпюр ускорений (фиг. 3 - фиг. 5), Затем вектор колебательного ускорения раскладывается на три ортогональные компоненты, измерение которых позволяет получить значение и направление этого вектора в любом направлении относительно датчика.
Инерционный груз, выполненный в форме равностенного полого цилиндрического стакана с целью исключения поперечной чувствительности пьезоэлемента.
При этом максимальный электрический сигнал с пьезоячейки получается в случае, если вектор ускорения действующей вибрации перпендикулярен плоскости пьезоэлемента ячейки. В других случаях сигнал с пьезоэлементов будет много меньше или совсем отсутствовать.
Для упрощения сборки пьезоэлементы могут крепиться на наружной поверхности шара и закрыты легким шаром из изоляционного материала (пластик).
Количество концентрических окружностей, секторов и пьезоячеек определяется требованиями получения более полной информации о пространственной вибрации в различных плоскостях действия вектора вибрации, удара (горизонтальная, вертикальная, ориентированная под углом).
Предложенный пьезоизмеритель-индикатор поля пространственной вибрации и удара может также использоваться, как:
- n-мерный датчик вибрации;
- индикатор сложного поля пространственной вибрации на сложных стационарных объектах в системах сигнализации и предупреждения.
Кроме того, заявленное устройство имеет следующие преимущества перед известными:
- нет необходимости в ориентации при установке на исследуемом объекте;
- знание поля вибраций на сложных стационарных объектах и его изменений в процессе эксплуатации позволяет исключить аварийные ситуации отвественных объектов (турбин, небоскребов и т.д.).
Использование инструмента позволяет увеличить срок службы промышленных объектов путем повышения достоверности информации о параметрах их пространственной вибрации и ее визуализации в различных плоскостях (горизонтальной, вертикальной и ориентированной под углом).