УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к виброизмерительной технике и может быть использована при контроле и диагностике роторного оборудования.
Известен виброметр (сайт vibroac.ru/vm.htm), обеспечивающий измерение абсолютных виброперемещений в частотном диапазоне 2-300 Гц, содержащий высокочувствительный пьезоэлектрический вибропреобразователь типа ДН-3-М1 (сайт izmeri.ru/08.html), предварительный усилитель, два интегратора, фильтры верхних частот, фильтры нижних частот, делители напряжения и индикатор.
Недостатком данного устройства является то, что использованный в нем пьезоэлектрический вибропреобразователь по своему принципу действия не воспринимает линейные ускорения и имеет завал АЧХ в области низких частот, в связи с чем приемлемая точность измерения обеспечивается только при частотах более 2 Гц, что делает его непригодным для измерений виброперемещений на гидроагрегатах ГЭС, оборотная частота которых, как правило, близка к частоте 1 Гц.
Известно устройство для измерения параметров вибрации, а именно для вибродиагностики технического состояния механизма, содержащее последовательно соединенные вибропреобразователь, усилитель, блок полосовых фильтров, блок детекторов, блок интеграторов, многоканальный магнитофон, АЦП, арифметический блок, пороговый блок, логический блок и блок отображения, а также блок коммутации, первые и вторые входы которого соединены с входами блока отображения. (Патент РФ №2049320, Кл. G01М 7/00, 1995)
Недостатком известного устройства является недостаточная чувствительность при измерении виброперемещений в низкочастотной области спектра, так как не осуществляется подавление собственных низкочастотных шумов устройства, которые значительно увеличиваются из-за наличия коммутатора на входе устройства.
Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения виброперемещений, содержащее последовательно соединенные вибропреобразователь, усилитель, фильтр нижних частот (ФНЧ), фильтр верхних частот (ФВЧ), первый интегратор, первый усилитель, второй ФВЧ, второй интегратор, третий ФВЧ, третий усилитель, с выхода которого сигнал через детектор среднеквадратичного сигнала и первый АЦП поступает на блок индикации. К выходу третьего усилителя также подключены, последовательно соединенные второй аналого-цифровой преобразователь АЦП, анализатор спектра и блок отображения. (Патент РФ на изобретение №2146806, кл. G01М 7/00, 2000).
Недостатком данного устройства является повышенный уровень собственных низкочастотных шумов в случае его применения для измерения виброперемещений в частотном диапазоне от 0,5 Гц, а также ограниченная устойчивость его работы при воздействии высокочастотных вибраций высокого уровня (более 15-20g).
Задачей полезной модели устройства для измерения абсолютных виброперемещений является повышение устойчивости к ударным и высокочастотным вибрационным воздействиям, снижение уровня собственных шумов и повышение механической прочности.
Технический результат; на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в расширении диапазона рабочих частот устройства в область низких частот (от 0,5 Гц) в реальных условиях работы агрегатов гидроэлектростанций, характеризующихся тем, что на вибропреобразователь одновременно с измеряемыми низкочастотными виброускорениями очень малой величины воздействуют ударные и шумовые высокочастотные виброускоорения величиной на несколько порядков выше.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для измерения абсолютных виброперемещений, содержащем корпус, расположенные внутри корпуса акселерометр, связанные с выходом акселерометра последовательно соединенные первый усилитель, фильтр нижних частот (ФНЧ), первый фильтр верхних частот (ФВЧ), первый интегратор, второй усилитель, второй интегратор, второй ФВЧ, третий усилитель, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП), анализатор спектра, блок отображения и блок индикации, акселерометр выполнен линейным с демпфером, обеспечивающим близкое к оптимальному демпфирование его колебательной системы и равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот от 0 Гц до частоты более 500 Гц. Крепление акселерометра внутри корпуса осуществлено через дополнительно встроенный в корпус виброизолятор, выполненный в виде демпфированной колебательной системы с собственной частотой, превышающей на 15-40% собственную частоту акселерометра. В устройство также введен преобразователь напряжение/ток, подключенный к выходу третьего усилителя и ко второму входу аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).При этом виброизолятор и акселерометр, размещенные в корпусе, образуют колебательную систему с двумя степенями свободы. Таким образом расширяют диапазон рабочих частот устройства для измерения абсолютных виброперемещений в область низких частот (от 0,5 Гц), повышают устойчивость заявляемой полезной модели к ударным и вибрационным высокочастотным воздействиям и обеспечивается более высокая механическая прочность акселерометра.
Предлагаемое устройство для измерения абсолютных виброперемещений иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.
На фиг.1 показана электрическая блок-схема устройства для измерения абсолютных виброперемещений.
На фиг.2 показана модель установки акселерометра внутри корпуса.
Устройство для измерения абсолютных виброперемещений, (см. фиг.1) содержит линейный акселерометр 1 с амплитудной характеристикой, имеющей линейный участок, превышающий максимальные амплитуды случайных ударных воздействий, связанные с выходом акселерометра 1 последовательно соединенные первый усилитель 7, фильтр нижних частот (ФНЧ) 2, первый фильтр верхних частот (ФВЧ) 8, первый интегратор 3, второй усилитель 4, второй интегратор 5, второй ФВЧ 6, третий усилитель 10, преобразователь напряжение / ток 11, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, анализатор спектра 14, блок отображения 15 и блок индикации 13, при этом выход третьего усилителя 10 соединен со входом АЦП 12. Акселерометр 1 соединен с корпусом 16 устройства (см. фиг.2) через виброизолятор, выполненный с собственной частотой, превышающей на 15-40% собственную частоту акселерометра.
Устройство для измерения абсолютных виброперемещений содержит линейный акселерометр 1, закрепленный внутри корпуса акселерометра (см. фиг.2) чувствительный элемент в виде консольной балки 18 с узлом крепления и инерционной массой 19. На верхней поверхности балки сформированы полупроводниковые тензорезисторы, образующие тензометрический мост. Между нижней поверхностью инерционной массы 19 и корпусом 17 акселерометра сформирован демпфер 20. Обеспечивающий колебательной системе акселерометра близкое к оптимальному демпфирование и равномерный участок АЧХ в диапазоне частот от 0 Гц до частоты более 500 Гц. Акселерометр соединен с корпусом устройства 16 через виброизолятор с собственной частотой превышающей на 15-:-40% собственную частоту акселерометра. Виброизолятор содержит упругий элемент 21 и демпфер 22, а также массу, роль которой выполняет общая масса акселерометра. Виброизолятор и акселерометр, размещенные в корпусе, совместно образуют колебательную систему с двумя степенями свободы, результирующая АЧХ которой при выбранном соотношении значений собственных частот виброизолятора и акселерометра равномерна в расширенном диапазоне частот, в 1,2-1,5 раза превышающем диапазон рабочих частот акселерометра.
Работа устройства.
Устройство для измерения абсолютных виброперемещений работает следующим образом. Корпус устройства 16 закрепляется на контролируемом объекте. Вибрационные ускорения объекта через корпус 16 и виброизолятор передаются на акселерометр 1, с выхода которого сигнал, пропорциональный действующим на акселерометр 1 ускорениям, поступает на усилитель 7, где производится его усиление до требуемого для дальнейшей обработки уровня. Сигнал с выхода усилителя 7 фильтруется в требуемой полосе частот фильтром нижних частот 2 и фильтром верхних частот 8, а затем преобразуется первым интегратором 3 в сигнал, пропорциональный виброскорости контролируемого объекта, смотри фиг.1
Этот сигнал усиливается усилителем 4 и поступает на вход второго интегратора 5. Сигнал с выхода интегратора 5, пропорциональный виброперемещению контролируемого объекта фильтруется ФВЧ 6 и усиливается усилителем 10 до заданного номинального значения. Коэффициент усиления усилителя 10 регулируется до требуемой величины по результатам сквозной градуировки устройства, при которой акселерометр 1 подвергается виброперемещениям синусоидальной формы, амплитуда которых известна с высокой точностью.
Сигнал в виде напряжения с выхода усилителя 10 поступает на первый вход I АЦП 12 для дальнейшей обработки или через преобразователь напряжение / ток 11 на второй вход II АЦП в случаях, когда требуется передавать измерительную информацию на большие (до 300 м) расстояния без потери точности измерения и с высокой помехозащищенностью.
Цифровой сигнал с выхода АЦП 12 поступает на блок индикации 13 для вывода на цифровое табло амплитудных значений виброрперемещений и на анализатор спектра 14, который обеспечивает определение амплитуды каждой из гармоник колебаний, что позволяет правильно оценить степень влияния различных факторов, вызывающих вибрпоперемещения исследуемого объекта. С выхода анализатора спектра 14 информация передается в блок отображения 15.
-4
Возможность измерения низкочастотных виброперемещений при использовании акселерометрических вибропреобразователей ограничена резким уменьшением уровня входного сигнала при уменьшении частоты. Так на частоте 1 Гц при опасной для гидроагрегатов амплитуде виброперемещений на уровне 100 мкм, амплитуда виброускорений не превышает 5·10 g. Измерение таких малых значений виброускорений возможно только при использовании малошумящих высокочувствительных акселерометров. Однако увеличение чувствительности акселерометра, например, за счет увеличения его инерционной массы, приводит к сокращению его диапазона рабочих частот и к снижению его механической прочности.
Использование виброизолятора, существенно ослабляющего воздействие на акселерометр случайных ударов, возможных при его монтаже и обслуживании, позволяет в несколько раз повысить чувствительность акселерометра при сохранении его надежной работы в реальных условиях эксплуатации устройства для измерений виброперемещений. В случае, если собственная частота виброизолятора превышает собственную частоту акселерометра на 15-40% при закреплении акселерометра на виброизоляторе образуется колебательная система с двумя степенями свободы, результирующая АЧХ которой равномерна в расширенном диапазоне частот, в 1,2-1,5 раза превышающем диапазон рабочих частот акселерометра. Это важно в связи с тем, что для достоверного измерения низкоуровневых низкочастотных сигналов на фоне сигналов высокого уровня случайных высокочастотных помех необходимо, чтобы акселерометр имел равномерную АЧХ в максимально возможном диапазоне частот (от 0 Гц до частоты более 500 Гц). В совокупности с демпфированием колебательной системы акселерометра это оптимизирует условия совместной работы акселерометра и интеграторов, что способствует снижению внутренних шумов устройства в целом и обеспечивает повышение точности измерения абсолютных низкочастотных виброперемещений малого уровня.