ИЗМЕРИТЕЛЬ ВИБРАЦИИ
VIBRATION METER

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для многоканальной предварительной обработки и оценки виброударных процессов (виброускорений) по комплексу диагностируемых параметров: среднеквадратическому значению (СКЗ) виброскорости, СКЗ и амплитудному значению (АЗ) виброускорения, эффективной частоте и Пик-фактору.
Известен измеритель вибрации (см. В.П. Максимов и др. «Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах», М., Машиностроение, 1987, стр. 47, рис. 1.15 а, б), который для измерения СКЗ виброускорения содержит следующие последовательно соединенные каскады: вибропреобразователь, согласующее устройство с усилителем, полосовой фильтр, детектор СКЗ с усредняющим устройством; для измерения СКЗ виброскорости устройство содержит: вибропреобразователь, согласующее устройство с усилителем, полосовой фильтр, интегратор, детектор СКЗ с усредняющим устройством; для измерения АЗ виброускорения устройство содержит: вибропреобразователь, согласующее устройство с усилителем, полосовой фильтр, детектор АЗ (пиковый детектор) с запоминающим устройством.
Основным недостатком выше приведенного измерителя вибрации является большое количество последовательно соединенных каскадов для параллельного и одновременного контроля СКЗ виброскорости, СКЗ и АЗ виброускорения и, как следствие, сложность, нетехнологичность, низкая надежность и невысокая точность преобразования устройства из-за накапливающейся погрешности. Соответственно построение многоканальной системы контроля вибрации на основе рассмотренного измерителя нецелесообразно.
Известен измеритель вибрации (патент РФ №2536097 приоритет от 04.06.2013 г., «Измеритель вибрации», авторов Гутникова А.И., Дубровских Н.Н., МПК: G01R 19/02, G01R 19/22, опубл. 20.12.2014 Бюл. №35), содержащий вибропреобразователь, параллельную RC-цепь, первый операционный усилитель, первый и второй резистивные делители, второй операционный усилитель, первый, второй и третий конденсаторы, последовательную RC-цепь, резистор, первый, второй и третий диоды, схему встречно-параллельно включенных диодов, интегрирующую цепь.
Вход параллельной RC-цепи соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистивного делителя. Общий вывод интегрирующей цепи соединен с общей шиной. Общая шина соединена с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, через последовательную RC-цепь с инвертирующим входом первого операционного усилителя, через первый конденсатор с первым выводом первого резистивного делителя, через резистор со вторым выводом первого резистивного делителя и с первым выводом вибропреобразователя. Второй вывод вибропреобразователя через второй конденсатор соединен со вторым выводом первого резистивного делителя, средняя точка которого через третий конденсатор соединена с входом параллельной RC-цепи. Выход параллельной RC-цепи соединен с первыми выводами второго резистивного делителя и схемы встречно-параллельно включенных диодов. Второй вывод схемы встречно-параллельно включенных диодов соединен с выходом первого операционного усилителя и с анодом первого диода. Катод первого диода соединен с входом интегрирующей цепи, вторым выводом второго резистивного делителя и катодом второго диода. Анод второго диода соединен с катодом третьего диода и выходом второго операционного усилителя. Инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с анодом третьего диода и средней точкой второго резистивного делителя. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатками известного устройства являются:
- ограниченные функциональные возможности, а именно отсутствие возможности одновременного контроля виброударного процесса по СКЗ виброскорости, СКЗ и АЗ виброускорения, эффективной частоте и Пик-фактору;
- ограниченный динамический диапазон контроля АЗ виброускорения за счет общего каскада усиления для детекторов СКЗ и АЗ виброускорения, имеющего избыточно большой коэффициент передачи для контроля АЗ.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании многофункционального, с малым количеством последовательно соединенных каскадов измерителя для контроля виброударного процесса по комплексу диагностируемых параметров: СКЗ виброскорости, СКЗ и АЗ виброускорения, эффективной частоте и Пик-фактору, что обеспечивает потенциальную возможность построения многоканальной системы измерения вибрации на его основе.
Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, являются расширение функциональных возможностей и повышение надежности.
Данные технические результаты достигаются, тем, что в измерителе вибрации, содержащем вибропреобразователь, первый вывод которого через первый конденсатор соединен с первыми выводами первого резистора и первого резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и через второй конденсатор с общей шиной, а выход через третий конденсатор соединен с входом параллельной RC-цепи, инвертирующим входом первого операционного усилителя и через последовательную RC-цепь с общей шиной, к которой подключены вторые выводы вибропреобразователя и первого резистора, выход параллельной RC-цепи соединен с первыми выводами второго резистивного делителя напряжения и первой схемы встречно-параллельно включенных диодов, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя и анодом первого диода, катод которого соединен со вторым выводом второго резистивного делителя напряжения, входом первой интегрирующей RC-цепи и с катодом второго диода, анод которого соединен с катодом третьего диода и выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с анодом третьего диода и выходом второго резистивного делителя напряжения, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной, выход первой интегрирующей RC-цепи является первым выходом измерителя вибрации, новым является то, что дополнительно введены неинвертирующий пиковый детектор (детектор АЗ), вторая, третья и четвертая интегрирующие RC-цепи, третий и четвертый операционные усилители, вторая схема встречно-параллельно включенных диодов, третий резистивный делитель напряжения, второй и третий резисторы, четвертый, пятый и шестой диоды, схема последовательно или встречно-параллельно включенных стабилитронов, первый вывод которой соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а второй вывод через второй резистор соединен со вторым выводом первой схемы встречно-параллельно включенных диодов, первый вывод которой соединен с входом второй интегрирующей RC-цепи, выход которой соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого через третий резистор соединен с первыми выводами третьего резистивного делителя напряжения и второй схемы встречно-параллельно включенных диодов, второй вывод которой соединен с выходом третьего операционного усилителя и анодом четвертого диода, катод которого соединен со вторым выводом третьего резистивного делителя напряжения, входом третьей интегрирующей RC-цепи и с катодом пятого диода, анод которого соединен с катодом шестого диода и выходом четвертого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с анодом шестого диода и выходом третьего резистивного делителя напряжения, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной, выход третьей интегрирующей RC-цепи является вторым выходом измерителя вибрации, средняя точка последовательной RC-цепи соединена с входом четвертой интегрирующей RC-цепи, выход которой соединен с входом неинвертирующего пикового детектора, выход которого является третьим выходом измерителя вибрации.
Расширение функциональных возможностей достигается за счет обеспечения устройством одновременного контроля виброударного процесса по СКЗ виброскорости, СКЗ и АЗ виброускорения, эффективной частоте и Пик - фактору, что реализуется за счет включения детекторов СКЗ виброскорости (на второй и третьей интегрирующих RC-цепях, третьем и четвертом операционных усилителях, третьем резисторе, второй схеме встречно-параллельных включенных диодов, четвертом, пятом, шестом диодах, третьем делителе напряжения), СКЗ (на первом и втором операционных усилителях, первой схеме встречно-параллельных включенных диодов, первом, втором, третьем диодах, втором делителе напряжения, первой интегрирующей RC-цепи) и АЗ (на неинвертирующем пиковом детекторе и четвертой интегрирующей RC-цепи) виброускорения, таким образом, что обеспечивается общий коэффициент передачи для детекторов СКЗ виброускорения и виброскорости, а также раздельные коэффициенты передачи для детекторов АЗ и СКЗ виброускорения, что в последующем позволяет осуществить оценку виброударного процесса по эффективной частоте и Пик - фактору соответственно. Раздельные коэффициенты передачи для детекторов АЗ и СКЗ виброускорения, а также одновременная работа общего устройства согласования и фильтра на первом операционном усилителе достигается за счет реализации цепи исключающая насыщение первого операционного усилителя за счет включения последовательно или встречно - параллельно включенных стабилитронов, регулирующие его усиление в зависимости от уровня входного сигнала.
Повышение надежности достигается за счет использования общего согласующего фильтроусилительного каскада (на первом, втором, третьем конденсаторах, первом, втором резисторах, первом резистивном делителе напряжения, первом операционном усилителе, последовательной и параллельной RC-цепях, схеме последовательно или встречно-параллельно включенных стабилитронов и первой схеме встречно-параллельных включенных диодов) для последующих детекторов СКЗ виброскорости, СКЗ и АЗ виброускорения, что сокращает число каскадов на операционных усилителях, количество радиодеталей и повышает стабильность работы устройства в целом.
На фиг. 1 представлена схема измерителя вибрации. На фиг. 2 представлены амплитудно-временные диаграммы работы устройства.
Измеритель вибрации (фиг. 1) содержит вибропреобразователь 1, параллельную RC-цепь 2, первый 3, второй 4, третий 5 и четвертый 6 операционные усилители, первый 7, второй 8 и третий 9 резистивные делители напряжения, первая 10, вторая 11, третья 12 и четвертая 13 интегрирующие RC-цепи, первый 14, второй 15 и третий 16 конденсаторы, первый 17, второй 18 и третий 19 резисторы, последовательная RC-цепь 20, первая 21 и вторая 22 схемы встречно-параллельных включенных диодов, схема 23 последовательно включенных стабилитронов, первый 24, второй 25, третий 26, четвертый 27, пятый 28 и шестой 29 диоды, неинвертирующий пиковый детектор 30.
Первый вывод вибропреобразователя 1 через первый конденсатор 14 соединен с первыми выводами первого резистора 17 и первого резистивного делителя напряжения 7. Второй вывод первого резистивного делителя напряжения 7 соединен с неинвертирующим входом первого ОУ 3 и через второй конденсатор 15 с общей шиной, а выход через третий конденсатор 16 соединен с входом параллельной RC-цепи 2, инвертирующим входом первого ОУ 3 и через последовательную RC-цепь 20 с общей шиной. К общей шине подключены вторые выводы вибропреобразователя 1 и первого резистора 17. Выход параллельной RC-цепи 2 соединен с первыми выводами второго резистивного делителя напряжения 8 и первой схемы 21 встречно-параллельно включенных диодов, второй вывод которой соединен с выходом первого ОУ 3 и анодом первого диода 24. Катод первого диода 24 соединен со вторым выводом второго резистивного делителя напряжения 8, входом первой интегрирующей RC-цепи 10 и с катодом второго диода 25. Анод второго диода 25 соединен с катодом третьего диода 26 и выходом второго ОУ 4. Инвертирующий вход второго ОУ 4 соединен с анодом третьего диода 26 и выходом второго резистивного делителя напряжения 8, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной. Выход первой интегрирующей RC-цепи 10 является первым выходом измерителя вибрации. Первый вывод схемы 23 последовательно включенных стабилитронов соединен с инвертирующим входом первого ОУ 3, а второй вывод через второй резистор 18 соединен со вторым выводом первой схемы 21 встречно-параллельно включенных диодов. Первый вывод первой схемы 21 встречно-параллельно включенных диодов соединен с входом второй интегрирующей RC-цепи 11, выход которой соединен с неинвертирующим входом третьего ОУ 5. Инвертирующий вход третьего ОУ 5 через третий резистор 19 соединен с первыми выводами третьего резистивного делителя напряжения 9 и второй схемы 22 встречно-параллельно включенных диодов. Второй вывод второй схемы 22 встречно-параллельно включенных диодов соединен с выходом третьего ОУ 5 и анодом четвертого диода 27. Катод четвертого диода 27 соединен со вторым выводом третьего резистивного делителя напряжения 9, входом третьей интегрирующей RC-цепи 12 и с катодом пятого диода 28. Анод пятого диода 28 соединен с катодом шестого диода 29 и выходом четвертого ОУ 6. Инвертирующий вход четвертого ОУ 6 соединен с анодом шестого диода 29 и выходом третьего резистивного делителя напряжения 9, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной. Выход третьей интегрирующей RC-цепи 20 является вторым выходом измерителя вибрации. Средняя точка последовательной RC-цепи 20 соединена с входом четвертой интегрирующей RC-цепи 13, выход которой соединен с входом неинвертирующего пикового детектора 30, выход которого является третьим выходом измерителя вибрации.
Параллельная RC-цепь 2 может быть выполнена на параллельном включении резистора 31 и конденсатора 32.
Последовательная RC-цепь 20 может быть выполнена на последовательном включении конденсатора 33 и резистора 34.
Стабилитроны 23, в зависимости от типа, могут быть включены встречно-параллельно или последовательно.
Первая 10, вторая 11, третья 12 и четвертая 13 интегрирующие RC-цепи могут быть выполнены на соответствующих резисторах 35, 36, 37, 38 и конденсаторах 39, 40, 41, 42, соединенные таким образом, что входами RC-цепей 10, 11, 12, 13 являются свободные выводы резисторов, свободные выводы конденсаторов соединены с общей шиной, а средние точки соединений резисторов и конденсаторов являются выходами RC-цепей 10, 11, 12, 13.
Неинвертирующий пиковый детектор 30 может быть выполнен на пятом операционном усилителе 43, неинвертирующий вход которого является входом пикового детектора 30, неинвертирующий вход пятого операционного усилителя подключен к выходу четвертой интегрирующей RC-цепи 13, а выход через диод 44 подключен к инвертирующему входу и через конденсатор 45 к общей шине, точка объединения диода 44 и конденсатора 45 является выходом пикового детектора 30.
В измерителе вибрации согласующее устройство, фильтр и усилитель реализованы на одном операционном усилителе 3 с пассивными элементами обвязки, вместе образующие входной каскад. При этом операционный усилитель 3 совместно с операционным усилителем 4 и соответствующими пассивными элементами образуют каскад детектора СКЗ виброускорения. Каскад детектора СКЗ виброскорости построен на основе операционных усилителей 5 и 6; каскад детектора АЗ виброускорения - на основе операционного усилителя 43.
В измерителе вибрации в качестве операционных усилителей применены прецизионные операционные усилители типа 1487УД2У, обладающие малыми входными токами, малыми смещениями нуля и расширенными динамическими диапазонами по выходу. В качестве резисторов используются резисторы типа Ρ1-8, в качестве конденсаторов - К10-43, в качестве диодов - 2Д707АС9, в качестве стабилитронов - 2С175Ц.
Измеритель вибрации работает следующим образом.
В исходном статическом состоянии сигнал с вибропреобразователя 1 (пьезоакселерометра или МЭМС-акселерометра) отсутствует, соответственно на выходах измерителя вибрации нулевые напряжения.
При измерении виброударного процесса с вибропреобразователя 1 поступает переменный сигнал (виброускорение), который подается на входной каскад измерителя вибрации на операционном усилителе 3 (напряжение Ubx на фиг. 1, фиг. 2), где осуществляется его согласование, фильтрация и усиление. Далее сигнал с разной степенью обработки поступает на каскады детекторов СКЗ виброускорения, СКЗ виброскорости и АЗ виброускорения; для одновременного получения соответствующих значений на первом, втором и третьем выходах Uвыx1, Uвых2 и Uвых3. Полученные значения в последующем используются для определения эффективной частоты и Пик-фактора виброударного процесса.
УС
Согласование измерителя вибрации с вибропреобразователем 1, например, пьезоакселерометром, обеспечивается за счет усилителя напряжения на операционном усилителе 3 с большим входным сопротивлением, прежде всего определяемого резистором 17. Высокое входное сопротивление позволяет осуществить измерение низкочастотных сигналов вибрации частотой (например, от 20-100 Гц) с учетом влияния электрической емкости пьезоакселерометра, образующих с резистором 17 фильтр верхних частот. В случае использования в качестве вибропреобразователя 1 - МЭМС-акселерометра (с выходным сигналом с постоянной составляющей) на входе устройства предусмотрен разделительный конденсатор 14, Входной каскад на операционном усилителе 3, кроме согласования обеспечивает функции фильтра нижних частот (ФНЧ) 3-го порядка с частотой среза 2 кГц и усилителя с коэффициентом передачи, как правило, от 7 до 70 единиц (U на фиг. 2). ФНЧ 3-го порядка каскада обеспечиваются ФНЧ 2-го порядка на резистивном делителе 7, конденсаторах 15, 16 и элементах ФНЧ 1-го порядка паралелльной RC цепи 2. Усиление каскада определяется резисторами 31, 34 и вычисляется, как для неинвертирующего включения операционного усилителя:
Избежать усиления постоянной составляющей напряжения смещения нуля операционного усилителя 3 позволяет разделительный конденсатор 33 (см. фиг. 1).
Сигнал для детектора АЗ виброускорения снимается со средней точки RC-цепи 20 (на конденсаторе 33 и резисторе 34), которая (средняя точка) фактически является низкоомным выходом без усиления ФНЧ 2-го порядка входного каскада на операционном усилителе 3. ФНЧ 3-го порядка детектора АЗ 30 достигается включением дополнительного ФНЧ 1-го порядка на RC-цепи 13 на его входе. ФНЧ 3-го порядка детектора АЗ полностью эквивалентен ФНЧ 3-го порядка детекторов СКЗ виброскорости и виброускорения.
Реализованный неинвертирующий детектор АЗ (пиковый детектор) 30 на фиг. 1 имеет коэффициент передачи 1 (как правило, составляет от 1 до 5 единиц), который в разы меньше коэффициента передачи усилителя для детекторов СКЗ виброскорости и виброускорения. Это обеспечивает контроль виброударного процесса с различными динамическими диапазонами вибрации и ударов, например, вибрации 30 g и ударов 300 g. Одновременное измерение АЗ и СКЗ достигается за счет включения стабилитронов 23 и резистора 18 в цепь регулирования усилением операционного усилителя 3. Данная мера исключает преждевременное насыщение операционного усилителя 3 (Uнас на фиг. 2) за счет уменьшения усиления, шунтируя резистор 31, при достижении порогового уровня стабилитронов 23, что в свою очередь обеспечивает работу входного согласующего и фильтрующего каскада для контроля АЗ сигналов ударных процессов, когда уровень данных сигналов превышает значения сигналов вибрации.
УС
Сигнал, поступающий на детекторы СКЗ виброскорости и виброускорения, снимается с выхода согласующего, фильтрующего и усиливающего каскада (напряжение U на фиг. 2) на операционном усилителе 3. Детектор СКЗ виброускорения представляет собой активный двухполупериодный выпрямитель на операционных усилителях 3 и 4, встречно параллельно включенных диодах 21, диодах 24, 25, 26, резистивном делителе 8 с усредняющей RC-цепью 10. Положительные значения сигнала выпрямляются через диоды 21 и 24, отрицательные значения сигнала через диоды 21, избирательный каскад (за счет диода 26) на операционном усилителе 4 и диод 25. Усреднение выпрямленного напряжения по уровню СКЗ обеспечивается RC-цепью 10 и резистором делителя напряжения 8 за счет различного соотношения постоянных времен зарядных и разрядных цепей. Время усреднения СКЗ детектора определяется величиной конденсатора 39. Данный метод выделения СКЗ сигнала является косвенным методом вычисления и обладает погрешностью не более 2% для любых форм входного сигнала.
В детекторе СКЗ виброускорения диоды 21 являются частью входного каскада на операционном усилителе 3, что обеспечивает общность совмещения функций и сокращает число последовательно соединенных каскадов.
Детектор СКЗ виброскорости построен, по аналогии с детектором СКЗ виброускорения, содержит двухполупериодный выпрямитель на операционных усилителях 5 и 6, встречно-параллельно включенные диоды 22, диоды 27, 28, 29, резистивный делитель 9, интегрирующую (аппроксимирующую) RC-цепь 12, а также дополнительную входную интегрирующую RC-цепь 11. Резистор 19 установлен для повышения стабильности каскада на операционном усилителе 5 и может быть использован при увеличении коэффициента передачи.
f
эф
Отношение выходных сигналов детекторов СКЗ виброскорости и виброускорения (коэффициент оценки K) используется для вычисления эффективной (основной) частоты (f) спектра вибрации, которая является одним из важных диагностируемых параметров и определяется по выражению (2).
f
где K - коэффициент оценки:
СКЗ_BbIX1
где U - выходное напряжение детектора СКЗ виброускорения;
СКЗ_ВЫХ2
U - выходное напряжение детектора СКЗ виброскорости.
Высокая точность оценки частоты обеспечивается за счет общности входного каскада для детекторов СКЗ виброскорости и виброускорения.
П
Отношение выходных сигналов детекторов АЗ и СКЗ виброускорения используется для вычисления Пик-фактора K виброударного процесса:
(4)
В измерителе вибрации достигается общность согласующего устройства и фильтра для всех детекторов, а также общность последующего усиления для детекторов СКЗ виброскорости и виброускорения, что обеспечивает надежность, стабильность и повышенную точность, относительно устройств реализующие те же функции в отдельных параллельных каналах с последовательно соединенными каскадами.