УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИЙ

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для вибродиагностики технического состояния низкооборотных энергетических агрегатов гидроэлектростанций и их базовых конструкций.
Известен вибрационный преобразователь, содержащий постоянный магнит, подвижную катушку с блоком управления перемещением ее в зазоре постоянного магнита, канал усиления и преобразования сигналов информации, электрический мост, состоящий из обмоток катушки и сопротивлений, где обмотки подвижной катушки включены в цепь регулятора тока в обмотках катушки, связанного с входом блока управления перемещением катушки, чем преследуется цель расширения частотного диапазона (А.с. 758032, М. Кл. G01V 1/16, 25.08.80).
Недостатком данного устройства является то, что встречное соединение обмоток катушки и их смещенное положение относительно поперечного сечения магнитного поля в его одном зазоре не создает линейности функции преобразования величины перемещения обмоток в магнитном поле в выходной сигнал преобразователя, а также не обеспечивает глубину смещения собственной частоты резонанса подвижной системы в область низких частот.
Известно устройство электродинамического сейсмоприемника, содержащее постоянный магнит, подвижную катушку с обмоткой, подвешенной на пружинах в его зазоре, и электронный преобразовательный блок. Его подвижная катушка снабжена дополнительной магнитной массой, расположенной в поле постоянного магнита, и датчиком ее положения в магнитном зазоре и относительно корпуса, выход которого через электронный преобразовательный блок соединен с обмоткой подвижной катушки и выходом сейсмоприемника, чем достигается получение сигнала, пропорционального виброперемещению, и частичное смещение его механического резонанса в область низких частот и обеспечивается независимость его ориентации по отношению к вертикали. (А.с. 855580, М. Кл. G01V 1/16, 15.12.81).
Недостатком данного устройства является то, что величина компенсации сил упругости пружин подвеса катушки и датчика ее виброперемещения не контролируется структурой электронного преобразовательного блока и позиционно регулируется вращением установочного винта в процессе изготовления. Ограниченность области компенсации не обеспечивает устойчивости работы сейсмоприемника и достаточной для целей вибродиагностики линейности его амплитудно-частотной характеристики в области низких частот.
Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения вибраций, содержащее датчик виброперемещений, объединенный с постоянным магнитом, закрепленным на центрирующих пружинах с возможностью перемещения относительно оси неподвижной катушки, выполненной в виде двух обмоток, индуктивно связанных между собой, одна из которых замкнута накоротко и жестко закреплена между полюсами постоянного магнита, а вторая закреплена на катушке с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента и выполнена в виде двух симметрично расположенных секций, выходы которых введены в электронный преобразовательный блок и в его входной преобразователь, соединенный с выходом и с резистивным мостом, снабженным терморезистором, конструктивно совмещенным с нагревателем, где одна диагональ резистивного моста соединена с выходом входного преобразователя, а другая соединена с входом операционного усилителя, выход которого через сумматор и усилитель тока соединен с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента, на выход входного преобразователя включен также усилитель с передаточной функцией апериодического звена, а его выход соединен со входом звена задания зоны нечувствительности, выход которого местной обратной связью соединен с нагревателем терморезистора резистивного моста, образующего звено регулирования тока и действия электродинамических сил обмоток электродинамической системы чувствительного элемента на компенсацию сил упругости центрирующих пружин подвеса постоянного магнита и смещение рабочего диапазона чувствительного элемента в область низких частот, а для подготовки и коррекции переходных процессов регулирования выход входного преобразователя параллельно соединен через интегрирующее и дифференцирующее звенья с входами сумматора (Патент РФ №2207522, М. Кл. G01H 11/02, 27.06.2003).
Недостатками данного устройства является большая погрешность измерения вибраций на низких частотах (порядка единиц Гц), обусловленная не идеальностью дифференцирующего, интегрирующего звеньев и звена регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, обрабатывающие сигнал в аналоговой форме и имеющие в своей структуре операционные усилители с конечным входным сопротивлением, конденсаторы с утечкой заряда.
Задачей полезной модели является создание компактного устройства для измерения вибраций, обладающего достаточной точностью измерения вибраций на низких частотах.
Техническим результатом заявленного устройства является упрощение конструкции, представление результатов измерения в цифровой форме, что в совокупности позволяет обеспечить точность измерения вибраций в области низких частот.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для измерения вибраций, содержит корпус чувствительного элемента, с размещенными в нем постоянным магнитом, закрепленным на центрирующих пружинах, катушкой с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента, датчиком виброперемещений, и электронный преобразовательный блок, включающий усилитель тока, соединенный с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента, звено регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, интегрирующее и дифференцирующее звенья, причем датчик виброперемещений выполнен в виде расположенных вдоль одной оптической оси, перпендикулярной направлению перемещения магнита светодиода, конденсора, объектива и многоэлементного фотоприемника, шторки, соединенной с магнитом и расположенной между конденсором и объективом, при этом в электронном преобразовательном блоке в качестве звена регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, интегрирующего звена и дифференцирующего звена используют микроконтроллер, входы которого подключены через усилитель сигнала к многоэлементному фотоприемнику, один выход микроконтроллера через цифроаналоговый преобразователь соединен с усилителем тока, а другой - с выходом электронного преобразовательного блока.
Использование датчика виброперемещений, выполненного в виде светодиода, конденсора, шторки, объектива и многоэлементного фотоприемника позволяет повысить точность измерения виброперемещений, а сигнал с многоэлементного фотоприемника подавать сразу после усиления непосредственно в микроконтроллер без аналого-цифрового преобразователя, что в совокупности позволяет обеспечить точность измерения вибраций в области низких частот.
Введение в электронный преобразовательный блок микроконтроллера, выполняющего функции звена регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, интегрирующего и дифференцирующего звеньев, и преобразующего сигнал с многоэлементного фотоприемника в цифровой сигнал виброперемещений для последующей обработки в ЭВМ, задавать программно параметры звеньев и соответственно корректировать в широких пределах амплитудно-частотную характеристику устройства для измерения вибраций без каких-либо изменений в электронной схеме, что все вместе позволяет повысить точность измерения вибраций в области низких частот.
Устройство для измерения вибраций изображено на: фиг.1 - схема чувствительного элемента; на фиг.2 - структурная схема заявленного устройства.
Устройство для измерения вибраций содержит корпус 1 (фиг.1) чувствительного элемента с размещенным в нем постоянным магнитом 2, закрепленным на центрирующих пружинах 3 с возможностью перемещения относительно оси неподвижной катушки 4 с обмотками 5, и электронный преобразовательный блок 6 (фиг.2). Жесткость центрирующих пружин 3 исключает радиальное перемещение постоянного магнита 2 при произвольном расположении корпуса 1 чувствительного элемента относительно направления действия сил тяжести. В корпусе 1 чувствительного элемента установлен датчик виброперемещений 7, состоящий из расположенных вдоль одной оптической оси светодиода 8, конденсора 9, объектива 10 и многоэлементного фотоприемника 11. Шторка 12, соединена с магнитом 2 и расположена между конденсором 9 и объективом 10, Многоэлементный фотоприемник 11 подключен через усилитель сигнала 13 к микроконтроллеру 14, выполняющему функции дифференцирующего, интегрирующего звеньев и звена регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, один из выходов микроконтроллера соединен с выходом 15 электронного преобразовательного блока 6, а другой выход - к цифроаналоговому преобразователю 16, который через усилитель тока 17 соединен с обмотками 5 электродинамической системы чувствительного элемента.
Устройство для измерения вибраций работает следующим образом:
Корпус 1 чувствительного элемента, устанавливаемый на контролируемом объекте, воспринимает его вибрации, а постоянный магнит 2 вместе со шторкой 12, представляющие собой инертную массу, стремятся к сохранению состояния покоя и совершают относительное колебательное движение в катушке 4, неподвижно закрепленной в корпусе 1 чувствительного элемента. Световой поток от светодиода 8, собираемый конденсором 9, направляется на шторку 12, которая, совершая колебательные движения, его закрывает, а оставшаяся часть светового потока с помощью объектива 10 направляется на многоэлементный фотоприемник 11. Такой датчик виброперемещений обладает линейной функцией преобразования на всем диапазоне частот. С помощью микроконтроллера 14 осуществляется цифровая обработка сигнала с усилителя сигнала 13, поступающего от многоэлементного фотоприемника 11. Этот сигнал ошибки положения постоянного магнита 2 относительно оси ОХ, лежащей в плоскости симметрии обмоток 5, преобразуется микроконтроллером, выполняющим функции дифференцирующего, интегрирующего звеньев и звена регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, и далее этот сигнал, проходя через усилитель тока 17 в обмотки 5, перемещает постоянный магнит 2 их магнитным полем к центру обмоток 5 до совпадения их плоскости симметрии с осью ОХ. Введенный в цепь обмоток 5 усилитель тока 17 исключает влияние их индуктивных сопротивлений на фазовые смещения сигналов и обеспечивает формирование электродинамических сил, действующих на постоянный магнит 2 без фазовых искажений. Сигнал с другого выхода микроконтроллера 14, пропорциональный движению шторки, подается на выход 14 электронного преобразовательного блока 6. Использование микроконтроллера в электронном преобразовательном блоке в качестве звена регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, интегрирующего звена и дифференцирующего звеньев обеспечивает минимальную погрешность измерения вибраций от нуля герц и вывод результатов измерения вибраций в цифровой форме.
Таким образом, предлагаемое компактное устройство для измерения вибраций имеет простую конструкцию и представляет результат измерения в цифровой форме, что позволяет обеспечить точность измерения вибраций в области низких частот.