УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для дистанционного измерения резонансной частоты пьезоэлектрического акселерометра.
Известно устройство для дистанционного контроля пьезодатчиков, осуществляющее контроль через измерение резонансной частоты [Патент Российской Федерации №1382118, кл. G01H 1/06], содержащее генератор, делитель частоты, электронный ключ, коммутатор, симметричный трансформатор, детектор, триггер, генератор пилообразного напряжения, усилитель, фазовый детектор, фазосдвигающую цепочку, частотомер, формирователь синусоидального сигнала и блок подстроечных конденсаторов.
Основным недостатком этого устройства является невозможность осуществления контроля датчика при нахождении объекта эксплуатации в рабочем режиме, то есть при воздействии на датчик механических колебаний со стороны объекта. Это обусловлено тем, что исследуемый сигнал, полученный с контролируемого датчика, будет содержать составляющие, вызванные не только приложенным тестовым воздействием, но и воздействием со стороны объекта, воспринимаемым, как помеха. При достаточно высоком уровне вибрации объекта поиск резонансной частоты и определение фазы сигнала станут невозможны. Поскольку существует множество объектов, вывод которых из рабочего режима (останов) связан со значительными материальными затратами (например, турбоагрегаты электрических или газоперекачивающих станций), область применения данного устройства существенно ограничивается.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототип) является устройство, реализующее способ электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра (колебаний с резонансной частотой) [Патент Российской Федерации №2150708, кл. G01P 21/00, G01P 15/09, 1999], содержащее источник напряжения возбуждения, переключатель и разъемы для подключения акселерометра и регистратора, формирователь сигналов управления, первый и второй нормально-разомкнутые ключи и элемент задержки. В качестве источника напряжения возбуждения используется источник постоянного напряжения, соединенный через переключатель в одном его положении с параллельно включенными первым ключом, разъемом для подключения акселерометра и цепью из последовательно соединенных второго ключа и разъема для подключения регистратора, а во втором положении переключателя - с формирователем сигналов управления, который соединен с управляющим входом первого ключа и через элемент задержки - с управляющим входом второго ключа.
Недостатком этого устройства является его работоспособность лишь при отсутствии внешних механических воздействий на акселерометр со стороны объекта эксплуатации. При наличии таких воздействий вызванные ими колебания чувствительного элемента суммируются с резонансными колебаниями, что делает невозможным непосредственное определение резонансной частоты. Эта особенность существенно ограничивает область применения данного устройства. Фактически текущее значение резонансной частоты может быть измерено лишь во время планового или аварийного останова объекта эксплуатации, то есть тогда, когда демонтаж акселерометра зачастую не вызывает затруднений, и имеется возможность использования традиционных способов контроля его исправности.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности дистанционного определения резонансной частоты пьезоэлектрического акселерометра, при этом достигается технический результат, заключающийся в том, что резонансная частота измеряется без демонтажа акселерометра с объекта эксплуатации и без вывода объекта эксплуатации из рабочего режима.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра, содержащее разъем для подключения акселерометра, переключатель и источник постоянного напряжения возбуждения, введены усилитель заряда, аналого-цифровой преобразователь, управляемая линия задержки, ключ, сумматор, модуль определения параметров вибрации, модуль выявления переходов через «ноль», модуль вычисления резонансной частоты, модуль управления и интерфейсный модуль, причем усилитель заряда подключен к разъему акселерометра через первый контакт переключателя, источник напряжения возбуждения подключен к разъему акселерометра через второй контакт переключателя, через третий контакт переключателя выводы разъема акселерометра соединяются друг с другом, к выходу усилителя заряда подключен аналого-цифровой преобразователь, к выходу аналого-цифрового преобразователя параллельно подключены управляемая линия задержки и суммирующий вход сумматора, выход линии задержки через ключ подключен к вычитающему входу сумматора, к выходу сумматора параллельно подключены входы модуля определения параметров вибрации и модуля выявления переходов через «ноль», выход модуля выявления переходов через «ноль» подключен к входу модуля вычисления резонансной частоты, интерфейсный модуль подключен к выходу модуля определения параметров вибрации и к выходу модуля вычисления резонансной частоты; модуль управления соединен с интерфейсным модулем, к выходам модуля управления подключены модуль определения параметров вибрации, модуль выявления переходов через «ноль», ключ, управляемая линия задержки и переключатель.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу, причем на фиг.2а показана форма сигнала на выводах акселерометра, на фиг.2б - форма сигнала на выходе усилителя заряда (до обработки), а на фиг.2в - форма сигнала, соответствующего резонансным колебаниям чувствительного элемента акселерометра, на выходе сумматора.
Устройство содержит разъем 1 для подключения акселерометра 2, переключатель 3, источник постоянного напряжения возбуждения 4, усилитель заряда (УЗ) 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, управляемую линию задержки 7, ключ 8, сумматор 9, модуль определения параметров вибрации (МОПВ) 10, модуль выявления переходов через «ноль» (МВПН) 11, модуль вычисления резонансной частоты (МВРЧ) 12, модуль управления 13 и интерфейсный модуль 14, причем УЗ 5 подключен к разъему 1 акселерометра 2 через первый контакт переключателя 3, источник напряжения возбуждения 4 подключен к разъему 1 акселерометра 2 через второй контакт переключателя 3, через третий контакт переключателя 3 выводы разъема 1 акселерометра 2 соединяются друг с другом, к выходу УЗ 5 подключен АЦП 6, к выходу АЦП 6 параллельно подключены управляемая линия задержки 7 и суммирующий вход сумматора 9, выход линии задержки 7 через ключ 8 подключен к вычитающему входу сумматора 9, к выходу сумматора 9 параллельно подключены входы МОПВ 10 и МВПН 11, выход МВПН 11 подключен к входу МВРЧ 12, интерфейсный модуль 14 подключен к выходу МОПВ 10 и МВРЧ 12; модуль управления 13 соединен с интерфейсным модулем 14, к выходам модуля управления подключены МОПВ 10, МВПН 11, ключ 8, управляемая линия задержки 7 и переключатель 3.
ЗАД
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме модуль управления 13 переводит переключатель 3 в верхнее положение, размыкает ключ 8, разрешает работу МОПВ 10 и блокирует работу MB ПН 11. Заряд, пропорциональный деформации чувствительного элемента, обусловленной вибрацией объекта эксплуатации, с выводов акселерометра 2 поступает на усилитель заряда 5, а затем на АЦП 6, где преобразуется в цифровую форму. Код с выхода АЦП, пропорциональный мгновенному значению заряда, поступает на суммирующий вход сумматора 9. Поскольку ключ 8 разомкнут, этот код без изменений поступает на вход МОПВ 10, где анализируется и преобразуется в контролируемые показатели вибрации (частота основной гармоники вибрации, действующие значения виброускорения, виброскорости и некоторые другие). Полученные значения периодически или по запросу передаются через интерфейсный модуль 14 на следующий уровень системы контроля и диагностики. Одновременно с описанными действиями код с выхода АЦП постоянно накапливается в линии задержки 7; по мере ее заполнения самые старые коды теряются и замещаются новыми. Величина задержки Т регулируется модулем управления в зависимости от частоты основной гармоники вибрации объекта и должна быть равна целому числу N периодов этой гармоники. Кроме того, величина задержки должна превышать суммарную длительность интервалов I…IV (фиг.2).
В диагностическом режиме модуль управления замыкает ключ 8, в результате чего накопленные в линии задержки 7 значения, задержанные на несколько периодов. вычитаются из текущих значений, поступающих с АЦП 6. При условии отсутствия в течение времени задержки заметных изменений вибрации объекта эксплуатации последовательность кодов на выходе сумматора 9 будет содержать только случайную составляющую, обусловленную шумами канала измерения и негармоническими составляющими вибрации (фиг.2в, интервал I). МОПВ 10 оценивает параметры этой последовательности кодов, которые впоследствии будут использованы при вычислении значения резонансной частоты.
1
2
m
По истечении некоторого времени T1 (4…5 периодов основной гармоники вибрации) модуль управления 13 переводит переключатель 3 в среднее положение. При этом чувствительный элемент акселерометра в результате обратного пьезоэффекта деформируется под воздействием напряжения возбуждения, поступающего с источника 4 (фиг.2а, интервал II). По истечении некоторого времени Т2, когда деформация достигнет установившегося значения, модуль управления 13 переводит переключатель 3 в нижнее положение, замыкая таким образом выводы акселерометра. Заряд на выводах, вызванный подключением источника 4, в течение очень короткого промежутка времени Т3 уменьшается до нуля (фиг.2а, интервал III), а деформация чувствительного элемента начинает изменяться в виде затухающий колебаний с резонансной частотой. К этим колебаниям добавляется составляющая, вызванная вибрацией объекта эксплуатации (фиг.2а, интервал IV). По окончании интервала времени Т3 модуль управления 13 переводит переключатель 3 в верхнее положение, вновь подключая усилитель заряда 5 к выводам акселерометра 2. Одновременно с этим модуль управления блокирует работу МОПВ 10 и разрешает работу МВПН 11. В результате работы линии задержки 7 на выходе сумматора 9 сформируется последовательность кодов, соответствующая резонансным колебаниям чувствительного элемента акселерометра 2 (фиг.2в, интервал IV). Для вычисления значения резонансной частоты МВПН 11 выявляет моменты изменения знака последовательности кодов с выхода сумматора (моменты перехода через «0») t, t,…t. Выявление переходов выполняется до тех пор, пока уровень полезного сигнала (фиг.2в, интервал IV) не станет сопоставим с уровнем помех (фиг.2в, интервал I).
Значение резонансной частоты F вычисляется МВРЧ 12 по формуле:
, где m - число выявленных переходов через «0».
По окончании вычислений модуль управления 13 вновь переводит устройство из диагностического режима в нормальный путем размыкания ключа 8, разрешения работы МОПВ 10 и блокирования МВПН 11.
Вычисленное значение резонансной частоты через интерфейсный модуль 14 передается на следующий уровень системы контроля и диагностики, где сравнивается с эталонным значением, сохраненным в памяти при выполнении пусконаладочных или плановых поверочных работ. При отклонении измеренного значения резонансной частоты от эталонного более чем на заданную величину фиксируется отказ акселерометра. Величина допустимого отклонения выбирается индивидуально в зависимости от типа акселерометра.
Предлагаемое устройство позволяет определять резонансную частоту пьезоэлектрических акселерометров, измеряющих параметры вибрации роторных машин (турбоагрегатов электрических станций, компрессоров газоперекачивающих станций и подобных им), то есть таких, у которых вибрация имеет явно выраженный периодический характер.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет дистанционно измерять резонансную частоту пьезоэлектрического акселерометра без его демонтажа с объекта эксплуатации и без вывода объекта эксплуатации из рабочего режима.