ДВУХКАНАЛЬНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения уровней вибрации ответственных устройств, таких как газовые турбины, ракетные или авиационные двигатели, с возможностью постоянного контроля работоспособности измерительного средства.
К ответственным устройствам, например, ракетным или авиационным двигателям, предъявляются повышенные требования к их надежности. Это может осуществляться за счет дублирования средств измерения их состояния, в том числе уровней вибрации, таким образом, может обеспечиваться избыточность информации и работоспособность средств измерения в случае отказа одного из каналов измерения.
Известно устройство для двухканального измерения уровней вибрации в машинах, таких как газовые турбины или реактивные двигатели («Dual output accelerometer system», US 2013014586, G01P 15/09, 2013-01-17). В известном устройстве два идентичных первичных преобразователя с пьзопакетами и инерционными (сейсмическими) массами двух акселерометров установлены на общей опорном плите, прикрепляемой к объекту измерения.
Во время работы первичные преобразователи акселерометров из-за их пространственного разнесения, кручения или изгиба опорной плиты, на которой они установлены, не могут испытывать одинаковую вибрацию, что приводит к разности входных колебаний в каждом из акселерометров и является недостатком этого известного устройства.
Известен двухканальный акселерометр («Dual channel accelerometer and method of manufacturing the same», US 2014305133, G01P 15/09, 2014-10-16).
В известном устройстве первичный преобразователь двухканального акселерометра содержит установленные на общем основании два соосно расположенных пьезопакета с общей инерционной (сейсмическая) массой. Для достижения идентичности чувствительности каналов измерения пьезопластины пьезопакетов установлены с чередованием относительно друг друга. Это существенно усложняет конструкцию известного акселерометра.
Известен также двухканальный акселерометр («Dual accelerometer, method for its fabrication and application thereof», US 4586377, G01P 15/09, 1986-05-06), который является наиболее близким аналогом заявляемого акселерометра.
В известном двухканальном акселерометре первичный преобразователь содержит установленные на общем основании два последовательно расположенных пьезопакета с общей инерционной (сейсмическая) массой. Между верхним и нижним пьезопакетами размещена дополнительная инерционная корректируемая масса для регулировки величины чувствительности (коэффициента преобразования) измерительного канала с нижним пьезопакетом до состояния идентичности чувствительности обоих измерительных каналов.
Каждый канал двухканального акселерометра содержит один пьезопакет, который соединяется через переключатель или с соответствующей измерительной схемой, содержащей усилитель (например, усилитель заряда) и индикатор (измерительный прибор), или с генератором тестового сигнала.
При работающем объекте в случае метрологической исправности известного акселерометра показания обоих индикаторов должны быть идентичными в пределах допускаемого отклонения. Неидентичность показаний за пределами допускаемого отклонения свидетельствует о метрологической неисправности акселерометра.
Для предварительного контроля работоспособности акселерометра при неработающем объекте к одному из пьезопакетов вибропреобразователя, например, верхнему, подключают генератор тестового сигнала и подают от него известный сигнал с фиксированными частотой и амплитудой, возбуждающий механические колебания обоих пьезопакетов. С помощью измерительного канала нижнего пьезопакета измеряют уровень сигнала и по его величине, сравнивая с ее значением при первичной поверке, определяют метрологическую исправность верхнего канала. Аналогичную процедуру осуществляют с нижним каналом.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится технологическая сложность изготовления известного акселерометра, предусматривающая подбор дополнительной инерционной массы для достижения идентичности чувствительности измерительных каналов известного акселерометра.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является упрощение технологии изготовления двухканального акселерометра.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении идентичности чувствительности измерительных каналов акселерометра за счет регулировки параметров применяемых усилителей (например, усилителей заряда) в его измерительных каналах.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом двухканальном акселерометре, включающем первичный преобразователь с установленными на общем основании двумя последовательно размещенными верхним и нижним пьезопакетами с общей инерционной массой, двухканальную измерительную схему с усилителями заряда и приборами измерения, переключатель и подключаемый к пьезопакетам генератор тестового сигнала, в отличие от известного акселерометра усилители заряда каждого канала измерительной схемы выполнены регулируемыми, при этом переключатель выполнен трехпозиционным, а оба канала измерительной схемы снабжены соединяемыми через трехпозиционный переключатель с выходами усилителей заряда, источниками питания постоянного тока и детекторами среднего квадратического значения, выходы которых через делитель подключены к индикатору.
На фиг. представлена структурная схема заявляемого двухканального акселерометра.
Двухканальный акселерометр содержит размещенный на объекте измерения 1 первичный преобразователь, состоящий из корпуса 2, двух пьезопакетов - верхнего 3 и нижнего 4, установленных на основании 5, закрепленной над верхним пьезопакетом 3 общей инерционной массы 6 и выходного разъема 7.
Пьезопакеты - верхний 3 и нижний 4 через выходной разъем 7 подключены соответственно к усилителю заряда 8 верхнего измерительного канала и к усилителю заряда 9 нижнего измерительного канала.
1
1
2
a
Усилитель заряда 8 верхнего измерительного канала через контакты b и c трехпозиционного переключателя 10 подключен к источнику питания постоянного тока 11, измерительному прибору 12 и детектору средних квадратических значений 13, а через контакт  - к генератору тестового сигнала 14.
3
3
2
Усилитель заряда 9 нижнего измерительного канала через контакты a и b подключен к источнику питания постоянного тока 15, измерительному прибору 16 и детектору средних квадратических значений 17, а через контакт c - к генератору тестового сигнала 13.
Детекторы средних квадратических значений 13 и 17 подключены через делитель 18 - к индикатору 19.
Двухканальный акселерометр работает следующим образом.
Перед установкой двухканального акселерометра на объект измерения 1 при выпуске из производства регулируются коэффициенты передачи усилителей заряда 8 и 9 таким образом, чтобы чувствительности верхнего и нижнего измерительных каналов двухканального акселерометра были одинаковыми (например, с помощью изменения величины емкости обратной связи).
a
a
a
1
2
3
После установки двухканального акселерометра на объект измерения 1 и подключения измерительных каналов переводят переключатель 10 в положение, при котором подключаются контакты ,  и .
a
2
В этом случае источник питания постоянного тока 11 отключается от усилителя заряда 8, а источник питания постоянного тока 15 подключен к усилителю заряда 9. С генератора тестового сигнала 14 через контакт  и емкость обратной связи усилителя заряда 8 (на фиг. не показана) подается сигнал возбуждения верхнего пьезопакета 3. С помощью обратного пьезоэффекта пьезопакет 3 начинает изменять свои размеры с частотой тестового сигнала и воздействовать на нижний пьезопакет 4. Электрический заряд, возникающий на нижнем пьезопакете 4, усиливается с помощью усилителя заряда 9 и фиксируется измерительным прибором 16. Значения сигналов возбуждения с выхода генератора тестового сигнала 14 и измеренное на приборе 16 фиксируются (например, в паспорте на двухканальный акселерометр).
1
2
3
3
Переключатель 10 переводится затем в положение, при котором подключаются контакты c, c и c. В этом случае источник питания постоянного тока 15 отключается от усилителя заряда 9, а источник питания постоянного тока 11 подключен к усилителю заряда 8. С выхода генератора тестового сигнала 14 через контакт c и емкость обратной связи усилителя заряда 9 (на фиг. не показана) подается сигнал возбуждения нижнего пьезопакета 4. Соответственно нижний пьезопакет 4 начинает изменять свои размеры и, таким образом, возбуждает верхний пьезопакет 3, выходной заряд которого усиливается с помощью усилителя заряда 8, а его значение определяется с помощью измерительного прибора 12. Значения сигналов возбуждения с выхода генератора тестового сигнала 14 и измеренное на приборе 12 также фиксируются (например, в паспорте на двухканальный акселерометр).
1
2
3
В процессе эксплуатации двухканального акселерометра переключатель переводят в положение, при котором подключаются контакты b, b и b. В этом случае на усилители заряда 8 и 9 подают питание от источников питания постоянного тока 11 и 15,аких выходам подключают измерительные приборы 12 и 16, а также детекторы средних квадратических значений 13 и 17.
При воздействии со стороны объекта измерения 1 внешней вибрации под действием инерционных сил вследствие прямого пьезоэффекта верхний 3 и нижний 4 пьезопакеты вырабатывают электрические заряды, которые с помощью усилителей заряда 8 и 9 усиливаются и преобразуются в напряжения, поступающие на измерительные приборы 12 и 16 и детекторы средних квадратических значений 13 и 17. На детекторах средних квадратических значений 13 и 17 переменные сигналы преобразуют в медленно меняющиеся, после чего с помощью делителя 14 определяют их отношение, которое фиксируется индикатором 19. Если отношение средних квадратических значений обоих сигналов близко к единице, то все основные элементы измерительных каналов (верхнего и нижнего) работают в пределах нормы. Отклонение же отношения в ту или иную сторону за предварительно установленные допускаемые пределы (например, 5 или 10%) свидетельствует о метрологической неисправности какой-либо из цепей измерительных каналов. Измерительная информация об уровне воздействующей со стороны объекта измерения 1 внешней вибрации получают с помощью измерительных приборов 12 и 16.
a
a
a
1
2
3
1
2
3
При отсутствии внешней вибрации со стороны объекта измерения 1 работоспособность двухканального акселерометра определяют путем последовательного возбуждения генератором тестового 14 сначала нижнего пьезопакета 4 (переключатель 10 переводят в положение, при котором подключаются контакты ,  и ), а затем - верхнего 3 (переключатель 10 переводят в положение, при котором подключаются контакты c, c и c). Значение напряжения с выхода генератора тестового сигнала 14 при возбуждении пьезопакетов 3 и 4 не должно отличаться от зафиксированного (например, в паспорте) начального напряжения возбуждения при выпуске из производства. Значения сигналов, измеренных с помощью измерительных приборов 12 и 16 сравнивают с начальными, зафиксированными (например, в паспорте) при выпуске из производства. Если значения сигналов, измеренных с помощью измерительных приборов 12 и 16 при проверке работоспособности, не отличаются от начальных, то все основные элементы измерительных каналов (верхнего и нижнего) работают в пределах нормы. Отклонение значений сигналов в ту или иную сторону за предварительно установленные допускаемые пределы (например, 5 или 10%) свидетельствует о метрологической неисправности какой-либо из цепей измерительных каналов.
На нашем предприятии был изготовлен опытный образец заявляемого двухканального акселерометра. Каждый пьезопакет двухканального акселерометра содержал по три пьезопластины, изготовленные из пьезокерамики ЦТС-26. Каждая пьезопластина выполнена в форме кольца с наружным диаметром 9,5 мм, внутренним - 3,1 мм, толщина пьезопластины 1 мм. Усилители заряда выполнены на основе операционного усилителя AD8627 (США) с емкостью обратной связи ≈1 нФ.
-2
-2
-2
Начальное значение коэффициентов преобразования (чувствительности) первого канала 4,558 мВ/мс, а второго 4,528 мВ/мс. После регулировки за счет подбора емкости обратной связи первого канала коэффициенты преобразования двух каналов составляли 4,528 мВ/мс.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления полезной модели, достижение указанного технического результата и решения поставленной задачи.