СПОСОБ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВИБРОКОНТРОЛЯ
PIEZOELECTRIC VIBRATION CONTROL TECHNIQUE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам электрических измерений неэлектрических величин, и может быть использовано для измерения виброускорений промышленных объектов с повышенной точностью.
Известен способ пьезоэлектрического виброконтроля, примененный, например, в устройствах (см. Описания изобретений к авторским свидетельствам №885899 от 16.07.79, МКИ G01P 15/09, «Пьезоэлектрический акселерометр», опубл. 30.11.81 и SU №1551045 А1 от 20.06.88, МКИ G01P 15/09, «Пьезоэлектрический акселерометр», опубл. 30.04.90.) и заключающийся в том, что используют пьезоэлектрический вибропреобразователь, состоящий из корпуса вибропреобразователя со стойкой, имеющей резьбу на верхнем конце, а также пьезоэлектрических шайб и инерционной массы, которые надевают на стойку, прижимают пьезоэлектрические шайбы и инерционную массу при помощи гайки к основанию вибропреобразователя, который устанавливают на вибрирующий объект, по величине заряда, снимаемого с обкладок пьезоэлементов, судят о виброускорении контролируемого объекта.
Недостатками способа являются его высокая чувствительность к промышленным наводкам и помехам вследствие того, что источник сигнала заземлен на корпус. Такая схема соединения элементов является самой неудачной с точки зрения защиты от промышленных наводок и помех, так как паразитные токи, индуцируемые источниками помех, протекают между точками заземления вибропреобразователя и предусилителя, создавая паразитное синфазное напряжение, часть которого поступает на вход предусилителя, т.е. помехи весьма значительны. Этот недостаток не позволяет широко использовать этот способ для вибродиагностики промышленного оборудования.
Известен способ пьезоэлектрического виброконтроля (см. Вибропреобразователь МВ-43-1Б. Руководство по технической эксплуатации ЖЯИУ. 433642.001-01РЭ, ЗАО «Вибро-Прибор», г.Санкт-Петербург), который является наиболее близким по технической сущности и взят в качестве прототипа. Способ заключается в том, что используют пьезоэлектрический вибропреобразователь, состоящий из корпуса вибропреобразователя со стойкой, имеющей резьбу на верхнем конце, а также пьезоэлектрических и диэлектрических шайб и инерционной массы, которые надевают на стойку, прижимают пьезоэлектрические шайбы и инерционную массу при помощи гайки к основанию вибропреобразователя, который устанавливают на вибрирующем объекте, причем изолируют пьезоэлектрические шайбы от корпуса и инерционной массы при помощи диэлектрических шайб, по величине заряда, снимаемого с обкладок пьезоэлементов, судят о виброускорении контролируемого объекта. Такое решение позволяет использовать схему с плавающим источником сигнала, в которой ток помехи должен преодолевать дополнительный импеданс между генератором паразитного сигнала и общим проводом. Соответственно, уменьшаются наводки паразитных сигналов на выходе вибропреобразователя.
Недостатками способа являются его недостаточные чувствительность и точность, обусловленные тем, что металлические основание, стойка, инерционная масса и гайка электрически соединены с корпусом промышленного объекта (землей), и поэтому промышленные наводки и помехи через паразитную емкость, образующуюся между обкладками пьезоэлементов с выходным проводом и стойкой, основанием и инерционной массой, поступают на выход вибропреобразователя с его корпуса. Эта паразитная емкость обычно имеет величину 3-7пФ, но этого достаточно, чтобы существенно снизить минимальное пороговое значение вибрации, которое может зарегистрировать вибропреобразователь на фоне наводок и помех, просачивающихся через эту емкость на выход вибропреобразователя.
Решаемой технической задачей является создание способа пьезоэлектрического виброконтроля промышленного оборудования с повышенной чувствительностью и точностью, которые обеспечиваются за счет значительного уменьшения уровня промышленных наводок и помех.
Эта задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом: способ пьезоэлектрического виброконтроля, заключающийся в том, что используют пьезоэлектрический вибропреобразователь, состоящий из корпуса вибропреобразователя со стойкой, имеющей резьбу на верхнем конце, а также пьезоэлектрических и изоляционных шайб и инерционной массы, которые надевают на стойку, прижимают пьезоэлектрические и изоляционные шайбы и инерционную массу при помощи гайки к основанию вибропреобразователя, который устанавливают на вибрирующем объекте, по величине заряда, снимаемого с обкладок пьезоэлементов, судят о виброускорении контролируемого объекта, и отличительных от наиболее близкого аналога новых существенных признаков: стойку изготовляют отдельно от корпуса, в виде винта, в основании корпуса делают отверстие, винт пропускают снизу через отверстие, закрепляют в основании корпуса при помощи диэлектрической втулки и обеспечивают электрическую изоляцию винта от корпуса, на винт со стороны резьбы надевают диэлектрическую, затем электропроводную шайбы, пьезоэлементы, инерционную массу и гайку, электрически изолируют их от корпуса вибропреобразователя, пьезоэлементы при помощи электропроводной шайбы и инерционной массы электрически экранируют от корпуса, таким образом, обеспечивают минимальную емкость между корпусом вибропреобразователя и его выходом, все отрицательные обкладки пьезоэлементов соединяют с инерционной массой и с экраном выходного кабеля, который электрически изолируют от корпуса датчика, а все положительные обкладки пьезоэлементов соединяют проводом, который пропускают через отверстие в инерционной массе и соединяют с центральной жилой выходного кабеля, которая является выходом вибропреобразователя.
Ниже раскрывается наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым результатом.
Во-первых, впервые предложен способ пьезоэлектрического виброконтроля, основанный на полном экранировании от корпуса пьезоэлементов и выходного провода вибропреобразователя.
Во-вторых, применение такого способа позволяет упростить процесс изготовления вибропреобразователя за счет отдельного изготовления основания и винта вибропреобразователя.
В-третьих, применение такого способа позволяет более чем в 100 раз уменьшить паразитную емкость между корпусом и входной цепью датчика и тем самым более чем на 40 дБ по сравнению с прототипом уменьшить просачивание промышленных помех и наводок с корпуса датчика во входные цепи усилителя сигналов.
Таким образом, новая совокупность всех существенных признаков в заявляемых способе и устройстве обеспечивает достижение следующего результата: повышение чувствительности и точности виброизмерений.
На чертеже показана эквивалентная электрическая схема, образующаяся при реализации устройств по предлагаемому способу.
Способ осуществляется следующим образом. Стойку изготовляют отдельно от корпуса, в виде винта, в основании корпуса делают отверстие, винт пропускают снизу через отверстие, закрепляют в основании корпуса при помощи диэлектрических втулки и шайб. Таким или другим способом обеспечивают электрическую изоляцию винта от основания корпуса 1 (см. чертеж). На винт со стороны резьбы надевают диэлектрическую шайбу, затем надевают остальные детали вибропреобразователя: электропроводную шайбу, пьезоэлементы 2, инерционную массу и гайку, таким образом, обеспечивают электрическую изоляцию деталей от корпуса. Все эти электропроводящие детали образуют экран 3, при помощи которого электрически экранирует пьезоэлементы от корпуса. Причем размеры и форма электропроводной шайбы и инерционной массы подбирают таким образом, чтобы обеспечить минимальную емкость 7 между корпусом вибропреобразователя и его выходом.
В прототипе все металлические детали вибропреобразователя соединяют с корпусом 1, экран 3 отсутствует и емкость 7, которая представляет собой суммарную емкость положительных выводов (+) пьезоэлементов 2 и соединительного провода 8 на корпус 1, винт, инерционную массу, имеет, как правило, величину 3-7 пФ. Емкость 5 представляет собой суммарную емкость всех пьезоэлементов и собственную емкость соединительного кабеля 4, обычно имеет величину порядка нескольких тысяч пФ. Такая же по порядку величины емкость 6, которая образуется между экраном кабеля 9 и металлорукавом 10. Элементы 14, 15 и 16 - это импедансы центральной жилы соединительного кабеля 4, экрана кабеля 9 и металлорукава 10 соответственно. По кабелю 4 сигнал передают от пьезоэлектрического преобразователя 2 на удаленный предварительный усилитель 17, в качестве которого обычно применяют усилитель заряда. Промышленные помехи и наводки возникают между корпусом 1 вибропреобразователя и корпусом 18 удаленного усилителя 17. Между заземлениями 12 и 13 этих корпусов возникает напряжение наводки 11. В прототипе часть этого напряжения поступает через емкостный делитель 7, 5 на выход преобразователя и по кабелю 4 на вход усилителя 17, создавая сигнал помехи, который достаточно велик вследствие заметной величины емкости 7. На фоне этого сигнала сложно наблюдать небольшой полезный сигнал виброускорения, то есть слабые вибрации промышленных объектов зарегистрировать невозможно.
В предлагаемом способе в соответствии с формулой изобретения создают дополнительный экран 3 из электропроводящих элементов вибропреобразователя. При помощи диэлектрических элементов изолируют этот экран 3 от корпуса 1. Таким образом получают очень малую величину паразитной емкости 7, которая на два с лишним порядка меньше тех емкостей, которые имеют аналоги и прототип. Емкость 6, которая имеет величину порядка тысячи пикофарад, создает емкость между корпусом 1 и экраном 3, образованным проводящей шайбой, инерционной массой и винтом, и емкость между экраном выходного кабеля 4 и металлорукавом 9. Величина этой емкости практически не отличается от той, которую имеет прототип. Даже при больших значениях напряжения источника наводки 10 величина паразитного напряжения на кабеле 4 не превышает уровня шумов вибропреобразователя. Токи, протекающие по цепи заземление 13 - заземление 12 - корпус вибропреобразователя 1 - емкость 7 - резистор 14 - вход предусилителя 17 - корпус предусилителя 18, ничтожно малы из-за очень высокого импеданса 7 и не создают на входе усилителя 17 паразитных наводок, что позволяет регистрировать слабые вибрации контролируемого данным способом объекта. Таким образом, решена цель изобретения - создание способа пьезоэлектрического виброконтроля промышленного оборудования с повышенной чувствительностью и точностью.
Все примененные узлы и элементы широко описаны в технической литературе и легко могут быть реализованы.
В целях подтверждения осуществимости заявленного способа и достигнутого технического результата изготовлены из нержавеющей стали и испытаны несколько различных по техническому исполнению опытных образов, вибропреобразователей, построенных на основе пьезокерамики ЦТС83Г, в которых реализован предложенный способ пьезоэлектрического виброконтроля с усилителем заряда 17. Все эти вибропреобразователи имели эквивалентную электрическую схему, соответствующую схеме, изображенной на чертеже. В качестве источника наводки 11 включался в разрыв цепи заземление 12 - заземление 13 трансформатор с выходным напряжением 100 В частотой 50 Гц, имитирующим паразитную наводку.
Ослабление наводки на выходе усилителя заряда по отношению к прототипу в опытных образцах составило 42-46 дБ. Все примененные узлы и элементы широко описаны в технической литературе и могут быть легко реализованы.
Проведенные испытания показали осуществимость заявленного способа пьезоэлектрического виброконтроля, подтвердили его преимущества и практическую ценность.
Способ пьезоэлектрического виброконтроля может широко применяться для вибромониторинга промышленного оборудования.