Устройство для диагностики оборудования (измерительный канал)
DEVICE FOR EQUIPMENT DIAGNOSTICS (MEASURING CHANNEL)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля, защиты и диагностики промышленного оборудования, совершающего вращательные и возвратно-поступательные движения, в процессе его эксплуатации в энергетике, машиностроении и других отраслях промышленности и науки.
Изобретение может применяться как самостоятельно, так и в составе автоматизированных систем контроля, защиты и диагностики промышленного оборудования, для измерения ударных импульсов резонансным методом (подшипников качения, кавитации перекачиваемой среды), а также для измерения абсолютной вибрации (виброускорение, виброскорость, виброперемещение) и температуры объектов диагностики.
Известна система диагностики подшипников качения по патенту на полезную модель RU 100252, представляющая собой стол с плитой, на которой расположен асинхронный двигатель, соединенный через виброизолирующую муфту с высокочастотным шпинделем для установки оправки с подшипником, к наружному кольцу подшипника подведено комплексное измерительное устройство, содержащее держатель пьезоэлектрического преобразователя с датчиком усилия, не имеющее металлической связи с деталями привода.
Известно устройство для измерения вибрации (варианты) по патенту на изобретение RU 2382368, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, инструментальный усилитель и операционный усилитель, выход которого является выходом устройства. Выходы пьезоэлектрического преобразователя соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора. Выход операционного усилителя соединен с его инверсным входом через конденсатор. Инверсный вход операционного усилителя соединен через второй резистор с выходом инструментального усилителя. Прямой вход операционного усилителя соединен с общей шиной. В устройство введена индуктивность, которая включена между вторым выводом первого резистора и вторым входом задания усиления инструментального усилителя, а параллельно конденсатору подключен третий резистор. Индуктивность выполнена в виде инерционной массы, установленной на пьезоэлектрическом преобразователе.
Известен виброметр по патенту на изобретение RU 2046301, содержащий пьезоэлектрический вибропреобразователь, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, первый и второй интеграторы, первый и второй усилители, детектор среднеквадратичного значения и блок индикации, снабженный первым и вторым коммутаторами, переключателем диапазона измерения, третьим усилителем, аналого-цифровым преобразователем, последовательно соединенным блоком задания режимов работы и блоком управления. Виброметр является наиболее близким к предлагаемому устройству для диагностики оборудования по технической сущности и достигаемому результату и принят за прототип.
Дефекты подшипников качения чаще всего проявляются в нарушении гладкости поверхностей или тел качения. При качении шарики подшипника, перекатываясь через такие неровности, испытывают соударения, которые проявляются в виде пиков вибрационного ускорения - ударных импульсов. Измерение амплитуды ударных импульсов позволяет оценить состояние подшипника. Измерение амплитуды импульсов возможно как широкополосной системой, так и с помощью резонансного контура, который позволяет увеличить соотношение сигнал шум при измерениях и тем самым обеспечивает более достоверное определение состояния подшипника, особенно при малых дефектах. Ударные импульсы подшипника возбуждают резонансную систему тем сильнее, чем дефект подшипника более развит. По измеренному значению амплитуды импульсов на выходе резонансной системы и оценивается развитие дефекта подшипника. Для реализации такого измерения требуется нормированный по частоте и амплитуде стабильный резонанс, что в известных системах реализуется специализированными резонансными датчиками. При этом такими датчиками невозможно одновременно измерить вибрацию. Подобные устройства работают исключительно на частоте резонанса, что значительно удорожает систему, поскольку для измерения вибрации требуются дополнительные датчики измерения вибрации, которые в свою очередь не имеют резонансных характеристик, пригодных для измерения ударных импульсов. Таким образом, известные устройства позволяют измерять и контролировать лишь выборочные диагностические параметры, что является недостатком данных устройств.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, способного одновременно с измерением ударных импульсов резонансным методом измерять амплитуду ударных импульсов широкополосным методом, регулярное значение вибрации объекта и температуру в месте установки одним универсальным датчиком.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности единовременного измерения уровней низкочастотной и высокочастотной вибраций, а также температуры однократной установкой одного датчика, т.е. повышение универсальности устройства.
Для достижения технического результата в устройстве для диагностики оборудования, содержащем снабженный датчиком температуры, пассивным низкочастотным фильтром, усилителем заряда и нормирующим усилителем первичный преобразователь вибрации, последовательно соединенный с вторичным преобразователем, содержащим первый буферный каскад, соединенный с первым преобразователем постоянного напряжения в ток, пропорциональный фильтр, последовательно соединенный со вторым буферным каскадом, и узкополосный фильтр, согласно изобретению второй буферный каскад параллельно соединен с фильтром верхних частот и с полосовым фильтром, а узкополосный фильтр последовательно соединен со вторым пиковым детектором и детектором средних значений.
Также для достижения технического результата первичный преобразователь вибрации содержит вибрационный чувствительный элемент, последовательно соединенный с пассивным низкочастотным фильтром, усилителем заряда и нормирующим усилителем, к выходу которого подключены параллельно соединенные преобразователь переменного напряжения в ток и выходной каскад.
Вторичный преобразователь нормализует выходные сигналы благодаря блоку электроники, содержащему фильтр верхних частот, последовательно соединенный с первым пиковым детектором и вторым преобразователем постоянного напряжения в ток. Полосовой фильтр последовательно соединен с интегратором, детектором среднеквадратичного значения и третьим преобразователем постоянного напряжения в ток. Второй пиковый детектор последовательно соединен с первым логарифматором и первым буферным усредняющим каскадом. Детектор средних значений последовательно соединен со вторым логарифматором и вторым буферным усредняющим каскадом.
На одной торцевой поверхности первичного преобразователя вибрации выполнена резьбовая шпилька, а на противоположной торцевой поверхности установлен четырехштыревой цилиндрический разъем для соединения со вторичным преобразователем, который содержит встроенный барьер искрозащиты.
Патентные исследования не выявили технических решений, характеризующихся заявляемой совокупностью существенных признаков, следовательно, можно предположить, что указанное изобретение соответствует критерию «новизна».
Кроме того, предлагаемое изобретение может быть изготовлено в промышленных масштабах с использованием стандартного оборудования и найдет применение как самостоятельно, так и в составе автоматизированных систем контроля, защиты и диагностики промышленного оборудования, совершающего вращательные и возвратно-поступательные движения, в процессе его эксплуатации в энергетике, машиностроении и других отраслях промышленности и науки, т.е характеризуется критерием «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг. 1 - структурная схема устройства;
на фиг. 2 - внешний вид первичного преобразователя вибрации;
на фиг. 3 - внешний вид вторичного преобразователя.
Устройство для диагностики оборудования (измерительный канал), структурная схема которого приведена на фиг. 1, представляет собой снабженный датчиком 1 температуры первичный преобразователь 2 вибрации, последовательно соединенный со вторичным преобразователем 3. Первичный преобразователь 2 вибрации является преобразователем инерционного типа и использует прямой пьезоэлектрический эффект. Для этого в корпусе 4 первичного преобразователя 2 вибрации закреплен вибрационный чувствительный элемент 5, последовательно соединенный с пассивным низкочастотным фильтром 6, усилителем 7 заряда и нормирующим усилителем 8 с программируемым коэффициентом усиления.
Пассивный низкочастотный фильтр 6 имеет частотную характеристику вида:
,
где:
1
K - коэффициент передачи фильтра по постоянному току;
j - комплексная единица;
ω - круговая частота;
1
1
τ - постоянная времени фильтра (50 мкс<τ<100 мкс).
К выходу нормирующего усилителя 8 подключены параллельно соединенные преобразователь 9 переменного напряжения в ток и выходной каскад 10. Выходной каскад
10, во время калибровки, имеет возможность внешнего задания коэффициента для нормирующего усилителя 8. Преобразователь 9 переменного напряжения в ток обеспечивает сигнал, пропорциональный пиковому значению ускорения, для работы на длинную линию, на выходе 11, а выходной каскад 10 обеспечивает нормированный по частоте и амплитуде сигнал на выходе 12.
Вибрационный чувствительный элемент 5 выполнен в виде пьезоэлектрического биморфа 13, закрепленного между прецизионными шайбами 14, посредством болта 15 из немагнитной стали.
Датчик 1 температуры представляет собой температурный сенсор, вклеенный на термопроводящий компаунд в цилиндрическое углубление во внутренней части корпуса 4 первичного преобразователя 2 вибрации, рядом с резьбовой шпилькой 16 (см. фиг. 2).
Резьбовая шпилька 16 выполнена на одной из торцевых поверхностей первичного преобразователя 2 вибрации, а на противоположной торцевой поверхности первичного преобразователя 2 вибрации установлен четырехштырьковый цилиндрический разъем 17 для соединения с вторичным преобразователем 3 (см. фиг. 2).
Первичный преобразователь 2 вибрации и вторичный преобразователь 3 соединены линией 18 связи, например кабелем, например витой парой с общей оплеткой (экраном). Штыревой цилиндрический разъем 17 выполнен под пайку провода. Первичный преобразователь 2 вибрации и линия связи 18 соединяются резьбовым сочленением. Линия связи 18 выполнена с общей оплеткой (экраном) как для уменьшения влияния внешних электромагнитных излучений на внутренний, сигнальный провод, так и для уменьшения паразитарного излучения проходимых по внутренним жилам сигналов.
Датчик 1 температуры обеспечивает сигнал, пропорциональный напряжению на выходе 19. Общий провод 20, являющийся заземлением, присоединен к корпусу 4.
Таким образом, в результате работы первичного преобразователя 2 вибрации обеспечивается четыре выхода: по температуре (10 мВ/ОС); вибрации (10 мкФ/g) и питанию (15-30 В); контролю и калибровке (100 mB/g), а также общего провода.
Вторичный преобразователь 3 содержит первый буферный каскад 21, последовательно соединенный с первым преобразователем 22 постоянного напряжения в ток 4-20 мА. Эта последовательность позволяет получить на выходе 23 сигнал, пропорциональный температуре объекта диагностики.
Вторичный преобразователь 3 содержит также пропорциональный фильтр 24, к выходу которого параллельно подключены второй буферный каскад 25, фильтр 26 верхних частот и полосовой фильтр 27.
Пропорциональный фильтр 24 имеет характеристику вида:
,
2
1
3
3
где выбирается τ≈τ пассивного низкочастотного фильтра 6, а τ выбирается исходя из желаемой верхней граничной частоты канала, например τ≈8 мкс для 20 кГц.
Фильтр 26 верхних частот последовательно соединен с первым пиковым детектором 28 и вторым преобразователем 29 постоянного напряжения в ток 4-20 мА.
Полосовой фильтр 27 последовательно соединен с интегратором 30, детектором 31 среднеквадратичного значения и третьим преобразователем 32 постоянного напряжения в ток 4-20 мА.
Данное расположение элементов схемы позволяет получить сигнал на выходе 33, соответствующий переменному напряжению, пропорциональному виброускорению, для диагностики и спектрального анализа, а также сигнал на выходе 34, пропорциональный пиковому значению высокочастотной составляющей ускорения, и сигнал на выходе 35, пропорциональный среднеквадратичному значению виброскорости.
Параллельно пропорциональному фильтру 24 присоединен узкополосный фильтр 36, с центральной частотой 46 кГц, т.е. близкой к резонансной частоте вибрационного чувствительного элемента 5 (ширина по уровню -3 дБ около 3 кГц).
Последовательно к узкополосному фильтру 36 присоединен второй пиковый детектор 37 и детектор 38 средних значений. Второй пиковый детектор 37 последовательно соединен с первым логарифматором 39 и первым буферным усредняющим каскадом 40. Детектор 38 средних значений последовательно соединен со вторым логарифматором 41 и вторым буферным усредняющим каскадом 42.
Данное расположение элементов схемы позволяет получить сигнал, пропорциональный техническому состоянию подшипника на выходе 43, а также сигнал по напряжению, пропорциональному состоянию смазки подшипника на выходе 44. Развитие дефекта в подшипнике приводит к росту напряжения на выходе 43, а дефицит смазки в подшипнике приводит к росту напряжения на выходе 44.
Вторичный преобразователь 3 нормализует выходные сигналы и защищает от помех за счет экранирования и полного гальванического разделения между входами, выходами и питанием, это обеспечивается корпусом 45 (см. фиг 3) со встроенным барьером искрозащиты 46. Корпус 45 выполнен с возможностью крепления на DIN-рельс.
При работе вторичного преобразователя 3 совместно с первичным преобразователя 2 вибрации обеспечивается семь выходов: три выхода 4-20 мА (по среднеквадратичному значению виброскорости, по пику ускорения и по температуре), три выхода по резонансу (ударным импульсам) и один выход переменного ускорения.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет решить техническую проблему, а именно провести весь комплекс диагностических мероприятий с помощью одного универсального устройства, однократной установкой на объект диагностики.
Устройство для диагностики оборудования (измерительный канал) во время определения состояния подшипника работает следующим образом: чувствительный элемент 5 благодаря своей конструкции, т.е. ненагруженному биморфу 13 со строго фиксированными размерами и закрепленному между прецизионными шайбами 14, имеет стабильный по частоте и амплитуде резонанс, например, около 46 кГц. Для одновременного измерения вибрации амплитуда резонанса за счет пассивного фильтра 6 уменьшается приблизительно на порядок до значений, при которых не наступает перегрузка усилителя заряда ни при каком, даже значительном, дефекте подшипника. Это одновременно существенно повышает защиту от перегрузки для высоких значений дорезонансной вибрации, но искажает частотную характеристику в дорезонансной области. Для ее восстановления отфильтрованный сигнал поступает на вход пропорционального фильтра 24. Пропорциональный фильтр 24 восстанавливает частотную характеристику для вибрационных измерений следующим образом.
На выходе пропорционального фильтра сигнал может быть представлен в следующем виде:
,
2
1
что при τ≈τ преобразуется в:
,
3
т.е. при указанном выше соотношении постоянных времени частотная характеристика преобразуется в плоскую частотную характеристику с верхней частотой среза , что, например, для τ≈8 мкс обеспечивает полосу 20 кГц.
Таким образом, обеспечивается широкополосное измерение вибрации, поскольку сигнал выхода пропорционального фильтра 24 - это сигнал с уже плоской частотной характеристикой, который поступает на буферный каскад 25 для анализа и на линию 26-28-29-34 для выделения пикового значения высокочастотной вибрации, а также на линию 27-30-31-32-35 для получения выходного сигнала, пропорционального виброскорости. Выход 34 высокочастотного ускорения может использоваться для подтверждения развитых дефектов подшипников или коробок передач. Выход 35 среднеквадратичного значения виброскорости может использоваться для защиты и автоматической остановки агрегата согласно нормативным документам.
Для одновременного резонансного контроля состояния подшипника сигнал поступает на полосовой фильтр 36 до пропорционального фильтра 24 и таким образом нормированный резонансный сигнал, возникающий на резонансе чувствительного элемента 5, поступает на линию 37-39-40-43 для определения технического состояния подшипника, так как развитие дефекта в подшипнике приводит к росту напряжения на выходе 43, одновременно с этим нормированный резонансный сигнал, возникающий на резонансе чувствительного элемента 5, поступает и на линию 38-41-42-44 для определения состояния смазки подшипника, так как дефицит смазки в подшипнике приводит к росту напряжения на выходе 44.