Устройство для бездемонтажной проверки работоспособности виброметра с пьезоэлектрическим вибропреобразователем

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для комплексной проверки работоспособности виброметра с его пьезоэлектрическим вибропреобразователем с соединительным кабелем и измерительной цепью без демонтажа вибропреобразователя с объекта измерения вибрационных параметров.
Виброметры с пьезоэлектрическими преобразователями широко используются для измерения параметров вибраций объектов, предназначенных для работы в течение длительных периодов времени с минимальным обслуживанием в жестких условиях эксплуатации (повышенная температура, влажность, наличие агрессивной среды и т.д.). По этой причине возможно возникновение нарушений работы или отклонений от нормируемых в нормативных документах характеристик как пьезоэлектрических вибропреобразователей, так и измерительной цепи виброметров. В этих случаях измерение параметров вибраций будет проводиться со значительными погрешностями (превышающими допустимые пределы) или информация о них будет вообще отсутствовать, как следствие, возможен выход из строя всего агрегата, вибрационные параметры которого должен измерять виброметр. Замена вышедшего из строя вибропреобразователя виброметра часто является дорогостоящей операцией (а иногда она просто невозможна без длительных и затратоемких работ), поэтому периодический контроль работоспособности виброметра без демонтажа установленного на место эксплуатации вибропреобразователя и его измерительной цепи является актуальной задачей.
Известно устройство, осуществляющее известный способ бездемонтажной поверки работоспособности пьезоэлектрическоговибропреобразователя («Способ поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя без демонтажа с объекта контроля», (RU 2358244, G01H 11/08, 10.06.2009).
Устройство содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь, согласующее устройство, генератор, вольтметр и резисторы.
При периодической поверке пьезоэлектрического вибропреобразователя без демонтажа его с объекта установки, от генератора синусоидальных сигналов на поверяемый вибропреобразователь последовательно на частотах, составляющих его рабочий диапазон, подают нормированный электрический сигнал напряжения замещения механического возбуждения вибропреобразователя и снимают текущее значение напряжения на резисторе, включенном в разрыв сигнальной цепи вибропреобразователя. По сравнению полученного текущего значения со значением, полученным при возбуждении поверяемого вибропреобразователя виброускорением на заданной частоте при первичной поверке, судят о состоянии работоспособности поверяемого вибропреобразователя.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного устройства относится невозможность осуществлять проверку работоспособности измерительных цепей и пьезоэлектрических вибропреобразователей с неизолированным от корпуса электродом (оба электрода пьезоэлектрического вибропреобразователя должны быть изолированы от корпуса для осуществления замещения механического возбуждения вибропреобразователя подачей нормированного электрического сигнала).
Известно устройство для бездемонтажной поверки работоспособности пьезоэлектрического вибропреобразователя («Система контроля пьезоэлектрических датчиков», RU 128321 U1, G01H 17/00, 20.05.2013),которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемому устройству.
Известное устройство содержит датчик (пьезоэлектрический вибропреобразователь с изолированными от его корпуса электродами пьезоэлемента) и подключенную к нему по трехпроводной линии связи измерительную цепь, содержащую двухпозиционный переключатель с двумя группами перекидных контактов, соединяемых с блоком измерения и контроля, источником тестового напряжения, делителем напряжения, элементом сравнения, источником образцового сигнала, индикатором неисправности датчика, вторым источником образцового сигнала и вторым элементом сравнения.
Известное устройство попеременно (периодически) осуществляет работу в двух режимах - рабочем и контрольном, осуществляющем проверку исправности пьезоэлектрических датчиков, установленных на объекте, и дополнительную оценку исправности блока измерения и контроля.
В рабочем режиме измерения текущих значений параметров вибраций объекта пьезоэлектрический вибропреобразователь устройства через переключатель соединяют с входом блока измерения и контроля, с помощью которого определяют параметры вибрации, генерируемые объектом, на котором установлен пьезоэлектрический вибропреобразователь.
При осуществлении контрольного режима переключатель соединяет генератор тестового сигнала с электродами пьезоэлемента пьезоэлектрического преобразователеля, в котором возникают возбуждаемые сигналами источника тестового напряжения механические колебания пьезоэлемента, вызывающие появление электрического сигнала вследствие прямого пьезоэффекта, который сравнивают в первом элементе сравнения с образцовым сигналом первого источника образцового сигнала. Так как вначале проверяется пьезоэлектрический преобразователь вместе с блоком измерения и контроля, то при наличии отклонения от образцового сигнала делают вывод о неправильной работе блока измерения и контроля, которыйиндицируется индикатором неисправности. Проводят проверку работы блока измерения и контроля. При исправном блоке измерения и контроля проводят проверку правильной работы пьезоэлектрического вибропреобразователя. Для этого тестовый сигнал отключают от пьезоэлектрического преобразователя, после чего в последнем возникают затухающие механические колебания на частоте, близкой к резонансной частоте. Эти колебания вследствие прямого пьезоэффекта вызывают появление электрического сигнала на обкладках пьезоэлемента. Этот сигнал сравнивают во втором элементе сравнения с заранее заданным образцовым сигналом, поступившим от второго источника образцовых сигналов. В случае несоответствия электрического сигнала на обкладках пьезоэлемента датчика образцовому сигналу второго источника образцовых сигналов, второй элемент сравнения фиксирует неисправность пьезоэлектрического преобразователя, которая индицируется индикатором неисправности. При отсутствии отклонений сравниваемых с образцовым сигналом затухающих колебаний делают вывод о правильной работе пьезоэлектрического преобразователя.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного устройства относятся его сложность и возможность осуществлять проверку работоспособности виброметров с пьезоэлектрическими вибропреобразователями только с изолированными от корпуса электродами.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции и расширение номенклатуры типов пьезоэлектрических вибропреобразователей у виброметров при их комплексной проверке без демонтажа с объекта установки пьезоэлектрического вибропреобразователя.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, заключается в обеспечении возможности комплексной проверкиработоспособности виброметров с помощью гармонического электрического сигнала (например, на базовой частоте 160 Гц) с последующим определением причины неисправности виброметра: пьезоэлектрического вибропреобразователя или измерительной цепи.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом устройстве для бездемонтажной проверки работоспособности виброметра с пьезоэлектрическим вибропреобразователем, содержащем подключенную к вибропреобразователю через соединительный кабель измерительную цепь, включающую двухканальный переключатель с перекидными контактами, измерительный блок, источник тестового сигнала, блок сравнения и блок индикации неисправности, в отличие от известного устройства двухканальный переключатель выполнен трехпозиционным, а измерительная цепь снабжена запоминающим блоком, источником напряжения постоянного тока, источником опорного напряжения и согласующим усилителем с входными - двумя резисторами и конденсатором, входами первым - неинвертирующим и вторым - инвертирующим, третьим входом, соединенным с источником напряжения постоянного тока, и выходом, при этом к перекидным контактам, первой и второй позиций первого канала переключателя по проводу сигнального кабеля с экраном подключен первый - сигнальный контакт электрода пьезоэлемента вибропреобразователя, установленного на объекте измерения вибрации, соединенного с общей шиной совместно с экраном сигнального кабеля и контактом второго, возможно изолированного от корпуса электрода вибропреобразователя; контакт первой позиции второго канала переключателя соединен с общей шиной, а к контактам, второй и третьей позиций второго канала переключателя подключен выход источника тестового сигнала, соединенного также с общей шиной; подвижный контакт первого канала переключатателя через входной резистор подключен к инвертирующему входу согласующегоусилителя, соединенного с общей шиной; подвижный контакт второго канала переключатателя через входной конденсатор подключен к неинвертирующему входу согласующего усилителя, к этому же входу согласующего усилителя через входной резистор подключен выход источника опорного напряжения, также соединенного с общей шиной; к выходу согласующего усилителя подключен измерительный блок, к первому выходу которого последовательно подключены запоминающий блок, блок сравнения и индикатор неисправности, причем второй выход измерительного блока соединен со вторым входом блока сравнения.
На фиг. приведена, принципиальная схема устройства для проверки работоспособности виброметра с пьезоэлектрическим вибропреобразователем.
1
2
3
1
2
1
1
2
2
3
1
Устройство для проверки работоспособности виброметра (фиг.) содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь 1 с пьезоэлементом 1, с его первым сигнальным электродом с контактом 1 и возможно изолированным от корпуса вибропреобразователя 1 вторым электродом с контактом 1. Вибропреобразователь 1 установлен на объекте 2, виброускорение которого воздействует на пьезоэлемент 1 вибропреобразователя 1. Сигнальный контакт 1 пьезоэлемента 1 по проводу 3 соединительного кабеля с экраном 3 соединен с измерительной цепью 4, при этом экран 3 соединительного кабеля совместно с контактом 1 второго электрода пьезоэлемента 1 и объектом 2 соединены с общей шиной 5 измерительной цепи 4.
1-(1, 2, 3)
2-(1, 2 3)
Измерительная цепь 4 виброметра содержит трехпозиционный двухканальный переключатель 6 с перекидными контактами 6 и 6, источник тестового сигнала 7, источник опорного напряжения 8, согласующий усилитель 9 с входными - двумя резисторами 10 и 11 и конденсатором 12, подключенные к согласующему усилителю 9 источникнапряжения постоянного тока 13, измерительный блок 14, запоминающий блок 15, блок сравнения 16 и индикатор неисправности 17.
Источник тестового сигнала 7, источник опорного напряжения 8 и согласующий усилитель 9 соединены с общей шиной 5.
2-1
2
2-2
2-3
2
Контакт 6 первой позиции второго канала 6 переключателя 6, источник тестового сигнала 7, источник опорного напряжения 8 и согласующий усилитель 9 соединены с общей шиной 5. К контактам второй 6 и третьей 6 позиций второго канала 6 переключателя 6 подключен выход источника тестового сигнала 7.
1
2
2
1
1
Подвижный контакт первого канала 6 переключатателя 6 через входной резистор 10 подключен к инвертирующему входу 9 согласующего усилителя 9, а подвижный контакт второго канала 6 переключатателя 6 через входной конденсатор 12 подключен к неинвертирующему входу 9 согласующего усилителя 9, к этому же входу 9 согласующего усилителя 9 через входной резистор 11 подключен выход источника опорного напряжения 8.
3
4
2
2
Источник напряжения постоянного тока 13 подключен к входу 9 согласующего усилителя 9, к выходу 9 которого последовательно подключены, измерительный блок 14, запоминающий блок 15, блок сравнения 16 и индикатор неисправности 17. Второй выход 14измерительного блока 14 дополнительно соединен со вторым входом 16блока сравнения 16.
-2)
1-1
2-1
При первичной поверке, которая осуществляется в соответствии с ГОСТ Р 8.669-2009 при выпуске из производства пьезоэлектрического вибропреобразователя 1 виброметра, определяют требуемые параметры, в том числе его емкость и действительное значение коэффициента преобразования (пКл/мс вибропреобразователя на базовой частоте (например, 160 Гц). При определении действительного значениякоэффициента преобразования переключатель 6 устанавливают в положение 6 - 6.
2
Выходное напряжение согласующего усилителя 9  соответствующее действующему на вибропреобразователь виброускорению (например, =10 м/с), и действительное значение коэффициента преобразования  сохраняют в запоминающем блоке 15.
После установки на место эксплуатации пьезоэлектрического вибропреобразователя 1 со штатным соединительным кабелем 3 определяют их суммарную емкость . Значение суммарной емкости  сохраняют в запоминающем блоке 15.
1
1
4
В измерительной цепи 4 (фиг) переводят трехпозиционный переключатель 6 во вторую позицию контактов 61.2 - 62-2 и с выхода источника тестового сигнала 7 через входной конденсатор 12 подают гармонический сигнал на неинвертирующий вход 9 согласующего усилителя 9. Амплитуду или среднее квадратическое значение (с.к.з.) переменного сигнала на неинвертирующем входе 9согласующего усилителя 9 подбирают таким, чтобы значение амплитуды (с.к.з.) напряжения на выходе 9 согласующего усилителя 9 было бы
2
т.е.  должно быть равно напряжению, соответствующему виброускорению, действующему на пьезоэлектрический вибропреобразователь при первичной поверке (например, =10 м/с). Значение напряжения  сохраняют в запоминающем блоке 15.
1-3
2-3
2
1
1
4
4
2
Переводят трехпозиционный переключатель 6 в третью позицию контактов 6 - 6 (в этом положении переключателя отключают от согласующего усилителя 9 контакт сигнального электрода 1 пьезоэлемента 1 пьезоэлектрического вибропреобразователя 1), подают с выхода источника тестового сигнала 7 на неинвертирующий вход 9 согласующего усилителя 9 электрический сигнал  (например, на базовой частоте 160 Гц). Спомощью измерительного блока 14 измеряют напряжение на выходе 9согласующего усилителя 9. Амплитуду (с.к.з.) напряжения на выходе источника тестового сигнала 7  подбирают такой, чтобы значение амплитуды (с.к.з.) напряжения на выходе 9согласующего усилителя 9  было равно , т.е. напряжению, соответствующему виброускорению, действующему на пьезоэлектрический вибропреобразователь при первичной поверке (например, =10 м/с). Значения напряжений  и  также сохраняют в запоминающем блоке 15.
1-1
2-1
Переводят трехпозиционный переключатель 6 в первую позицию контактов 6 - 6, после чего устройство готово к работе в режиме измерений виброускорения.
Устройство для бездемонтажной проверки работоспособности виброметра с пьезоэлектрическим вибропреобразователем работает в трех режимах:
- Измерение текущего значения параметров вибрации объекта.
- Бездемонтажная проверка работоспособности виброметра (измерительной цепи совместно с пьезоэлектрическим вибропреобразователем).
- Проверка работоспособности измерительной цепи виброметра (без пьезоэлектрического вибропреобразователя).
Измерение текущего значения параметров вибрации объекта.
1-1
2-1
Переводят трехпозиционный переключатель 6 в первую позицию контактов 6 - 6 (фиг.), после чего устройство готово к работе в режиме измерений виброускорения. Информацию о виброускорении, воздействующего на пьезоэлектрический вибропреобразователь 1 со стороны объекта 2, получают с измерительного блока 14.
1-2
2-2
1
4
Бездемонтажная проверка работоспособности виброметра (измерительной цепи совместно с пьезоэлектрическим вибропреобразователем). Через интервал времени, регламентированный в технических условиях на устройство, осуществляют проверку работоспособности виброметра с пьезоэлектрическим вибропреобразователем. Для этого переводят трехпозиционный переключатель 6 во вторую позицию его контактов 6 - 6 (фиг.). С выхода источника тестового сигнала 7 на неинвертирующий вход 9 согласующего усилителя 9 подают электрический сигнал (например, на базовой частоте 160 Гц). С помощью измерительного блока 14 измеряют напряжение  на выходе 9 а согласующего усилителя 9 и сравнивают его значение с начальным значением напряжения  сохраненным в запоминающием блоке 15. Если амплитуда напряжения на выходе 94 согласующего усилителя 9
(отклонение не должно превышать регламентированного в технических условиях на устройство значения, например, 5%) то принимают решение об исправном состоянии пьезоэлектрического вибропреобразователя 1, соединительного кабеля 3, согласующего усилителя 9 и остальных блоков, входящих в состав устройства (измерительной цепи виброметра).
Если же  отклонение превышает значение, регламентированное в технических условиях на устройство, то вначале проводят измерение емкости соединительного кабеля 3 вместе с емкостью пьезоэлектрического вибропреобразователя 1. При текущем значении суммарной емкости  принимается решение об исправности соединительного кабеля 3 и подключенного к нему пьезоэлектрического вибропреобразователя 1.
Проверка работоспособности измерительной цепи виброметра (без пьезоэлектрического вибропреобразователя)
1-3
2-3
1
Переводят трехпозиционный переключатель 6 в третью позицию контактов 6 - 6 (фиг.) (таким образом, отключают пьезоэлектрический вибропреобразователь от согласующего усилителя), подают с выходаисточника тестового сигнала 7 на неинвертирующий вход 9 согласующего усилителя 9 электрический сигнал  (например, на базовой частоте 160 Гц). С помощью измерительного блока 14 измеряют напряжение  на выходе согласующего усилителя 9 и сравнивают значение измеренного напряжения с сохраненным в запоминающем блоке 15 начальным значением напряжения . Если амплитуда (с.к.з.) напряжения выходе согласующего усилителя 9
,
в
а отклонение превышает значение, регламентированное в технических условиях на устройство, то делают вывод о неправильной работе согласующего усилителя или возник сбой в работе остальных входящих в устройство блоков (например, несанкционированное изменение значений  запоминающем блоке 15).
Блоки заявляемого устройства 7, 8, 9, 13-17 могут быть реализованы в цифровом виде с помощью платы ЦАП-АЦП.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления устройства для бездемонтажной комплексной проверки работоспособности виброметра с пьезоэлектрическим вибропреобразователем, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.