ДАТЧИК АБСОЛЮТНЫХ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ
ABSOLUTE VIBRATION DISPLACEMENT SENSOR

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано для мониторинга, диагностики и аварийной защиты роторного оборудования.
Известны аналоги-датчики PS400.317 и GPS 400.610Мс пьезоэлектрическими чувствительными элементами и выносным электронным блоком, позволяющие измерять низкочастотные виброперемещения.
Недостатками аналогов являются отсутствие возможности измерения колебаний с частотами ниже 2 Гц, большие погрешности при измерении более низких частот (до 0,7 Гц). Кроме того, эти датчики не позволяют вести измерения при одновременном интенсивном воздействии вибрации и ударов, характерных для современной промышленности.
Более близким аналогом к предлагаемому техническому решению является датчик абсолютных виброперемещений - RU 2146806, 21.05.1999, принятый в качестве прототипа, содержащий корпус, расположенные внутри пьезорезистивный акселерометр (чувствительный элемент), электронную схему, обеспечивающую преобразование виброускорений в виброперемещение, демпфер с близким к оптимальному демпирующим коэффициентом с оптимальной до 500 Гц АЧХ, а крепление акселерометра внутри корпуса осуществлено через виброизолятор с собственной частотой на 15-40% превышающей собственную частоту акселерометра. Существенным недостатком прототипа является низкая вибро-ударопрочность и помехозащищенность от промышленных шумов и наводок, обусловленные примененными схемотехническими решениями и конструктивным исполнением.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства, позволяющего измерять виброперемещение в частотном диапазоне от 0,4 Гц до 200-500 Гц с амплитудой от 3-10 мкм до 1000 мкм, при одновременном воздействии случайных ударов и высокочастотных вибрационных нагрузок, превышающих реально существующие на гидроагрегатах и любом роторном оборудовании (высокочастотная вибрация до 500 g, ударов до 1000 g).
Технический результат достигается в датчике абсолютных виброперемещений, содержащем корпус, расположенные внутри корпуса пьезоэлектрический акселерометр, электронный блок, обеспечивающий преобразование виброускорений в виброперемещение, пьезоэлектрический акселерометр имеет собственный корпус, который размещен в корпусе датчика, имеющего внутренний объем, превышающий объем корпуса акселерометра не менее, чем в 5 раз таким образом, что между корпусом датчика и корпусом пьезоэлектрического акселерометра расположен объемный трехслойный термо-виброзащитный безрезонансный в рабочем диапазоне частот наполнитель, состоящий из трех слоев, имеющих, соответственно, 1, 6, 10 ед. твердости по Шору и занимающих, соответственно, 20, 70, 10% объема между корпусом датчика и корпусом пьезоэлектрического акселерометра, представляющий собой сборку из слоев силиконового термополимера и полиуретана, обеспечивающий полное поглощение энергии высокочастотной вибрации и ударов за счет указанных соотношений слоев комбинированного наполнителя, электронный блок размещен в автономном экране и связан с входным интерфейсом внешнего устройства двухэкранным кабелем с обеспечением двухконтурного экранирования.
На фиг. 1 изображен датчик абсолютных виброперемещений.
Датчик абсолютных виброперемещений содержит корпус 1, расположенные внутри корпуса пьезоэлектрический акселерометр 2, электронный блок 3, обеспечивающий преобразование виброускорений в виброперемещение, пьезоэлектрический акселерометр 2 имеет собственный корпус 4, который размещен в корпусе 1 датчика таким образом, что между корпусом датчика 1 и корпусом 4 пьезоэлектрического акселерометра расположен трехслойный термо-виброзащитный безрезонансный в рабочем диапазоне частот наполнитель 5, электронный блок 3 размещен в экранирующей оболочке 6 и связан с внешним устройством 7 двухэкранным кабелем 8 с обеспечением двухконтурного экранирования.
Рассмотрим пример конкретной реализации датчика абсолютных виброперемещений. Корпус датчика 1 изготовлен из латуни. Пьезоэлектрический акселерометр 2 представляет из себя биморфный пьезоэлемент 2, который установлен на бобышку 9 в корпусе акселерометра 4. Пьезоэлемент 2 связан двухжильным экранированным кабелем 10 с электронным блоком 3. Электронный блок 3 представляет из себя плату, на которой размещены узлы интегрирования, фильтрации, усиления и преобразования напряжения в ток. Корпус 4 пьезоэлектрического акселерометра выполнен из алюминиевого сплава. Трехслойный термо-виброзащитный безрезонансный в рабочем диапазоне частот наполнитель 5 представляет из себя сборку из слоев силиконового термополимера и полиуретана различной плотности и вязкости, которым заполняют пространство между корпусом датчика 1 и корпусом 4 акселерометра 2. Экранирующая оболочка 6 электронного блока 3 выполнена из медной фольги и связана с внешним устройством 7 двухэкранным кабелем. Экранирование 11 кабеля 8 выполнено в виде слоя медной оплетки и внешнего бронерукава. Выходной интерфейс обеспечивает передачу значения, вычисленного электронным блоком 3 перемещения на внешние устройства, для которых данное перемещение является входным сигналом, например, на сигнализатор превышения вибрации. Корпус 4 пьезоэлектрического акселерометра 2 размещен в корпусе 1, который имеет внутренний объем, превышающий объем корпуса 4 акселерометра 2 не менее, чем в 5 раз. При меньшем объеме корпуса 1 не обеспечивается поглощение высокочастотных и ударных воздействий на чувствительный элемент 2, что приводит к его некачественной работе. Увеличение соотношения объемов корпусов 1 и 4 нецелесообразно из-за увеличения габаритов датчика, что не желательно.
Рассмотрим датчик абсолютных виброперемещений в работе. В рассматриваемом примере датчик применяется для контроля наличия опасного уровня вибрации в гидрогенераторной турбине. Датчик абсолютных виброперемещений устанавливают на корпусе турбины. Вибрация корпуса турбины передается на пьезоэлемент 2. В результате этого пьезоэлемент 2 деформируется, создавая разность потенциалов между точками контакта с проводниками 10. Электронный блок 3 считывает разность потенциалов, образующуюся на контактах кабеля 10 с пьезоэлементом 2, и вычисляет пропорциональную этой разности потенциалов величину перемещения.
Благодаря наличию трехслойного термо-виброзащитного безрезонансного в рабочем диапазоне частот наполнителя 5, поглощающеего высокочастотные вибрации и удары, пьезоэлемент 2 воспринимает только вибрации с частотами до 200-500 Гц, а еще наличие двухконтурной системы заземления позволяет расширить нижнюю границу частотного диапазона до 0,4 Гц и измерять колебания с амплитудой от 3-10 мкм до 1000.