СПОСОБ ПОВЕРКИ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
METHOD OF CALIBRATION OF THREE-COMPONENT INTERRUPTOR VIBRATORS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поверки трехкомпонентных вибропреобразователей и/или калибровки при их изготовлении.
Для поверки трехкомпонентных вибропреобразователей необходимо осуществлять вибровоздействие на каждую из трех компонент, измерять ее реакцию на это вибровоздействие для сличения с аналогичной реакцией эталонного вибропреобразователя.
Известен «Способ воспроизведения трехкомпонентных вибраций» (RU 2327965, G01M 7/06, 27.06.2008), предназначенный для испытаний конструкций на вибрацию и использующий однонаправленное виброускорение с расчетными величинами амплитуд виброускорений, образуемыми проекциями его вектора по трем осям координат X, Y и Z испытуемого объекта.
Для этого испытуемый объект прикрепляют к платформе, установленной на вибростоле вибростенда под определяемым расчетом двугранным углом θ относительно заданного рабочего направления вектора виброускорения (компонента по оси координат Z) без учета имеющего место поперечного движения вибростола. Для создания компонент виброускорений по осям Х и Y объект на платформе устанавливают под определяемым расчетом углом φ относительно направления наклона платформы.
Заявитель в уровне техники не обнаружил в отечественных и зарубежных источниках применения такого известного способа воспроизведения трехкомпонентных вибраций в вибростендах для проведения поверки и/или калибровки трехкомпонентных вибропреобразователей.
Способ поверки вибропреобразователей (вибродатчиков) регламентирован нормативными документами: ГОСТ Р 8.669-2009 ГСИ «Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки», МИ 2478-98 «Аппаратура виброконтроля. Методика поверки» и может быть реализован, например, на известной «Виброустановке поверочной автоматизированной», внесенной в Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №43154-09.
Известная виброустановка включает:
- два электродинамических вибростенда с вибростолами на два диапазона воспроизводимых частот и амплитуд виброускорений,
- однокомпонентный эталонный вибропреобразователь виброметра для измерения параметров воспроизводимой вибрации,
- трехкомпонентный эталонный вибропреобразователь, используемый только для определения относительного коэффициента поперечного движения вибростола виброустановки (п. 7.6 МИ 1929-2007, «Установки вибрационные поверочные. Методика поверки»).
Известный способ поверки вибропреобразователей, регламентируемый стандартом ГОСТ Р 8.669-2009, с учетом рекомендаций, приведенных в пунктах 6.4.10.10, 6.4.11.4 и 6.4.12.2 МИ 2478-98, относящихся к поверке трехкомпонентных вибропреобразователей, является наиболее близким по назначению и сущности аналогом заявляемого способа и реализуется следующим образом.
На вибростол поверочной виброустановки с прикрепленным к нему эталонным однокомпонентным вибропреобразователем виброметра устанавливают поверяемый трехкомпонентный вибропреобразователь таким образом, чтобы одна из его осей чувствительности - горизонтально-поперечная X, горизонтально-осевая Y или вертикальная Z - была параллельна оси чувствительности эталонного однокомпонентного вибропреобразователя и, соответственно, параллельна направлению задаваемого однонаправленного виброускорения - вибрационного воздействия.
Согласно ГОСТ Р 8.669-2009 осуществляют непосредственное сличение реакции на воздействующее виброускорение однокомпонентного эталонного вибропреобразователя, встроенного в поверочную виброустановку, с реакцией одной из компонент поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя и определяют метрологические характеристики этой компоненты (в т.ч. коэффициент преобразования, неравномерность амплитудно-частотной характеристики).
Меняя положение поверяемого вибропреобразователя (п.п. 6.4.10.10, 6.4.11.4, 6.4.12.2 МИ 2478-98), по аналогичному непосредственному сличению измеренных сопоставимых реакций однокомпонентного эталонного вибропреобразователя и других компонент поверяемого вибропреобразователя определяют метрологические характеристики всех трех компонент и, в итоге, всего поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя.
Таким образом, известный способ поверки трехкомпонентных вибропреобразователей предусматривает последовательное непосредственное сличение измеренных сопоставимых реакций эталонного однокомпонентного вибропреобразователя и каждой компоненты поверяемого вибропреобразователя на воздействующее однонаправленное виброускорение с последующей перестановкой поверяемого вибропреобразователя под воздействующее виброускорение на очередную компоненту.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится влияние на точность поверки поперечного движения вибростола виброустановки и имеющее место, как правило, неизвестное отклонение от ортогональности осей чувствительности у поверяемого вибропреобразователя, а также необходимость менять положение поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя при поверке каждой компоненты.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности поверки и сокращение времени на ее проведение.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в исключении влияния на точность поверки поперечного движения вибростола виброустановки и неизвестного отклонения от ортогональности осей чувствительности поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя, а также отсутствие необходимости изменения положения поверяемого вибропреобразователя при поверке каждого его компонента.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что по заявляемому способу поверки трехкомпонентных вибропреобразователей, использующему воздействие на поверяемый и эталонный вибропреобразователи заданными однонаправленными виброускорениями, векторы которых совпадают по направлениям с их осями чувствительности, и непосредственное сличение измеренных сопоставимых реакций обоих вибропреобразователей на воздействующие виброускорения, в отличие от известного способа эталонный и поверяемый трехкомпонентные вибропреобразователи устанавливают таким образом, чтобы их одноименные оси чувствительности были параллельны друг другу, вертикальную ось чувствительности каждого вибропреобразователя совмещают с плоскостью, проходящей через вектор воздействующего на этот вибропреобразователь однонаправленного виброускорения и биссектрису угла между его горизонтальными осями чувствительности и ориентируют эту ось под заданным острым углом относительно вектора своего воздействующего однонаправленного виброускорения, а на одноименные компоненты поверяемого и эталонного вибропреобразователей одновременно воздействуют одинаковыми компонентами вектора этого своего однонаправленного виброускорения, которые равны их проекциям на одноименные оси чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что вертикальные оси поверяемого и эталонного вибропреобразователей ориентируют относительно заданного вектора воздействующего однонаправленного виброускорения под углами, предпочтительно, равными 54,7′ (54°42′).
На фиг. 1 изображено пространственное расположение поверяемого и эталонного вибропреобразователей на вибростоле поверочного вибростенда; на фиг. 2 - то же, вид сбоку, на фиг. 3 условно изображен поверяемый вибропреобразователь с осями координат и векторами вибровозбуждения его компонент, являющихся проекциями вектора однонаправленного вибровозбуждения заданного направления; на фиг. 4 - то же, вид сбоку; на фиг. 5 - то же, вид сверху; на фиг. 6 - то же, во фронтальной диметрической проекции.
Заявляемый способ поверки трехкомпонентных вибропреобразователей осуществляется следующим образом.
Xп
Yп
Zп
Xэт
Yэт
Zэт
п
эт
п
эт
п
эт
Поверяемый (п) 1 и эталонный (эт) 2 трехкомпонентные вибропреобразователи (фиг.1, 2) с компонентами 3, 3 и 3 поверяемого 1 вибропреобразователя и эталонного 2 вибропреобразователя с компонентами 4, 4 и 4 с помощью соответствующих крепежных отверстий 5 и 6 устанавливают на вибростол поверочной виброустановки (вс) (на фиг. не показаны) таким образом, чтобы их одноименные оси чувствительности (фиг.3-5) - горизонтальные X, X и Y, Y и вертикальные Z, Z были параллельны и расположены в параллельных или совмещенных для вертикальных осей (как изображено на фиг. 1-5) плоскостях.
п
эт
вс
п
эт
п
эт
п
эт
Вертикальные оси чувствительности Z, и Z вибропреобразователей совмещают с плоскостью, проходящей через вектор воздействующего на этот вибропреобразователь однонаправленного виброускорения, совпадающего с осью Z вибростола виброустановки, и биссектрис 7 и 7 углов между горизонтальными осями чувствительности X, X и Y, У вибропреобразователей.
п
эт
вс
1
2
вс
п
эт
п
эт
вс
Zвс
Положения вертикальных осей Z и Z обоих вибропреобразователей (совместно с их горизонтальными осями) ориентируют относительно общего воздействующего однонаправленного вектора виброускорения по оси Z под заданным острым углом (на фиг. 1-6 θ=45°, на фиг. 6 - положения поверяемого вибропреобразователя - позиции 1, исходное положение, и 1, положение после ориентации оси Z под углом θ). При этом горизонтальные оси чувствительности X, X и Y, Y ориентируются относительно оси Z и вектора воздействующего виброускорения α под одинаковыми равными углами γ (фиг.3-4).
вс
Zвс
Xп
Yп
Zп
Xэт
Yэт
Zэт
Zвс
Zвс
Xп
Xэт
Yп
Yэт
Zп
Zэт
На поверяемый 1 и эталонный 2 вибропреобразователи по направлению оси Z воздействуют заданным однонаправленным виброускорением α. Поскольку все оси чувствительности 3, 3 и 3 поверяемого 1 и 4, 4 и 4 эталонного 2 вибропреобразователей ориентированы под соответствующими острыми углами θ или γ по отношению к своему вектору воздействующего виброускорения α (фиг.3, 4, 5 и 6), то на каждый компонент вибропреобразователей одновременно воздействует виброускорение с вектором, равным проекции вектора α воздействующего виброускорения на эти оси чувствительности соответствующей компонены - α-α, α-α и α-α.
По непосредственному сличению измеренных сопоставимых реакций компонент поверяемого и эталонного вибропреобразователей на воздействующие виброускорения определяют текущие метрологические характеристики поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя.
<mrow><msub><mrow><mover><mi>a</mi><mo>→</mo></mover></mrow><mrow><mi>X</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover><mi>a</mi><mo>→</mo></mover></mrow><mrow><mi>Y</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
В этом случае при условии отсутствия поперечного движения вибростола поверочного вибростенда (т.е.
;
) на оси эталонного и поверяемого вибропреобразователей действуют следующие виброускорения
Zэт
Xэт
Zэт
Zэт
Xэт
Yэт
эт
эт
эт
При известных коэффициентах преобразования эталонного вибропреобразователя по каждой компоненте k, k, k и измеренных значениях выходных напряжений его измерительной цепи U, U и U определяются проекции модуля заданного вектора виброускорения на оси X, Y и Z эталонного вибропреобразователя (см. ГОСТ Р 8.669-2009, МИ 2478-98):
;
.
a
a
a
Zэт
Xэт
Yэт
Зная проекции векторов ,  и , модуль вектора задаваемого с помощью поверочной виброустановки виброускорения определяется известным выражением:
Zп
Xп
Yп
Если измеренные выходные сигналы поверяемого вибропреобразователя - U, U и U, то при условии равенства его коэффициентов преобразования каждой компоненты можно определить требуемое значение коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя:
<mrow><mo>|</mo><msub><mrow><mover><mi>a</mi><mo>→</mo></mover></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>B</mi><mi>C</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>|</mo></mrow>
где известное значение заданного модуля вектора виброускорения
может быть выражено через параметры поверяемого вибропреобразователя:
эт
эт
эт
п
п
п
<mrow><msub><mrow><mover><mi>a</mi><mo>→</mo></mover></mrow><mrow><mi>X</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi></mrow></msub><mo>≠</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover><mi>a</mi><mo>→</mo></mover></mrow><mrow><mi>Y</mi><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi></mrow></msub><mo>≠</mo><mn>0</mn></mrow>
Из выражений (2) и (4) следует вывод, что при параллельном расположении соответствующих осей чувствительности X, Y и Z эталонного и X, Y и Z поверяемого вибропреобразователей на оба вибропреобразователя действует один и тот же вектор виброускорения, задаваемый поверочной виброустановкой. При наличии поперечного движения (
;
) вибростола модуль вектора виброускорения, который определяется выражением
,
и его направление в пространстве изменятся. Однако это изменение относительно осей чувствительности эталонного и поверяемого вибропреобразователей из-за их параллельности при установке произойдет одинаковым образом и при определении коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя не отразится.
эт
эт
эт
п
п
п
Если поперечное движение поверочного вибростенда незначительное и им можно пренебречь, то и отклонения от взаимной параллельности расположения соответствующих осей чувствительности X, Y и Z эталонного и X, Y и Z поверяемого вибропреобразователей при их установке не оказывают влияния на точность определения коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя. Этот вывод можно сделать на основании следующих рассуждений.
п
вс
п
п
вс
вс
Если ось Z поверяемого 1 вибропреобразователя расположена под углом θ±Δθ к оси Z поверочного вибростенда (фиг.6), а оси Х и Y параллельны осям X и Y, то проекции вектора виброускорения, задаваемого с помощью поверочного вибростенда, на оси поверяемого вибропреобразователя определяются выражениями:
где Δθ - угол, характеризующий отклонение от взаимной параллельности осей чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей.
Если определить модуль вектора виброускорения, действующего на поверяемый вибропреобразователь с учетом отклонения от взаимной параллельности осей чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей [проекции вектора виброускорения определяются выражениями (5)], то получим:
т.е. отклонения от взаимной параллельности поверяемого и эталонного вибропреобразователей при их установке не оказывают влияния на значение модуля вектора виброускорения, действующего на поверяемый вибропреобразователь.
Для обеспечения одинаковой абсолютной погрешности измерения векторов воздействующих виброускорений на все компоненты вибропреобразователей (при условии равенства погрешностей измерительных систем каждого канала вибропреобразователя) необходимо все оси чувствительности их компонент ориентировать относительно заданного однонаправленного виброускорения вибростенда поверочной установки под равными углами (θ=γ), что обеспечивает сопоставимость величин проекций измеряемых векторов виброускорений. Равные углы относительно заданного однонаправленного виброускорения вибростенда поверочной установки можно получить выбором соответствующего значения угла θ с помощью следующего расчета по формулам:
, или
, откуда
ctgθ=cos45° или ctgθ=sin45°, a θ≈54,7°.
Из последнего выражения следует, что при угле θ≈54,7° проекции вектора заданного виброускорения с помощью поверочной виброустановки на оси чувствительности эталонного и поверяемого вибропреобразователей будут приблизительно равны, следовательно, абсолютные погрешности измерения проекций также будут приблизительно равны.
Если изменять частоту воздействующего виброускорения в пределах рабочего диапазона частот и определять по формуле (3) коэффициент преобразования модуля виброускорения на каждой частоте, то можно определить неравномерность частотной характеристики поверяемого вибропреобразователя, а изменением амплитуды задаваемого виброускорения - нелинейность амплитудной характеристики (см. ГОСТ Р 8.669-2009).
Для проверки полученных выводов проведены экспериментальные исследования.
п
п
п
п
п
п
Xп
Yп
Zп
С этой целью на частотах 80 Гц и 160 Гц (как правило, в метрологической практике эти частоты являются базовыми) были определены коэффициенты преобразования виброускорения трехкомпонентных вибропреобразователей МВ-52 (№133104 и №133121) по осям чувствительности X, Y и Z методом непосредственного сличения с эталонным вибропреобразователем модели 4321 (№1227698, фирма «Брюль и Къер», Дания). Коэффициенты преобразования по осям чувствительности X, Y и Z поверяемых вибропреобразователей предварительно определялись на рабочем эталоне единиц параметров вибрации по методике, изложенной в ГОСТ Р 8.669-2009 (k, k и k), после чего был определен коэффициент преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя по формуле:
.
2
В процессе эксперимента поверяемый 1 и эталонный 2 вибропреобразователи с помощью оправки устанавливали на вибростоле рабочего эталона единиц параметров вибрации в пространственном, при θ=45°, положении, изображенном на фиг 1 и 2. На вибростоле рабочего эталона эталонный и поверяемый вибропреобразователи подвергались воздействию виброускорения величиной 10 м/с.
эт
эт
эт
Xп
Yп
Zп
пЭ
По формулам (2) определялись эталонные виброускорения, действующие по осям Х, Y и Z, выходные напряжения поверяемого вибропреобразователя U, U и U, после чего по формуле (4) определялось экспериментальное значение коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения k. Одновременно определялись экспериментальные коэффициенты преобразования поверяемого вибропреобразователя по каждой оси чувствительности по формулам:
;
;
.
п
пЭ
XпЭ
YпЭ
ZпЭ
Xп
Yп
Zп
По результатам эксперимента проводилось сравнение коэффициентов преобразования модулей вектора виброускорения k и k, а также экспериментальных значений коэффициентов преобразования поверяемых вибропреобразователей k, k и k с коэффициентами преобразования k, k и k, определенными на рабочем эталоне единиц параметров вибрации. Результаты экспериментов представлены в таблице 1, а результаты обработки экспериментальных данных - в таблице №2.
пЭ
п
XпЭ
YпЭ
ZпЭ
Xп
Yп
Zп
Сравнение коэффициентов преобразования модуля вектора виброускорения, определенных заявляемым способом по экспериментальным данным k, с коэффициентом k, определенным по результатам, полученным в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009, показало, что отклонение не превышает 1% (графа 5 таблицы 2). Это связано с тем, что на эталонный и поверяемый вибропреобразователи действует один и тот же вектор виброускорения под одним и тем же углом. Отклонение экспериментальных коэффициентов преобразования по каждой оси чувствительности k, k и k от соответствующих коэффициентов k, k, k, определенных на рабочем эталоне единиц параметров вибраций в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009, значительно выше (графы 9, 10, 11 таблицы 2). В последнем случае на заданное рабочим эталоном виброускорение накладывается поперечное движение вибростола, что приводит к увеличению погрешности определения коэффициентов преобразования.
п
п
п
п
п
п
При определении коэффициентов преобразования поверяемого вибропреобразователя по ГОСТ Р 8.669-2009 на частотах 80 Гц и 160 Гц время поверки составило около 45 минут, что связано, в первую очередь, с необходимостью его переустановки при определении коэффициентов преобразования по осям чувствительности X, Y и Z. Время определения коэффициентов преобразования заявляемым способом по осям чувствительности X, Y и Z и коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения вместе установкой эталонного и поверяемого вибропреобразователей на оправку и с расчетами составляет не более 20 минут. Т.е. время определения параметров поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя уменьшается более чем в 2 раза, что при серийном изготовлении трехкомпонентных вибропреобразователей дает существенный временной и, соответственно, экономический эффект.
Вышеприведенные зависимости показывают, что на эталонный и поверяемый вибропреобразователи действует один и тот же вектор виброускорения независимо от его возможного отклонения относительно заданного направления вектора вибровозбуждения из-за наличия поперечного движения вибростола поверочной виброустановки, что позволяет исключить влияние поперечного движения вибростола на точность измерения сопоставимых реакций обоих вибропреобразователей на воздействующие виброускорения.
Отклонения от взаимной параллельности осей чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей при их установке также не оказывают влияния на результат измерений модуля вектора виброускорения. Одновременное получение информации о метрологическом состоянии всех компонент поверяемого вибропреобразователя при его поверке сокращает время на ее проведение.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.