Пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в контрольно-сигнальной аппаратуре для измерения виброскорости при мониторинге вибрационного состояния работающих машин и механизмов в условиях повышенной температуры.
При измерении виброскорости объектов с небольшими габаритами и массой чаще всего используют пьезоэлектрические первичные преобразователи виброскорости, которые по сравнению с преобразователями, основанными на других физических принципах преобразования (например, на электромагнитных принципах), обладают меньшей собственной массой и, учитывая, что их кинетическая энергия прямо пропорциональна квадрату скорости, они оказывают меньшее влияние на действительные параметры вибраций работающих машин и механизмов.
Известен пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости (MetrixInstrumentCo. (США), Каталог основной продукции, модель SV6300). Известный преобразователь включает термостабильный пьезоэлектрический первичный преобразователь виброускорения, усилитель и интегратор, размещенные в едином корпусе из нержавеющей стали с двухштырьковым выходным разъемом, позволяющим как подавать питание на встроенные в корпус электронные устройства, так и производить съем полезного сигнала, пропорционального виброскорости объекта, на котором установлен преобразователь.
К недостатку известного измерительного преобразователя относится невозможность его применения на объектах, температура которых превышает 121°C и является критической для электронных устройств, встроенных в корпус известного первичного преобразователя. Воздействие температуры выше 121°C на встроенные в преобразователь микросхемы существенно изменяет коэффициент преобразования усилительно-интегрирующего блока, а, следовательно, и основных метрологических характеристик известного преобразователя.
Известен пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости («Измеритель вибрации») RU 2536097, G01R 19/00, 20.12.2014, включающий встроенные в корпус первичного преобразователя последовательно соединенные пьезоэлектрический чувствительный элемент (пьезоэлемент с электродами и инерционное тело), согласующий усилитель, выполняющий одновременно функции полосового фильтра (третьего порядка), детектор эффективного (или пикового) значений, интегрирующую RC-цепь и установленный на корпусе выходной четырехштырьковый разъем.
Температурный диапазон работы известного пьезоэлектрического преобразователя ограничен из-за встроенных в корпус с первичным преобразователем усилительно-преобразующих электронных блоков и составляет от -40°C до +50°C, что во многих случаях на практике недостаточно.
Известен также пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости («Two-wire constant current powered transducers, US 5477735, G01H 1/00, G01H 11/06, G01H 11/08, 26.12.1995), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого пьезоэлектрического преобразователя виброскорости.
Известный пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости состоит из размещаемого на измеряемом объекте корпуса с выходным соединителем, установленного в корпусе чувствительного элемента, включающего пьезоэлемент с электродами и инерционное тело, и подключенных к электродам пьезоэлемента двух усилительно-преобразующих электронных блоков, которые, в свою очередь, подключены с помощью двухпроводной линии к источнику питания постоянного тока и блоку считывания. При этом источник питания и блок считывания размещены вне корпуса преобразователя. Входная RC-цепь первого усилительно-преобразующего электронного блока образует предварительный фильтр верхних частот первого порядка, а два конденсатора с четырьмя резисторами в цепи обратной связи операционного усилителя реализуют интегратор, который преобразует сигнал, пропорциональный виброускорению в сигнал, пропорциональный виброскорости. Второй усилительно-преобразующий блок состоит из второго операционного усилителя и эмиттерного повторителя, построенного на базе p-n-p-транзистора. В качестве источника питания применяется источник напряжения постоянного тока, подключенный к последовательной цепи, состоящей из стабилизирующего диода (стабилитрон) и резистора. Блок считывания через выходной резистор подключен блоку питания и может быть реализован как в аналоговом виде (измерение напряжения на выходном резисторе), так и в цифровом после преобразования с помощью АЦП.
Известный пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости работает следующим образом.
При воздействии вибрации со стороны объекта на корпус вибропреобразователя инерционное тело чувствительного элемента периодически с частотой воздействующей вибрации деформирует пьезоэлемент и на его электродах образуется электрический заряд, пропорциональный виброускорению, который поступает на вход операционного усилителя первого усилительно-преобразующего электронного блока, при этом емкость пьезоэлемента и входной резистор работают как фильтр верхних частот первого порядка (спад -3 дБ приблизительно около 10 до 20 Гц).
Операционный усилитель первого усилительно-преобразующего электронного блока, кроме усиления входного сигнала, интегрирует его с помощью двух конденсаторов и четырех резисторов, включенных в цепь обратной связи. На выходе операционного усилителя первого усилительно-преобразующего электронного блока образуется сигнал, пропорциональный виброскорости. Этот сигнал через разделительный конденсатор поступает на вход операционного усилителя второго усилительно-преобразующего электронного блока, нагрузкой которого является база эмиттерного повторителя, построенного на p-n-p-транзисторе. Операционный усилитель второго усилительно-преобразующего блока является усилителем с высоким коэффициентом усиления сигнала, пропорционального виброскорости, а эмиттерный повторитель позволяет исключить влияние входного сопротивления блока считывания на общий коэффициент усиления усилительно-преобразующих блоков и увеличивает мощность выходного сигнала, т.к. его коэффициент усиления по напряжению близок к единице, а ток определяется напряжением на базе и мощностью источника питания, при этом суммарные потери мощности в остальных цепях (операционных усилителях, стабилитроне и т.д.) относительно небольшие.
Изменение напряжения на базе p-n-p-транзистора приводит к изменению потребляемого тока, проходящего через транзистор и, соответственно, изменению падения напряжения на выходном резисторе, которое регистрируется блоком считывания. А т.к. изменение напряжения на базе p-n-p-транзистора пропорционально изменению виброскорости, то и изменение потребляемого тока пропорционально виброскорости.
Таким образом, двухпроводная линия передачи используется и для подачи питания на усилительно-преобразующие блоки, и для съема полезной информации о виброскорости, действующей на преобразователь. Стабилитрон обеспечивает стабильность формирования опорного напряжения, относительно которого происходит изменение напряжения, пропорционально виброскорости, действующей на преобразователь.
Температурный диапазон работы известного пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости ограничен из-за встроенных в корпус термочувствительных усилительно-преобразующих электронных блоков и составляет от -50°C до +125°C, что во многих случаях на практике недостаточно.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся:
- размещение части усилительно-преобразующих электронных блоков в корпусе преобразователя, устанавливаемом на измеряемом объекте;
- влияние низкочастотных и высокочастотных помех на форму выходного информационного сигнала.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является повышение точности измерения и расширение температурного диапазона объектов, виброскорость которых измеряют.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, состоит в уменьшении влияния низкочастотных и высокочастотных помех на форму выходного информационного сигнала и исключении влияния температуры объекта на основные рабочие характеристики усилительно-преобразующих электронных блоков преобразователя виброскорости.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что заявляемый пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости, включающий размещаемый на измеряемом объекте корпус с выходным неразъемным двухпроводным соединителем, установленный в корпусе чувствительный элемент, включающий пьезоэлемент с электродами и инерционное тело, соединенные с чувствительным элементом усилительно-преобразующие электронные блоки, с выходным резистором и подключенным к нему блоком считывания, в отличие от известного преобразователя виброскорости в заявляемом пьезоэлектрическом измерительном преобразователе в корпусе установлен только чувствительный элемент измерительного преобразователя, а усилительно-преобразующие электронные блоки дистанционно через неразъемное двухпроводное соединение подключены к электродам пьезоэлемента в корпусе и выполнены в виде последовательно связанных входного усилителя заряда с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка, усилителя с интегрирующим звеном, фильтра нижних частот пятого порядка, буферного усилителя напряжения переменного тока, детектора средних квадратических значений, согласующего усилителя напряжения постоянного тока, набора резисторов установки коэффициента преобразования стандартной токовой петли, передатчика стандартной токовой петли, линейного стабилизатора напряжения постоянного тока +5 В, инвертора постоянного напряжения, и фильтрующего конденсатора, при этом усилитель заряда с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка, связан с электродами пьезоэлемента, а выход - с входом второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка; выход третьего каскада фильтра верхних частот пятого порядка связан с входом усилителя с интегрирующим звеном, выход которого связан с входом фильтра нижних частот пятого порядка; выход фильтра нижних частот пятого порядка связан с входом буферного усилителя напряжения переменного тока, а его выход - с входом детектора средних квадратических значений; выход которого связан с входом согласующего усилителя напряжения постоянного тока, выход последнего соединен с помощью первого из набора резисторов установки коэффициента преобразования стандартной токовой петли с входом передатчика стандартной токовой петли, включающем суммирующий усилитель, регулирующий n-p-n-транзистор, ограничительный резистор и резистор обратной связи; выход суммирующего усилителя передатчика стандартной токовой петли соединен с базой регулирующего n-p-n-транзистора, коллектор которого соединен с положительным полюсом источника питания, а эмиттер - с помощью ограничительного резистора соединен с общей шиной с нулевым потенциалом и через резистор обратной связи - с выходным резистором и блоком считывания; вход линейного стабилизатора напряжения постоянного тока соединен с положительным полюсом источника питания, а выход «Питание +5 В» соединен с входами «Питание +5 В» операционных усилителей каскада формирования сигнала с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка, усилителя с интегрирующим звеном, фильтра нижних частот пятого порядка, буферного усилителя напряжения переменного тока, согласующего усилителя напряжения постоянного тока, суммирующего усилителя передатчика токовой петли, а также с микросхемами детектора средних квадратических значений, инвертора постоянного напряжения, а через второй из набора резисторов установки коэффициента преобразования стандартной токовой петли - с входом суммирующего усилителя передатчика стандартной токовой петли; выход «Питание -5 В» инвертора постоянного напряжения соединен с входами «Питание -5 В» операционных усилителей каскада формирования сигнала с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка, усилителя с интегрирующим звеном, фильтра нижних частот пятого порядка, буферного усилителя напряжения переменного тока, согласующего усилителя постоянного тока, суммирующего усилителя передатчика стандартной токовой петли, а также с микросхемой детектора средних квадратических значений; с помощью третьего из набора резисторов установки коэффициента преобразования стандартной токовой петли вход суммирующего усилителя передатчика стандартной токовой петли соединен через выходной резистор с отрицательным полюсом источника питания постоянного напряжения, а также с фильтрующим конденсатором и блоком считывания; положительный полюс источника питания постоянного напряжения соединен с коллектором регулирующего n-p-n-транзистора, а также с входом линейного стабилизатора напряжения постоянного тока, причем отрицательный полюс источника питания соединен с выходным резистором и блоком считывания; общая шина с нулевым потенциалом соединена с одним из электродов и через основание объекта с корпусом измерительного преобразователя, а также с соответствующими входами операционных усилителей каскада формирования сигнала с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка, усилителя с интегрирующим звеном, фильтра нижних частот пятого порядка, буферного усилителя напряжения переменного тока, согласующего усилителя напряжения постоянного тока, суммирующего усилителя передатчика токовой петли, а также с микросхемами детектора средних квадратических значений, инвертора постоянного напряжения, линейного стабилизатора напряжения постоянного тока +5 В.
На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости; на фиг. 2 - амплитудная зависимость отклонения коэффициента преобразования усилительно-преобразующего электронного блока экспериментального образца пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости на частоте 160 Гц.
Заявляемый пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости (фиг. 1) содержит пьезоэлектрический чувствительный элемент, включающий пьезоэлемент 1 с электродами 2 и инерционным телом 3, размещенный в корпусе 4 с выходным неразъемным двухпроводным соединением 5 и подключенным к электродам 2. Корпус 4 установлен на исследуемом объекте 6.
1
2
3
Усилительно-преобразующие электронные блоки измерительного преобразователя механически не связанны с исследуемым объектом 6 и дистанционно через неразъемное двухпроводное соединение 5 подключены к электродам 2 чувствительного элемента. Усилительно-преобразующие электронные блоки выполнены из последовательно связанных согласующего усилителя заряда с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка 8, усилителя с интегрирующим звеном 9, фильтра нижних частот пятого порядка 10, буферного усилителя напряжения переменного тока 11, детектора средних квадратических значений 12, согласующего усилителя напряжения постоянного тока 13, набора резисторов 14 (14, 14 и 14) установки коэффициента преобразования стандартной токовой петли, передатчика стандартной токовой петли 15, включающего суммирующий усилитель 16, регулирующий n-p-n-транзистор 17, ограничительный резистор 18 и резистор обратной связи 19, а также фильтрующего конденсатора 20, инвертора постоянного напряжения 21, линейного стабилизатора напряжения постоянного тока 22, источника питания напряжения постоянного тока 23, выходного резистора 24 и блока считывания 25.
Пьезоэлектрический измерительный преобразователь виброскорости работает следующим образом.
При воздействии вибрации со стороны объекта 6 на корпус 4 вибропреобразователя инерционное тело 3 чувствительного элемента периодически с частотой воздействующей вибрации деформирует пьезоэлемент 1 и на его электродах 2 образуется электрический заряд, пропорциональный виброускорению, который снимается с электродов 2 и поступает через неразъемное двухпроводное соединение 5 на вход усилителя заряда с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7. Входной усилитель заряда с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7 является согласующим усилителем заряда, усиливающим и преобразующим электрический заряд в электрическое напряжение, с фильтром верхних частот первого порядка и построен на базе операционного усилителя с отрицательной обратной связью (например, параллельная R-C цепочка в отрицательной обратной связи). Преобразованный в электрическое напряжение усиленный и отфильтрованный с помощью первого каскада фильтра верхних частот пятого порядка 7 сигнал поступает на вход второго, а затем и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка 8. Второй и третий каскады фильтра верхних частот пятого порядка 8 построены на базе двух операционных усилителей, каждый из которых является фильтром верхних частот второго порядка (например, фильтр верхних частот Чебышева второго порядка [М.А. Амелина, С.А. Амелин Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap8. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 464 с]).
Применение фильтра верхних частот пятого порядка 7 и 8 позволяет исключить все влияющие на результат измерений виброскорости низкочастотные помехи, включая и постоянную составляющую, и ограничить нижний предел диапазона частот измеряемых виброскоростей частотой ≈10 Гц. Изменением значений используемых элементов (сопротивлений и емкостей) в фильтре верхних частот пятого порядка можно снизить нижний предел диапазона частот измеряемых виброскоростей до требуемого для конкретного потребителя значения (например, 5 Гц).
С выхода фильтра верхних частот пятого порядка 8 сигнал поступает на усилитель с интегрирующим звеном 9, построенный на базе операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Усилитель с интегрирующим звеном 9 преобразует сигнал, пропорциональный виброускорению, в сигнал, пропорциональный виброскорости. С выхода усилителя с интегрирующим звеном 9 сигнал, пропорциональный виброскорости, поступает на вход фильтра нижних частот пятого порядка 10, построенный на базе двух операционных усилителей, каждый из которых является фильтром нижних частот второго порядка (например, фильтр нижних частот Чебышева второго порядка [М.А. Амелина, С.А. Амелин Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap8. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 464 с]) и пассивный фильтр нижних частот первого порядка (например, R-C цепочка). Применение фильтра нижних частот пятого порядка 10 позволяет исключить все влияющие на результат измерений виброскорости высокочастотные помехи, и ограничить верхний предел диапазона частот измеряемых виброскоростей частотой ≈1000 Гц. Изменением значений используемых элементов (например, сопротивлений и емкостей) в фильтре нижних частот пятого порядка можно расширить верхний предел диапазона частот измеряемых виброскоростей (например, до 2 кГц).
С выхода фильтра нижних частот пятого порядка 10 сигнал поступает на буферный усилитель напряжения переменного тока 11. Буферный усилитель напряжения переменного тока 11 позволяет исключить взаимное влияние как фильтра нижних частот пятого порядка 10 на характеристики последующего детектора средних квадратических значений 12, так и детектора средних квадратических значений 12 на характеристики фильтра нижних частот пятого порядка 10. Одновременно с помощью буферного усилителя напряжения переменного тока 11 переменный сигнал, пропорциональный виброскорости, усиливается до значения, достаточного для дальнейшего преобразования, и поступает на вход детектора средних квадратических значений 12, построенного на базе микросхемы (например, микросхема LTC1966). С помощью детектора средних квадратических значений 12 переменный сигнал с частотой вибрации, воздействующей на корпус 4 вибрации, преобразуется в медленно меняющийся сигнал, величина которого пропорциональна среднему квадратическому значению виброскорости, действующей на пьезоэлемент 1 чувствительного элемента с электродами 2.
1
С выхода детектора средних квадратических значений 12 сигнал поступает на вход согласующего усилителя напряжения постоянного тока 13, построенного на базе операционного усилителя. С помощью согласующего усилителя напряжения постоянного тока 13 медленно меняющийся сигнал, пропорциональный виброскорости, усиливается до значения, достаточного для дальнейшего преобразования. Одновременно согласующий усилитель напряжения постоянного тока 13 служит для согласования с помощью резистора 14 выхода детектора средних квадратических значений 12 с входом суммирующего усилителя 16 передатчика стандартной токовой петли 15.
1
2
3
1
2
Суммирующий усилитель 16 передатчика стандартной токовой петли 15 построен на базе операционного усилителя является по своей сути усилителем постоянного тока и служит для усиления сигнала и для установки коэффициента преобразования стандартной токовой петли. Установка коэффициента преобразования стандартной токовой петли осуществляется с помощью сопротивлений набора резисторов 14 (14, 14, 14), один или два из которых (например, 14 и 14 могут быть переменными). Нагрузкой суммирующего усилителя 16 передатчика стандартной токовой петли 15 является n-p-n-транзистор 17, выполняющий функцию эмиттерного повторителя, база которого подключена к выходу суммирующего усилителя 16 передатчика стандартной токовой петли 15, коллектор подключен к положительному полюсу источника питания постоянного тока 23 и к фильтрующему конденсатору 20, а эмиттер - к ограничительному резистору 18.
Изменение напряжения на базе n-p-n-транзистора 17 приводит к изменению потребляемого тока, который проходит через ограничительный резистор 18, резистор обратной связи 19 и выходное сопротивление 24, напряжение которого измеряется (или преобразуется в форму, удобную для считывания) с помощью блока считывания 25.
2
Ограничительный резистор 18 служит для ограничения максимального значения тока, проходящего от коллектора к эмиттеру n-p-n-транзистора 17. Резистор обратной связи 19 служит для передачи через резистор 14 части напряжения с выхода транзистора 17 на вход суммирующего усилителя 16, которое сравнивается с напряжением, поступающим с выхода детектора средних квадратических значений 12. Так как изменение напряжения на базе n-p-n-транзистора 17 пропорционально изменению виброскорости, то и изменение потребляемого тока также пропорционально измеряемой виброскорости.
Выходной резистор 24 и блок считывания 25 подключены к отрицательному полюсу источника питания постоянного тока 23 и к второму выводу фильтрующего конденсатора 20, а через резистор обратной связи 19 - к общей шине с нулевым потенциалом относительно ±5 В. Напряжение +5 В подается на операционные усилители и микросхемы с выхода линейного стабилизатора напряжения постоянного тока 22, построенного на базе микросхемы (например, микросхема AS 1360-50-Т)
Выход «+5 В» стабилизатора напряжения постоянного тока 22 соединен с входами «Питание +5 В» операционных усилителей каскада формирования сигнала с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка 8, усилителя с интегрирующим звеном 9, фильтра нижних частот пятого порядка 10, буферного усилителя напряжения переменного тока 11, операционными усилителями согласующего усилителя напряжения постоянного тока 13, суммирующего усилителя 16 передатчика стандартной токовой петли 15, а также с микросхемами детектора средних квадратических значений 12 и инвертора постоянного напряжения 21.
Для получения напряжения «минус 5 В» служит инвертор постоянного напряжения 21, построенный на базе микросхемы (например, ICL7660). Инвертор постоянного напряжения 21 преобразует +5 В в минус 5 В. Напряжение минус 5 В подается на входы «Питание - 5 В» операционных усилителей каскада формирования сигнала с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка 8, усилителя с интегрирующим звеном 9, фильтра нижних частот пятого порядка 10, буферного усилителя напряжения переменного тока 11, согласующего усилителя напряжения постоянного тока 13, суммирующего усилителя 16 передатчика стандартной токовой петли 15, а также на микросхему детектора средних квадратических значений 12.
Шина с нулевым потенциалом относительно ±5 В, подключенная к корпусу 4 пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости через основание объекта 6, соединена с соответствующими контактами операционных усилителей каскада формирования сигнала с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7, второго и третьего каскадов фильтра верхних частот пятого порядка 8, усилителя с интегрирующим звеном 9, фильтра нижних частот пятого порядка 10, буферного усилителя напряжения переменного тока 11, согласующего усилителя напряжения постоянного тока 13, суммирующего усилителя 16 передатчика стандартной токовой петли 15, микросхем детектора средних квадратических значений 12, стабилизатора напряжения постоянного тока 22 и инвертора постоянного напряжения 21, а также с ограничительным резистором 18 и резистором обратной связи 19.
На нашем предприятии был изготовлен опытный образец заявляемого пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости. Каждый основной функциональный узел, входящий в состав усилительно-преобразующих электронных блоков опытного преобразователя и влияющий на частотную характеристику всего преобразователя в целом, проверялся экспериментально с помощью соответствующих электрических сигналов.
С этой целью на вход функционального узла подавалось напряжение (при необходимости, напряжение подавалось через емкость, как, например, на вход усилителя заряда с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7), а с выхода снимался и анализировался соответствующий сигнал в зависимости от частоты подаваемого напряжения.
Усилитель заряда с фильтром верхних частот первого порядка - первым каскадом фильтра верхних частот пятого порядка 7, второй и третий каскады фильтра верхних частот пятого порядка 8 выполнены на базе трех операционных усилителей AD8642. На инвертирующий вход первого каскада через входные резистор и емкость в процессе эксперимента подавался заряд, пропорциональный виброускорению. С помощью емкостной обратной связи сигнал, полученный от преобразователя виброскорости, усиливался с помощью операционного усилителя и трансформировался в электрическое напряжение, поступающее на пассивное дифференцирующее звено (например, RC цепочка), которое является фильтром верхних частот первого порядка, затем напряжение подавалось на вход второго, а потом и третьего операционных усилителей фильтра верхних частот пятого порядка 8. Второй и третий каскады являются фильтрами верхних частот Чебышева второго порядка.
В результате экспериментальной проверки фильтра верхних частот пятого порядка экспериментального образца измерительного преобразователя было определено, что неравномерность частотной характеристики на частотах выше 10 Гц не превышает 2%, а спад частотной характеристики на частотах ниже 10 Гц около 35 дБ на октаву, что приближается к спаду частотной характеристики фильтра верхних частот 6-го порядка.
Усилитель с интегрирующим звеном 9 экспериментального образца измерительного преобразователя выполнен на базе операционного усилителя AD8642, инвертирующий вход которого соединен через резистор и конденсатор с выходом третьего каскада фильтра верхних частот пятого порядка 8, а выход через резистор усилителя с интегрирующим звеном 9 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя фильтра нижних частот пятого порядка 10, при этом выход операционного усилителя с интегрирующим звеном 9 с помощью обратной связи, образованной параллельным соединением резистора и конденсатора, соединен с собственным инвертирующим входом.
Проверка усилителя с интегрирующим звеном 9 экспериментального образца преобразователя показала, что в пределах рабочего диапазона частот от 10 до 1000 Гц осуществляется интегрирование виброускорения и выходной сигнал преобразователя виброускорения трансформировался в сигнал, пропорциональный виброскорости, при этом отклонение частотной характеристики усилителя с интегрирующим звеном 8 от теоретически идеальной только на частоте 10 Гц приближался к 6% (-0,47 дБ), в остальном диапазоне частот, начиная с 30 Гц, отклонение не превышало 0,5% (0,054 дБ).
Фильтр нижних частот пятого порядка 10 выполнен на базе двух операционных усилителей AD8642 и пассивного интегрирующего звена (например, R-Сцепочка), при этом последнее звено через резистор соединено с входом буферного усилителя напряжения переменного тока 11. Так как фильтр верхних частот пятого порядка 8 и фильтр нижних частот пятого порядка 10 в совокупности составляют полосовой фильтр, то в процессе эксперимента определялась частотная характеристика полосового фильтра пятого порядка экспериментального образца преобразователя (усилитель с интегрирующим звеном 9 отключен). В результате эксперимента установлено, что неравномерность частотной характеристики в рабочем диапазоне частот от 10 Гц до 1000 Гц не превышала 1,5% (0,12 дБ), а спад частотной характеристики на частотах за пределами рабочего диапазона около 35 дБ на октаву, что приближается к спаду частотной характеристики полосового фильтра 6-го порядка.
Детектор средних квадратических значений 12 экспериментального образца преобразователя был выполнен на базе микросхемы LTC1966. Вход детектора средних квадратических значений 12 связан с выходом буферного усилителя напряжения переменного тока 11, а выход связан с согласующим усилителем напряжения постоянного тока 13.
Буферный усилитель напряжения переменного тока 11 был выполнен на базе операционного усилителя AD8642, при этом его вход соединен через резистор с выходом фильтра нижних частот пятого порядка 10, а выход - с детектором средних квадратических значений 12. Согласующий усилитель напряжения постоянного тока 13 выполнен на базе двух операционных усилителей AD8642. Стабилизированное напряжение через последовательное соединение двух резисторов (постоянный и переменный - подстроечный) поступало на неинвертирующий вход первого операционного усилителя, выход которого соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя согласующего усилителя напряжения постоянного тока 13.
1
Таким образом, подбором значений сопротивлений с помощью первого операционного усилителя устанавливается начальный ток 4 мА на выходе пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости. С помощью второго операционного усилителя воздействие, пропорциональное среднему квадратическому значению виброскорости, действующее на пьезоэлемент 1 чувствительного элемента с электродами 2 и преобразованное в электрический сигнал, усиливается и поступает через резистор 14 установки коэффициента преобразования стандартной токовой петли 14 на вход суммирующего усилителя передатчика стандартной токовой петли 15.
Инвертор постоянного напряжения 21 выполнен на базе микросхемы ICL 7660, а суммирующий усилитель 16 передатчика стандартной токовой петли 15 - на базе операционного усилителя AD8642 и является усилителем постоянного тока с высоким входным импедансом и высоким коэффициентом усиления, выполняющим функции сумматора.
Проверка детектора средних квадратических значений 12 и остальных узлов, входящих в усилительно - преобразующий электронный блок (согласующий усилитель напряжения постоянного тока 13 и передатчик стандартной токовой петли 15), осуществлялась комплектно. На вход детектора средних квадратических значений 12 подавался переменный сигнал с изменяемой амплитудой от генератора на частоте 160 Гц, измерялось значение выходного сигнала на выходном резисторе считывающего устройства 25 и определялся коэффициент преобразования усилительно - преобразующего электронного блока (УПЭБ). В диапазоне изменений входного сигнала (изменение амплитуды не менее, чем в 10 раз) рассчитывалась нелинейность изменения коэффициента преобразования (что соответствует нелинейности амплитудной характеристики
пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости).
В таблице представлены экспериментальные данные, полученные при определении амплитудной характеристики экспериментального образца в диапазоне амплитуд, превышающем 10-кратное соотношение между максимальным измеряемым средним квадратическим значением виброскорости и минимальным. На фиг. 2 представлена соответствующая таблице амплитудная зависимость отклонения коэффициента преобразования экспериментального образца пьезоэлектрического измерительного преобразователя виброскорости на частоте 160 Гц.
Из таблицы и фиг. 2 следует, что нелинейность амплитудной характеристики экспериментального образца, определенная в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669 - 2009, около 0,6% в диапазоне амплитуд входных воздействий, превышающем 35 дБ (соотношение между максимальным и минимальным значениями напряжений на входе детектора средних квадратических значений ≈57). Если рассчитать погрешность экспериментального образца пьезоэлектрического преобразователя виброскорости, то только на частоте 10 Гц погрешность приближается к 7%, в остальном диапазоне частот и амплитуд погрешность не превышает 4%.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления полезной модели, достижение указанного технического результата и решения поставленной задачи.