Устройство для измерения вибраций

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для вибродиагностики технического состояния низкооборотных энергетических агрегатов гидроэлектростанций и их базовых конструкций.
Известен вибрационный преобразователь, содержащий постоянный магнит, подвижную катушку с блоком управления перемещением ее в зазоре постоянного магнита, канал усиления и преобразования сигналов информации, электрический мост, состоящий из обмоток катушки и сопротивлений, в котором обмотки подвижной катушки включены в цепь регулятора тока в обмотках катушки, связанного с входом блока управления перемещением катушки, с целью расширения частотного диапазона (А.с. 758032, М. Кл. G01V 1/16, 25.08.80).
Недостатком данного устройства является то, что встречное соединение обмоток катушки и их смещенное положение относительно поперечного сечения магнитного поля в его одном зазоре не создает линейности функции преобразования величины перемещения обмоток в магнитном поле в выходной сигнал преобразователя, а также не обеспечивает глубину смещения собственной частоты резонанса подвижной системы в область низких частот.
Известно устройство электродинамического сейсмоприемника, содержащее постоянный магнит, подвижную катушку с обмоткой, подвешенной на пружинах в его зазоре, и электронный преобразовательный блок. Его подвижная катушка снабжена дополнительной магнитной массой, расположенной в поле постоянного магнита, и датчиком ее положения в магнитном зазоре и относительно корпуса, выход которого через электронный преобразовательный блок соединен с обмоткой подвижной катушки и выходом сейсмоприемника, чем достигается получение сигнала, пропорционального виброперемещению, и частичное смещение его механического резонанса в область низких частот и обеспечивается независимость его ориентации по отношению к вертикали (А.с. 855580, М. Кл. G01V 1/16, 15.12.81).
Недостатком данного устройства является то, что величина компенсации сил упругости пружин подвеса катушки и датчика ее виброперемещения не регулируется электронным преобразовательным блоком, а регулируется в процессе изготовления позиционно вращением установочного винта. Такая компенсация не обеспечивает устойчивой работы сейсмоприемника и линейности его амплитудно-частотной характеристики в области низких частот.
Наиболее близким решением является устройство для измерения вибраций, содержащее корпус чувствительного элемента, с размещенными в нем постоянным магнитом, закрепленным на центрирующих пружинах, катушкой с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента, звено регулирования тока обмоток электродинамической системы чувствительного элемента, оптико-электронный датчик виброперемещений магнита с цифровым выходом, микроконтроллер, реализующий интегрирующее и дифференцирующее звенья, цифроаналоговый преобразователь и усилитель тока. (П.М. 95832 РФ, МПК G 01 H 11/02/ 10.07.2010).
Недостатком данного устройства является то, что использование центрирующих пружин для закрепления постоянного магнита, ограничивает точность измерительного устройства, а именно сухое трение увеличивает порог чувствительности, а пружина с постоянной жесткостью, работающая параллельно с электромагнитным подвесом ограничивает частотный диапазон устройства и возможности его регулирования.
Задачей полезной модели является создание измерительного устройства с улучшенными метрологическими характеристиками c возможностью управления частотным диапазоном в более широких пределах.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение надежности устройства и точности измерений при воздействии внешних факторов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения вибраций, содержащее  корпус чувствительного элемента с размещенными в нем постоянным цилиндрическим магнитом, находящимся в центрирующем устройстве внутри катушки с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента, оптико-электронным датчиком виброперемещений, и электронный преобразовательный блок, включающий микроконтроллер, выполняющий функции дифференцирующего, интегрирующего звеньев и управления тока обмоток электромагнитной системы, усилитель тока, соединенный с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента, причем центрирующее устройство цилиндрического магнита выполнено в виде двух закрепленных на внутренней поверхности корпуса кольцевых постоянных магнитов, расположенных таким образом, что наружная поверхность каждого конца цилиндрического магнита и внутренняя поверхность кольцевого магнита, расположенного напротив этого конца цилиндрического магнита, имеют одноименные полюса.
Указанное отличие за счет использования магнитного подшипника позволяет исключить сухое трение вследствие отсутствия прямого соприкосновения между подвижным цилиндрическим магнитом и другими частями чувствительного элемента и значительно уменьшить порог чувствительности, а отсутствие жесткой пружины позволит управлять частотным диапазоном в более широких пределах за счет использования электромагнитного взаимодействия между обмотками электродинамической системы и постоянного цилиндрического магнита чувствительного элемента.
Устройство для измерения вибраций изображено на: фиг. 1 –конструкция чувствительного элемента; на фиг. 2- блок-схема заявленного устройства.
Устройство для измерения вибраций содержит чувствительный элемент 1 (фиг.1) и электронный преобразовательный блок 2 (фиг.2). Корпус 3 чувствительного элемента 1 с размещенным в нем цилиндрическим постоянным магнитом 4, находящемся внутри двух жестко закрепленных в корпусе чувствительного элемента 3 кольцевых постоянных магнитов 5, с возможностью перемещения относительно оси OZ жестко закрепленной в корпусе чувствительного элемента 3 неподвижной катушки 6 с обмотками 7. Расположение магнитов выполнено таким образом, что наружная поверхность каждого конца цилиндрического магнита 4 и внутренняя поверхность кольцевого магнита 5, расположенного напротив этого конца цилиндрического магнита 4, имели одноименные полюса. Такое расположение магнитов исключает радиальное перемещение цилиндрического магнита 4 при произвольном расположении корпуса 3 чувствительного элемента 1 относительно направления действия сил тяжести. В корпусе 3 чувствительного элемента 1 установлен датчик виброперемещений 9, состоящий из расположенных на одной оптической оси светодиода 10, конденсора 11, объектива 12 и многоэлементного фотоприемника 13. Шторка 14, перекрывающая световой поток светодиода 10, закреплена на цилиндрическом магните 4 между конденсором 11 и объективом 12. Оптическая система - конденсор 11 и объектив 12 - позволяет получить изображение шторки 14 во входной плоскости фотоприемника 13. Многоэлементный фотоприемник 13 подключен через усилитель сигналов 15 к микроконтроллеру 16, выполняющему функции дифференцирующего, интегрирующего звеньев и управления тока обмоток 7 электромагнитной системы чувствительного элемента 1, один из выходов микроконтроллера 16 соединен с выходом 17 электронного преобразовательного блока 2, а другой выход – с цифроаналоговым  преобразователем 18, который через усилитель тока 19 соединен с обмотками 7 электромагнитной системы чувствительного элемента 1.
Устройство для измерения вибраций работает следующим образом:
Перед началом работы с помощью микроконтроллера 16 задается ток в катушке 6, магнитное поле которой перемещает постоянный цилиндрический магнит 4 в центр обмоток 7. При работе корпус 3 чувствительного элемента 1, закрепленный на контролируемом объекте, воспринимает его вибрации, а постоянный цилиндрический магнит 4 вместе со шторкой 14, представляющие собой инертную массу, стремятся к сохранению состоянию покоя. Инертная масса 4 и 14 совершает колебательное движение относительно катушки 6, жестко закрепленной в корпусе 3. При этом взаимодействие постоянного цилиндрического магнита 4 с постоянными кольцевыми магнитами 5 обеспечивает центрирование постоянного цилиндрического магнита 4 при его движении вдоль оси OZ катушки 6. Колебательное движение шторки 14 и соответственно цилиндрического магнита 4 преобразуется в изменение светового потока от светодиода 10, который с помощью многоэлементного фотоприемника 13 преобразуется в цифровой сигнал, пропорциональный перемещению цилиндрического магнита 4 со шторкой 14. Такой датчик виброперемещений имеет меньшие потери на сухое трение, обладает лучшей чувствительностью, возможностью регулирования частотного диапазона в более широких пределах и обладает линейной функцией преобразования. С помощью микроконтроллера 16 осуществляется цифровая обработка сигнала, поступающего на вход через усилитель сигнала 15 от фотоприемника 13. Этот сигнал ошибки положения постоянного цилиндрического магнита 4 относительно оси ОZ, расположенной в плоскости симметрии обмоток 7, преобразуется микроконтроллером 16, выполняющим функции дифференцирующего, интегрирующего звеньев и функционального блока управления током обмоток 7 электродинамической системы чувствительного элемента 1 и поступает через усилитель тока 19 в обмотки 7. Магнитное поле обмоток 7, взаимодействуя с постоянным цилиндрическим магнитом 4, перемещает постоянный цилиндрический магнит 4 к центру обмоток 7. Сигнал с другого выхода микроконтроллера 16, пропорциональный амплитуде колебаний объекта, подается на выход 17 электронного преобразовательного блока 2.
Таким образом использование центрирующего устройства цилиндрического магнита 4, выполненного в виде двух закрепленных на внутренней поверхности корпуса 3 кольцевых постоянных магнитов 5, расположенных таким образом, что наружная поверхность каждого конца цилиндрического магнита 4 и внутренняя поверхность кольцевого магнита 5, расположенного напротив этого конца цилиндрического магнита 4, имеют одноименные полюса, позволяет добиться улучшения метрологических характеристик устройства для измерения вибраций, а именно исключение составляющей порога чувствительности, обусловленной использованием жесткой пружины, и возможностью управления частотным диапазоном в более широких пределах. В результате повышается надежность устройства и точность измерений, при воздействии внешних факторов.