Устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра в рабочем режиме

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники и предназначено для периодического дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра (далее - ПА) путем возбуждения свободных колебаний его чувствительного элемента и определения их параметров без демонтажа ПА с объекта эксплуатации и без вывода объекта эксплуатации из рабочего режима.
Известна система виброконтроля, описанная в патенте RU 2226676 С1, опубликованном 10.04.2004, G01H 17/00 (2000.01), содержащая датчик вибрации с входом для подачи на него тестового напряжения, блок измерения и контроля, переключатель, соединенный с органом управления, источник тестового напряжения, элемент сравнения, источник образцового сигнала и индикатор неисправности датчика вибрации.
Недостатком системы является необходимость использования датчика специальной конструкции, имеющего не только выход сигнала, пропорционального ускорению, но и вход для подачи на него тестового напряжения. Большинство производимых и эксплуатируемых в настоящее время ПА не имеет такого входа, что существенно ограничивает область применения системы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра, описанное в патенте RU 99158 U1, опубликованном 10.11.2010, МПК G01H 17/00 (2006.01). Устройство содержит блок измерения и контроля, переключатель, орган управления, источник тестового напряжения, разъем для подключения пьезоакселерометра, усилитель заряда, аналого-цифровой преобразователь, управляемую линию задержки, ключ, сумматор, блок выявления экстремумов, блок вычисления параметров свободных колебаний, блок коррекции коэффициента передачи, блок определения исправности и интерфейсный блок. Принцип действия устройства заключается в возбуждении свободных колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) ПА, определении их параметров и вычислении текущего коэффициента преобразования ПА на основе сравнения параметров свободных колебаний с эталонными. Возможность функционирования устройства в рабочем режиме ПА достигается компенсацией вынужденной составляющей колебаний ЧЭ, обусловленной вибрацией объекта эксплуатации, путем запоминания фрагмента сигнала с выхода ПА до возбуждения свободных колебаний и вычитания этого фрагмента из сигнала после возбуждения свободных колебаний с целью выделения свободной составляющей колебаний ЧЭ.
Недостатком прототипа является невозможность его функционирования в условиях импульсных воздействий на ПА (например, ударов), а также высокая чувствительность к непериодическим помехам. Перечисленные недостатки обусловлены тем, что компенсация вынужденной составляющей вибрации в прототипе возможна лишь при полном совпадении ее частоты и формы до и после возбуждения свободных колебаний ЧЭ. Изменение частоты, амплитуды, спектрального состава вынужденной составляющей колебаний ЧЭ приведет к неполной ее компенсации и, как следствие, к искажению формы исследуемой свободной составляющей колебаний и к увеличению погрешности Или к полной невозможности определения ее параметров.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения параметров вибрации объекта эксплуатации. Технический результат заключается в повышении точности определения коэффициента преобразования ПА в процессе функционирования объекта эксплуатации в условиях импульсных воздействий и непериодических помех.
Технический результат достигается тем, что устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра в рабочем режиме содержит разъем для подключения пьезоакселерометра, переключатель, источник тестового напряжения, усилитель заряда, аналого-цифровой преобразователь, блок измерения и контроля, блок коррекции коэффициента передачи, орган управления, интерфейсный блок, блок аппроксимации и блок определения исправности, причем усилитель заряда подключен к разъему пьезоакселерометра через первый контакт переключателя, источник тестового напряжения подключен к разъему пьезоакселерометра через второй контакт переключателя, через третий контакт переключателя выводы разъема пьезоакселерометра соединяются друг с другом, к выходу усилителя заряда подключен аналого-цифровой преобразователь, к выходу аналого-цифрового преобразователя параллельно подключены входы блока измерения и контроля и блока аппроксимации, к выходу блока аппроксимации параллельно подключены блок коррекции коэффициента передачи и блок определения исправности, выход блока коррекции коэффициента передачи подключен к входу блока измерения и контроля, второй выход блока измерения и контроля подключен к блоку аппроксимации, интерфейсный блок подключен к первому выходу блока измерения и контроля и к блоку определения исправности; орган управления соединен с интерфейсным блоком, к выходам органа управления подключены блок измерения и контроля, блок аппроксимации и переключатель.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра в рабочем режиме, а на фиг. 2 и фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу, причем на фиг. 2 показана форма сигнала на выходе усилителя заряда, на фиг. 3 - результат аппроксимации этого сигнала.
Устройство содержит разъем 1 для подключения пьезоакселерометра (ПА) 2, переключатель 3, источник тестового напряжения (ИТН) 3, усилитель заряда (УЗ) 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блок измерения и контроля (БИК) 7, блок коррекции коэффициента передачи (БККП) 8, орган управления (ОУ) 9, интерфейсный блок (ИБ) 10, блок аппроксимации (БА) 11 и блок определения исправности (БОИ) 12, причем УЗ 5 подключен к разъему 1 ПА 2 через первый контакт переключателя 3, ИТН подключен к разъему 1 ПА 2 через второй контакт переключателя 3, через третий контакт переключателя 3 выводы разъема 1 ПА 2 соединяются друг с другом, к выходу УЗ 5 подключен АЦП 6, к выходу АЦП 6 параллельно подключены входы БИК 7 и БА 11, к выходу БА 11 параллельно подключены БККП 8 и БОИ 12, выход БККП 8 подключен к входу БИК 7, второй выход БИК 7 подключен к блоку аппроксимации, ИБ 10 подключен к первому выходу БИК 7 и к БОИ 12; ОУ 9 соединен с ИБ 10, к выходам ОУ 9 подключены БИК 7, БА 11 и переключатель 3.
НОРМ
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме (фиг. 2, интервал Т) ОУ 9 переводит переключатель 3 в верхнее положение, разрешает работу БИК 7 и блокирует работу БА 11. Заряд, пропорциональный ускорению чувствительного элемента (ЧЭ) ПА 2, обусловленному вибрацией объекта эксплуатации, с выводов ПА 2 через разъем 1 поступает на УЗ 5, а затем на АЦП 6, где преобразуется в цифровую форму. Код с выхода АЦП 6, пропорциональный мгновенному значению заряда, поступает на вход БИК 7, где анализируется и преобразуется в контролируемые показатели вибрации (частота основной гармоники вибрации, мгновенные и действующие значения виброускорения, виброскорости и некоторые другие). При этом БИК 7 выполняет нормирование вычисленных параметров с использованием текущего значения К коэффициента преобразования ПА 2, полученного с БККП 8 Полученные значения параметров периодически или по запросу передаются через ИБ 10 на следующий уровень системы контроля и диагностики.
0
0
Калибровка описываемого устройства выполняется в ходе пусконаладочных, а при наличии возможности, и плановых профилактических работ на объекте эксплуатации ПА 2. При этом ПА 2 демонтируется с объекта, а его коэффициент преобразования К измеряется прямым способом (например, с помощью вибростенда). Затем ПА 2 монтируется на объект, а описываемое устройство включается в работу в нормальном режиме и через некоторое время переводится в режим определения образцовых параметров. При этом предполагается, что за время, прошедшее между измерением коэффициента К и включением режима определения образцовых параметров, состояние ПА 2 и условия его эксплуатации существенно не изменились.
ИЗМ
1
2
св
2
1
2
ИЗМ
В режиме определения образцовых параметров (фиг. 2, интервал Т) в момент времени «0» ОУ 9 воздействует на БИК 7 с целью запоминания им измеренных в нормальном режиме значений частоты и амплитуды основной гармоники виброускорения, которые впоследствии будут использованы при вычислении параметров собственных колебаний ЧЭ ПА 2. Затем ОУ 9 блокирует работу БИК 7 и формирует тестовый импульс путем перевода переключателя 3 в среднее положение, при этом ЧЭ ПА 2 в результате обратного пьезоэффекта деформируется под воздействием напряжения возбуждения, поступающего с ИТН 4. По истечении некоторого времени Т, когда деформация достигнет установившегося значения, ОУ 9 переводит переключатель 3 в нижнее положение, замыкая таким образом выводы ПА 2. Заряд на выводах, вызванный подключением ИТН 4, в течение очень короткого промежутка времени Т уменьшается до нуля, а деформация ЧЭ ПА 2 начинает изменяться в виде затухающих свободных колебаний с частотой ω. К этим колебаниям добавляется составляющая z(t), вызванная вибрацией объекта эксплуатации и помехами. По окончании интервала времени Т ОУ 9 переводит переключатель 3 в верхнее положение, вновь подключая УЗ 5 к выводам ПА 2 (интервалы Т и Т на фиг. 2 не показаны из-за их малой длительности). Одновременно с этим ОУ 9 разрешает работу БА 11. На вход БА 11 с АЦП 6 поступает последовательность кодов, пропорциональных мгновенным значениям заряда на выводах ПА 2, соответствующая сумме свободных и вынужденных колебаний ЧЭ ПА 2 (фиг. 2, интервал Т). Полученную последовательность кодов можно описать выражением:
где Q - амплитуда свободной составляющей колебаний ЧЭ ПА 2 (значение в момент отключения источника тестового напряжения);
τ - постоянная времени затухания свободной составляющей;
св
ω - круговая частота свободных колебаний ЧЭ ПА 2;
z(t) - вынужденная составляющая колебаний ЧЭ ПА 2.
св
a
ИЗМ
ИЗМ
Для определения параметров Q, τ и ω в свободной составляющей колебаний ЧЭ ПА 2 БА 11 выполняет аппроксимацию функции y(t) функцией y(t) (выражение 2) на отрезке времени Т, причем Т выбирается таким, чтобы за это время свободные колебания ЧЭ ПА 2 практически затухли:
в
где Z, ω, ϕ - значения амплитуды, круговой частоты и фазы основной гармоники вынужденной составляющей колебаний ЧЭ ПА 2 соответственно.
св
в
При аппроксимации начальные значения Q, τ и ω принимаются равными значениям, полученным в предыдущем цикле измерения параметров, начальные значения Z и ω принимаются равными соответственно амплитуде и частоте основной гармоники виброускорения, измеренным и сохраненным в БИК 7 в нормальном режиме работы устройства перед формированием тестового импульса.
св
0
0
св0
0
св
Полученные в процессе определения образцовых параметров значения Q, τ и ω (Q, τ и ω) сохраняются в памяти БККП 8. Туда же через ИБ 10 по команде оператора системы контроля и диагностики записывается эталонное значение коэффициента преобразования ПА 2 K, измеренное прямым способом, а также значения предельно допустимых отклонений параметров τ, ω и коэффициента преобразования от номинала.
По окончании вычислений ОУ 9 переводит устройство из режима определения образцовых параметров в нормальный режим путем разрешения работы БИК 7 и блокирования БА 11.
св
В режим измерения текущего значения коэффициента преобразования ПА 2 описываемое устройство переходит либо автоматически с заданной периодичностью, либо по команде оператора, поступающей через ИБ 10. Работа устройства в этом режиме во многом аналогична работе в режиме определения образцовых параметров. Устройство точно так же возбуждает свободные колебания ЧЭ ПА 2, аппроксимирует выражением 2 последовательность кодов, соответствующую этим колебаниям, и определяет параметры Q, τ и ω свободных колебаний ЧЭ.
св
1
1
св1
0
0
св0
Так как с течением времени и в зависимости от условий эксплуатации ПА 2 его характеристики могут изменяться, значения параметров Q, τ и ω, вычисленные в режиме измерения (Q, τ и ω), в общем случае отличаются от аналогичных значений Q, τ и ω, вычисленных в режиме определения образцовых параметров.
1
1
св1
После определения параметров Q, τ и ω БККП 8 вычисляет текущее значение коэффициента преобразования ПА 2 К по формуле:
1
св1
БОИ 12 сравнивает полученные величины K, τ, ω с заданными предельно допустимыми значениями и на основании результатов сравнения формирует признак исправности ПА 2, который через ИБ 10 передается на следующий уровень системы контроля и диагностики.
По окончании вычислений устройство переходит в нормальный режим работы. При этом для вычисления контролируемых параметров вибрации БИК 7 использует уже новое значение коэффициента преобразования К, полученное в режиме измерения текущего значения коэффициента преобразования ПА 2.
Описанный алгоритм функционирования устройства дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра в рабочем режиме обосновывается следующим образом. Коэффициент преобразования ПА 2 К по определению описывается выражением:
где q - заряд, возникающий в ЧЭ ПА 2.
а
- измеряемое виброускорение;
С учетом второго закона Ньютона и известного выражения 5, связывающего заряд с силой, действующей на ЧЭ ПА 2, получим:
33
где d - продольный пьезомодуль материала ЧЭ ПА 2;
F - сила, действующая на ЧЭ ПА 2 со стороны инерционного элемента ПА 2;
М - масса инерционного элемента ПА 2.
Таким образом, коэффициент преобразования ПА 2 изменяется пропорционально изменению пьезомодуля:
1
33
1
где K - коэффициент преобразования, соответствующий пьезомодулю d.
33
1
1
d - продольный пьезомодуль в момент времени t;
33
0
0
d - продольный пьезомодуль в момент времени t;
0
33
0
K - коэффициент преобразования, соответствующий пьезомодулю d.
Измерение значения пьезомодуля в процессе работы ПА 2 затруднено, однако отношение  может быть получено следующим образом.
При подключении ИТН 4 к выводам ПА 2 его ЧЭ получает деформацию, значение которой вычисляется в соответствии с известным выражением
где Δh - изменение высоты ЧЭ ПА 2;
U - приложенное к выводам напряжение.
0
В момент отключения ИТН 4 ЧЭ ПА 2 будет находиться в деформированном состоянии, что эквивалентно воздействию на него со стороны инерционного элемента ПА 2 силы F, определяемой следующим известным выражением:
где h - высота ЧЭ ПА 2;
А - площадь сечения ЧЭ ПА 2, перпендикулярного направлению действия силы.
S - упругость материала ЧЭ ПА 2.
С учетом выражения 8 получим:
При воздействии этой силы на электродах ЧЭ ПА 2 возникнет заряд, значение которого с учетом выражений 5 и 10 можно определить по формуле:
0
0
1
1
Если известны значения Q в момент времени t и Q в момент времени t, то отношение значений пьезомодулей в те же моменты времени с учетом выражения 11 можно определить как
При этом считаем, что тестовое напряжение U, а также геометрические размеры ЧЭ ПА 2 (А, h) и упругость материала S являются постоянными (см., например: Богуш М.В. Влияние температуры на коэффициент преобразования пьезоэлектрических датчиков. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика - 2008. - №2. - с. 36-39).
0
0
0
1
1
Таким образом, непосредственно измерив в некоторый момент времени t (например, в процессе пусконаладочных работ) коэффициент преобразования K и определив при помощи описываемого устройства соответствующее значение Q, можно путем измерения текущего значения Q определить текущее значение коэффициента преобразования K (с учетом выражений 7, 12):
Непосредственное измерение значения Q затруднено необходимостью замыкания выводов ПА 2 сразу после отключения ИТН 4. Однако возникающий в ЧЭ ПА 2 механический колебательный процесс приводит к изменению заряда, которое достаточно точно описывается выражением
где q(t) - значение заряда в момент времени t;
t - время;
Q - величина заряда в момент отключения ИТН 4;
τ - постоянная времени затухания переходного процесса;
св
ω - круговая частота свободных колебаний ЧЭ ПА 2.
Таким образом, зная некоторое количество значений q(t), можно определить значение Q путем аппроксимации. Алгоритмы аппроксимации мало чувствительны к импульсным и случайным помехам, что во многих случаях позволяет использовать в качестве аппроксимирующей функции выражение 14. Однако для улучшения сходимости методов аппроксимации в общем случае используется выражение 2, учитывающее основную гармонику вибрации объекта эксплуатации. Это позволяет более точно измерять коэффициент преобразования пьезоакселерометров, контролирующих параметры вибрации роторных машин (турбоагрегатов электрических станций, компрессоров газоперекачивающих станций и подобных им), то есть таких, у которых вибрация имеет явно выраженный периодический характер.
Таким образом, за счет совокупности работы описанных блоков и их связей достигается повышение точности измерения параметров вибрации объекта эксплуатации путем снижения погрешности определения коэффициента преобразования ПА в процессе функционирования объекта эксплуатации в условиях импульсных воздействий и непериодических помех.