УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для периодического дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра (далее - пьезоакселерометра) путем возбуждения резонансных колебаний его чувствительного элемента и определения их параметров без демонтажа пьезоакселерометра с объекта эксплуатации и без вывода объекта эксплуатации из рабочего режима.
Известно устройство, реализующее способ электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра [Патент Российской Федерации №2150708, кл. G01P 21/00, G01P 15/09, 1999], содержащее источник напряжения возбуждения, переключатель, разъемы для подключения акселерометра и регистратора, формирователь сигналов управления, первый и второй нормально-разомкнутые ключи и элемент задержки, причем в качестве источника напряжения возбуждения используется источник постоянного напряжения.
Недостатком устройства является то, что оно позволяет оценить лишь исправность пьезоакселерометра. Небольшие изменения коэффициента преобразования, влияющие на точность измерения параметров вибрации и вызванные, например, колебаниями температуры, это устройство не выявляет. Кроме того, оно работоспособно лишь при отсутствии внешних механических воздействий на пьезоакселерометр со стороны объекта измерения. При наличии таких воздействий вызванные ими колебания чувствительного элемента пьезоакселерометра суммируются со свободными колебаниями, что делает невозможным непосредственное определение параметров свободных колебаний. Эта особенность существенно ограничивает область применения данного устройства. Фактически параметры свободных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра могут быть измерены лишь во время планового или аварийного останова объекта измерения, то есть тогда, когда демонтаж пьезоакселерометра зачастую не вызывает затруднений, и имеется возможность использования традиционных способов контроля.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототип) является система виброконтроля [Патент Российской Федерации №2226676, кл. G01H 17/00, 2003], 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 пьезоакселерометров не имеет такого входа, что существенно ограничивает область применения системы.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности определения коэффициента преобразования пьезоакселерометра в процессе функционирования объекта измерения. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров вибрации путем оперативной коррекции общего коэффициента передачи канала измерения с учетом периодически измеряемого коэффициента преобразования пьезоакселерометра.
Технический результат достигается тем, что устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра 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, 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 управляемая линия задержки и суммирующий вход сумматора, выход управляемой линии задержки через ключ подключен к вычитающему входу сумматора, к выходу сумматора параллельно подключены входы блока измерения и контроля и блока выявления экстремумов, выход блока выявления экстремумов подключен к входу блока вычисления параметров свободных колебаний, к выходу блока вычисления параметров свободных колебаний параллельно подключены блок коррекции коэффициента передачи и блок определения исправности, выход блока коррекции коэффициента передачи подключен к входу блока измерения и контроля, интерфейсный блок подключен к 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 выявления экстремумов, ключ, управляемая линия задержки и переключатель.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу, причем на фиг.2а показана форма сигнала на выводах пьезоакселерометра, на фиг.2б, - форма сигнала на выходе усилителя заряда (до обработки), а на фиг.2в - форма сигнала, соответствующего резонансным колебаниям чувствительного элемента пьезоакселерометра, на выходе сумматора.
Устройство содержит разъем 1 для подключения пьезоакселерометра 2, переключатель 3, источник тестового напряжения (ИТН) 4, усилитель заряда (УЗ) 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, управляемую линию задержки 7, ключ 8, сумматор 9, блок измерения и контроля (БИК) 10, блок коррекции коэффициента передачи (БККП)11, орган управления (ОУ) 12, интерфейсный блок (ИБ) 13, блок выявления экстремумов (БВЭ) 14, блок вычисления параметров свободных колебаний (БВСК) 15 и блок определения исправности (БОИ) 16, причем УЗ 5 подключен к разъему 1 пьезоакселерометра 2 через первый контакт переключателя 3, ИТН 4 подключен к разъему 1 пьезоакселерометра 2 через второй контакт переключателя 3, через третий контакт переключателя 3 выводы разъема 1 пьезоакселерометра 2 соединяются друг с другом, к выходу УЗ 5 подключен АЦП 6, к выходу АЦП 6 параллельно подключены управляемая линия задержки 7 и суммирующий вход сумматора 9, выход управляемой линии задержки 7 через ключ 8 подключен к вычитающему входу сумматора 9, к выходу сумматора 9 параллельно подключены входы БИК 10 и БВЭ 14, выход БВЭ 14 подключен к входу БВСК 15, к выходу БВСК 15 параллельно подключены БККП 11 и БОИ 16, выход БККП 11 подключен к входу БИК 10, ИБ 13 подключен к выходу БИК 10 и к БОИ 16; ОУ 12 соединен с ИБ 13, к выходам ОУ 12 подключены БИК 10, БВЭ 14, ключ 8, управляемая линия задержки 7 и переключатель 3.
ЗАД
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме ОУ 12 переводит переключатель 3 в верхнее положение, размыкает ключ 8, разрешает работу БИК 10 и блокирует работу БВЭ 14. Заряд, пропорциональный ускорению чувствительного элемента пьезоакселерометра 2, обусловленному вибрацией объекта эксплуатации, с выводов пьезоакселерометра 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 суммирующий вход сумматора 9. Поскольку ключ 8 разомкнут, этот код без изменений поступает на вход БИК 10, где анализируется и преобразуется в контролируемые показатели вибрации (частота основной гармоники вибрации, мгновенные и действующие значения виброускорения, виброскорости и некоторые другие). При этом БИК 10 выполняет нормирование вычисленных параметров с использованием текущего значения К коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2, полученного с БККП 11 Полученные значения параметров периодически или по запросу передаются через ИБ 13 на следующий уровень системы контроля и диагностики. Одновременно с описанными действиями код с выхода АЦП 6 постоянно накапливается в управляемой линии задержки 7; по мере ее заполнения самые старые коды теряются и замещаются новыми. Величина задержки Т регулируется ОУ 12 в зависимости от частоты основной гармоники вибрации объекта и должна быть равна целому числу N периодов этой гармоники. Кроме того, величина задержки должна превышать суммарную длительность интервалов Т1…Т4 (фиг.2).
0
0
Калибровка описываемого устройства выполняется в ходе пусконаладочных, а при наличии возможности, и плановых профилактических работ на объекте эксплуатации пьезоакселерометра 2. При этом пьезоакселерометр 2 демонтируется с объекта, а его коэффициент преобразования К измеряется прямым способом (например, с помощью вибростенда). Затем пьезоакселерометр 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 пьезоакселерометра 2 и условия его эксплуатации существенно не изменились.
В режиме определения образцовых параметров ОУ 12 замыкает ключ 8, в результате чего накопленные в управляемой линии задержки 7 значения, задержанные на несколько периодов, вычитаются из текущих значений, поступающих с АЦП 6. При условии отсутствия в течение времени задержки заметных изменений вибрации объекта эксплуатации последовательность кодов на выходе сумматора 9 будет содержать только случайную составляющую, обусловленную шумами канала измерения и негармоническими составляющими вибрации (фиг.2в, интервал Т1). БИК 10 оценивает параметры этой последовательности кодов, которые впоследствии будут использованы при вычислении параметров собственных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра 2.
По истечении некоторого времени Tl (4…5 периодов основной гармоники вибрации) ОУ 12 переводит переключатель 3 в среднее положение. При этом чувствительный элемент пьезоакселерометра 2 в результате обратного пьезоэффекта деформируется под воздействием напряжения возбуждения, поступающего с ИТН 4 (фиг.2а, интервал Т2). По истечении некоторого времени Т2, когда деформация достигнет установившегося значения, ОУ 12 переводит переключатель 3 в нижнее положение, замыкая таким образом выводы пьезоакселерометра 2. Заряд на выводах, вызванный подключением ИТН 4, в течение очень короткого промежутка времени ТЗ уменьшается до нуля (фиг.2а, интервал ТЗ), а деформация чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 начинает изменяться в виде затухающий колебаний с резонансной частотой. К этим колебаниям добавляется составляющая, вызванная вибрацией объекта эксплуатации (фиг.2а, интервал Т4). По окончании интервала времени ТЗ ОУ 12 переводит переключатель 3 в верхнее положение, вновь подключая УЗ 5 к выводам пьезоакселерометра 2. Одновременно с этим ОУ 12 блокирует работу БИК 10 и разрешает работу БВЭ 14. В результате работы управляемой линии задержки 7 на выходе сумматора 9 сформируется последовательность кодов, пропорциональных мгновенным значениям заряда на выводах пьезоакселерометра 2, соответствующая резонансным колебаниям чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 (фиг.2в, интервал Т4). За исключением начального участка, где возможно ограничение сигнала входными узлами описываемого устройства (УЗ 5 и АЦП 6), полученная последовательность кодов достаточно точно описывается выражением:
где y(i) - i-e значение последовательности;
i - номер отсчета (0…n);
Y - начальное значение функции при i=0 (в момент отключения источника тестового напряжения);
0
t - период квантования по времени;
τ - постоянная времени затухания переходного процесса;
ω - круговая частота резонансных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра 2;
Для определения значения Y БВЭ 14 выявляет локальные экстремумы последовательности кодов (фиг.2в, интервал Т4 за исключением участка с ограничением сигнала), а БВСК 15 на основе полученных данных определяет параметры экспоненциальной огибающей функции переходного процесса Y и τ, а также частоту резонансных колебаний ω. При этом выявление экстремумов выполняется до тех пор, пока уровень полезного сигнала (фиг.2в, интервал Т4) не станет сопоставим с уровнем помех (фиг.2в, интервал Т1).
0
0
0
0
Полученные в процессе определения образцовых параметров значения Y, τ и ω(Y, τ, ω) сохраняются в памяти БККП11. Туда же через ИБ 13 по команде оператора системы контроля и диагностики записывается эталонное значение коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2 К, измеренное прямым способом, а также значения предельно допустимых отклонений параметров τ ω и коэффициента преобразования от номинала.
По окончании вычислений ОУ 12 переводит устройство из режима определения образцовых параметров в нормальный режим путем размыкания ключа 8, разрешения работы БИК 10 и блокирования БВЭ 14.
В режим измерения текущего значения коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2 описываемое устройство переходит либо автоматически с заданной периодичностью, либо по команде оператора, поступающей через ИБ 13. Работа устройства в этом режиме во многом аналогична работе в режиме определения образцовых параметров. Устройство точно так же возбуждает резонансные колебания чувствительного элемента пьезоакселерометра 2, выделяет последовательность кодов, соответствующую этим колебаниям, и определяет параметры Y и τ экспоненциальной огибающей описывающей ее функции, а также частоту резонансных колебаний ω.
1
1
1
0
0
0
Так как с течением времени и в зависимости от условий эксплуатации пьезоакселерометра 2 его характеристики могут изменяться, значения параметров Y, τ и ω, вычисленные в режиме измерения (Y, τ ω), в общем случае отличаются от аналогичных значений Y, τ, ω, вычисленных в режиме определения образцовых параметров.
1
1
1
После вычисления параметров Y, τ, ω БКПП11 вычисляет текущее значение коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2 К по формуле:
1
1
БОИ 16 сравнивает полученные величины К, τ, ω с заданными предельно допустимьми значениями и на основании результатов сравнения формирует признак исправности пьезоакселерометра 2, который через ИБ 13 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 10 использует уже новое значение коэффициента преобразования К, полученное в режиме измерения текущего значения коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2.
Описанный алгоритм функционирования устройства дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра обосновывается следующим образом. Коэффициент преобразования пьезоакселерометра 2 К по определению описывается выражением
где q - заряд, возникающий в чувствительном элементе пьезоакселерометра 2.
а - виброускорение;
С учетом второго закона Ньютона и известного выражения 4, связывающего заряд с силой, действующей на чувствительный элемент пьезоакселерометра 2, получим:
где
d<sub>33</sub> - продольный пьезомодуль материала чувствительного элемента пьезоакселерометра 2;
F - сила, действующая на чувствительный элемент пьезоакселерометра 2 со стороны инерционного элемента пьезоакселерометра 2;
М - масса инерционного элемента пьезоакселерометра 2.
Таким образом, коэффициент преобразования пьезоакселерометра 2 изменяется пропорционально изменению пьезомодуля:
где
K<sub>1</sub> - коэффициент преобразования, соответствующий пьезомодулю d<sub>33</sub><sup>1</sup>.
33
1
1
d  - продольный пьезомодуль в момент времени t;
33
0
0
d  - продольный пьезомодуль в момент времени t;
0
33
0
К - коэффициент преобразования, соответствующий пьезомодулю d ;
Измерение значения пьезомодуля в процессе работы пьезоакселерометра 2 затруднено, однако отношение  может быть получено следующим образом.
При подключении ИТН4 к выводам пьезоакселерометра 2 его чувствительный элемент получает деформацию, значение которой вычисляется в соответствии с известным выражением
где
Δh - изменение высоты чувствительного элемента пьезоакселерометра 2;
U - приложенное к выводам напряжение.
0
В момент отключения ИТН 4 чувствительный элемент пьезоакселерометра 2 будет находиться в деформированном состоянии, что эквивалентно воздействию на него со стороны инерционного элемента пьезоакселерометра 2 силы F, определяемой следующим известным выражением:
где
h -высота чувствительного элемента пьезоакселерометра 2;
А - площадь сечения чувствительного элемента пьезоакселерометра 2, перпендикулярного направлению действия силы.
S - упругость материала чувствительного элемента пьезоакселерометра 2.
С учетом выражения 7 получим:
При воздействии этой силы на электродах чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 возникнет заряд, значение которого с учетом выражений 4 и 9 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 10 можно определить как
При этом считаем, что тестовое напряжение U, а также геометрические размеры чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 (A, 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 К и определив при помощи описываемого устройства соответствующее значение Q, можно путем измерения текущего значения Q определить текущее значение коэффициента преобразования K (с учетом выражений 6, 11):
Непосредственное измерение значения Q затруднено необходимостью замыкания выводов пьезоакселерометра 2 сразу после отключения ИТН 4. Однако возникающий в чувствительном элементе пьезоакселерометра 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;
ω - круговая частота резонансных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра 2.
Таким образом, зная некоторое количество значений q(t), можно определить значение Q.
Рассмотренное устройство позволяет 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.
Технический результат заключается в том, что коэффициент преобразования пьезоакселерометров контролируется устройством в рабочем режиме объекта эксплуатации, что позволяет осуществлять контроль с требуемой периодичностью и своевременно выполнять коррекцию коэффициента передачи всего измерительного канала, повышая за счет этого точность измерений параметров вибрации. Кроме того, значительные отклонения коэффициента преобразования и резонансной частоты от первоначального значения могут использоваться в качестве признака неисправности пьезоакселерометра, что позволит выявлять отказы на самых ранних стадиях их возникновения.