УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR MEASUREMENT OF VIBRATION (VERSIONS)

Изобретение предназначено для преобразования вибрации в сигнал виброскорости, который может быть использован для измерения и контроля уровня вибрации контролируемого объекта.
Известно устройство для измерения вибрации, содержащее пьезоэлектрический преобразователь и инструментальный усилитель, входы которого соединены с выходами пьезоэлектрического преобразователя и через первый и второй вспомогательные резисторы с общей шиной, регулирующий резистор соединен с входами задания усиления инструментального усилителя, выход которого является выходом сигнала вибрации [FET input. Low power instrumentation amplifier. Burr-Brown, 1997, p.9, Fig.3].
Недостатками данного устройства является то, что выходной сигнал пропорционален виброускорению, в то время как в соответствии с требованиями нормативных документов измерению подлежит величина виброскорости [ГОСТ 26044-83. Вибрация. Аппаратура для эксплуатационного контроля вибрационного состояния энергетических гидротурбинных агрегатов. Общие технические требования. М., Издательство стандартов, 6 стр. ГОСТ Р ИСО 10816-1-97. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования. Госстандарт, Минск, 1998 г. 12 стр. ГОСТ Р ИСО 8579-2-99. Контроль вибрационного состояния зубчатых механизмов при приемке. М., 2000, 14 с.].
Кроме того, сам пьезоэлектрический преобразователь как механическая система имеет в области верхних частот резонанс и при воздействии высокочастотных вибраций, например ударных процессов, возможно формирование сравнительно больших сигналов на резонансных частотах, которые вызывают перегрузку инструментального усилителя, что не только искажает выходной сигнал, но и проявляется в виде появления ложных низкочастотных составляющих, в течение которых усилитель остается в состоянии насыщения.
Известно устройство для измерения вибрации, содержащее пьезоэлектрический преобразователь и инструментальный усилитель, входы которого соединены с выходами пьезоэлектрического преобразователя и объединены через вспомогательный резистор с общей шиной, а прямой вход инструментального усилителя соединен с общей шиной, выход инструментального усилителя является выходом сигнала вибрации [Neil Р. Albaugh. The instrumentation amplifier handbook. Tucson, Arizona, 2000, Fig.4-1].
Недостатками данного устройства является то, что выходной сигнал пропорционален виброускорению, в то время как в соответствии с требованиями нормативных документов измерению подлежит величина виброскорости. Кроме того, сам пьезоэлектрический преобразователь как механическая система имеет в области верхних частот резонанс и при воздействии высокочастотных вибраций, например ударных процессов, возможно формирование сравнительно больших сигналов на резонансных частотах, которые вызывают перегрузку инструментального усилителя, что не только искажает выходной сигнал, но и проявляется в виде появления ложных низкочастотных составляющих, в течении которых усилитель остается в состоянии насыщения. Данное устройство также имеет несимметрию входов относительно общей шины, что приводить к снижению помехоустойчивости в рабочей полосе частот.
Известно устройство для измерения вибрации, содержащее пьезоэлектрический преобразователь и инструментальный усилитель, входы которого соединены с выходами пьезоэлектрического преобразователя, а дополнительный вход инструментального усилителя соединен с общей шиной и шиной питания через вспомогательные резисторы, выход инструментального усилителя является выходом сигнала вибрации [Amplifier provides signal conditioning for piezofilm sensor, June, 2002, Fig.l].
Недостатками данного устройства является то, что выходной сигнал пропорционален виброускорению, в то время как в соответствии с требованиями нормативных документов измерению подлежит величина виброскорости. Кроме того, сам пьезоэлектрический преобразователь как механическая система имеет в области верхних частот резонанс и при воздействии высокочастотных вибраций, например ударных процессов, возможно формирование сравнительно больших сигналов на резонансных частотах, которые вызывают перегрузку инструментального усилителя, что не только искажает выходной сигнал, но и проявляется в виде появления ложных низкочастотных составляющих, в течение которых усилитель остается в состоянии насыщения. Данное устройство также имеет несимметрию входов относительно общей шины, что приводить к снижению помехоустойчивости в рабочей полосе частот.
Наиболее близким к предложенному и выбранным в качестве прототипа является устройство для измерения вибрации, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, инструментальный усилитель и операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, выходы пьезоэлектрического преобразователя соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора, выход операционного усилителя соединен с его инверсным входом через конденсатор, а инверсный вход операционного усилителя соединен через второй резистор с выходом инструментального усилителя, а прямой вход операционного усилителя соединен с общей шиной, которая соединена с прямым входом дополнительного операционного усилителя, выход которого через первый дополнительный резистор соединен с его инверсным входом, который через второй дополнительный резистор соединен с выходом инструментального усилителя, прямой и инверсный входы которого через соответственно первый и второй вспомогательные резисторы соединены с выходами соответственно дополнительного операционного усилителя и инструментального усилителя [D.Wuchinich. Current-mode instrumentation amplifier enhances piezoelectric accelerometer. EDN, November, 23, 2006, p.76, Fig.1].
Недостатком данного устройства является сравнительно низкий динамический диапазон и относительно малая достоверность измерений, что связано с возможностью перегрузки инструментального усилителя при воздействии высокочастотных вибраций или ударов на пьезоэлектрический преобразователь. Это объясняется тем, что интегрирование сигнала для получения сигнала виброскорости выполняется в выходном каскаде, при этом входной каскад может быть перегружен и перейти в состояние насыщения.
Целью предлагаемого изобретения является расширение динамического диапазона и увеличение достоверности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения вибрации, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, инструментальный усилитель и операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, выходы пьезоэлектрического преобразователя соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора, выход операционного усилителя соединен с его инверсным входом через конденсатор, а инверсный вход операционного усилителя соединен через второй резистор с выходом инструментального усилителя, а прямой вход операционного усилителя соединен с общей шиной, введена индуктивность, которая включена между вторым выводом первого резистора и вторым входом задания усиления инструментального усилителя, а параллельно конденсатору подключен третий резистор.
Другое отличие устройства для измерения вибрации состоит в том, что индуктивность выполнена в виде инерционной массы, установленной на пьезоэлектрическом преобразователе.
Во втором варианте исполнения в устройство для измерения вибрации, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, инструментальный усилитель и операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, выходы пьезоэлектрического преобразователя соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора, выход операционного усилителя соединен с его инверсным входом через конденсатор, а инверсный вход операционного усилителя соединен через второй резистор с выходом инструментального усилителя, а прямой вход операционного усилителя соединен с общей шиной, введена индуктивность, которая включена между вторым выводом первого резистора и вторым входом задания усиления инструментального усилителя, параллельно конденсатору подключен третий резистор, а прямой и инверсный входы инструментального усилителя соединены с общей шиной через соответственно первый и второй вспомогательные резисторы.
В третьем варианте исполнения в устройство для измерения вибрации, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, инструментальный усилитель и операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, выходы пьезоэлектрического преобразователя соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора, выход операционного усилителя соединен с его инверсным входом через конденсатор, а инверсный вход операционного усилителя соединен через второй резистор с выходом инструментального усилителя, а прямой вход операционного усилителя соединен с общей шиной, которая соединена с прямым входом дополнительного операционного усилителя, выход которого через первый дополнительный резистор соединен с его инверсным входом, который через второй дополнительный резистор соединен с выходом инструментального усилителя, прямой и инверсный входы которого через соответственно первый и второй вспомогательные резисторы соединены с выходами соответственно дополнительного операционного усилителя и инструментального усилителя, введена индуктивность, которая включена между вторым выводом первого резистора и вторым входом задания усиления инструментального усилителя, а параллельно конденсатору подключен третий резистор.
Предлагаемые варианты исполнения объединены единым подходом, состоящим в обеспечении интегрирующих свойств инструментального усилителя за счет введения индуктивности последовательно с резистором, задающим коэффициент усиления инструментального усилителя.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства для измерения вибрации по первому варианту исполнения. На фиг.2 приведена структурная схема устройства для измерения вибрации по второму варианту исполнения. На фиг.3 приведена структурная схема устройства для измерения вибрации по третьему варианту исполнения. На фиг.4 приведен чертеж устройства в виде датчика с встроенной электроникой и катушкой индуктивности в виде инерционной массы. На рис.5 и 6 приведены амплитудно-частотные характеристики вибрационного сигнала, соответствующего виброскорости на выходе инструментального усилителя, соответственно для второго и третьего вариантов исполнения.
Устройство для измерения вибрации, как показано на фиг.1, содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, инструментальный усилитель 2 и операционный усилитель 3, выход которого является выходом устройства, выходы пьезоэлектрического преобразователя 1 соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя 2, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора 4, выход операционного усилителя 3 соединен с его инверсным входом через конденсатор 5, а инверсный вход операционного усилителя соединен через второй резистор 6 с выходом инструментального усилителя 2, прямой вход операционного усилителя 3 соединен с общей шиной 7, устройство содержит индуктивность 8, которая включена между вторым выводом первого резистора 4 и вторым входом задания усиления инструментального усилителя 2, а параллельно конденсатору 5 подключен третий резистор 9.
Устройство для измерения вибрации, как показано на фиг.2, содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, инструментальный усилитель 2 и операционный усилитель 3, выход которого является выходом устройства, выходы пьезоэлектрического преобразователя 1 соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя 2, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора 4, выход операционного усилителя 3 соединен с его инверсным входом через конденсатор 5, инверсный вход операционного усилителя 3 соединен через второй резистор 6 с выходом инструментального усилителя 2, а прямой вход операционного усилителя 3 соединен с общей шиной 7, устройство также содержит индуктивность 8, которая включена между вторым выводом первого резистора 4 и вторым входом задания усиления инструментального усилителя 2, параллельно конденсатору 5 подключен третий резистор 9, а прямой и инверсный входы инструментального усилителя 2 соединены с общей шиной 7 через соответственно первый 10 и второй 11 вспомогательные резисторы.
Устройство для измерения вибрации, как показано на фиг.3, содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, инструментальный усилитель 2 и операционный усилитель 3, выход которого является выходом устройства, выходы пьезоэлектрического преобразователя 1 соединены с прямым и инверсным входами инструментального усилителя 2, первый вход задания усиления которого соединен с первым выводом первого резистора 4, выход операционного усилителя 3 соединен с его инверсным входом через конденсатор 5, а инверсный вход операционного усилителя 3 соединен через второй резистор 6 с выходом инструментального усилителя 2, прямой вход операционного усилителя 3 соединен с общей шиной 7, которая соединена с прямым входом дополнительного операционного усилителя 12, выход которого через первый дополнительный резистор 13 соединен с его инверсным входом, который через второй дополнительный резистор 14 соединен с выходом инструментального усилителя 2, прямой и инверсный входы которого через соответственно первый 10 и второй 11 вспомогательные резисторы соединены с выходами соответственно дополнительного операционного усилителя 12 и инструментального усилителя 2, устройство также содержит индуктивность 8, которая включена между вторым выводом первого резистора 4 и вторым входом задания усиления инструментального усилителя 2, а параллельно конденсатору 5 подключен третий резистор 9.
Как показано на фиг.4, индуктивность 8 может быть выполнена в виде инерционной массы, установленной на пьезоэлектрическом преобразователе 1, который располагается между корпусом устройства и инерционной массой непосредственно или через изоляционные прокладки.
Устройство для измерения вибрации работает следующим образом. Инструментальный усилитель 2 имеет высокое входное сопротивление и воспринимает сигнал, формируемый пьезоэлектрическим формирователем 1. Коэффициент передачи инструментального усилителя определяется соотношением
внyтр
G
где R - величина постоянных внутренних резисторов инструментального усилителя, R - величина резистора, определяющего коэффициент усиления, соответствующего первому резистору 4 предлагаемого устройства. При малых значениях этого резистора может быть обеспечен большой коэффициент усиления. Если используется последовательное соединение резистора и индуктивности коэффициент усиления определяется соотношением
где L - величина индуктивности, ω - частота сигнала.
Из этого соотношения видно, что коэффициент передачи инструментального усилителя будет иметь зависимость от частоты, причем на его характеристике будет участок, для которого коэффициент усиления падает пропорционально росту частоты. Этот участок используется для получения сигнала виброскорости на выходе инструментального усилителя (фиг.5 и 6). Как следует из выражения для коэффициента передачи, уменьшение последнего ограничено единичным значением, и выше частоты
вepx
F интегрирование сигнала от пьезопреобразователя инструментальным усилителем не выполняется. Для расширения рабочего диапазона в сторону верхних частот схема на операционном усилителе реализует фильтр нижних частот с частотой среза около
вepx
нижн
вepx/
нижн
F. Таким образом, в области интегрирования сигнала инструментальным усилителем высокочастотные составляющие будут существенно ослаблены, по сравнению с коэффициентов передачи на нижней граничной частоте F (практический в соотношении FF).
Поскольку для реально используемых диапазонов частот величина индуктивности имеет большую величину, а следовательно, габариты и вес, эту индуктивность можно реализовать в виде инерционной массы, используемой в датчике для увеличения чувствительности пьезоэлектрического преобразователя.
В некоторых случаях использование первого резистора 4 в явном виде не требуется, поскольку его роль выполняет омическое сопротивление провода, из которого выполнена индуктивность 8.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает расширение динамического диапазона измеряемых вибраций и снижает вероятность формирования недостоверных сигналов на выходе при воздействии высокочастотных вибраций и ударных процессор, что повышает достоверность функционирования.