ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
PIEZOELECTRIC ACCELEROMETRE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам электрических измерений неэлектрических величин, и может быть использовано для измерения виброускорений промышленных объектов.
Известны пьезоэлектрические акселерометры (см. описания изобретений к авторским свидетельствам: №885899 от 16.07.1979, МКИ G01P 15/09, «Пьезоэлектрический акселерометр», опубл. 30.11.1981 и SU №1551045 А1 от 20.06.1988, МКИ G01P 15/09, «Пьезоэлектрический акселерометр», опубл. 30.04.1990), состоящие из корпуса со стойкой, имеющей резьбу на верхнем конце, а также пьезоэлектрических шайб и инерционной массы, которые надеты на стойку, пьезоэлектрические шайбы и инерционная масса прижаты при помощи гайки к основанию акселерометра.
Недостатком таких устройств является высокая чувствительность к промышленным наводкам и помехам вследствие того, что пьезоэлектрические шайбы заземлены на корпус. Такая схема соединения элементов является самой неудачной с точки зрения защиты от промышленных наводок и помех, так как паразитные токи, индуцируемые источниками помех, протекают между точками заземления акселерометра и внешнего предусилителя, создавая паразитное синфазное напряжение, часть которого поступает на вход предусилителя, т.е. просачивание помех весьма значительно. Этот недостаток не позволяет широко использовать акселерометры для вибродиагностики промышленного оборудования.
Известен пьезоэлектрический акселерометр (см. Вибропреобразователь МВ-43-1Б. Руководство по технической эксплуатации ЖЯИУ.433642.001-01РЭ, ЗАО «Вибро-Прибор», г.Санкт-Петербург), который является наиболее близким по технической сущности и взят в качестве прототипа. Пьезоэлектрический акселерометр состоит из основания корпуса акселерометра со стойкой, имеющей резьбу на верхнем конце, а также пьезоэлектрических и изолирующих шайб и инерционной массы, которые надеты на стойку, пьезоэлектрические шайбы и инерционная масса прижаты при помощи гайки к основанию акселерометра, который устанавливают на вибрирующем объекте, причем пьезоэлектрические шайбы изолируют от корпуса и инерционной массы при помощи изолирующих шайб. Такое устройство позволяет использовать схему с плавающим источником сигнала, в которой ток помехи должен преодолевать дополнительный импеданс между генератором паразитного сигнала и общим проводом. Соответственно, уменьшаются наводки паразитных сигналов на выходе вибропреобразователя.
Недостатками этого акселерометра являются его малые чувствительность и точность, обусловленные тем, что металлические основание, стойка, инерционная масса и гайка электрически соединены с корпусом промышленного объекта (землей) и поэтому промышленные наводки и помехи через паразитную емкость, образующуюся между обкладками пьезоэлектрических шайб с выходным проводом и стойкой, основанием, инерционной массой, поступают на выход акселерометра с его корпуса. Паразитная емкость обычно имеет величину 3-7 пФ, но этого достаточно, чтобы существенно снизить минимальное пороговое значение вибрации, которое может зарегистрировать акселерометр на фоне наводок и помех, просачивающихся через эту емкость на выход акселерометра.
Решаемой технической задачей является создание пьезоэлектрического акселерометра с повышенной чувствительностью и точностью, которые обеспечиваются за счет значительного уменьшения уровня промышленных наводок и помех при использовании акселерометров для мониторинга промышленного оборудования.
Эта задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом: пьезоэлектрический акселерометр содержит основание корпуса, пьезоэлектрические шайбы, первую изолирующую шайбу, инерционную массу, гайку, крышку и выходной кабель и отличительных от наиболее близкого аналога новых существенных признаков: дополнительно введены вторая изолирующая шайба, изолирующая втулка, электропроводная шайба и металлорукав, стойка изготовлена отдельно от основания корпуса в виде винта, в основании корпуса сделано круглое отверстие, на стержень винта надеты вторая изолирующая шайба и изолирующая втулка, винт с нижней стороны основания вставлен в отверстие основания корпуса, сверху на стержень винта последовательно надеты первая изолирующая шайба, электропроводная шайба, пьезоэлектрические шайбы, инерционная масса, которая выполнена в виде опрокинутой чашки, нижний край которой расположен на минимальном расстоянии от электропроводной шайбы, причем размеры и форма винта, электропроводной шайбы и инерционной массы подобраны таким образом, что образуется электрический экран, который изолирован от корпуса изолирующими шайбами и втулкой, при помощи гайки все эти детали поджаты к основанию корпуса, все отрицательные обкладки пьезоэлектрических шайб электрически соединены с инерционной массой и с экраном выходного кабеля, который пропущен через крышку и электрически изолирован от корпуса, а все положительные обкладки пьезоэлектрических шайб соединены проводом, который проходит через отверстие в инерционной массе, с центральной жилой выходного кабеля, помещенного в металлорукав, соединенный с корпусом.
Ниже раскрывается наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым результатом.
Во-первых, впервые предложено устройство пьезоэлектрического виброконтроля, основанное на полном экранировании от корпуса положительных обкладок пьезоэлектрических шайб и провода, соединяющего эти обкладки с выходом пьезоэлектрического акселерометра.
Во-вторых, применение такого устройства позволяет упростить изготовление пьезоэлектрического акселерометра за счет отдельного изготовления основания и стойки акселерометра.
В-третьих, применение такого устройства позволяет более чем в 100 раз уменьшить паразитную емкость между корпусом и входной цепью пьезоэлектрического акселерометра и тем самым более чем на 40 дБ по сравнению с прототипом уменьшить просачивание промышленных помех и наводок с корпуса пьезоэлектрического акселерометра через его выходной проводник во входные цепи усилителя сигналов.
Таким образом, новая совокупность всех существенных признаков в заявляемом устройстве обеспечивает достижение следующего результата: повышение чувствительности и точности пьезоэлектрического акселерометра.
На фиг.1 приведен эскиз пьезоэлектрического акселерометра, в котором реализовано предлагаемое техническое решение.
На фиг.2 представлена эквивалентная электрическая схема предлагаемого пьезоэлектрического акселерометра.
Устройство содержит основание корпуса 1, пьезоэлектрические шайбы 2, первую изолирующую (прокладку) шайбу 3, инерционную массу 4, гайку 5, крышку 6 и выходной кабель 7. Стойка изготовлена отдельно от основания корпуса в виде винта 8, в основании корпуса 1 сделано круглое отверстие 9, на стержень винта 8 надеты вторая изолирующая шайба 10 и изолирующая втулка 11, которые обеспечивают электрическую изоляцию винта 8 от основания 1, винт 8 с нижней стороны основания 1 вставлен в отверстие 9 основания корпуса 1, а сверху на стержень винта последовательно надеты изолирующая шайба 3, электропроводная шайба 12, пьезоэлектрические шайбы 2, инерционная масса 4, при помощи гайки 5 все эти детали поджаты к основанию корпуса 1. Все отрицательные обкладки пьезоэлектрических шайб 2 электрически соединены с инерционной массой 4, а проводом 13 с экраном 14 выходного кабеля 7, который пропущен через крышку 6, экран кабеля электрически изолирован от корпуса изолирующей оболочкой 15, все положительные обкладки пьезоэлектрических шайб 2 соединены проводом 16, который проходит через отверстие 17 в инерционной массе, с центральной жилой 18 выходного кабеля 7, который помещен в металлорукав 19, соединенный с корпусом.
Акселерометр работает следующим образом (см. фиг.1). При наличии вибраций вдоль оси чувствительности, направленной вдоль оси винта 8, инерционная масса 4 передает инерционное воздействие на пьезоэлектрические шайбы 2, на пьезоэлектрических шайбах 2 возникает знакопеременный заряд, который по проводникам 13 и 16 поступает на выходной кабель 7 и далее по этому кабелю на вход внешнего предусилителя. Стойка изготовлена отдельно от корпуса 1 в виде винта 8, который пропущен снизу через отверстие 9 и закреплен в основании корпуса 1 при помощи изолирующих втулки 11 и шайб 10 и 3, корпус 1 электрически изолирован от винта 8 (см. фиг.1). Инерционная масса 4 выполнена в виде опрокинутой чашки, нижний край которой расположен на минимальном расстоянии от электропроводной шайбы 12 (см. фиг.1). Причем размеры и форма винта 8, электропроводной шайбы 12 и инерционной массы 4 подобраны таким образом, что образуется электрический экран, который изолирован от корпуса изолирующими шайбами 3, 10 и втулкой 11, и обеспечивает минимальную паразитную емкость между корпусом вибропреобразователя и выходом. Эти признаки обеспечивают минимальное просачивание паразитных сигналов на выход акселерометра.
Работа устройства поясняется также приведенной на фиг.2 эквивалентной электрической схемой, образующейся при реализации устройства по предлагаемому техническому решению. В прототипе все металлические детали акселерометра соединены с корпусом 1, экран 3 отсутствует и емкость 7, которая представляет собой суммарную емкость положительных (+) выводов 4 пьезоэлектрических шайб 2 и соединительного провода 8 на корпус 1, винт, инерционную массу, имеет, как правило, величину 3-7 пФ. Емкость 5, которая представляет собой суммарную емкость всех пьезоэлектрических шайб и собственную емкость соединительного кабеля 4, обычно имеет величину порядка нескольких тысяч пФ. Такая же по порядку величины емкость 6, которая образуется между экраном кабеля 9 и металлоруковом 10. Элементы 14, 15 и 16 - это импедансы центральной жилы соединительного кабеля 4, экрана кабеля 9 и металлорукава 10, соответственно. По кабелю 4 сигнал передают от пьезоэлектрических шайб 2 на удаленный предварительный усилитель 17, в качестве которого обычно применяют усилитель заряда. Промышленные помехи и наводки возникают между корпусом 1 пьезоэлектрического акселерометра и корпусом 18 удаленного усилителя 17. Между заземлениями 12 и 13 этих корпусов возникает напряжение наводки 11. В прототипе часть этого напряжения поступает через емкостный делитель 7, 5 на выход акселерометра и по кабелю 4 на вход усилителя 17, создавая сигнал помехи, который достаточно велик вследствие заметной величины емкости 7. На фоне этого сигнала сложно наблюдать небольшой полезный сигнал виброускорения, то есть слабые вибрации промышленных объектов зарегистрировать трудно.
В предлагаемом устройстве в соответствии с формулой изобретения создают дополнительный экран 3 из электропроводных элементов пьезоэлектрического акселерометра, при помощи изолирующих элементов этот экран 3 изолирован от корпуса 1, в результате этот экран практически полностью электрически экранирует положительные обкладки пьезоэлектрических шайб 2 от корпуса 1. Таким образом, получена очень малая величина паразитной емкости 7, которая на два с лишним порядка меньше тех емкостей, которые имеют аналоги и прототип. Емкость 6, которая имеет величину порядка тысячи пикофарад, создают емкость между корпусом 1 и экраном 3, образованным электропроводной шайбой, инерционной массой и винтом, и емкость между экраном выходного кабеля 4 и металлоруковом 9. Величина этой емкости практически не отличается от той, которую имеет прототип. Даже при больших значениях напряжения источника наводки 10 величина паразитного напряжения на кабеле 4 не превышает уровня шумов акселерометра. Токи, протекающие по цепи заземление 13 - заземление 12 - корпус акселерометра 1 - емкость 7 - резистор 14 - вход предусилителя 17 - корпус предусилителя 18, также ничтожно малы из-за очень высокого импеданса 7 и не создают на входе усилителя 17 паразитных наводок, что позволяет регистрировать слабые вибрации контролируемого данным способом объекта.
Таким образом, решена цель изобретения - создание пьезоэлектрического акселерометра для промышленного оборудования с повышенной чувствительностью и точностью.
Все примененные узлы и элементы широко описаны в технической литературе и легко могут быть реализованы.
В целях подтверждения осуществимости заявленного устройства и достигнутого технического результата изготовлены из нержавеющей стали и испытаны несколько различных по техническому исполнению опытных образцов пьезоэлектрических акселерометров, построенных на основе пьезокерамики ЦТС83Г, в которых реализован предложенный пьезоэлектрический акселерометр совместно со стандартным усилителем заряда 17. Все эти пьезоэлектрические акселерометры имеют конструкцию, соответствующую фиг.1, и эквивалентную электрическую схему, изображенную на фиг.2. В качестве источника наводки 11 (фиг.2) включен в разрыв цепи заземление 12 - заземление 13 трансформатор с выходным напряжением 100 В и частотой 50 Гц, имитирующий паразитную наводку. Ослабление наводки на выходе усилителя заряда по отношению к прототипу в опытных образцах составило 42-46 дБ.
Проведенные испытания показали осуществимость заявленного устройства, подтвердили его преимущества и практическую ценность.
Пьезоэлектрический акселерометр может широко применяться для вибрационного анализа и вибромониторинга промышленного оборудования в условиях высоких промышленных наводок и помех.