Вторичные блоки контроля вибрации

Датчики вибрации

Датчики предназначены для преобразования механической вибрации в аналоговый электрический сигнал. Наибольшее распространение получили три типа датчиков: индукционные датчики, пьезодатчики (пьезоэлектрические акселерометры) и токовихревые датчики.

Датчик виброскоростипреобразует параметры колебательного процесса в электрический сигнал на основе электродинамических явлений. В катушке, которая помещена в постоянное магнитное поле, возникает напряжение, пропорциональное скорости перемещения магнитного сердечника.

Рисунок1. Конструкция велосиметра

Катушка, установленная без трения на двух упругих мембранных пружинах в корпусе датчика, образует колебательную систему «пружина – масса» (рисунок 1). Когда датчик закреплен или присоединен к вибрирующему объекту, катушка остается неподвижной (при любой частоте выше собственной частоты колебательной системы) в пространстве, в то время как постоянный магнит вибрирует вместе с объектом. Катушка пересекает линии магнитного потока постоянного магнита, создавая электродвижущую силу в обмотках. При этом не требуется какое-либо питание для преобразования измеряемой величины в электрический сигнал. Поэтому датчик виброскорости называется также активным измерительным преобразователем.

Собственная частота датчика – обычно 8 или 15 Гц – зависит от его конструкции. Устанавливая электронную схему линеаризации амплитудно-частотной характеристики в измерительный прибор, можно измерить с высокой точностью абсолютную вибрацию на частотах, намного ниже собственной частоты датчика (например, нижний предел измеряемой частоты у анализатора Vibroport 40 равен 1 Гц). В настоящее время электронные схемы линеаризации являются стандартной принадлежностью современных анализаторов, выпускаемых ведущими фирмами (Bruel&Kjaer, Schenck, CSI, DLI и др.).

Кроме того, все диагностические приборы обладают электронным интегратором, позволяющим преобразовывать виброскорость, пропорциональную напряжению, вырабатываемому в обмотках катушки, в сигнал, пропорциональный виброперемещению.

Если частота и точность измерений критические, рекомендуется зафиксировать датчик в точке измерения с помощью резьбового соединения. Этот метод монтажа позволяет использовать весь рабочий частотный диапазон датчика (1…2000 Гц) без привнесения каких-либо ошибок в результат измерений. В частотном диапазоне до ~500 Гц использование датчика с магнитным держателем или со щупом дает хорошие и достаточно точные результаты.

Соединительный кабель между диагностическим прибором и датчиком виброскорости может быть длиной до 300 м, при этом величина вырабатываемого сигнала не требует какого-либо промежуточного усилителя.

Преимущества:

- прочная конструкция;

- высокая чувствительность даже при низких частотах;

- высокий уровень выходного сигнала и низкое внутреннее сопротивление;

- активный датчик, не требующий какого-либо внешнего источника питания;

- маслостойкий, водонепроницаемый, химически стойкий, герметичный корпус (обычно из нержавеющей стали).

Недостатки:

- верхнее ограничение частоты 2 000 Гц;

- чувствительны к сильным магнитным полям.

Датчик виброускоренияоснован на использовании пьезоэлектрического эффекта, возникающего в чувствительном элементе, в качестве которого используются кристаллы кварца или пьезокерамика. Пьезоэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов разного знака на противоположных гранях кристаллов-пьезоэлектриков, вызванных смещением полярных молекул в кристалле, при их механическом деформировании. Деформирующие нагрузки на чувствительном элементе создаются колеблющейся массой и пропорциональны величине ускорения.

На рисунке .2 показана конструкция датчика ускорения, в котором измерительный сигнал вырабатывается под действием сжимающих напряжений. В корпус датчиков этого типа встроены пьезоэлектрические керамические диски (чувствительный элемент) вместе с сейсмической массой. Если на эту систему наложить механические колебания, то сейсмическая масса за счет своей инерционности будет создавать на дисках переменную силу, а следовательно, и сжимающие деформации чувствительного элемента, в котором в результате пьезоэффекта вырабатывается переменный электрический заряд, пропорциональный виброускорению. Этот заряд преобразуется встроенным усилителем в напряжение.

Рисунок 2. Конструкция пьезоэлектрического датчика ускорения

Такая схема измерительного преобразователя позволяет создавать конструкции с очень высокой собственной частотой. У акселерометров, используемых в промышленности, резонансная частота расположена в области 35 кГц, что позволяет проводить измерения с верхним пределом рабочей частоты ~20 кГц, при этом нижний предел рабочего частотного диапазона у лучших датчиков виброускорения лежит гораздо ниже 1 Гц, что позволяет исследовать квазистационарные или медленнотекущие процессы.

Для датчиков ускорения не обязательны схемы линеаризации. Выходной сигнал датчика, пропорциональный ускорению, преобразовывается в диагностическом приборе, если требуется, единичным интегратором в сигнал, пропорциональный виброскорости, и двойным интегратором в сигнал, пропорциональный виброперемещению. Присоединение датчика ускорения к измерительной точке может быть сделано способом, аналогичным подключению датчика виброскорости: посредством щупа, магнитного держателя или резьбового соединения.

Быстросъемные крепления, например штыкового типа, не нашли широкого практического применения. Наиболее важные недостатки этого метода установки:

- значительно уменьшается рабочий диапазон частот из-за возникновения резонанса штыкового пружинного элемента;

- недостаточнаявоспроизводимость результатов измерений из-за изменений собственных характеристик динамической системы вследствие износа установочных элементов.

Преимущества:

- активный датчик;

- прочная конструкция;

- нечувствительны к внешним электромагнитным полям;

- остронаправлены (чувствительные элементы слабовосприимчивы к поперечным деформациям);

- имеют малые размеры;

- смонтированы в герметично закрытом корпусе из нержавеющей стали.

 

Недостаток:

- низкий уровень сигнала, требующий усиления и, следовательно, внешнего источника питания.

Токовихревые датчикииспользуются для измерения относительной вибрации. Датчики для измерения относительных колебаний вала в работающем агрегате должны соответствовать некоторым специальным требованиям:

- бесконтактное измерение значения вибрации;

- отсутствие чувствительности к среде между датчиком и измеряемой поверхностью;

- большой линейный диапазон измерений с высоким разрешением;

- простота установки, регулировки и калибровки.

Метод вихревых токов основан на том, что магнитное поле, созданное вокруг катушки переменным потоком, индуцирует вихревые токи в любом проводящем электричество материале, расположенном около катушки. Эти вихревые токи поглощают часть мощности катушки на создание магнитного поля во вращающемся роторе (рисунок 3).

Рисунок 3. Конструкция вихретоковых датчиков

Эта инверсия мощности более сильная, если проводящий материал более плотен, или еслибольшéе количество магнитных линий замыкается в материале ротора (при уменьшении зазора между поверхностью вращающегося ротора и измерительной катушкой). Эффект проявляет себя снижением амплитуды напряжения в преобразователе токов (осцилляторе). После выпрямления и обработки, результат преобразуется в нормализованный измерительный сигнал, пропорциональный расстоянию между катушкой и проводящим материалом (например 8 мВ/мкм).

Характеристики: механические и электрические характеристики цепей для измерения вихревых токов всесторонне описаны в стандарте API 670. Поэтому этот стандарт используется во всем мире для оценки измеряющих цепей этого типа. Другие требования содержатся в стандарте DIN 45 670.

Преимущества:

- возможность непосредственного измерения колебаний и положения ротора относительно подшипников;

- возможность измерения малых уровней колебаний вала;

- может использоваться с любым проводящим электричество материалом;

- не подвержен влиянию каких-либо диэлектрических сред, таких как масло, вода и т.д.;

- замена датчика возможна без перекалибровки;

- минимальное влияние остаточной намагниченности.

Недостаток:

- на измерения может влиять неоднородность структуры материала вала ротора.

Рассмотрим подробнее пьезодатчики.Пьезодатчик является универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа вибрации в промышленности. Эксплуатационные параметры пьезодатчиков в общем случае лучше, чем у любого другого типа вибродатчиков. Пьезодатчики отличаются широким рабочим динамическим и частотным диапазонами измерений, прочной конструкцией, надежностью и высокой стабильностью параметров.

Так как пьезодатчики являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный ускорению механических колебаний электрический сигнал, при их эксплуатации не требуется источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезодатчиков. Отметим, что вырабатываемый пьезодатчиком сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа виброскорости и виброперемещения механических колебаний.

Основной частью пьезодатчика является чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала, в качестве которого в настоящее время используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на своих поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.

Конструкция датчика предусматривает наличие инерционной массы, воздействующей на пьезоэлемент с силой, пропорциональной ускорению механических колебаний в соответствии с законом Ньютона, согласно которому сила равна произведению массы на ускорение.

На частотах, значительно меньших резонансной частоты общей системы «масса – пружина» (см. рисунок 2), ускорение инерционной массы совпадает с ускорением его основания, и, следовательно, вырабатываемый пьезодатчиком электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.

Представленный на рынке широкий ассортимент вибродатчиков способен удовлетворить различные запросы пользователя. При приобретении определенного типа датчика всегда приходится выбирать компромиссное решение с учетом стоимости, порога чувствительности и предела измерений акселерометра, частотного диапазона измерений и размеров, расположения разъемов, многокомпонентности направлений измерения вибрации, условий эксплуатации и ряда других факторов. Обычно наиболее выгодные– группа пьезодатчиков общего назначения, удовлетворяющая требованиям большинства областей измерения и анализа механических колебаний. И все же не рекомендуется замыкаться при приобретении диагностической аппаратуры только на датчиках общего назначения, поскольку все ситуации в процессе проведения периодическоговибромониторинга предусмотреть невозможно.

Малогабаритные акселерометры при отличном частотном диапазоне измерений и миниатюрности имеют сравнительно низкий коэффициент преобразования (высокий порог чувствительности) и применяются для измерения колебаний с большими амплитудами и высокими частотами, а также при исследовании легких конструкций, каркасов, панелей и др.

Промышленные акселерометры идеально приспособлены для эксплуатации в стационарных системах, а также для периодического контроля и мониторизациимеханических колебаний в неблагоприятных условиях окружающей среды, в том числе во взрывоопасных средах. Их отличают прочная конструкция корпуса и разъемов (уплотнений), надежность при непрерывной эксплуатации, нормализованная чувствительность, высокая помехозащищенность, передача сигнала на большие расстояния. Некоторые имеют встроенныйпредусилитель. Как правило, крепятся они с применением трех болтов, и в этом их достоинство (для постоянного мониторинга) и недостаток (для периодических измерений).

Высокотемпературные акселерометры, обычно используемые в промышленных системах специального назначения, имеют специальный чувствительный элемент (пьезокристалл), как правило естественного происхождения, позволяющий работать доQ= 400...500^оС, и специальный кабель, соединенный с датчиком без разъема. Эти датчики отличаются высокой стоимостью и, обычно, более низким коэффициентом преобразования, по сравнению с аналогами по габаритам, из-за применения естественного пьезокристалла.

Многокомпонентные акселерометры содержат в общем уплотненном корпусе обычно три (реже два) пьезоэлемента, измерительные оси которых направлены перпендикулярно друг относительно друга. Такой датчик одновременно воспринимает вибрацию в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Его существенное преимущество в том, что для проведения измерений в трех направлениях датчик необходимо крепить лишь один раз.

Основными параметрами, определяющими выбор того или иного типа вибродатчика, являются (рисунок4):

- коэффициент преобразования (или чувствительности), т.е. способность при воздействии нормированных колебаний генерировать как можно более высокий электрический сигнал. Увеличение достигается (при прочих равных условиях) увеличением размеров пьезоэлемента и, следовательно, увеличением размеров и собственной массы акселерометра, что в итоге приводит к снижению верхней границы частотного диапазона измерений;

Рисунок 4. Коэффициент преобразования акселерометра и рабочий диапазон в зависимости от размеров пьезоэлемента при прочих равных условиях

- ширина частотного диапазона измерений, т.е. способность акселерометра правильно измерять как низкочастотные, так и высокочастотные механические колебания агрегата. Верхний предел частотного диапазона измерений определяется частотой установочного резонанса – относительная погрешность акселерометра (при нормальных условиях) при принятии верхнего предела рабочего частотного диапазона, равным 1/5 от величины резонансной частоты, не превышает 6%, а при 1/3 – 12%. Нижний предел частотного диапазона измерений определяется двумя факторами: нижней частотой среза предусилителя, применяемого с акселерометром, и влиянием быстрых изменений температуры, поскольку все пьезоэлементы к ней чувствительны;

- ширина динамического диапазона измерений, т.е. способность акселерометра работать в области как высоких, так и низких уровней вибрации. Нижний предел диапазона измерений чаще определяется не характеристиками пьезоэлемента, а качеством соединительных кабелей и разъемов, усилительными каскадами и электрическим шумом (для работы в области особо низких частот применяются специальные сейсмодатчики). Верхний предел диапазона измерений акселерометра определяется прочностью его конструкции и способами его крепления;

- размеры и собственная масса (миниатюрность), т. е. возможность применения акселерометра для измерения вибрации в труднодоступных местах и на легких объектах. Важно следовать правилу, что масса вибродатчика не должна превышать десятую часть динамической массы объекта, на котором он закреплен.

В области резонанса нарушается пропорциональность между выходным сигналом пьезодатчика и ускорением механических колебаний исследуемого объекта. При измерении вибрации в широкой полосе частот попадание резонансной частоты акселерометра в анализируемую частотную полосу приводит к ошибочным результатам, особенно если измеряемый процесс содержит составляющие с частотами в области резонанса акселерометра. Решением этой проблемы является использование фильтров нижних частот, как правило, устанавливаемых в предусилителях.

Предусилители

Подключение нагрузки (даже с относительно большим импедансом) непосредственно к выходу пьезоэлектрического акселерометра может быть причиной значительного уменьшения его коэффициента преобразования и сужения частотного диапазона измерений. Чтобы уменьшить до минимума это нежелательное влияние нагрузки, вместе с акселерометром используется соответствующийпредусилитель. Основной задачей предусилителя является преобразование высокого выходного импеданса[1] акселерометра в более низкий импеданс, оптимальный с точки зрения относительно низкого входного импеданса измерительной и анализирующей аппаратуры (рисунок5.1).

Рисунок5. Функции предусилителей

Обычно виброизмерительные приборы для периодическоговибромониторинга снабжаются как встроенными предусилителями, так и имеют вход для внешнего предусилителя. Большинство предусилителей обеспечивают не только преобразование импеданса, но и усиление и (или) формирование вырабатываемого акселерометром электрического сигнала. Предусилители могут иметь калиброванный и регулируемый коэффициенты (в том числе автоматически устанавливаемый) усиления для преобразования сигнала до нужного для измерительной, анализирующей или регистрирующей аппаратуры уровня (рисунок5.2). Предусилитель (рисунок5.3) с плавно регулируемым коэффициентом усиления дает возможность нормализации сигнала, вырабатываемого акселерометрами с «некруглым» или неудобным значением коэффициента преобразования. Предусилитель (рисунок5.4) имеет внутренний электронный интегратор для преобразования пропорционального виброускорению сигнала в сигнал, пропорциональный виброскорости или вибросмещению. Предусилители могут также быть снабжены внутренними фильтрами, определяющими частотный диапазон измерений системы в области низких и высоких частот и эффективно подавляющими шум и другие помехи, а также влияние резонанса пьезодачика.

Вторичные блоки контроля вибрации

Вторичные блоки предназначены для первичной обработки сигналов вибродатчиков, устанавливаемых на оборудовании, индикации параметров вибрации, индикации уставок предупредительной и аварийной сигнализации и индикации срабатывания защиты (рисунок6). Вторичные блоки обычно имеют выходы по току и напряжению, а также контакты, срабатывающие при достижении контролируемого параметра вибрации уровня уставок. Часто для повышения надежности работы аппаратуры блоки имеют автономные источники питания и индикаторы состояния измерительной (кабельной) линии. Выходы по переменному и постоянному току могут служить для автоматизации процесса контроля и защиты, а также для подключения анализаторов спектра или ЭВМ.

Рисунок 6. Структурная схема вторичного блока контроля

Во вторичном блоке контроля виброскорости напряжение, пропорциональное виброускорению усиливается, проходит полосовую фильтрацию, интегрируется. Фильтр нижних частот обеспечивает требуемую неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) измерительного тракта в полосе частот до 1000 Гц. Фильтр верхних частот имеет срез на частотах ниже 10 Гц. На выходе интегратора вырабатывается напряжение, пропорциональное виброскорости. Далее детектор среднеквадратического значения (СКЗ) преобразует это напряжение в напряжение постоянного тока, которое поступает на индикатор V_СКЗ. Одновременно производится сравнение сигнала с аварийными уставками, в случае превышения которых срабатывает предупредительная или аварийная сигнализация.

Если вторичный блок контроля вибрации имеет интерфейс для соединения с ЭВМ, то появляется возможность компьютерного мониторинга состояния оборудования. Ввиду разнообразия и сложности конструкций компьютерных блоков в книге не рассмотрены их особенности. При выборе оборудования рекомендуется пользоваться услугами квалифицированных специалистов в области вибродиагностики и мониторинга.

Компьютерный блок со специализированным программным обеспечением позволяет собирать данные измерения вибрации от группы контрольных точек агрегата в синхронном или асинхронном режимах, хранить большие объемы измерительной информации, обрабатывать и отображать данные измерения вибрации во временной и частотной областях и наблюдать за изменением параметров вибрации по алгоритмам мониторинга. Основным отличием от контроля СКЗ виброскорости в этом случае будет способность наблюдать за изменениями отдельных спектральных составляющих с течением времени и создавать индивидуальные пределы тревожной сигнализации (уставки) для отдельных параметров вибросигнала. Более детально возможности программного обеспечения рассмотрены в соответствующем разделе.

Переносные виброметры

Приведенная на рисунок7 структурная схема иллюстрирует конструкцию и принцип действия виброметра. Пьезодатчик соединяется с усилителем заряда (напряжения), образующим входной каскад измерительного устройства, отличающийся высоким импедансом. В этом случае отпадает необходимость применения внешнего предусилителя. Если применяется усилитель заряда, то появляется возможность применения относительно длинного кабеля без заметной потери чувствительности.

Рисунок 7. Структурная схема виброметра

Каскад интеграторов обеспечивает измерение виброускорения, виброскорости или виброперемещения. Предусмотренные фильтры верхних и нижних частот можно настраивать согласно требованиям к ширине анализируемой полосы частот и/или диапазону измерений используемого датчика. С выходом усилительного каскада, обеспечивающего нужное усиление сигнала, соединен детектор, вырабатывающий пропорциональное измеряемой величине постоянное напряжение, подающееся затем на индикатор (аналоговый или цифровой). Детектор определяет амплитуду, размах или СКЗ измеряемой величины. Если предусмотрено запоминающее устройство, то измеренные значения вибрации можно просмотреть позднее или переслать в ЭВМ. Запоминающее устройство особенно эффективно при измерении механических ударов и кратковременных (переходных) процессов. Виброметры могут иметь выход для подключения внешних приборов.

Некоторые, наиболее современные модели виброметров позволяют подключать (или имеют встроенные) датчики температуры, числа оборотов и др., а также определяют состояние подшипников качения (используя метод ударных импульсов) и наличие кавитации (измеряя высокочастотные импульсы, характеризующие кавитацию), сохраняя при этом компактность и длительный срок автономной работы. Ввод собранных данных в ЭВМ (с учетом времени сбора информации) позволяет использовать такие виброметры для автоматизированного анализа тенденций.