Классификация технических средств диагностирования

Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов Лекция № 4 (конспект лекций) 14.1. Классификация технических средств диагностирования К средствам технического диагностирования относятся Программные средства диагностирования — пакеты программ, используемые при диагностике. Ремонтно-эксплуатационная документация — таблицы состояний, методики поиска дефекта, ремонтные схемы, Технические средства диагностирования (ТСД) представляют собой приборы или устройства, предназначенные для решения различных диагностических задач. Состав и принцип построения ТСД определяются решаемыми задачами диагностирования, степенью воздействия на оборудование, степенью встраивания, способами получения информации, способами обработки информации о состоянии оборудования, степенью автоматизации, степенью универсальности и подвижности. В з ави си мо ст и о т р еш аем ых з ад ач д и агн ост и рования можно выделить следующие виды ТСД: — контроля работоспособности; — поиска дефектов; — прогнозирования состояния; — контроля и прогнозирования состояния; — контроля работоспособности и поиска дефектов; — контроля и прогнозирования состояния, поиска дефектов. По ст еп ен и воз д ей ст ви я н а об о р уд ов ан и е ТС Д разделяют на активные и пассивные. Конструктивно ТСД могут полностью или частично относиться к ОД (встроенные) или выполняться отдельно от конструкции ОД (внешние). То и другое конструктивное выполнение ТСД в основном определяется особенностями эксплуатации ОД. П о с п о с о б у п о л уч е н и я и н ф о р м а ц и и о с о с т о я н и и оборудования ТСД делятся на средства для определения состояния по совокупности параметров ТСД-П и средства для оценивания состояния по сигналам ТСД-С. В первом случае обрабатывается информация, снимаемая в контрольных точках, специально предусмотренных в оборудовании. Во втором случае для возможности оценивания реакции на рабочем выходе объекта в состав ТСД включают эквивалентную модель, а диагноз устанавливают путем сравнения реакции оборудования и модели на одинаковые входные воздействия. По способу обработки информации ТСД могут быть последовательного, параллельного и параллельно-последовательного действия. По степени автоматизации ТСД разделяются на ручные, автоматизированные и автоматические. Условной границей между этими ТСД может быть доля времени, затрачиваемого на выполнение операций автоматически та, в общем времени диагностирования тд, т.е. Ка = та/тд Если время на автоматическое выполнение операций составляет до 0,1 т , то ТСД называют ручными, а если время на автоматические операции составляет не менее 0,9 тд, то — автоматическими. Все остальные относятся к автоматизированным. 1 По степени универсальности ТСД разделяют на специализированные и универсальные. Специализированные ТСД предназначены для оценивания состояния однотипного оборудования. Такие ТСД могут включать унифицированные блоки, мини-ЭВМ и микропроцессоры. Универсальные ТСД предназначены для диагностирования оборудования различного назначения и конструктивного выполнения. Такие средства строятся с применением ЭВМ. В этом случае переход от одного типа оборудования к другому осуществляется путем смены программы диагностирования без изменения структуры ТСД. Универсальные ТСД, как правило, проектируются с "открытыми входами" под унифицированные сигналы первичных измерительных преобразователей. Универсальные ТСД отличаются гибкостью, т.е. возможностью ввода новых программ диагностирования. Следует заметить, что универсальные ТСД достаточно сложные и дорогостоящие, и для их обслуживания требуются специалисты высокой квалификации. В зависимости от степени подвижности ТСД могут быть выполнены переносными, передвижными и стационарными. Стационарные средства чаще всего размещаются на диагностических станциях, испытательных и контрольных центрах. Передвижные средства монтируются на самоходных или несамоходных транспортных средствах. 14.2. Показатели технических средств диагностирования. Показатели надежности ТСД характеризуют: — вероятность безотказной работы Рт (t), т.е. вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ ТСД не возникает. Величина вероятности безотказной работы рассчитывается по различным формулам в зависимости от закона распределения отказов элементов. Для экспоненциального закона , где — интенсивность отказов ТСД; — коэффициент готовности КГ представляет собой вероятность того, что ТСД окажутся работоспособными в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование их по назначению не предусматривается, и характеризует как безотказность, так и ремонтопригодность ТСД. Коэффициент готовности рассчитывается по формуле где Тт — наработка на отказ; Тв — среднее время восстановления. — вероятность правильного функционирования ТСД М ет рол ог и ч е ск и е п о к аз ат ел и х а рак т ери з ую т т оч ность ТСД, которая в большой степени влияет на инструментальную достоверность. Точность можно определить так называемой мерой точности где о (е) — среднеквадратичная погрешность. Мера точности зависит от сложности ТСД и определяется точностью отдельных операций при диагностировании. При постановке диагноза могут быть случайные и систематические погрешности, обусловленные погрешностями измерительного тракта ТСД и нестабильностью метода измерения. Систематические погрешности, характер изменения которых известен, могут быть учтены при выборе допуска на параметры. Случайные же погрешности всегда будут вносить неопределенность при оценивании результата диагностирования. Погрешности метода измерения приводят также к ошибкам в оценивании состояния ОД. Иногда кроме статической 2 погрешности следует учитывать и динамическую погрешность измерения, влияние которой весьма существенно при измерении переменной величины. Причем чем быстрее изменяется параметр, тем больше погрешность измерения в данном интервале времени. Основной вклад в ошибки при постановке диагноза вносят датчики, первичные преобразователи, коммутаторы и элементы измерительного тракта. В общем случае погрешность складывается из погрешности датчиков ад, нормализаторов ан и коммутаторов ак, т.е. которая составляет единицы процентов. Цифровым измерительным устройствам свойственна более низкая погрешность, достигающая 0,01 %. Массогабаритные показатели ТСД можно охарактеризовать величиной компактности где G — масса ТСД; V— занимаемый объем. Требования минимально возможной стоимости, малой массы, габаритов являются общими для любых технических средств. 15.1. Общие сведения Датчик (измерительный преобразователь) — устройство, воспринимающее измеряемый (контролируемый) параметр и преобразующее его в сигнал, удобный для передачи по линиям связи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения. В большинстве случаев датчик представляет собой конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей: (первичных и промежуточных) и сопутствующих им конструктивных элементов, предназначенную для измерения (контроля) конкретной физической величины и выполненную в виде единой конструкции. В средствах технического диагностирования используют датчики с электрическим выходным сигналом, так как электроизмерительные схемы этих средств имеют ряд важных преимуществ перед пневматическими, гидравлическими и др.: быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов диагноза в форме, удобной для обработки на ЭВМ; многофункциональность и гибкость, позволяющие при наличии программирующего устройства оперативно перестраивать структуру измерительных каналов. Датчики, являясь первичными элементами средств диагностирования, осуществляют связь этих средств с объектом путем преобразования контролируемых параметров (неэлектрических и электрических величин) в электрические сигналы, поступающие во входные устройства диагностического средства. Преобразование измеряемой физической величины в электрический сигнал осуществляется в датчиках на основе использования зависимости электрических параметров различных физических тел от внешних воздействий. В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные или активные и параметрические или пассивные. В генераторных датчиках осуществляется преобразование измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию). В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи — сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., причем датчик питается от внешнего источника электрической энергии. В настоящее время находят наиболее широкое применение следующие: 1. Тензорезисторные (тензометрические) датчики — для измерения давлений, 3 усилий, вращающих моментов, относительных перемещений, линейных ускорений и др. 2.Электроконтактные датчики — для измерения временных интервалов и фазовых параметров работы двигателя. 3. Индуктивные датчики — для измерения давлений, линейных перемещений и др. 4. Трансформаторные (взаимоиндуктивные) датчики — для измерения линейных перемещений, давлений, расходов и др. 5. Магнитоупругие датчики — для измерения вращающих моментов, усилий и др. 6. Индукционные датчики — для измерения расходов жидкости и газа, частоты вращения и др. 7. Пьезоэлектрические датчики — для измерения давлений, вибраций, уровней, расходов по уровню и др. 8. Термоэлектрические датчики (термопары) — для измерения температуры выхлопных газов и температуры в камере сгорания двигателя, температуры поверхности корпусных деталей и др. 9. Датчики термосопротивления (термометры сопротивления) — для измерения температуры жидких сред и поверхности корпусных деталей. 10. Фотоэлектрические датчики — для измерения частоты вращения, вращающего момента, линейных размеров и др. 11. Механотронные датчики — для измерения малых перемещений, усилий, давлений и др. 12. Частотные стробоскопические датчики (стробоскопы) —для измерения фазовых параметров работы вращающихся механизмов и частоты вращения. Основной характеристикой датчика является зависимость выходной величины (электрического сигнала) U от входной величины (контролируемого параметра) X, определяемая градуировочной характеристикой U = f(X). На рис. изображены наиболее распространенные зависимости «выход — вход» для датчиков в зависимости от структуры их построения. В наиболее простых случаях структурная схема датчика включает в себя один или два элементарных преобразователя. В простейшем случае он может состоять только из одного преобразователя (рис. 1,а), осуществляющего преобразование измеряемой неэлектрической величины X в электрическую величину U. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразователи строятся по структурным схемам, состоящим из чувствительного элемента, воспринимающего энергию X измеряемого параметра и преобразующего ее в промежуточную неэлектрическую величину Х1, и преобразователя, предназначенного для преобразования промежуточной неэлектрической (обычно механической) величины Х1 в электрический сигнал U (рис. 1, б). В отдельных случаях между чувствительным элементом и преобразователем располагается передаточный механизм или несколько промежуточных преобразователей (структура каскадного соединения, рис. 1,в). Часто встречаются более сложные структуры: дифференциальная схема; (рис. 1,г), например, в индуктивных датчиках давления, и компенсационная схема (рис. 1,д), например, в трансформаторных датчиках линейных перемещений. 4 Рис.15.1.Структурные схемы основных типов датчиков: а - структурная однозвенная простейшая схема и пример датчика (термопары), состоящего только из одного преобразователя; б — структурная схема и пример датчика (потенциометрический датчик давления), состоящего из чувствительного элемента 1 и выходного преобразователя 2; в - схема каскадного соединения (3 - промежуточный преобразователь)- г — дифференциальная схема (4 — вычитающий элемент); д — компенсационная схема (5 - усилитель; 6 — генератор компенсирующей величины); е — обобщенная структурная схема датчика неэлектрической величины: ЧЭ — упругий чувствительный элемент (первичный преобразователь); ПМ — передаточный механизм (промежуточный преобразователь)- ПНЭ —преобразователь неэлектрической величины в электрическую (промежуточный преобразователь); ЭС — электрическая схема (вторичный преобразователь); Хнэ, Хэ и Уэ — соответственно входной неэлектрический, входной электрический и выходной электрический сигналы В общем виде подавляющее большинство датчиков неэлектрических параметров можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 1,е). Показанная на рисунке электрическая схема ЭС выполняет функцию дополнительного преобразования электрического сигнала с выхода ПНЭ в электрический сигнал Uэ. Например, в некоторых тензометрических датчиках электрическая схема служит для преобразования электрического сопротивления тензорезистора в постоянное напряжение. Вид функциональной зависимости датчика неэлектрического параметра U = f(X), как правило, определяется соотношением действующего и противодействующего усилий на чувствительный элемент и характеристиками преобразователя неэлектрического параметра в электрический сигнал. Если датчик состоит из одного преобразователя (см. рис. 1,а), то его характеристика определяется физическими и электрическими параметрами последнего. Характер зависимости U = f(X) в ее окончательном суммарном виде, как правило, находится путем градуировки датчиков и представляется в виде таблицы либо в виде графика. При градуировке для контроля задаваемых значений измеряемой 5 неэлектрической величины и выходного сигнала применяют образцовые средства измерения с погрешностью, которая в 3—5 раз меньше погрешности датчиков в нормальных условиях. В зависимости от свойств составных конструктивных и схемных элементов датчика его градуировочная характеристика оказывается либо линейной, либо нелинейной. В большинстве случаев стремятся иметь датчики с линейной характеристикой, т. е. с характеристикой, погрешность от нелинейности которой ничтожна по сравнению с допускаемой погрешностью датчиков в нормальных условиях. Линейность характеристики особенно важна для измерений колебательных процессов и других динамических измерений. Из-за наличия сил трения в подвижных элементах конструкции датчиков при градуировке обнаруживается разница в значениях выходного сигнала между прямым и обратным ходом при одном и том же значении измеряемой величины. Основная доля вариационных отклонений вызывается свойствами упругих чувствительных элементов. При измерении медленно и быстро меняющихся процессов имеет место динамический режим работы аппаратуры, вызывающий появление дополнительных динамических погрешностей, а именно: амплитудных и фазовых погрешностей и погрешностей измерения переходных процессов. Эти погрешности зависят от динамических параметров измеряемых процессов и динамических характеристик датчиков. 15. 2. Тензорезисторные (тензометрические) датчики В основе их работы лежит явление тензоэффекта, сущность которого состоит в изменении активного сопротивления проводников (тензорезисторов) при их механической деформации. Тензорезистор (от латинского слова tenso — растягиваю) характеризуется ∆R / R коэффициентом тензочувствительности K = ∆l / l (где ∆R / R — относительное изменение сопротивления тензорезистора; ∆l / l — относительная деформация преобразователя). Коэффициент К зависит от свойств материала тензорезистора, качества подложки (основы), на которую наклеивается тензорезистор, и вида клея. В практике широко используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы наиболее простые и представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких витков проволоки, наклеенную на специальную бумажную или лаковую (пленочную) основу. Сверху спираль закрывают такой же бумагой или пленкой. Материал проволоки — константан, манганин, нихром и другие металлы, которые имеют высокий коэффициент тензочувствительности К и малый температурный коэффициент сопротивления. Рис.3. Электрические схемы тензорезисторного датчика: а — потенциометрическая; б — мостовая, R1, R2, R3,Rd — сопротивление тензорезисторов; U — напряжение питания; ∆U — изменение выходного напряжения; И — индикатор; С — емкость конденсатора Тензорезисторы наклеивают на первичный или вторичный упругий чувствительный элемент датчика. Сжатие или растяжение чувствительного элемента в пределах упругих деформаций вызывает пропорциональное сжатие или растяжение 6 проволоки тензорезистора, в результате чего меняется ее длина, поперечное сечение и удельное электрическое сопротивление, т. е. в конечном счете меняется электрическое сопротивление тензорезистора R = pl/S (где р — удельное электрическое сопротивление проволоки; l — длина деформируемого участка проволоки; S — площадь поперечного сечения проволоки). Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения, которые наносят на лаковую основу. Полупроводниковые тензорезисторы изготовляют из германия, кремния, арсенида галия и других материалов, имеющих сильно развитый тензоэффект. Они обладают весьма важным преимуществом перед проволочными и фольговыми тензорезисторами: коэффициент тензочувствительности К достигает 100—120, т. е. в 50— 60 раз выше. Их недостатком является малая механическая прочность и нелинейность характеристики. Электрические схемы тензодатчиков обычно бывают двух видов: мостовая (полный мост и полумост) и потенциометрическая (рис. 3). Выходным сигналом датчика является изменение напряжения ( ∆U ), которое определяется напряжением источника питания и отношением сопротивлений тензорезисторов. Например, при мостовой схеме постоянного тока ∆U = U∆R / R — в случае включения тензорезисторов во все 4 плеча U ∆R (схема полного моста); ∆U = — в случае включения тензорезисторов в два смежных 2 R плеча (схема полумоста). При потенциометрической схеме ∆U = U R2 (где RI и R2 — R1 + R2 последовательно соединенные резисторы, из которых один или оба могут быть тензорезисторами). Потенциометрические схемы имеют серьезный недостаток, так как на их выходе всегда есть постоянная составляющая, затрудняющая измерить малые ∆U . Эти схемы питаются постоянным током. Мостовые схемы не имеют указанного недостатка, так как в них обеспечивается балансировка, т. е. достигается равенстве сопротивлений диагоналей моста (рис. 3,6): R1R4 = R2R3. Балансировка мостов постоянного тока осуществляется по активному сопротивлению, а мостов переменного тока — по активной и реактивной составляющей. Вид упругого элемента тензорезисторного датчика (балка, скоба, мембрана, пружина и др.) определяет его назначение (для измерения перемещения, давления, силы и др.), а деформируемость и частотные свойства упругого элемента — чувствительность датчика и его применимость для измерения статических или динамических процессов. При разработке конструкции тензорезисторных датчиков могут быть успешно решены вопросы компенсации температурной и временной нестабильности их метрологических характеристик путем схемных решений, улучшением технологии крепления тензорезисторов на упругом элементе, выбором оптимальной жесткости упругого элемента и др. 15.3. Электромагнитные (индуктивные, магнитоупругиеииндукционные) датчики трансформаторные, Электромагнитные датчики основаны на использовании зависимости характеристик магнитной цепи (магнитного сопротивления, магнитной проницаемости, магнитного потока и др.) при механическом воздействии на элементы этой цепи. Датчики, преобразующие перемещение в изменение индуктивности, называют индуктивными (рис. 4, а, б, в). Датчики, преобразующие перемещение в изменение взаимной индуктивности (рис. 4, г, д, е), принято называть трансформаторными (или взаимоиндуктивными). В трансформаторных датчиках изменение взаимной индуктивности можно получить не только при изменении полного сопротивления, но и 7 при перемещении одной из обмоток. Датчики, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленном изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называют магнитоупругими (рис. 4,ж, з, и). Датчики, в которых скорость изменения измеряемого механического параметра преобразуется в индуктированную ЭДС, называют индукционными или магнитоэлектрическими (рис. 4,к). Индуктивные датчики представляют собой дроссель с изменяющимся воздушным зазором А (см. рис. 4, а) или изменяющейся площадью 5 поперечного сечения магнитопровода (см.рис.4,б). Выходным параметром является изменение индуктивности L (или полного сопротивления Z) обмотки, надетой на сердечник. Широко распространены также индуктивные датчики соленоидного типа с разомкнутой магнитной цепью (см. рис. 4,в). Рис. 4.Принципиальные схемы электромагнитных датчиков Индуктивные датчики с переменным зазором (см. рис. 4, а) имеют ограниченный диапазон измерений (от 0,01 до 2 мм), так как при большем зазоре зависимость L = f(A) становится нелинейной. Датчики с регулируемой площадью поперечного сечения магнитопровода (см. рис. 4,6) имеют большую линейность (в диапазоне до 5—8 мм). Датчики соленоидного типа (см. рис. 4, в) пригодны для измерения больших перемещений (до 50—60 мм). Недостатком индуктивных датчиков является наличие на выходе постоянной составляющей сигнала, для компенсации которой применяют мостовые или дифференциальные схемы. Трансформаторные датчики представляют собой магнитопровод с двумя обмотками (см. рис. 4, г, д) и ферромагнитный сердечник. При перемещении сердечника изменяется взаимная индуктивность обмоток. С целью снижения постоянной составляющей сигнала на выходе применяют дифференциально-трансформаторные схемы (см. рис. 4,е), в которых вторичные обмотки w1’ и w2” включены встречно. Погрешность этих датчиков вызывается колебанием напряжения и частоты питания, температуры. Достоинствами индуктивных и трансформаторных датчиков являются: высокий 8 коэффициент преобразования (можно работать без специальных усилительных устройств), простота конструкции Магнитоупругие датчики представляют собой ферромагнитный сердечник с обмоткой, при деформации которого от сжимающих растягивающих или скручивающих усилий (Р) происходит изменение магнитной проницаемости сердечника и изменение его магнитного сопротивления Z = f(P). Это приводит к изменению индуктивности обмотки, помещенной на сердечнике (см. рис. 4,ж,з) или взаимной индуктивности между обмотками (см. рис. 4, и). По принципу действия магнитоупругие датчики делят на две группы: дроссельного и трансформаторного типа. В датчиках дроссельного типа (см. рис. 4,ж,з) изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрического сопротивления Z катушки дросселя. Эти датчики просты, но чувствительны к колебаниям напряжения питания и изменениям температуры. Поэтому датчики дроссельного типа применяют при измерениях, не требующих высокой точности. Магнитоупругие датчики трансформаторного типа (см. рис. 4, и) имеют более высокие коэффициент преобразования и точность, чем дроссельные. Индукционные датчики выполняют с постоянным магнитом или электромагнитом, через обмотку которого пропускается постоянный ток (см. рис. 4, к). Эти датчики в отличие от вышерассмотренных индуктивных, трансформаторных и магнитоупругих относятся к разряду генераторных, так как при воздействии входной величины они генерируют электрическую энергию. В них используется явление электромагнитной индукции — наведение ЭДС в электрическом контуре, в котором меняется магнитный поток. Наводимая ЭДС в катушке зависит не от абсолютного значения магнитного потока, а от скорости его изменения внутри контура. Поэтому индукционные датчики применяют только для измерения: скорости угловых или линейных перемещений. 15.4. Пьезоэлектрическиедатчики Основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, суть которого заключается в том, что некоторые материалы при механическом нагружении образуют электрические заряды (прямой пьезоэффект). Оценивается пьезоэффект пьезомодулем К, характеризующим связь между приложенной нагрузкой Р и возникающим электрическим зарядом Q, т. е. Q = KP. Такими свойствами обладает ряд природных кристаллов: кварц, турмалин и др. и искусственных кристаллов: сегнетовая соль, дигидрофосфат аммония, титанат бария и др. Пьезоэлектрические датчики пригодны для измерения давления, силы, виброускорений и др. Рис5.Схемы включения пьезоэлектрического датчика в измерительную цепь: Сд, Rо — емкость и сопротивление пьезопреобразователя;Свх = Ск + Си— емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи;1— пьезоэлектрический датчик(пьезопреобразователь); 2 — измерительная цепь; Увых — напряжение на выходе датчика Выходная мощность пьезоэлектрических датчиков очень мала (генераторные датчики), поэтому датчик включается в измерительной схеме на вход усилителя с возможно большим входным сопротивлением. Эквивалентная схема включения пьезоэлектрического датчика в измерительную цепь представлена на рис. 5,а. Упрощенная 9 RoRвх - и емкость С = Ro + Rвх Сд+ Свх. Из схемы следует, что выходным сигналом датчика является напряжение Uвых = = КР/(Сд + Ск + Си) (где Сд, Ск, Си —соответственно емкость самого пьезопреобразователя, соединительного кабеля и входная емкость измерительной цепи). Погрешности пьезоэлектрического датчика складываются из погрешности от изменения емкости Свх, температурной погрешности, погрешности от способа установки датчика на объекте и др. Достоинства пьезодатчиков: малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных параметров. эквивалентная схема указана на рис. 5, б, где сопротивление R = 15.5. Датчики термоэлектрические и термосопротивления Термоэлектрические датчики (термопары) основаны на явлении возникновения в спаянных или сваренных разнородных проводниках (электродах) термозависимой ЭДС. Значение ЭДС зависит от разности температур горячего и холодного спаев и материала электродов. Термо-ЭДС пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями термопары. По термо-ЭДС, измеренной при постоянной температуре холодного спая (обычно 0°С), или внося поправку на отклонение от 0°С, определяют контролируемую температуру. Для упрощения ввода этой поправки холодные спаи выводят из зоны высоких температур и приближают к измерительному прибору с помощью компенсационных проводов. Обычно поправка вводится автоматически, например, при использовании в качестве измерительного прибора — потенциометра типа КСП. Погрешности термопар появляются в результате отклонения действительной характеристики термопары от первоначальной градуировочной характеристики из-за старения термоэлектродов, а также нелинейности характеристики. Рис. 6. Электрические схемы включения: а — термопары с мостом компенсации; б — термометра сопротивления с неуравновешенным мостом: t0 — термометр сопротивления; ТП — термопара Одним из способов термокомпенсации холодного спая является использование мостовой схемы, включаемой последовательно с термопарой (рис. 6,а). Мост устанавливают вблизи холодных спаев. Резисторы R1-R3 выполняют из манганина, a Rм— из меди или никеля, что придает мосту термочувствительные свойства. Питание моста производится стабильным напряжением U постоянного тока. При 0°С мост уравновешен, при изменении температуры на выходе моста появляется напряжение Uк, равное ЭДС термопары при этой температуре. Вычитание полученного напряжения из ЭДС термопары обеспечивает компенсацию. Датчики термосопротивления (термометры сопротивления) основаны на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Термометр сопротивления выполняется в виде тонкой металлической проволоки, бифилярно намотанной на токонепроводящий и термостойкий каркас и помещенной в защитный 10 чехол. Обычно применяют медные и платиновые термометры. Медные термометры имеют линейную характеристику и работают в диапазоне до +180°С; платиновые имеют некоторую нелинейность и работают в диапазоне до +650°С. Погрешности термометров сопротивления вызваны отклонением его сопротивления при 0°С и температурной характеристики от градуировочной таблицы; нестабильностью сопротивления соединительных проводов; нагревом термометра измерительным током. Предельная длина линии связи с термометрами сопротивления определяется сопротивлением провода (не более 2,5 Ом). Для превращения изменения сопротивления термометра в изменение напряжения Ux термометр t° включается в неуравновешенную мостовую схему (рис. 6,б), питание которой производится от стабильного источника напряжения постоянного тока. Включение в мостовую схему термометра осуществляется по трехпроводной схеме с целью уменьшения погрешности; R1—R3 — резисторы моста, a Rn — подгоночные резисторы, сопротивления которых в сумме с сопротивлением линии связи подгоняются к определенной величине (обычно 2,5 Ом). Помимо металлических термометров сопротивления применяют полупроводниковые термосопротивления — терморезисторы (термисторы). Термисторы имеют малые габариты, высокий температурный коэффициент сопротивления, более высокую чувствительность. Однако главный их недостаток — нелинейность температурных характеристик, низкая стабильность и взаимозаменяемость. Средства измерения и анализа виброакустических сигналов 16.1. Измерительные преобразователи вибрации Измерительные преобразователи вибрации значительно различаются по принципам действия и по конструкции в зависимости от диапазона частот измеряемой вибрации. В качестве измерительных преобразователей могут быть использованы датчики колебательных смещения, скорости или ускорения. Особенности их применения: - датчики вибросмещения (виброперемещения) чаще всего используются для измерения вибрации на низких и сверхнизких частотах, причем, как правило, являются параметрическими; - датчики виброскорости используются для измерения вибрации на низких и средних частотах и могут быть как генераторными, так и параметрическими. Чаще всего нормирование вибрации объектов контроля производится именно по виброскорости; - датчики виброускорения используются для измерения вибрации в широком диапазоне частот - от низких до ультразвуковых. Исключение составляют сверхнизкие частоты, на которых точности измерения падают, а уровень собственных шумов растет. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические датчики вибрации генераторного типа. Эти же датчики с электрическим интегратором на выходе используются для измерения виброскорости, а иногда с двойным интегратором для измерения вибросмещения. 16.2. Измерительные преобразователи виброперемещения Множество существующих типов датчиков смещения, называемых проксиметрами, используют различные принципы преобразования вибрации в электрический сигнал. Тензометрические вибропреобразователи. Одна из возможных схем тензометрического вибропреобразователя приведена на рис.16.1. Основой такого преобразователя является тензосопротивление R(x), закрепленное на упругом элементе, один конец которого неподвижен, а второй контактирует с колеблющейся поверхностью контролируемого объекта. Проводимость тензосопротивления изменяется в зависимости 11 от деформации упругого элемента, на котором он крепится, а деформация преобразователя определяется величиной относительного смещения подвижной и неподвижной поверхностей. Такого вида преобразователи являются параметрическими, и им требуется внешний источник энергии e0 Выходное напряжение, снимаемое с последовательно включенного с R(x) сопротивления Rо , равно Рис. 16.1. Схема тензометрического преобразователя Переменную составляющую выходного преобразователя можно представить в виде напряжения тензометрического где Vx- чувствительность преобразователя колебательного смещения, мВ/мкм; x(t) - относительное смещение точки измерения и неподвижной поверхности. К недостаткам этих преобразователей можно отнести: •обязательное наличие внешнего источника питания; •неудобство измерений, связанное с необходимостью иметь неподвижную опору для крепления датчика; •невозможность выполнять бесконтактные измерения, например, вибросмещения вращающегося ротора относительно неподвижного корпуса машины. Фактически тензометрические преобразователи являются наиболее удобным средством измерения колебательных сил, а не вибрации. Вихретоковые вибропреобразователи. Вихретоковые вибропреобразователи получили наиболее широкое применение среди датчиков вибросмещения. Они предназначены для бесконтактного измерения вибрации и перемещения электропроводящих объектов относительно неподвижной точки, в которой устанавливается датчик. Приоритетной областью использования вихретоковых преобразователей является контроль осевого смещения и поперечного биения валов больших турбин, компрессоров, электромоторов и других машин, в которых используются подшипники скольжения. Вихретоковый вибропреобразователь представляет собой систему (рис.16.2) из катушки индуктивности, закрепленной на конце диэлектрического стержня, и электронного устройства. Эта катушка со специально подобранной емкостью образует резонансный контур. На вход контура с электрического генератора, входящего в состав электронного блока, подается высокочастотный сигнал. Если катушку поместить на небольшом расстоянии от электропроводящей поверхности, на поверхности будут наводиться токи Фуко и часть электрической энергии контура будет передаваться на нее и преобразовываться в тепло. Потери в контуре изменяют его добротность и снижают амплитуду резонансных колебаний. Таким образом, амплитуда колебаний зависит от расстояния между катушкой индуктивности и электропроводящей поверхностью. 12 Естественно, что колебания этой поверхности приводят и к аналогичным колебаниям добротности резонансного контура и, как следствие, к амплитудной модуляции резонансных колебаний в контуре. Сигнал с контура подается на амплитудный детектор, и затем выпрямляется и из него вычитается опорная составляющая. Выходной сигнал преобразователя в итоге становится пропорциональным расстоянию от катушки до контролируемого объекта. Рис. 16.2. Вихретоковый преобразователь Резонансная частота контура (и частота генерируемых колебаний) зависит от верхней границы частотного диапазона преобразователя и превышает ее не менее чем в три раза. Максимальное расстояние от катушки до контролируемого объекта зависит от размеров катушки и расстояния от катушки до ближайших неподвижных электропроводящих поверхностей. Обычно это расстояние составляет от 0,5 мм до 1,0-3,0 мм. Поскольку от расстояния между катушкой и контролируемой поверхностью зависят не только активные потери в контуре, но и индуктивность катушки, а следовательно, и резонансная частота контура, приходится принимать специальные меры в виде автоподстройки частоты генератора или учета изменений индуктивности в полезном сигнале на выходе преобразователя. Иногда для снижения влияния неподвижных электропроводящих поверхностей, находящихся в непосредственной близости к датчику, на точность его показаний, контур помещают в ферритовый сердечник, открытый со стороны контролируемой поверхности. Наиболее часто вихретоковые датчики применяются для измерения относительного перемещения между шейкой вала, закрепленной в подшипнике скольжения, и корпусом подшипника скольжения. Во многих случаях устанавливаются два датчика, перпендикулярно валу, которые ориентированы относительно друг друга под углом 90 , что позволяет визуально наблюдать орбиту движения вала в радиальной плоскости (рис.16.3,а). Рис 16.3 Измерение перемещений вала относительно корпуса подшипника 13 Для измерения осевого сдвига датчик размещают параллельно оси в торце вала и (или) параллельно плоскости измерительного буртика (рис.16.3,6). Иногда для усиления диагностических возможностей в торце вала рекомендуется устанавливать два датчика, что позволяет помимо осевого смещения измерять угол отклонения вала от осевой линии. Часто вихретоковые датчики используются для измерения частоты вращения или углового положения ротора (рис.16.3,в,г). Формирование отклика датчика обеспечивается небольшим выступом или углублением на валу. Вихретоковый датчик в виде формирователя фазовой метки часто используют совместно с X-Y-датчиками радиальной вибрации для определения ориентации орбиты движения вала относительно фазовой метки. Это позволяет легко определить место установки противовеса для устранения дисбаланса вала. Отношение сигнал/шум вихретоковых датчиков зависит от состояния поверхности вала, а также от качества внешнего источника питания датчика. Реальная оценка составляет 20-40 дБ в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц. Температурный диапазон обычно составляет от -40°С до +85°С. На показания вихретоковых датчиков влияют: •биения вала; •царапины на поверхности вала или другие дефекты; •изменение состава материала; •присутствие на поверхности намагниченных областей; •присутствие вблизи датчика посторонних проводящих материалов; •попадание в зазор между датчиком и поверхностью измеряемой детали посторонних проводящих частиц. К числу недостатков бесконтактных датчиков смещения, использующих вихревые токи, следует также отнести: •необходимость устойчивой опоры, так как датчик измеряет относительное смещение, поэтому он должен оставаться неподвижным; •требование внешнего источника питания; •сложность его калибровки, которую необходимо выполнять при каждой установке датчика и смене материала контролируемого объекта. 16.3. Измерительные преобразователи виброскорости Особо широкое распространение получили преобразователи виброскорости электродинамического типа, называемые велосиметрами. Схема подобного генераторного датчика приведена на рис.16.4. В велосиметре катушка с проводником крепится к инерционному элементу m, упруго закрепленному на магните. Выходное напряжение такого преобразователя зависит от скорости перемещения о проводника в постоянном магнитном поле и равно где В - магнитная индукция, Тл; l - общая длина проводника, находящегося в магнитном поле, м. 14 Рис 16.4 Схема датчика виброскорости Рабочий диапазон частот электродинамических преобразователей лежит выше утроенного значения собственной частоты колебаний инерционного элемента m на упругих элементах С. Эквивалентная схема велосиметра приведена на рис.16.5. Рис. 16.5 Эквивалентная схема велосиметра Преимуществом такого датчика является его достаточно мощный выходной сигнал, так как ток в контуре l определяется выражением где выходное сопротивление (сопротивление катушки Rк) - мало по сравнению с сопротивлением нагрузки Rн. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость в условиях действия электромагнитных помех. К недостаткам преобразователей электродинамического типа можно отнести их относительно большие габариты. Поскольку нижняя граница частотного диапазона такого датчика часто даже выше аналогичной границы акселерометра с интегратором на его выходе, электродинамические велосиметры не получили широкого распространения. 16.4. Измерительные преобразователи виброускорения Во многих практических случаях для мониторинга и диагностики используются измерительные преобразователи виброускорения. Это объясняется тем, что выходной электрический сигнал таких датчиков, пропорциональный ускорению механических колебаний, эффективно измеряет высокочастотную вибрацию, а при необходимости выходной сигнал виброускорения с помощью интеграторов может быть преобразован в сигнал скорости и перемещения. На практике в основном используются пьезоэлектрические датчики ускорения (акселерометры), представляющие собой генераторные преобразователи вибрации. В качестве пьезоэлектрических материалов в акселерометрах применяется искусственно поляризованная керамика с металлизированными обкладками, процесс поляризации которой аналогичен процессу намагничивания железа в магнитном поле. Деформация пьезоэлементов может быть вызвана сжимающим или срезывающим усилием. И в одном и в другом случае электрический заряд образуется на поверхностях, находящихся под воздействием силы. Следует отметить, что при сжатии возникает паразитный электрический заряд из-за изменений температуры окружающей среды, а при срезывающем усилии нет. Поэтому акселерометры, работающие на срезывающем усилии, предпочтительны с этой точки зрения. Схема одного из возможных вариантов акселерометра, работающего на сжатие, 15 представлена на рис.16.6. Основными элементами акселерометра являются пьезоэлемент в виде поляризованной шайбы (или пластины) с металлическими обкладками и инерционный элемент Т. Вибродатчик ускорения основан на пьезоэлектрическом эффекте. Воздействующие на акселерометр механические колебания приводят к тому, что на пьезоэлемент действует динамическая сила F(t), равная произведению ускорения инерционной массы х’’(t) на саму массу М : Под действием динамической силы F(t), пропорциональной ускорению объекта x’’(t), на котором установлен акселерометр, деформируется пьезоэлемент, в нем появляется объемный заряд q(t), а на его обкладках - напряжение Uвых(t). Величина заряда равна где d - пьезомодуль керамики, максимальная величина которого близка к 3*10-10 Кл/Н, vq- чувствительность акселерометра по заряду. Рис. 16.6. Схема акселерометра, работающего на сжатие Одна из существенных особенностей акселерометров - их очень большое сопротивление, исчисляемое гигаомами, что характерно для пьезокерамики. Как было упомянуто выше, более предпочтительными являются акселерометры, работающие на срезывающих усилиях. Упрощенная модель подобного преобразователя ускорения приведена на рис.16.7. Рис. 16.7. Схема акселерометра, работающего на срезывающих усилиях На треугольной стойке акселерометра крепятся его активные элементы, изготовленные из пьезоэлектрического материала. Они выполняют роль пружин, осуществляющих механическую связь между треугольной стойкой, соединенной с основанием датчика, и тремя инерционными массами. Поскольку амплитуда и фаза ускорения инерционных масс в широком частотном диапазоне идентичны амплитуде и фазе ускорения основания акселерометра, общий электрический заряд пропорционален 16 ускорению основания и, следовательно, ускорению механических колебаний поверхности объекта, на котором закреплен акселерометр. Систему пьезоэлектрического акселерометра можно представить в виде еще более упрощенной и допускающей несложное математическое описание механической модели, представленной на рис.16.8, где mин - инерционная масса; mосн - масса основания датчика; k - эквивалентная жесткость акселерометра; F - сила, действующая на упругий элемент; Fвын - вынуждающая сила, действующая на основание датчика; хин - перемещение инерционной массы; хосн - перемещение основания акселерометра. Рис. 16.8. Модель пьезоэлектрического акселерометра Это колебательная система с одной степенью свободы. Она представляет собой две незакрепленные и соединенные друг с другом через идеальный упругий элемент инерционные массы. 16.5. Крепление акселерометров Качество крепления акселерометров (см. рис.16.9) в значительной степени может влиять на его рабочие характеристики (частотный и динамический диапазоны). Среди известных способов крепления следует выделить крепления с помощью шпильки, воска, магнита, клея, липкой пластины и ручного щупа. Крепление с помощью шпильки. Этот вид крепления (рис.16.10) требует предварительного высверливания необходимого диаметра отверстия на поверхности машины или оборудования, ввинчивания шпильки в резьбовое отверстие и навинчивание на укрепленную шпильку акселерометра. Особо следует убедиться в том, чтобы шпилька не доходила до дна отверстия в акселерометре. Рис. 16.9. Крепление акселерометра 17 Рис. 16.10. Крепление акселерометра с помощью шпильки Рис. 16.11. Крепление акселерометра с помощью воска Рис. 16.12. Крепление акселерометра с помощью магнита Крепление с помощью шпильки является одним из самых надежных способов, не искажающих его эксплуатационные характеристики, резонансную частоту и динамический диапазон. Такой вид крепления используется в стационарных системах контроля, мониторинга и диагностики; позволяет измерять колебания с большими амплитудами ускорения, а также высокочастотные колебания. Крепление с помощью воска. При креплении с помощью воска (рис.16.11) следует обратить внимание на то, что воск следует наносить тонким слоем. Этот слой должен быть таким, чтобы только обеспечить заполнение зазора между основанием акселерометра и поверхностью машины. Резонансная частота акселерометра при таком виде крепления практически сохраняется и лишь незначительно меньше, чем в случае крепления с помощью шпильки. 18 Этот быстрый и несложный способ крепления используется обычно в условиях, когда нежелательно или невозможно крепление шпилек или винтов либо когда сам акселерометр не имеет резьбовых отверстий. Однако применение воска ограничивает диапазон рабочих температур. Как правило, верхняя граница рабочей температуры составляет величину порядка +40 С. Определенные ограничения имеются и для верхней границы рабочего динамического диапазона - это ускорения не более 100 м/с2. Крепление с помощью магнита. Магнит, закрепляемый на основании акселерометра с помощью резьбового соединения, широко используется, обеспечивая быструю установку и возможность перемещать датчик по поверхности объекта из ферромагнитного материала (рис.16.12). Использование магнита практически сохраняет динамический диапазон акселерометра, но несколько уменьшает верхнюю границу его диапазона рабочих частот. В зависимости от конструкции магнита и от кривизны магнитопроводящей поверхности объекта в точке контроля собственная частота колебаний датчика на магните может лежать в диапазоне от 3 до 12 кГц. Для сохранения максимально возможного значения частоты закрепленного акселерометра применяется тонкий слой консистентной силиконовой смазки, который наносится и на основание датчика, и на поверхность объекта в месте крепления. В этом случае при сохранении частоты резонанса датчика на магните снижается его добротность. Кроме этого, смазка на частотах выше резонанса выполняет функции воска, обеспечивая передачу высокочастотной вибрации на корпус датчика с минимальными потерями. Следует отметить, что определенные марки крепежных магнитов позволяют устанавливать акселерометры на искривленные поверхности, например, на трубы и т.п. Однако в этом случае сужается рабочий частотный диапазон и тем больше, чем меньше радиус закругления поверхности объекта. Поэтому при периодическом контроле вибрации одних и тех же объектов в точках контроля вибрации рекомендуется специально готовить установочную поверхность, зашлифовывая, приваривая или приклеивая ровную площадку по размерам установочного магнита. Крепление с помощью клея. Используется при стационарном креплении акселерометров в том случае, когда исключается их установка с помощью шпилек. Возможно непосредственное крепление акселерометра таким образом или предварительное крепление клеем или цементом шпильки на поверхность объекта. Использование клея практически не изменяет его рабочих частотного и динамического диапазонов. Применение, например, цианакрилового клея требует совершенно гладких и ровных поверхностей. Возможно использование эпоксидных смол, но следует помнить, что для их отвердения требуется определенное время. Кроме того, если это не специальные эпоксидные смолы, то они имеют ограничение верхнего предела рабочих температур приблизительно +80°С. Использование "мягких" клеев сужает рабочий частотный диапазон акселерометров, ограничивает диапазон рабочих температур и не обеспечивает достаточной жесткости крепления. Крепление с помощью ручного щупа. В этом случае (рис.16.13) акселерометр навинчивается на крепежную шпильку ручного щупа. 19 Рис. 16.7. Крепление с помощью ручного щупа Измерения механических колебаний акселерометром, закрепленным на ручном щупе, ограничены частотами до 1000 Гц. Кроме того, использование такого вида крепления возможно, когда нет жестких требований к точности измерений. При измерениях конец щупа следует смазать тонким слоем консистентной силиконовой смазки и с некоторым усилием прижать к вибрирующей поверхности. Для расширения рабочего диапазона частот можно использовать так называемый "перевернутый" ручной щуп, когда датчик прижимается упругим щупом к контролируемому объекту. 20