где – стоимость измерения диагностического параметра, включающая затраты на приобретение приборов и оборудования, стоимость их монтажа и эксплуатации.
2.4. Закономерности изменения параметров и общие методы их измерения
В процессе эксплуатации параметры технического состояния машин (а следовательно, и диагностические параметры) изменяются в соответствии с определенными закономерностями. Характер этих закономерностей зависит от эксплуатационных факторов: режимов работы механизмов, видов работ на объектах, климатических условий, грунтовых условий, индивидуальных особенностей оператора, принятой системы техническогоСибАДИобслуживания и ремонтов, характера процессов изнашивания элементов и т. д. Закономерности изменения параметров технического состояния основных элементов машин, как правило, можно отнести к одному из трех типов (рис. 2.2).
Линейная зависимость (кривая 1) – например, изменение размеров фрикционных элементов; зависимость с убывающей скоростью изменения параметра (кривая 2) – например, изнашивание упругого сопряжения, усталостное и кавитационное изнашивание; зависимость с возрастающей скоростью изменения параметра (кривая 3) – например, корроз онное знашивание.
Q
2
1
3
t
Рис. 2.2. Основные типы закономерностей изменения параметров технического состояния в процессе работы машины
30
В общем виде, с достаточной для решения практических задач точностью, кривые изменения параметров во времени можно описать выражением
|
= + |
, |
где |
– начальное значение параметра; |
– коэффициент, характери- |
зующий скорость изменения параметра, зависящий от условий эксплуатации и режимов работы элемента; – показатель степени, зависящий от материала, конструкции и геометрических параметров элементов; при =1 изменение параметра подчиняется линейной зависимости, при >1 скорость изменения параметра прогрессивно
–угар картерного масла – 2,0; ДИ
–эффективная мощность двигателя – 0,8;
–износ накладок тормозовАи дисков муфт сцепления – 1,0;
–износ зубьев шестерен механических передач – 1,5;
–зазор между клапаном и коромыслом механизма газораспределения – 1. бСуществуютдваиосновныхметодаизмерениядиагностическихпарамет-следующиевозрастает, при <1 – убывает. По данным ГОСНИТИ, показатель
ров:органолептическийСиприборный[1,9,11].
Органолептический. Базируется на том, что оценка состояния объекта осуществляется только с помощью органов чувств и приборов, усиливающих восприятие человека через эти органы, сравнение диагностируемых параметров операторомпроизводится на субъективных данных и зависит от воли, состоянияиквалификацииоператора,т.е.неявляютсядостаточноточными.
Приборный метод предусматривает для оценки состояния объекта использование приборов, с помощью которых оператор замеряет параметры объекта диагностирования, анализирует их значения, сравнивая с номинальными,предельнымиидопустимымиисинтезируетидеюосостоянииобъекта.
Все приборы для замера диагностических параметров можно условно разделитьнаприборытрёхпоколений:
1. Приборы первого поколения производят фиксированное значение одного диагностического параметра (приборы для замера геометрических
31
размеров, температур, манометры, электрическиеприборы длязамера отдельновзятыхвеличин).
2.Приборы второго поколения, состоящие из нескольких датчиков (первичных преобразователей сигналов различной природы, обычно в электрическийсигнал).
3.Приборы третьего поколения имеют в своём составе несколько датчиков, которые передают сигнал на усилитель, затем на аналого-цифровой преобразователь.
D1 D2 D3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
АЦП |
|
|
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
|
|||
Рис. 2.3. Принципиальная схема прибора 3–го поколения: D1,D2,D3–датчики; |
||||||||||||
|
У–усилитель;АЦП–аналого-цифровойпреобразователь;К–компьютер |
|||||||||||
|
|
|
|
2.6. Датчики |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Большинство параметров, подлежащих измерению при диагно- |
|||||||||||
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
стировании, являются неэлектрическими величинами и только часть |
||||||||||||
их, связанная с электр ческ мАприводом и электрооборудованием |
||||||||||||
строительных маш н, может |
ыть непосредственно |
представлена |
||||||||||
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
электрическими с гналами. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
К числу измеряемых при |
диагностировании неэлектрических |
||||||||||
величин относят: линейные и угловые перемещения, скорости и ускорения, силы и крутящие моменты, давления, расходы жидкостей и газов, температуры, а также временные интервалы.
При измерении неэлектрических величин одной из наиболее важных задач является преобразование всех измеряемых параметров в унифицированные электрические сигналы, обеспечивающие наибольшее удобство при последующих измерениях, обработке и представлении информации. Эту функцию осуществляют датчики. Датчики механических величин, как правило, содержат в себе ряд преобразователей – это упругие чувствительные элементы, рычаги, редукторы, турбинки, шатунно-кривошипные механизмы и другие устройства, сигналы которых воздействуют на электрические первичные преобразователи, также входящие в состав датчиков. Электрические
32
преобразователи механических величин и температуры делят на две группы: генераторные, для которых выходной величиной является ЭДС или ток, и параметрические с выходной величиной в виде изменения сопротивления, емкости или индуктивности.
Промежуточные преобразователи. К числу промежуточных преобразователей в первую очередь относят электрические схемы, в которые включают датчики. Все датчики с параметрическими первичными преобразователями включают в специальные измерительные схемы (потенциометрические, мостовые, автогенераторные), которые осуществляют преобразование изменений параметров первичного преобразователя в изменения параметров сигнала на выходе схемы. Первичные генераторные преобразователи некоторых типов (например, тахогенераторы) и преобразователи электрических величин (шунты, трансформаторы тока и напряженияИ) соединяют непосредственно, без промежуточного преобразования, с приборами.
чаются низким уровнем выходных сигналов. С целью повышения уровня сигнала до величины, достаточной для нормального функционирования прибора, применяютАмасштабные промежуточные преоб- разователи-усилители.
Подавляющее большинство первичныхДпреобразователей отли-
Приборы. К приборамботносят все средства измерений, предназначенные для получения информации об измеряемой величине, в форме, удобной дляивоспр ят я на людателем. Приборы по способам снятия отсчета делят на пр оры с визуальным отсчетом и регистрирующие. ПервыеСпо т пу нд кации можно разделить на приборы с отсчетом по шкале (шкальные), с цифровым отсчетом (цифровые) и со знаковым представлением информации (дисплеи). Регистрирующие приборы в свою очередь делят на приборы с открытой формой записи информации (самописцы), осциллографы, цифропечатающие устройства и приборы со скрытой формой записи информации (магнитографы, перфораторы, дисковые накопители).
Преобразователи сопротивления изменяют активное сопротив-
ление измерительной цепи под действием входной измеряемой механической величины. К числу преобразователей сопротивления, применяемых при диагностировании строительных машин, относятся контактные и потенциометрические преобразователи и тензорезисторы.
Главное преимущество контактных и потенциометрических преобразователей – возможность получения сравнительно с другими
33
типами преобразователей большой мощности на выходе, что позволяет использовать их с низкочувствительными приборами без промежуточного усиления, а контактные преобразователи и без промежуточного преобразования сигнала. Дискретность функции преобразования контактных преобразователей в ряде случаев является важным преимуществом (например, при использовании в допусковых приборах и сигнальных устройствах для получения информации о выходе объекта диагностирования на определенный режим).
Преимущества тензорезисторов как первичных преобразователей состоят в возможности измерения с высокой точностью относительных деформаций в широком диапазоне (10-7 – 10-2 относительных единиц) и в очень широком диапазоне частот (0–200 кГц). Тензорезисторы отличаются высокой стабильностью во времени и позволяют вести измерения в широком диапазоне температурИ.
Контактным и потенциометрическим преобразователям свойственны все недостатки устройств, содержащихДзамыкающиеся и сколь-
зящие контакты. Контактные преобразователи отличаются обычно наличием заметного гистерезиса.
К числу недостатков потенциометрическихА преобразователей относится сравнительно узкий диапазон измерений за счет большого значения нижнего пределабизмерений. Нижний предел измерения у этих преобразователей определяется конечностью размеров подвижного контакта, а такжеид скретностью многовитковых потенциометров. Необходимость пр менения для повышения чувствительности специальных рычажныхСпередач, вносящих инерционность, а также «дребезг» контактов огран ч вают частотный диапазон контактных и потенциометрических преобразователей десятками герц.
Проволочным и фольговым тензорезисторам свойственна довольно низкая чувствительность, обычно выходные сигналы измерительных схем тензорезисторов не превышают нескольких милливольт (при выходном сопротивлении 50–1000 Ом). Однако этот недостаток не является существенной помехой для их широкого применения, поскольку разработаны достаточно стабильные усилители и другие виды преобразователей малых сигналов.
Емкостные преобразователи представляют собой конденсаторы, у которых под действием измеряемой механической величины меняется один из параметров (площадь пластин, расстояние между ними или диэлектрическая проницаемость), определяющих их емкость. В соответствии с меняющимися параметрами емкостные пре-
34
образователи могут быть с изменением действующей площади пластин, с меняющейся толщиной диэлектрика и имеющие диэлектрики с меняющейся диэлектрической проницаемостью.
Преимущества емкостных преобразователей в том, что многие из них могут работать без механического соединения с объектом диагностирования. Емкостные преобразователи отличаются очень малым обратным воздействием на объект диагностирования (за счет электростатических сил притяжения). Емкостные преобразователи могут работать в широком диапазоне температур и помехоустойчивы в отношении сильных магнитных полей. Емкостные преобразователи механических величин обычно просты по конструкции.
К числу недостатков емкостных преобразователей относится
чрезвычайно большое значение выходного сопротивления при сравнительно небольших абсолютных значенияхИемкости, что предъявляет жесткие требования к изоляции электродов преобразователя, их экранировке, к изоляции и экранировкеДсоединительных проводов. На погрешность емкостных преобразователей оказывают влияние изменения влажности и температуры окружающей среды, а также попадание между пластинами воды илиАмасла.
Электромагнитные преобразователи основаны на изменении характеристики магнитнойбцепи преобразователя (магнитного сопротивления, магнитной проницаемости, магнитного потока) под действием измеряемой механической величины. К числу электромагнитных преобразователей относят: индуктивные, трансформаторные, индукционные иСмагн тоупруг е.
Преимущества. Практ чески все электромагнитные преобразователи отличаются высокой чувствительностью и возможностью рассеяния на преобразователе мощности, превышающей во много раз мощность, потребляемую магнитоэлектрическим прибором средней чувствительности, включенным на выходе преобразователя. Эта особенность позволяет непосредственно соединять датчики на основе электромагнитных преобразователей с относительно низкочувствительными измерительными приборами.
Индукционные преобразователи относятся к генераторным и ра-
ботают без источников питания, а выходной сигнал их обычно достаточен для работы без согласующих усилителей с серийными аналоговыми и цифровыми частотомерами.
Магнитоупругие преобразователи отличают простота конструк-
ции, большая механическая прочность и жесткость, возможность ра-
35
боты в тяжелых эксплуатационных условиях. Некоторые типы магнитоупругих и индуктивных преобразователей могут работать при питании напряжением сетевой частоты 50 Гц, что не требует применения в измерительных схемах специальных генераторов.
Недостатки. К числу недостатков электромагнитных преобразователей относится малая помехоустойчивость в отношении магнитных помех, что часто исключает их применение при установке в непосредственной близости к электрическим машинам.
Индуктивные и индукционные преобразователи отличаются существенной для некоторых объектов диагностирования величиной обратной реакции на объект измерения.
Пьезоэлектрические преобразователи относятся к подгруппе
генераторных и основаны на пьезоэлектрическом эффекте – способ- |
|
|
И |
ности некоторых материалов образовывать при механическом нагру- |
|
жении электрические заряды. |
Д |
Преимущества. Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются широким частотным диапазоном, большой вибрационной прочностью, малой чувствительностью к магнитным полям, простотой конструкции, пьезоэлектрические датчики отличаются малыми размерами и массой.
Недостатки. К числу недостатков пьезопреобразователей (так
же, как и емкостных) относится ольшое внутреннее сопротивление, |
|
и |
Ае тре ования к измерительным схемам |
что предъявляет весьма жестк |
|
и к измерительным ка елям (при отсутствии встроенных согласую- |
|
С |
б |
щих усилителей). |
|
Фотоэлектр ческ е преобразователи выполняют преобразова-
ние фотонов света в электрический сигнал и подразделяются на преобразователи с внешним и внутренним фотоэффектом. К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся электровакуумные фотоэлементы и фотоумножители. К преобразователям с внутренним фотоэффектом, который свойствен полупроводникам, относятся фоторезисторы, преобразователи с обеденным слоем и фотоэлектромагнитные преобразователи.
Преимущества. На основе фотоэлектрических преобразователей выполняют датчики для измерения параметров движения с практически полным отсутствием тормозного действия. Фотоэлектрические преобразователи могут быть использованы в бесконтактных датчиках угловых и линейных перемещений, основанных на методе отражения, при установке которых достаточно только нанесение меток краской
36
или липкой лентой на перемещающихся объектах диагностирования. На фотоэлектрические преобразователи очень малое влияние оказывают электрические и магнитные поля, что делает их незаменимыми для установки вблизи электрических машин.
К числу недостатков фотоэлектрических преобразователей, применяемых для измерения параметров движения, относят необходимость в дополнительном источнике питания осветителя, необходимость защиты оптической системы от загрязнения, а иногда и от постороннего света. Фотоэлектрические преобразователи не могут быть использованы в тех случаях, когда по конструктивным соображениям сложно обеспечить прозрачность корпуса первичного преобразователя, например в турбинно-тахометрических расходомерах жидкости,
рассчитанных на высокие давления. |
И |
Преобразователи температуры. Для измерения температур при диагностировании используют термопары, терморезисторы или полу-
проводниковые термисторы. |
Д |
|
|
Преимущества. Термопары отличает простота конструкции, вы- |
|
сокая надёжность, в ряде случаев низкая стоимость, локальность измерения и возможность размещения непосредственно в потоках жид-
усиления сигналов от проводниковыхАтерморезисторов могут быть использованы униф ц рованные с тензорезисторами промежуточные
костей, находящихся под давлением. Проводниковые терморези-
сторы также сравнительно просты по конструкции и дешевы, для
преобразователи, что важно при создании интегральных средств ди- |
|
агностирования. |
б |
Полупроводн ковые термисторы позволяют создавать датчики |
|
|
и |
температуры малых размеров со значительно более высокой чувстви- |
|
тельностью, чемСдатчики на основе проводниковых терморезисторов. Средний диапазон рабочих температур термисторов в большинстве случаев удовлетворяет требованиям к средствам диагностирования всех сборочных единиц строительных машин.
Недостатки. Основной недостаток термопар состоит в необходимости (за исключением дифференциальных схем включения) термостатирования холодного спая или введения специальных схем термокомпенсации (при измерении абсолютных значений температур). Эта необходимость проявляется особенно в диапазоне температур, при которых работают большинство объектов диагностирования в строительных машинах. Термостатирование или компенсация в свою очередь заметно усложняет схемы приборов. Электродвижущая сила
37