22. Емкостные датчики виброперемещений.

Для всех механизмов, содержащих движущиеся массы, характерно наличие вибрации, которая при превышении допустимых значений приводит, в лучшем случае, к преждевременному ремонту механизма, в худшем – к невосстанавливаемому отказу или к аварии. Избежать нежелательных ситуаций позволяют многочисленные системы контроля и аварийной защиты, использующие информацию датчиков вибрации, описание которых приведено в разделе «Серийно выпускаемые датчики»

На нижнем уровне каждой такой системы контроля стоят первичные преобразователи – датчики вибрации. Правильный выбор типа оборудования позволяет купить датчики вибрации для конкретных механизмов и обеспечить их бесперебойную работу.

Имея текущие значения и данные виброконтроля за определенный период, можно от регламентного обслуживания оборудования перейти к обслуживанию по потребности. Это позволит проводить обслуживание и ремонт в минимальном объеме по фактическому состоянию агрегата. Переход на такой вид обслуживания техники может дать экономию до 18% за счет снижения простоев оборудования, затрат на запчасти и зарплату обслуживающего персонала.

Взаимозависимые параметры вибрации

Процесс выбора датчика определяется условиями его применения. Наиболее часто в системах контроля вибрации используют датчики:

• виброперемещения;

• виброскорости;

• виброускорения.

Первые характеризуют положение контролируемого объекта, вторые – быстроту изменения его положения во времени, а третьи – быстроту изменения скорости. Эти три параметра, характеризующие вибрацию, являются взаимосвязанными и, контролируя, например, виброускорение, путем однократного или двукратного интегрирования, легко вычислить остальные два параметра.

Наличие трех типов датчиков обусловлено необходимостью контроля вибрации на объектах с различными частотными характеристиками. В низкочастотной области хорошо зарекомендовали себя датчики виброперемещения, для среднечастотных объектов обычно применяются датчики виброскорости, а для высокочастотных – датчики виброускорения.

Физический смысл взаимосвязанных величин можно трактовать следующим образом: виброперемещение характеризует величину деформации объекта, виброскорость отражает степень усталостной прочности, а по виброускорению можно судить о величине колебательных сил, действующих на объект.

Емкостные преобразователи

Одним из наиболее распространенных классов параметрических преобразователей параметров вибрации являются емкостные измерительные преобразователи. Они состоят из подвижной и неподвижной частей, относительное перемещение которых приводит к изменению емкости преобразователя:

[пФ], 4.6

где ε– диэлектрическая проницаемость среды;

S– площадь перекрытия плоскопараллельных пластин преобразователя;

d– расстояние между пластинами.

Изменение емкости преобразователя происходит при изменении любого параметра, входящего в формулу (4.6), поэтому выделяют три основные конструкции емкостных датчиков вибрации, которые представлены в таблице 4.9.

Таблица 4.9

Тип конструкции	Схема конструкции	Закон изменения емкости
С переменным расстоянием между пластинами
С переменной площадью перекрытия пластин
С переменной диэлектрической проницаемостью среды

Одной из основных задач, решаемых при создании емкостных преобразователей, является увеличение их емкости. Поскольку в большинстве случаев увеличение площади пластин ограничено допустимыми габаритами, то эта задача обычно решается уменьшением зазора. В этом случае к качеству материалов и защищенности зазора от влаги и пыли определяются особо жесткие требования. Технические характеристики некоторых емкостных преобразователей приводятся в таблице 4.10.

Табл. 4.10

Тип	Назначение	Диапазон измеряемых перемещений, мм	Частотный диапазон, кГц
ММ0004 «Брюль и Къер»	Измерение виброперемещений	10% от расстояния до вибрирующей поверхности	0,2 – 200
51Д05	Контактный датчик смещения	0 – 10 0 – 70	0 – 100
51Д11 51Д21	Бесконтактный датчик вибрации	0,1 – 1000 мкм	0 – 1000
51Д07	Сейсмический датчик крутильных колебаний	±2 ±5	0,018 – 1,5

Тензорезисторные преобразователи

Для измерения вибраций частотой несколько десятков герц могут быть использованы преобразователи, в которых с помощью тензорезисторов происходит измерение деформации чувствительного элемента, соединяющего колеблющуюся сейсмическую массу с корпусом преобразователя.

Рис. 4. 11. Основные схемы измерителей ускорения.

Основные схемы измерителей ускорения приведены на рисунке 4.11. Измеритель, показанный на рисунке 4.11 а, прост по конструкции и состоит из основания и чувствительного элемента2,выполненного в виде консольной балки с наклеенными на нее тензорезисторами3.На конце балки укреплена сейсмическая масса1.

На рисунке 4.11 бпоказан измеритель, чувствительный элемент которого представляет собой пару параллельных консольных балок2с тензорезисторами3, на которых закреплена инерционная масса1. Такая конструкция обеспечивает параллельность перемещения инерционной массы.

В измерительном преобразователе АП-2 (рис. 4.12) эта схема несколько модифицирована – инерционная масса крепится к корпусу парой плоских пружин, а тензорезисторы размещены на дополнительном чувствительном элементе.

Тензорезисторный измеритель ускорений типа МП-02 построен по схеме, показанной на рис. 4.11 в. Для определения перемещений сейсмической массы1, крепящейся к корпусу посредством двух плоских пружин2, служат подвесные (безосновные) тензорезисторные решетки3. Для исключения деформации опор-ных штифтов4их выполняют из рубина.

Преобразователи МП-02 выпускают в двух модификациях – для измерения ускорений ±60 м/с²в частотном диапазоне до 10 Гц и ускорений ±150 м/с²в частотном диапазоне до 20 Гц.

Конструкция показанная на рисунке 4.11 греализуется в измерителях больших ускорений. Чувствительный элемент представляет собой пару цилиндрических стаканов2, с наклеенными вдоль продольной оси тензорезисторами3. Роль инерционной массы выполняют соединенные днища стаканов и масса1, закрепленная на них.

Рис. 4. 12. Тензорезисторный измеритель ускорений АП-02:

1 – плоские пружины; 2 – инерционная масса;

3 – чувствительный элемент; 4 – тензорезисторы;

5 – корпус.

23. Приборы для измерения давления пороховых газов (крешерные, электрические преобразователи, автономный регистратор давления).

Одним из первых приборов для измерения давлений пороховых газов является крешерный прибор, устройство которого показано на рисунке 5.1. В данном приборе давление оценивается по величине остаточной деформации медных столбиков (крешеров). Эти приборы получил широкое распространение благодаря дешевизне, простоте и безотказности действия.

Однако крешерный прибор при всех своих достоинствах обладает и значительными недостатками, основным из которых является ошибка вследствие разницы между статическим характером нагрузки при тарировании и динамическим характером нагрузки при измерении, так как при статической и динамической нагрузках пластическая деформация медных крешерах происходит неодинаково.

Рис. 5. 1. Устройство крешерного прибора.

Попытки тарирования нагрузкой, которая по своему характеру приближалась бы к зависимости давления от времени при выстреле, давали слишком малое приближение к действительной величине измеряемого давления, что не оправдывало необходимых при этом усложнений.

Для устранения указанного недостатка был разработан прибор, осуществляющий измерение давления путем регистрации упругих деформаций стальной сферы. Являясь почти таким же простым в обращении, как и крешерный прибор, данное устройство позволило значительно приблизиться к абсолютной величине максимального давления пороховых газов, получающегося при выстреле.

При соприкосновении шарового выступа с плоскостью поршня (см. рис. 5.2 а) происходит деформация сферической поверхности, и соприкосновение осуществляется на некоторой площади с диаметромd:

, 5.1

где F– сила сжатия шара и плоскости;

R– радиус шара [см];

Е – модуль упругости [кг/см²].

Для того, чтобы отпечаток сферы был ясно виден на поверхности поршня, она перед выстрелом покрывается красящим веществом. Измерение отпечатка на поршне производится с помощью микроскопа с точностью до 0,001 мм. При этом относительная ошибка в измерении давления составляет величину менее 1%. Параллельный пучок света от осветителя О(см. рис. 5.2б), падая на поверхность поршня, зеркально отражается от металлически блестящей части поверхности и не попадает в поле зрения микроскопаМ. Свет же, попадающий на часть поверхности, покрытую краской, отражается диффузно и частично попадает в объектив. При этом в поле зрения микроскопа будет виден круглый отпечаток с резко очерченными краями.

Рис. 5. 2. Прибор для измерения давления пороховых газов:

а– поршень и стальная сфера прибора;

б– снятие размеров отпечатка.

Рассмотренные приборы могут вкладываться в камору (в гильзу) вместе с пороховым зарядом или ввинчиваться в отверстие в канале ствола для измерения максимального давления в различных сечениях. Для регистрации кривой изменения давления от времени необходимо осуществить переход к электрическим преобразователям давления, сходным с рассмотренными во второй части.

Рис. 5. 3. Датчик 2Т6000.

Первоначально для регистрации кривой давления пороховых газов при выстреле использовался параметрический датчик, представлявший собой катушку манганиновой проволоки², помещенную в полость, заполненную маслом. Эта полость с помощью мембраны отделялась от пороховых газов. При выстреле маслу передавалось давление пороховых газов, а равномерно обжатая проволока меняла свое удельное сопротивление. Для регистрации изменения сопротивления манганинового первичного преобразователя он включался в мостовую схему³.

В последнее время для регистрации импульсных давлений (время развития выстрела – от 3·10^-3до 100·10^-3сек) применяют пьезоэлектрические датчики давления, например, датчик 2Т6000 (рисунок 5.3), с соответствующим комплектом аппаратуры. Для решения проблемы рассасывания зарядов путем сокращения длины линии связи между преобразователем и усилительной (регистрирующей аппаратурой) был разработан специальный вибростойкий автономный регистратор давления (рисунок 5.4), крепящийся непосредственно к исследуемому орудию.

В схеме регистратора, помимо усилителя, предусмотрен аналого-цифровой преобразователь и долговременное запоминающее устройство для хранения 256 восьмибитных отсчетов давления (дополнительно может устанавливаться кассета долговременной памяти на 20 К). Информация с автономного регистраторы с помощью блока съема информации передается в ЭВМ для хранения и обработки.

Для тарирования пьезоэлектрических датчиков давления пороховых газов типа 2Т6000 в СКБ измерительной аппаратуры (г. Нижний Тагил) разработан специальный градуировочный пресс ПТ 7000, позволяющий производить снятие характеристики пьезоэлектрических датчиков при давлениях до 7000 кг/см².