Разработка первичного преобразователя_Для системы контроля вибрации технологического оборудования / Зписка / 8 в 1

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Исследования колебательных процессов представляют большой интерес для всех отраслей народного хозяйства: металлургии, энергетического машиностроения, ракетной техники и так далее. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различных направлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений и агрегатов, такие, как электрогенераторы тепло и гидроэлектростанций, гребные винты кораблей, авиационные и ракетные двигатели и тому подобное, являющиеся источником возникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационных процессов.

Особую опасность представляют известные умножения колебаний, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие при вибрациях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие предел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей в недопустимых пределах. Под влиянием длительно действующих инерционных сил появляются усталостные раз­рушения материала: по данным США 60 — 80% поломок авиационной техники вызываются именно усталостными разрушениями материала конструкций. Из-за вибраций значительно снижается срок службы оборудования, ухудша­ется качество его работы. Например, вибрации металлорежущих станков не дают возможности получить высокое качество обрабатываемых поверх­ностей деталей, снижают точность их изготовления. Вредное воздействие на человека оказывает и шум, представляющий собой акустические колебания в воздушной среде. С другой стороны, хорошо известно и полезное использование вибра­ций в народном хозяйстве. Широко распространены вибромолоты, виброуплотнители и другие аналогичные механизмы в строительстве.

Вибраци­онные процессы могут служить также источником информации для диагностики машин и механизмов как средство раннего обнаружения их неисправности. Общеизвестны акустические приборы, определяющие де­фекты, размеры и физико-механические свойства материалов и изделий без их разрушения. В медицине вибрации и акустические колебания используют для диагностики различных новообразований и болезней.

В последние годы все отчетливее проявляются основные различия между системами управления и контроля сложного энергетического оборудования, с одной стороны, и системами их диагностики, с другой стороны. Системы контроля, являющиеся прообразом и составной частью современных систем мониторинга, используют, как правило, простейшие способы измерения основных физических величин. Диагностические системы строятся с учетом необходимости получения наибольшего объема информации, содержащейся прежде всего в сигналах вибрации и шума. Именно поэтому для систем диагностики широко используются новые информационные технологии, часто основанные на более сложных методах измерения и анализа сигналов.

Методы и средства оценки технического состояния машин и энергетического оборудования развивались поэтапно. Сначала использовались средства контроля различных параметров, затем мониторинга, и на последнем этапе, системы диагностики и прогноза технического состояния. Внедрение каждого последующего вида систем дает пользователю новые возможности для перехода на обслуживание машин и оборудования по фактическому состоянию.

Так, контроль дает информацию о величинах параметров и зонах их допустимого отклонения. При мониторинге появляется дополнительная информация о тенденциях изменения параметров во времени, которая может использоваться и для прогноза. Еще больший объем информации дает диагностирование, а именно, идентификацию места, вида и величины дефекта. Наиболее сложна задача прогноза развития дефекта, а не изменений контролируемых параметров, решение которой позволяет определить остаточный ресурс или прогнозируемый интервал безаварийной работы.

В настоящее время под термином мониторинг часто понимается решение всего комплекса процедур оценки состояния, но существующие системы, называемые системами мониторинга, далеко не всегда решают вопросы идентификации дефектов и прогноза их развития. Поэтому в дальнейшем под термином мониторинг следует понимать контроль основных параметров, выявление тенденций их изменений и прогноз развития контролируемых параметров, а под термином диагностика - идентификацию дефектов и прогноз их развития.

В основе всех средств измерения и анализа сигналов вибрации и шума лежат три типа устройств, выполняющих разные операции. Первый  датчик вибрации или микрофон, преобразующий колебания в электрический сигнал. Второй  фильтр, выделяющий компоненты сигнала в необходимой области частот. Третий  детектор, служащий для оценки амплитуды (мощности) выделенных компонент.

Рисунок 1.а  Измеритель общего уровня вибрации (шума).

Рисунок 1.б  Измеритель пик фактора, сигнала вибрации.

Рисунок 1  Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума.

Далеко не всегда фильтр подключается к выходу датчика и выполняется в виде электронного устройства. Он может быть акустическим, как, например, резонатор или механическим, как, например, упругая прокладка, и устанавливаться перед датчиком. Различные приборы содержат разные комбинации этих трех типов устройств, в зависимости от того, с какой информационной технологией они используются. Структуры основных видов приборов для контроля и диагностики машин и оборудования по вибрации или шуму показаны на рисунке 1.

Простейшими являются измеритель общего уровня вибрации (шума) и прибор для измерения пик фактора сигнала вибрации, то есть регистратор ударных импульсов. Структура этих приборов показана на рисунок 1.а и рисунок 1.б соответственно. В измерителе общего уровня фильтр может отсутствовать, если нет специальных требований к полосе частот измеряемого сигнала. В измерителе пик фактора для простоты реализации обычно используется механический резонатор в виде металлического стержня с резонансом на частотах выше 25 КГц. Столь высокая частота резонанса, с одной стороны, снижает габариты резонатора, а с другой стороны, позволяет получить более высокую величину пик фактора за счет того, что на высоких частотах стабильная во времени вибрация, являющаяся помехой и возбуждаемая силами трения в контролируемых узлах машины, минимальна.

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Технические средства измерения вибрации и принципы их построения

Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Совокупность методов и средств для измерения величин, характеризующих колебания, называется виброметрией. Необ­ходимость в проведении таких измерений на машиностроительном предприятии возникает по ряду причин, например, для определе­ния виброактивности выпускаемых машин, режимов работы виб­рационного технологического оборудования, при вибродиагно­стике машин и агрегатов, контроле их качества. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Уже длительное время разрабатываются способы борьбы с вредным воздействием вибраций, ударов и шумов в технике и природе.

1.1.1 У р о в е н ь т е х н и к и. Современные виброизмерительные приборы  это обычно электронные малогабаритные приборы с автономным питанием и калибровочным устройством для контроля электрической части, со встроенными фильтрами.

Специалисту, выполняющему измерения, необхо­димы знания основ теории колебаний, стандартных методов изме­рения и анализа вибрации, правил обращения с приборами и их эксплуатации.

Выбор мето­дов и средств измерения определяется поставленными целями и программой экспериментальных исследований.

Средствами измерения параметров вибрации служат специаль­ные приборы, в которых информация об измеряемой величине представляется в форме, удобной для восприятия человеком.

Виброизмерительный тракт обычно формируется из нескольких последовательно соединенных приборов. В зависимости от усло­вий проведения измерений, способа регистрации получаемых ре­зультатов и других обстоятельств число приборов, входящих в из­мерительный тракт, может изменяться в широких пределах. На рисунке 2 приведена блок-схема, наиболее полно удовлетворяю­щая требованиям проведения измерения вибрации в гигиениче­ских целях. Приборы, указанные в блок-схеме, позволяют преоб­разовывать энергию механического колебания в электрический сигнал и затем определять уровни вибрации, ее частотный спектр, регистрировать спектрограммы, а также записывать механические колебания на измерительный магнитофон.

Рисунок 2  Блоксхема универсального виброизмерительного тракта

Первичным элементом схемы является вибропреобразователь (вибродатчик), который входит в любой комплект виброизмери­тельной аппаратуры. Он выполняет роль преобразователя энергии вибрационных колебаний, получаемых от источника, в электри­ческие сигналы. Широкое применение получили преобразователи пьезоэлектрические, емкостные, индукционные и тому подобные. В совре­менной виброизмерительной аппаратуре (при динамических процессах) чаще используют пьезоэлектрические датчики. Их преобразующий элемент состоит, как правило, из двух пьезоэлектрических дисков, на которых закреп­лена инерционная масса, создающая при вибрации переменное давление на пьезоэлементы, пропор-

циональное виброускорению. Вследствие пьезоэффекта на обкладках дисков возникает пере­менное напряжение, пропорциональное прилагаемому усилию и, следовательно, виброускорению.

Основными преимуществами таких преобразователей являются: широкий диапазон рабочих частот, большая вибрационная и ударная прочность, простота конструкции, малая чувствительность к магнитным полям, возможность создания высокотемпературных преобразователей с малыми размерами и массой.

Основными параметрами вибропреобразователя являются его коэффициент преобразования, который зависит от свойств пьезоматериала и массы датчика, а также относительный коэффи­циент поперечного преобразования.

Емкостные преобразователи также находят применение для измерения параметров вибрации, но особенно широко они используются для акустических измерений (конденсаторные микрофоны).

Большое распространение имеют также индукционные вибродатчики, в которых массой является постоянный магнит, совершающий вынужденные колебания от­носительно соленоида, посаженного в корпус и не­подвижно скреплённого с точкой измерения. Та­ким образом, в соленоиде наводится электродвижущая сила, пропорцио­нальная относительной скорости движения магнита и соленоида.

Предусилители включают в измерительную блоксхему как для усиления слабого выходного сигнала акселерометра, так и для согласования высокоомного выхода акселерометра с низкоомными последующими каскадами.

В измерительных приборах осуществляются интегрирование и дифференцирование входных сигналов и, соответственно, опре­деление значений виброскорости, виброускорения и их уровней.

Выделение требуемой полосы анализируемых частот колебаний производится фильтрами. Они, как правило, выполняются с по­стоянной относительной полосой пропускания, большей частью кратной долям октавы (октавные, третьоктавные). Использование фильтров дает возможность вести спектральный анализ вибрации путем измерения ее уровней в заданных диапазонах частот, в том числе и определяемых гигиеническими и техническими нормами, то есть в октавных или треть октавных диапазонах.

Индикаторы уровней дают возможность фиксировать резуль­таты измерений с помощью цифровых или стрелочных указателей. Результаты экспериментальных исследований удобно фиксиро­вать на бумажной ленте с помощью самопишущих приборов, вклю­чаемых в измерительный тракт, что упрощает процесс спектраль­ного анализа, повышает надежность измерений.

В последнее время получает распространение метод анализа производственной вибрации, основанный на предварительной за­писи ее измерительным магнитофоном и последующей обработке в лабораторных условиях на стационарном измерительном тракте.

Виброизмерительные приборы делятся на две группы. В первую из них входят измерительные приборы, обеспечивающие измерение среднего квадратического значения виброскорости и виброускорения и их логарифмических уровней в октавных или третьоктавных полосах частот, а также корректированного значения виброскорости (виброускорения).

Измерительные приборы второй группы используют для изме­рения дозы вибрации, а также эквивалентного корректированного значения виброскорости (виброускорения). Их оснащают корректирующими фильтрами.

В последние годы получает развитие вибродозиметрия со­ставная часть виброметрии, основанная на интегральной оценке вибрационного воздействия на объект виброзащиты путем на­копления дозы колебательной энергии за длительный отрезок времени. Дозу можно либо рассчитать по данным спектрального анализа, либо измерить вибродозиметром прибором, определя­ющим усредненную вибрационную нагрузку на человекаопера­тора в течение, например, рабочей смены.

Перспективной можно считать разра­ботку индивидуальных вибродозиметров, использующих неэлектронные принципы регистрации дозы вибрации (оптикоме­ханический, электрохимический, эффект контактной электризации и другие). Известна конструкция вибродозиметра, в котором ре­гистрация дозы вибрации происходит с помощью электрокинема­тического накопителя. Он содержит два регистрирующих узла, выполненных на основе капилляра с по­ристой перегородкой, заполненного полярной жидкостью, и раз­мещенных по разные стороны от перегородки электродов.

1.1.2 В ы б о р п р о т о т и п а. Наиболее близким техническим решение является выпускаемый серийно прибора ВШВ003. Данный прибор является хорошей системой диагностирования с использованием новейших технологий. Достоинствами ВШВ003 является высокая точность измерения и обработки колебательных процессов, широкий диапазон измеряемых частот (от 10 до 2800 Гц.), питание прибора осуществляется как от сети, так и от батарей, и другие технические характеристики. Основными недостатками таких устройств является их высокая цена, которая является недоступной широкому кругу потребителей, для использования требуются специальные технические навыки, а также большие габаритные размеры (100280240 мм.) и масса (4 кг.).

1.2 Тема дипломного проекта

Целью дипломного проекта является рассмотрение первичных вибропреобразователей (таких как пьезоэлектрические датчики, в системе диагностирования механических колебаний), а также, разработка, конструирование и сборка физической модели, устройства измерения вибрации (виброметра).

1.3 Техническое задание

Область применения пьезодатчика  устройства измерения вибрации, а также устройства вибрационной диагностики технологического оборудования.

Область применения устройства измерения вибрации  применяется для электрических машин и механизмов для раннего обнаружения их неисправности.

Состав изделия:

 пьезоэлектрический датчик ДН4;

 усилитель электрического заряда;

 измерительный прибор.

Технические требования:

 питание осуществить от источника постоянного тока

напряжением, В 15;

 потребляемая мощность от источника питания

должна быть не более, Вт 1;

 частотный диапазон измерения

должен быть не менее, Гц 1000;

 транспортировка: на всех видах транспорта.

Требования по надежности:

 наработка на отказ 10-15тыс.ч;

 интенсивность отказа 10^-4 – 10^-9 ч^-1;

Конструктивные требования:

 органы управления вынести на панель;

 масса, форма и габариты устанавливаются в процессе проектирования;

 окраска в белый цвет.

Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

 схема электрическая принципиальная А3;

 сборочный чертеж А1

 спецификация А4;

 перечень элементов А4;

 печатный узел А1;

 печатная плата А1.

1.3.1 Т е х н и ч е с к о е о п и с а н и е. Изобретение относится к радиоэлектронике, более конкретно к измерительным средствам, и используется в измерительной технике, автоматике, механике и других областях. Целью создания изобретения были такие характеристики как: относительно малая стоимость (достигаемая за счет современной элементной базы), простота применения не требующая специальных технических навыков, достаточно высокий частотный спектр (не мене 1000 Гц), малые массогабаритные параметры.

Предлагаемое устройство, как и аналогичные приборы, использующиеся в системе измерения, объединяет в себе:

Вибропреобразователь, преобразующий колебания в электрический сигнал, подаваемый на усилитель по линии связи.

Усилитель электрического сигнала, увеличивающий и согласующий значение заряда, доступного для измерения.

Измерительный прибор уровня напряжения дает возможность визуально фиксировать резуль­таты измерений.

На рисунке 3 приведена блок-схема измерительная системы.

Рисунок 3 Блок-схема измерительная системы.

Вибропреобразователь (вибродатчик), который входит в любой комплект виброизмери­тельной аппаратуры. Он выполняет роль преобразователя энергии вибрационных колебаний, получаемых от источника вибрации, в электри­ческие сигналы. В предлагаемом устройстве используется преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН4. Сигнал и пьезоэлектрического датчика передается на усилитель по экранируемой линии связи.

Основные характеристики вибропреобразователя:

 Рабочий диапазон частот от 0 до 12500 Гц.

 Электрическое сопротивление изоляции:в нормальных условиях не менее 1 ГОм (в условиях повышенной влажности не менее 0,1 ГОм).

 Электрическая емкость вибропреобразователя, включая емкость кабеля, не менее 1000 пФ.

 Номинальное значение коэффициента преобразования на часто­те 1000Гц

 Относительный коэффициент поперечного преобразования не более 5%

 Габаритные размеры вибропреобразователя 18,817,014,0 мм

 Масса вибропреобразователя (без разъема) не более 0,013 кг.

Усилитель включен в измерительную схему как для усиления слабого выходного сигнала с вибропреобразователя, так и для согласования высокоомного выхода вибропреобразователя с низкоомными последующими каскадами.

Основным элементом усилителя является операционный усилитель КР574УД2. Выбор данной микросхемы был обусловлен тем, что у нее малый входной ток и большое входное сопротивление (эти параметры необходимы для согласования с датчиком).

Основные технические характеристики усилителя:

 Напряжение питания – 9В;

Потребляемый ток  5 мА;

 Входной ток 0,5 нА;

 Входное сопротивление 10³ МОм;

Измерительный прибор уровня напряжения дает возможность визуально фиксировать резуль­таты измерений вибрации. В качестве измерительного прибора выступает стрелочный электромагнитный вольтметр.

Технические характеристики устройства диагностирования приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные технические характеристики устройства:

- Напряжение питания, В	9
- Потребляемый ток, А	0,01
- Частотный диапазон, Гц	50  1000
- Диапазон рабочих температур, 0С	-30  +50
- габаритные размеры, мм	70х80х60
- масса, кг, не более	0,5

Достоинствами данного прибора являются такие характеристики как:

 Низкая себестоимость (доступен широкому кругу потребителей);

 Простота применения не требующая специальных технических навыков;

 Простота конструкции и малая элементная база;

 Широкий круг применения (ремонт и наладка электродвигателей, автомобилей, трансформаторов, насосов, редукторов и других средств техники);

 Малые массогабаритные параметры.

Недостатками данного прибора является:

 Точность значений, измеряемой величены, является средне выраженной;

 Относительно низкий частотный спектр.

1.3.2 Т е х н и ч е с к о е о б с л у ж и в а н и е с и с т е м ы. Обслуживание системы заключается в плановом осмотре и ремонте (в основном измерительного прибора) устройства, в плановой замене электробатарей (“Крона”) (один раз в квартал или по необходимости) и наблюдением за ходом выдачи окончательного результата о состоянии технологического оборудования.

РАСЧЕТ СПЕЦИАЛЬНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО УСИЛИТЕЛЯ

.1 Общие сведения о высоковольтном усилителе

Исторически первыми разработками в области получения высокого напряжения были неуправляемые выпрямители переменного напряжения, предназначенные для питания различных устройств. Такая схема не могла обеспечить хорошего качества выпрямленного высокого напряжения. Низкая частота опорного питающего напряжения обуславливала большие габариты и вес практически всех элементов структуры.

Действие высоковольтных усилителей основывается на следующем принципе действия. Низкочастотное напряжение от источника опорного напряжения выпрямляется низковольтным выпрямителем, и подаемся для питания конвертора, который вырабатывает высокочастотные колебания, поступающие через высоковольтный трансформатор на умножитель напряжения.

Достоинствами разрабатываемых высоковольтных усилителей являются малые габариты и вес, а также возможность плавного регулирования выходного напряжения с большим коэффициентом усиления по мощности. Уменьшение весогабаритных параметров происходит за счет высокой частоты, а плавное изменение выходного напряжения возможно благодаря использованию в конверторах регулируемых элементов: ламп, транзисторов, тиристоров.

Все разновидности высоковольтных усилителей обусловлены различием либо в схемах конверторов, либо в конструкциях трансформаторов, либо в схемах умножителей напряжения.

Область применения высоковольтных усилителей являются блок питания электронно-лучевых трубок, мониторов ЭВМ, телеиндикаторов рекламных щитовых табло, приборов рентгенодиагностики, нейтрализаторы статического электричества на нефтеналивных танкерах, люстры Чижевского, электрофильтры газоочистки и многое другое.

.2 Расчет высоковольтного усилителя

Расчет высоковольтного усилителя напряжения ведем по методике академика Власова В.В.

Исходные данные:

Мощность источника на выходе на высокой стороне Р=17 Вт

Высокое выходное напряжение в нагрузке Uвых=8 кВ

Число ступеней умножения n=3

Рабочая частота f=6250 Гц

Расчет усилителя.

Выходной ток в нагрузке

Iвых = Р/Uвых = 17/ 8000 = 2,125 ^. 10^-3 А,

По числу каскадов умножения определяем требуемое напряжение высоковольтного трансформатора:

Uт = Uвых/n = 8000/ 3 = 2 666 В,

Поскольку предполагается использование стандартного высоковольтного трансформатора, то в качестве базовых выбираем параметры трансформатора выходной строчной развертки ТВС-90ЛЦ2-1.

Паспортные данные: Ртр=110 Вт; Uтр=4,5кВ; fраб=6250 Гц; Lтр=1,68Гн.

Количество последовательно включенных по вторичной обмотке высоковольтных трансформаторов.

Nтр = Uт/Uтр = 2,666 кВ/4,5 кВ = 0,59

Принимаем Nтр=1.

Таким образом, будем считать, что последовательно включенных трансформаторов в схеме три, и на каждом из них необходимо иметь истинное выходное напряжение равное.

Uист = Uт/Nтр = 2,666 кВ/1 =2,666 кВ,

На каждом из последовательно включенных трансформаторов включается умножитель напряжения с числом каскадов равным двум.

Вычисляем емкости каждого умножителя напряжения в согласованном режиме. Будем считать, что трансформатор ТВС-90ЛЦ2-1 пока работает один на один каскад умножителя напряжения.

Сi = 2^n+1-i / 4²f²Lтр,

где n - число каскадов, i - порядковый номер конденсатора.

Известно что, С₁ = С₂.

С₁ = С₂ = 2^3+1-1/4² 6250² 1,68 =2³/2,58910⁹=309010^-12Ф, С₃ = 154510^-12 Ф,

Полученное значение емкости конденсаторов составляют так называемую верхнюю границу вилки емкостей умножителя напряжения.

Рассчитаем требуемую мощность трансформаторного блока, питающего умножитель напряжения в согласованном режиме.