6. Погрешности измерений, связанные с датчиками

Многие виды погрешностей измерений прямо или косвенно связаны с датчиками. Иногда эти погрешности полностью искажают результаты измерений.

Одна из причин таких погрешностей заключается во влиянии массы датчика на колебания исследуемого объекта. Пусть объект можно представить в виде системы с одной степенью свободы с параметрами ,,,. Присоединение к нему датчика с массойискажает параметры объекта. Снижается собственная частота:

. (52)

Увеличивается коэффициент динамического усиления в резонансе:

. (53)

Влияние на частоту и амплитуду не превышает 5%, если масса датчика в 10 раз меньше массы объекта:

. (54)

Условие (54) не всегда выполняется, например, при измерении вибрации агрегатов индукционными датчиками, установленными в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. При массе датчика 0,2—0,5 кг условие (54) выполняется лишь при массе агрегата более 6—15 кг. В этих условиях измерение приходится проводить при поочередной установке по одному датчику. Возможна также имитация жестких объектов макетом.

Влияние массы датчика на вибрацию легких и тонкостенных конструкций значительно увеличивается.

Полученные формулы после несущественных упрощений и преобразований принимают вид: для металлических пластин

, . (55)

Для металлических протяженных стержней, полностью пере­крываемых по ширине датчиком,

, (56)

Здесь и — амплитуды колебаний с датчиком и без него;

—толщина пластины или высота стержня;

— погонная масса стержня;

, — модуль упругости и плотность материала;

—частота вибрации.

Эти формулы пригодны для ориентировочной оценки влияния при частотах . Прирасчет дает завышенные значения.

Построенные по (55) и (56) кривые (рис. 14) показывают, что для уменьшения локальных изменений амплитуд масса датчика должна быть соизмерима с погонной массой исследуемой тонкостенной конструкции.

Вторая существенная причина погрешностей — установочные резонансы – резонансные колебания датчиков, обусловленные упругостью связей их с объектом. Для исключения искажений частота низшего из установочных резонансов должна быть значительно выше высшей измеряемой частоты:

(57)

Рис. 14. Влияние массы датчика на вибрацию пластин (а) и стержней (б)

Часто не удается прикрепить датчик непосредственно к объекту и приходится применять промежуточные крепежные устройства (кронштейны). Один из распространенных способов крепления к фланцам объекта показан на рис. 15. При наличии кронштейна условие (57) понимается так: низшая собственная частота колебаний системы датчики — кронштейн должна быть значительно выше высшей измеряемой частоты. Выполнить это условие часто весьма трудно, особенно при ограниченных опор­ных поверхностях фланцев. Масса индукционных датчиков относительно велика, а неизбежное отнесение центра масс датчиков от места крепления к объекту создает большие массовые моменты инерции. Участвующая в колебаниях масса кронштейна увеличивает суммарную массу и моменты инерции. При этом весьма вероятно влияние масс и моментов на колебания объекта. При недостаточно жестких фланцах низшая собственная частота может оказаться значительно меньше расчетной и уве­личение жесткости кронштейна ничего не изменит. При суммар­ной массе датчиков 250—500 г при фланцевом креплении кронштейнов трудно поднять низшую собственную частоту выше 300 — 500 Гц. При этом кронштейн должен крепиться более чем двумя болтами и при достаточной затяжке.

В области высоких частот аналогичные ситуации создаются, например, при измерениях с помощью пьезодатчиков с резьбовым креплением (ИС-312). Дополнительные затруднения вносит контактная податливость. Возможны также резонансные колебания отдельных элементов датчиков. По этим причинам применение кронштейнов крайне нежелательно.

Рис. 15. Крепление датчика к фланцу

Условие (57) иногда оказывается недостаточным. В области частот , как правило, имеется множество установочных резонансов, особенно при креплении с помощью кронштейнов. Вследствие слабого естественного демпфирования крепежных устройств неизмеряемые высокочастотные колебания усиливаются во много раз. Поэтому даже при умеренной высокочастотной вибрации двигателя датчик подвергается воздействию сильной неизмеряемой вибрации с амплитудами ускорения в сотни. Воздействие интенсивной неизмеряемой вибрации может привести к искажению показаний датчика в рабочем диапазоне частот, к уменьшению его ресурса и даже к разрушению.

Одним из способов защиты датчиков является избирательная амортизация. Однокомпонентный датчик можно упруго подвесить таким образом, чтобы обеспечивалась передача без искажений лишь измеряемых составляющих, т.е. составляющих колебаний в направлении измерения с частотами до верхней граничной частоты измерений включительно. Частота резонансных колебаний в направлении измерениядолжна составлять примерно, чтобы не искажались показания датчика. Частоты остальных собственных форм могут находиться в рабочем диапазоне или ниже. Упругая подвеска датчика обязательно должна иметь глубокое конструктивное демпфирование во избежание нежелательных побочных явлений. Практически можно обеспечить отношение. Влияние неизмеряемой вибрации при этом исключается.

Рис. 16. Способы расстановки датчиков при парных замерах

Получаемая измерительная информация дает достоверные сведения о частотах колебаний, амплитуды же следует рассматривать как случайные величины, зависящие от временных и пространственных параметров. Для более достоверной оценки характера и интенсивности высокочастотной вибрации необходимо устанавливать датчики во многих точках и результаты измерений каким-либо методом обобщать. В настоящее время методика расстановки датчиков и интерпретации результатов не разработана.

Аналогичные искажения наблюдаются и на низших частотах. Это хорошо видно по результатам так называемых “парных” замеров. Два однотипных индукционных датчиков устанавливаются, как показано на рис. 16. Если датчики крепились непосредственно к площадке двигателя (рис. 16,а), то уже при частотах показания датчиков различались на 15 – 25%. Перестановка датчиков подтвердила влияние места установки. При установке датчиков на кронштейне рядом (рис. 16,б) различия достигали 30 – 40%. Наименьшие различие (5 –10%) были при установке по схеме (рис. 16,в), хотя полного совпадения тоже не наблюдалось. На более высоких частотах (200 –500 Гц) различия в показаниях “парных” датчиков более существенны.

Причиной погрешностей приклеиваемых пьезодатчиков может быть деформация пьезоэлемента, обусловленная деформацией объекта в месте приклейки датчиков. Пьезоэлемент в этом случаи работает как тензометр.

Погрешности могут быть обусловлены изменением характеристик датчиков со временем (старение, износ).

Все это показывает актуальность проблемы методических погрешностей, связанных с датчиками, особенно при измерении высокочастотных колебаний.