Датчики виброускорения

Это наиболее распространенный в настоящее время вид вибро-

датчиков, имеющий наиболее широкий частотный диапазон. Датчи-

ки этого типа очень просты по своему устройству, в результате чего

надежны, имеют небольшую массу и габариты.

Пьезоакселерометр конструктивно представляет собой пьезокри-

сталл с укрепленной сверху небольшой фиксированной массой.

Вибрации оборудования передаются на корпус датчика, он переме-

щается вместе с кристаллом. Масса, укрепленная на кристалле, воз-

действует при этом на кристалл с силой, пропорциональной произве-

дению ускорения на величину этой массы. На поверхностях кристалла

в результате пьезоэффекта возникает заряд, также пропорциональный

ускорению контролируемой точки.

Схема такого вибродатчика представлена на рис. 7.3. Пьезопла-

стины 1 соединены с массивным грузиком 2 и закреплены в корпусе

датчика с помощью пружин 4. Ориентация пластин такова, что воз-

никающие на них при сжатии заряды складываются на центральном

электроде 3. При вибрации грузик давит на пьезоэлемент, что при-

водит к возникновению пьезоэффекта. Поскольку заряд, возникаю-

щий на противоположных поверхностях пьезоэлемента, пропорцио-

нален приложенной силе, а сила, в свою очередь, зависит от ускоре-

ния инерционной массы грузика, электрический сигнал датчика

пропорционален виброускорению.

Вибропреобразователи на основе пьезоакселерометров обычно

содержат два таких датчика для измерения вертикальной и горизон-

тальной составляющих вибрации. Сами датчики устанавливаются,

например, на крышках подшипников таким образом, чтобы измерять

вибрацию в двух направлениях, перпендикулярных к оси агрегата.

Выходной сигнал пьезоакселерометра может быть проинтегри-

рован для получения сигнала, пропорционального виброскорости.

При необходимости измерительный канал и шкала показывающего

прибора могут быть отградуированы по амплитуде вибросмещения,

так как для простых гармонических колебаний связь между ампли-

тудами вибросмещения и вибрационного ускорения выражается

формулой

где α — амплитуда виброускорения; ω = (2πn)/60 — циклическая

частота; n — частота вращения вала турбины, об/мин; А — амплиту-

да вибросмещения.

Проблема достоверности измерений и корректности поставленных

в процессе вибродиагностики диагнозов во многом определяется

качеством пьезоэлектрических датчиков, которое оценивается не-

сколькими основными параметрами. К ним относятся:

1) частотный диапазон — чем он шире, тем шире возможности

датчика (у лучших датчиков он начинается с десятых долей герца и

заканчивается в высокочастотной зоне на уровне порядка трех десят-

ков килогерц);

2) чувствительность в поперечном направлении — она показыва-

ет способность датчиков отстраиваться от помех, действующих на

датчик в направлении, не совпадающем с направлением измерения

вибросигнала, обычно в перпендикулярном направлении;

3) наличие встроенного усилителя заряда, делающего работу дат-

чика независимой от длины кабеля, которым датчик подключается к

прибору (хотя наличие встроенного усилителя снижает диапазон

рабочих температур, в которых может работать датчик).

В последнее время появились трехкоординатные датчики, в кото-

рых в одном корпусе устанавливаются три пьезокристалла, ориенти-

рованные в разных осях. Они особенно удобны для систем стацио-

нарного вибромониторинга; недостатком этих пьезокристаллических

вибродатчиков является невысокая частота собственного резонанса

(она не превышает нескольких килогерц) из-за использования кор-

пуса сложной конструкции.

Емкостные вибродатчики имеют достаточно простое устройство

и принцип действия. На кристалле микросхемы методами микро-

электроники формируется упругоперемещаемый элемент. При пере-

мещениях такого элемента под действием внешних ускорений меня-

ется расстояние до неподвижных электродов, выполняющих функции

электродов конденсатора. Все электроды включены в колебательные

контуры генератора, который сформирован на этом же кристалле

микросхемы. Далее сигнал с переменной частотой преобразуется в

переменное выходное напряжение. Внешние размеры микросхемы

такого датчика, реализующей все функции преобразования, малы,

обычно площадь ее корпуса меньше 0,5 см.

При вибрации микросхемы на ее выходе появляется напряжение,

пропорциональное виброускорению. Выходное напряжение емкост-

ного датчика определяется взаимным положением «обкладок конден-

сатора», поэтому его рабочий диапазон начинается с очень малых

частот, практически с нуля герц. При «перевороте» емкостного дат-

чика напряжение на его выходе меняет свой знак, что решает большую

часть проблем, связанных с его тарировкой.

Достоинствами емкостного датчика по сравнению с пьезоакселе-

рометром являются его меньшая стоимость и более высокая техно-

логичность в изготовлении, недостатком — сравнительно невысокая

рабочая граница в области высоких частот, обычно 200... 1 ООО Гц.

Системы измерения

И анализа вибрации

Общая структура систем измерения и анализа вибрации незави-

симо от конкретного назначения включает в себя измерительные

преобразователи, согласующие устройства, линии связи, собственно

средства анализа, базы данных и средства (программы) обработки

информации. Из измерительных вибропреобразователей чаще других

применяются рассмотренные выше пьезоэлектрические преобразо-

ватели виброускорения (акселерометры), оптические (лазерные)

преобразователи виброскорости и вихретоковые преобразователи

относительного виброперемещения (проксиметры). Кроме них для

обеспечения синхронных видов анализа вибрации часто использу-

ются либо оптические или токовихревые датчики числа оборотов,

либо датчики тока (напряжения) синхронных электрических машин,

в том числе генераторов электроэнергии.

В зависимости от задач, решаемых с помощью приборов или систем

измерения и анализа вибрации, к ним предъявляются различные тех-

нические требования. Чаще всего эти требования могут определять:

1) основные виды анализа и контролируемые параметры вибрации;

2) динамический и частотный диапазоны измерения и анализа;

3) линейность отдельных операций и параметров прибора (системы);

4) скорость выполнения операций анализа и время принятия решений;

5) количество параллельных каналов измерения и анализа; 6) поме-

хоустойчивость и надежность и т.д.

Существующие технические средства контроля вибрации можно

классифицировать следующим образом: 1) средства допускового кон-

троля и аварийной защиты; 2) индикаторы состояния объектов кон-

троля; 3) средства вибрационного мониторинга; 4) средства вибраци-

онной диагностики; 5) исследовательские приборы и системы.

Простейшими по своим функциям являются системы допуско-

вого контроля и аварийной защиты. Их обязательной функцией

является измерение величины виброскорости или вибросмещения в

стандартной полосе частот, например от 2 (или от 10) до 1 ООО Гц. Для

этого в составе системы используется широкополосный фильтр со

стандартной амплитудно-частотной характеристикой. Широкая по-

лоса частот фильтра позволяет обеспечить быструю реакцию выход-

ного сигнала на скачок вибрации контролируемого оборудования,

удовлетворив тем самым требования к системам аварийной защиты

по скорости их срабатывания.

Задачей приборов, выполняющих функции индикаторов со-

стояния, является раннее обнаружение признаков одного или груп-

пы возможных дефектов контролируемого оборудования. Из всего

множества дефектов выбираются такие, которые, с одной стороны,

просто и эффективно обнаруживаются по сигналу вибрации, а с

другой — присутствуют в любой из цепочек дефектов, быстро раз-

вивающихся в предаварийном состоянии контролируемого оборудо-

вания. Примером приборов такого типа являются индикаторы со-

стояния подшипников качения по вибрации в ультразвуковом диа-

пазоне частот неподвижных элементов этих подшипников,

возбуждаемых ударными импульсами при контакте тел качения с

неподвижным кольцом подшипника. Индикаторы состояния под-

шипников обычно измеряют ультразвуковую вибрацию в достаточно

широкой полосе частот. Центральная частота этой полосы в разных

приборах может быть разной, начиная от 20...30 кГц и заканчивая

значениями выше 100 кГц. Контролируются обычно среднеквадра-

тичное значение ультразвуковой вибрации (мощность ударных им-

пульсов) и форма одиночных ударных импульсов. Простота измере-

ний и доступность получаемой информации позволяют использовать

эти приборы обслуживающему персоналу без специальной подготов-

ки, а при обнаружении нештатной ситуации — вызывать специали-

стов для проведения более сложного исследования вибрации. По-

скольку индикаторы состояния дают одинаковую информацию при

появлении как неопасного одиночного дефекта, так и предаварийной

цепочки быстроразвивающихся дефектов, то проводить контроль

состояния подшипников с их помощью следует достаточно часто, не

реже 1 раза в течение 3...5 сут. Существуют системы аварийной за-

щиты (сигнализации), в которых функции допускового контроля

оборудования по низкочастотной вибрации и индикатора состояния

подшипников качения по ультразвуковой вибрации объединены.

Большинство систем этой группы являются переносными.

Более сложные функции имеют системы вибрационного монито-

ринга. Их основным назначением являются обнаружение необрати-

мых изменений вибрации оборудования и прогнозирование скорости

их развития. Дополнительная задача, которая может решаться систе-

мами мониторинга, — это определение причин обнаруженных из-

менений. Эта задача решается экспертом, анализирующим результа-

ты мониторинга, в том числе с применением специальных экспертных

программ. Системы вибрационного мониторинга бывают двух типов:

защитного или прогнозирующего. Чаще других используются систе-

мы защитного мониторинга, анализирующие информацию о многих

структурных и рабочих параметрах объекта мониторинга. В таких

системах обычно проводится лишь простейший анализ вибрации с

помощью стандартных контроллеров. Лишь в некоторых случаях,

кроме величины вибрации в стандартной полосе частот, выполняет-

ся спектральный анализ вибрации в полосе частот до 1...2 кГц.

Структура выходных данных вибрационных каналов в системах за-

щитного мониторинга, как правило, определяется стандартами на

системы автоматического контроля и управления.

Системы прогнозирующего вибрационного мониторинга вра-

щающегося оборудования основаны на спектральном анализе. Верх-

няя частота спектрального анализа составляет примерно 20 кГц

и выше, в зависимости от конструктивных особенностей и частоты

вращения объекта мониторинга. С учетом этого выбираются типы

измерительных преобразователей вибрации. Спектральный анализ

вибрации вращающегося оборудования позволяет выявить более по-

ловины из возможных развитых дефектов и на этой основе не про-

пустить ни одной цепочки дефектов, быстро развивающихся непо-

средственно перед аварией контролируемого оборудования. Именно

поэтому системы вибрационного мониторинга являются эффектив-

ным средством предупреждения аварий, а использование в их со-

ставе экспертной диагностической программы позволяет выявить

причины необходимой остановки оборудования и быстро их устра-

нить.

Поскольку далеко не все дефекты оборудования могут быть обна-

ружены задолго до отказа, давать реальный прогноз его безаварийной

работы на длительное время с помощью переносных систем мони-

торинга сложно. Поэтому абсолютное большинство эффективных

систем вибрационного мониторинга устанавливается на оборудова-

нии штатно и проводит измерения вибрации через короткие интер-

валы времени. Стационарное исполнение систем вибрационного

мониторинга существенным образом меняет требования к средствам

анализа вибрации. Появляется возможность широкого использования

виртуальных анализаторов на базе персональных компьютеров. Ком-

пьютерный анализ сигналов дает возможность оперативно проводить

практически любой вид анализа, поэтому многие стационарные си-

стемы при необходимости анализируют вибрацию и в установивших-

ся, и в переходных режимах работы оборудования, в том числе во

время его пуска и выбега. Использование многомерных видов ана-

лиза вибрации позволяет повысить эффективность экспертных си-

стем диагностики и осуществлять прогноз вибрационного состояния

оборудования. Единственным ограничивающим диагностические

возможности фактором в стационарных системах мониторинга стано-

вится конечное количество точек контроля вибрации, в каждой из

которых стационарно устанавливается измерительный преобразова-

тель. Поэтому для расширения диагностических возможностей мони-

торинга стационарные системы часто комплектуются дополнительным

переносным каналом измерения вибрации в любой точке оборудова-

ния, где на время измерения может быть установлен измерительный

преобразователь.