Влаштування дистанційного контролю справності п'єзоелектричних датчиків

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Охоронні пристрої та сигналізація об'єктів

 Коментарі до статті

Небезпека наслідків аварії змушує пред'являти підвищені вимоги до надійності вимірювального каналу та, насамперед, датчика, оскільки він експлуатується у найважчих умовах, що існують на даному об'єкті. Виникає необхідність контролю його властивостей як засоби вимірювання частіше, ніж це робиться за періодичних (зазвичай один раз на рік) перевірок. Оскільки датчик встановлений у важкодоступному місці (наприклад, під кожухом агрегату), контроль повинен проводитися дистанційно.

Спосіб контролю [1], реалізований в описуваному пристрої і дає таку можливість, заснований на тому, що п'єзоелектричний перетворювач датчика звернемо, він генерує електричний сигнал при механічному впливі на нього і відчуває механічну деформацію при подачі електричної напруги. В обох випадках рівень реакції на вплив визначається одним і тим самим коефіцієнтом, званим п'єзо-модулем.

Інерційність датчика як механічної системи визначається частотою його вільних коливань, яка залежить, перш за все, від властивостей самого датчика, але крім цього, і від механічних властивостей контактуючої з датчиком частини об'єкта. Її називають частотою настановного резонансу (УР). Електрична ж інерційність не пов'язана з механічною та визначається у першому наближенні добутком ємності датчика з кабелем та активним опором його навантаження. Частотний спектр вібрації, що вимірюється датчиком, завжди лежить нижче за частоту УР (інакше результат вимірювання буде недостовірним), займаючи, як правило, область від нуля до 0,2...0,3 її значення.

Для підключення до пристрою контролю датчик від'єднують від апаратури, з якою він працює. На нього подають постійну напругу, що заряджає його ємність і деформує п'єзоелемент. Тривалість цієї операції має бути такою, щоб усі перехідні механічні та електричні процеси встигли закінчитися. Після цього відключають джерело напруги від датчика і приєднують до висновків останнього невеликий активний опір на час (зазвичай кілька десятків мікросекунд), достатній для повної розрядки ємності датчика. Механічна деформація п'єзоелемента не може змінюватися з тією ж швидкістю, його повернення в початковий стан відбувається у вигляді загасаючих коливань із частотою УР. П'єзоелемент перетворює ці коливання в електричний сигнал, який реєструють, наприклад, осцилографом, що запам'ятовує. Ознакою нормального стану датчика є незмінність форми та рівня сигналу при неодноразовому контролі.

Основні вузли пристрою контролю - два одновібратори, що задають тривалість інтервалів замикання та реєстрації, та два комутатори. Порушення коливань спадом імпульсу при стабільній тривалості замикання дозволяє досягти хорошої повторюваності рівня та форми електричного сигналу, що необхідно для метрологічних операцій.

Описуваний варіант приладу дещо складніше. Оскільки осцилограф, що запам'ятовує, дорогий і порівняно рідкісний прилад, процес контролю зроблений циклічним, що дало можливість користуватися звичайним осцилографом. Для більшої достовірності визначення частоти УР введено фільтр, який пригнічує високочастотні перешкоди. Є автономне низьковольтне джерело живлення та вимірювач частоти УР зі світлодіодним індикатором.

Рис. 1

Схема пристрою представлена ​​рис. 1. Мультивібратор на елементах DD1.1 та DD1.2 виробляє імпульси прямокутної форми. З виходу елемента DD1.2 імпульс тривалістю t надходить на керуючий вхід комутатора DA1.3. Під час його дії через замкнутий комутатор на вхід підключеного до роз'єму Х1 датчика ланцюга R14R15HL3 надходить напруга зарядки +12 (крива U3 на рис. 2).

Рис. 2

Місткість датчика заряджається до цієї напруги. Світлодіод HL3 призначений для сигналізації про замикання ланцюга датчика.

Імпульс, інверсний щодо розглянутого, надходить з виходу елемента DD1.1 через диференціюючу (C2R6) та інтегруючу (C4R11) ланцюга на входи елемента DD1.3. На його виході формується імпульс низького логічного рівня, розташований у паузі між імпульсами зарядки, але має меншу, ніж пауза, тривалість t2. Через диференціюючий ланцюг C6R18 спадаючий перепад цього імпульсу запускає одновібратор на таймері DA6, імпульс якого тривалістю, що визначається параметрами ланцюга R21C7 (інтервал t3 на рис. 2), надходить на керуючий вхід нижнього (за схемою) комутатора мікросхеми DA. При цьому вихід датчика (контакт роз'єму 2 Х3) через комутатор і резистор R1 з'єднується із загальним проводом, розряджаючи ємність датчика. Напруга на датчику (крива U на рис. 12) зменшується до нуля.

Спадаючий перепад імпульсу таймера запускає одновібратор на елементах DD6.1 і DD6.3, що генерує імпульс тривалістю t4 (визначається параметрами ланцюга C13R31R53) Через інвертор DD6.2 імпульс надходить на вхід керування верхнім (за схемою) комут тепер коливальний характер, через диференціюючий ланцюг C2R5 подається на вхід підсилювача на ОП DA16, до виходу якого через резистор R4 перемикачем SA25 підключений або конденсатор С3 (режим "Індикація"), або резистор R8 (режим "Діагностика"). У першому випадку утворюється згладжуючий фільтр, у другому - частотонезалежний дільник напруги. Далі сигнал надходить на роз'єм Х27, якого підключають осцилограф або інший реєстратор. На цей же роз'єм виведено імпульс синхронізації, який збігається з часом з початком інтервалу t2.

Інші вузли пристрою утворюють вимірювач частоти УР. Сигнал датчика за допомогою підсилювача DA3 та компаратора напруги DA5 перетворюється на серію імпульсів стандартної амплітуди. Коефіцієнт посилення (10 або 20) вибирають перемикачем SA2, стан якого вказують світлодіоди HL1 та HL2.

Підрахунок імпульсів з виходу компаратора протягом 1 мс дав значення частоти УР в кілогерцях. Однак такий спосіб виявився неприйнятним, оскільки власні коливання сучасних п'єзодатчиків загасають значно швидше. Тому довелося рахувати імпульси за кілька коротших інтервалів сумарною тривалістю 1 мс. Експеримент показав, що двох інтервалів по 500 мкс цілком достатньо.

Рахунок відбувається в такий спосіб. Після натискання на кнопку SB2 "Уст. 0" лічильник DD2.1 встановлюється стан готовності до рахунку, що індикується світлодіодом HL4 "Готовність", а лічильники DD4 і DD5 - в нульовий стан. Тривале натискання на кнопку SB1 "Пуск" відкриває комутатор DA1.1 і тактові імпульси з виходу елемента DD1.2 проходять через відкритий комутатор DA1.2 на лічильник DD2.1. На два входи елемента DD3.2 сигнали надходять з виходів 2 і 4 лічильника, але в його третій вхід - з виходу елемента DD6.2. В результаті високий рівень на виході елемента DD3.3 існує тільки під час робочих тактів, що йдуть після шостого та сьомого імпульсів зарядки (вважаючи з моменту натискання на кнопку SB1). Восьмий імпульс встановлює високий рівень на виході лічильника 8 DD2.1, що через інвертор DD3.1 закриває комутатор DA1.2. Надходження імпульсів на вхід лічильника DD2.1 припиняється, а світлодіод HL4 гасне. Тепер можна відпустити кнопку SB1.

Вихід елемента DD3.3 з'єднаний з входом керуючого комутатора DA1.4, включеного між виходом компаратора DA5 і входом лічильника DD4. Індикація стану лічильників DD4 та DD5 здійснюється не зовсім звичайно – за допомогою двох декадних лінійок зі світлодіодів HL5-HL24. Зроблено це зменшення споживаного струму: сумарне споживання всіх названих світлодіодів у разі не перевищує 8 мА. На жаль, ще більш економічні РКІ не підходять через недостатній інтервал робочої температури. Діоди VD1-VD3 введені для зменшення перехідних перешкод.

Усі конденсатори у пристрої - керамічні, причому С7 і С13 повинні мати малий ТКЕ, вони можуть бути й іншими, наприклад, слюдяними. Термостабільними (наприклад, С2-31) повинні бути і резистори R21 та R31. Перемикачі - моторні малогабаритні В1561. Однак замість SA3 краще використовувати кнопку контактів на перемикання, наприклад PS580N. Положення контактів при відпущеній кнопці має збігатися з показаним на схемі рис. 1.

Тип роз'єму Х1 залежить від того, які датчики передбачається найчастіше перевіряти. Автором використана блочна вилка РС-4ТВ, оскільки основну масу вітчизняних промислових вібродатчиків утворюють п'єзоелектричні акселерометри ABC та АНС з кабельними розетками РС-4ТВ, призначення контактів яких відповідає показаному на схемі рис. 1. Так як від роз'ємного з'єднання в даному випадку вібростійкість не потрібна, доцільно акуратно видалити зовнішнє різьблення на корпусі вилки, що полегшить і прискорить процес підключення та відключення датчиків. Датчики інших типів можна з'єднувати із приладом через відповідні перехідники. Роз'єм Х2 може бути будь-яким, наприклад ОНЦ-ВГ-2-3/16-р. Сигнальний провід у кабелі, що приєднується до нього, повинен бути екранований, провід синхросигналу екранування не вимагає.

Рис. 3

Живиться прилад від батареї з п'яти-шести гальванічних елементів типорозміру АА, напруга якої перетворюється на двополярне стабілізоване +/-12 за допомогою перетворювача TMR0522 [2], включеного за схемою, зображеною на рис. 3. При напрузі батареї GB1 7,5 В струм, що споживається, дорівнює відповідно 130 і 145 мА в режимах "Діагностика" і "Індикація".

Пристрій зібрано на двох платах, розташованих одна над іншою та з'єднаних стрічковими кабелями. На верхній платі змонтовані органи управління та світлодіоди, а на нижній - решта елементів, крім роз'ємів, які розташовані на окремій кутовій панелі. Корпус підібраний готовий.

Так як більшість активних елементів - логічні елементи та ОУ без зовнішньої корекції, налагодження правильно змонтованого пристрою не потребує великих зусиль. Переконавшись, що мультивібратор на елементах DD1.1 DD1.2 генерує симетричні прямокутні імпульси з частотою повторення 30±5 Гц, потрібно перевірити положення і форму імпульсів на виході елемента DD1.3.

Рис. 4

За відсутності двопроменевого осцилографа для цього можна використовувати найпростіший суматор, схема якого показана на рис. 4.

Осцилограма сигналу з його виході повинна мати вигляд, зображений на рис. 5, де t1 і t2 - самі інтервали, що у рис. 2. Підбираючи резистори R6 і R11, досягайте, щоб інтервал t2 починався через 0,3...1 мс після закінчення імпульсу заряджання. Його тривалість має бути 5... 10 мс, точне значення несуттєве. Імпульс, що генерується таймером DA6, повинен мати тривалість в інтервалі 20...30 мкс. А ось тривалість імпульсу на виході елемента DD6.2 необхідно встановити підстроювальним резистором R53, що дорівнює 500 мкс з можливо більшою точністю. Від цього залежить похибка вимірювання частоти УР.

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Для подальшого налагодження необхідний п'єзоелектричний датчик (акселерометр) бажано з коефіцієнтом перетворення порядку одиниць мілівольт на метр за секунду за секунду та частотою вільних коливань (вона вище за частоту УР) більше 10 кГц. Підключивши датчик до гнізда Х1, домагаються органами управління осцилографа, приєднаного до гнізда Х2, стійкого зображення на екрані, подібного показаному на рис. 6-8. На них представлені осцилограми, що ілюструють залежність сигналу стану датчика: незакрепленного (рис. 6); встановленого у суворій відповідності до посібника з експлуатації (рис. 7); встановленого, але з ослабленим кріпленням до контрольованої конструкції (рис. 8). Масштаб осцилограм по вертикальній та горизонтальній осях відповідно 50 мВ/поділ. та 50 мкс/поділ.

Повторюваність коливань, що збуджуються, характеризують результати вимірювання положення характерних точок осцилограм при десятикратному повторенні збудження. Розкид не перевищив 1,5% і практично збігся з похибкою використаного запам'ятовуючого осцилографа С9-8.

Бажано переконатись у відсутності спотворень сигналу на виході ОУ DA3. На практиці вони малоймовірні, розмах загасаючих коливань датчиків різних типів варіює слабо і не перевищує кількох сотень мілівольт. При перевірці роботи тригера Шмітта на компараторі DA5 слід порівняти кількість періодів сигналу на його вході та імпульсів на виході. Пороги спрацьовування тригера встановлюють добіркою резисторів R19 та R23.

Перший контроль датчика, особливо призначеного для роботи на об'єкті, що тривало і безупинно працює, бажано провести відразу після його установки. При цьому відразу з'ясується, чи дотримані всі вимоги (допустимі неплощинність і шорсткість посадкової поверхні, момент затягування різьблення, відсутність забруднень та ін.). Їх порушення може настільки знизити частоту УР, що сигнал датчика не правильно відображатиме характер вібрації. В результаті можливе формування несправжньої команди на аварійну зупинку об'єкта.

Отриманий результат (відлік частоти УР і положення перемикача SA2) записують, він буде основою оцінки стану датчика при наступних циклах контролю. Помічене відхилення послужить основою більш детального дослідження стану датчика і прийняття рішення необхідність його ремонту чи заміни.

Сказане має на увазі, що контроль здійснюється на зупиненому агрегаті. Його температура не обов'язково постійна, а ефект, що використовується, чутливий до її зміни. Як сказано вище, на обох стадіях процесу порушення коливань реакції на вплив визначаються значенням п'єзомодуля - характеристики матеріалу перетворювача, що залежить від ступеня впорядкованості його мікроструктури, що зменшується зі зростанням температури. В даному випадку амплітуда електричного сигналу пропорційна квадрату п'єзомодуля та її температурна залежність відповідно сильніша. За даними проведеного експерименту, сигнал датчика з максимальною робочою температурою 250 °С під час контролю при температурі до 120 °С мав нестабільність в межах ±6 %. Тому бажано, щоб у всіх циклах контролю розкид температури не перевищував 20 °С. У зв'язку з цим експлуатувати пристрій краще разом із приладом, що дозволяє вимірювати температуру датчика.

Можливість проведення контролю на працюючому агрегаті залежить від низки причин. Відразу можна сказати, що у разі, якщо рівень вібрації, реєстрований датчиком при нормальному роботі об'єкта, близький до граничного для датчика, верхня межа спектра вібрації наближається до частоти УР, або, нарешті, температура датчика близька до гранично допустимої, контроль неможливий. Прийде проводити його під час планових зупинок агрегату, але і в цьому випадку застосування пристрою дозволить заощадити час і позбутися проведення механічних робіт. Якщо ж перелічені вище обставини менш очевидні, слід провести контроль до пуску і під час роботи об'єкта. Порівнявши отримані результати, можна ухвалити обґрунтоване рішення. Потрібно мати на увазі, що контроль з використанням лише вбудованих індикаторів описаного пристрою реалізує лише частину можливостей. Аналіз спектру чи інших характеристик власних коливань датчика дозволить як більш точно оцінити його стан, а й отримати додаткову інформацію про справності вузла об'єкта, де встановлено датчик.

Справа в тому, що верхня межа спектра сигналу датчика, що отримується при його звичайній експлуатації, найчастіше не перевищує 1000 Гц, а іноді й нижче. Невеликі несправності на об'єкті мало впливають характер спектру вібрації. Оскільки при контролі спектр незрівнянно ширше, то, аналізуючи його, вдається помітити навіть дрібні зміни обстановки на об'єкті, зрозуміло, якщо вони відбуваються поблизу датчика. Аналізатор спектру підключають до гнізда Х2 замість осцилографа (або разом з ним) і встановлюють перемикач SA3 в положення "Діагностика".

Прилад дозволяє не тільки виявити факт зміни коефіцієнта перетворення датчика, викликаного зміною п'єзомодуля, але і обчислити його нове значення. Найбільш проста методика полягає в порівнянні сигналів при дворазовому контролі: спочатку відразу після установки датчика, коли дійсні дані його недавньої повірки, а потім після закінчення часу, за який очікується зміни параметрів датчика. На обох записах потрібно вибрати однаковим чином N періодів коливань, у кожному їх визначити розмах сигналу (різницю максимального і мінімального значень) і підсумувати отримані значення.

Якщо при первинному контролі отримано суму V1, а при повторному - V2, коефіцієнт перетворення в момент проведення повторного контролю дорівнює

де S1 - значення коефіцієнта перетворення, отримане під час перевірки [3]. Його можна використовувати при аналізі результатів вимірювань аж до чергової стандартної повірки.

Ще одне застосування пристрій може знайти при виготовленні п'єзоелектричних датчиків на стадіях збирання та регулювання параметрів. На екрані осцилографа можна спостерігати реакцію датчика на операції, що проводяться, настільки ж наочно, що і при налаштуванні фільтрів з генератором коливається частоти. При цьому можна отримувати інформацію не тільки про частоту резонансу, але певною мірою і значення коефіцієнта перетворення. Додамо, що крім датчиків вібрації можливо в ряді випадків контролювати і п'єзодатчики пульсацій тиску, щоправда, контроль буде лише якісним: за принципом "справний-несправний".

література

1. Суботін М. Спосіб електричного збудження резонансних коливань п'єзоелектричного акселерометра та пристрій для його здійснення. Патент РФ № 2150708. - Бюлетень винаходів, 2000 № 16.
2. DC/DC convertidors TMR series. - dsb.trBCopower.com/upload/DSBUserFile/CPN_TracoPower/0_tmr.pdf.
3. Суботін М. Спосіб дистанційного періодичного контролю коефіцієнта перетворення п'єзоелектричного акселерометра. Патент РФ № 2176396. - Бюлетень винаходів, 2001 № 33.

Автор: М. Суботін, м. Москва; Публікація: radioradar.net

Дивіться інші статті розділу Охоронні пристрої та сигналізація об'єктів.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Загроза космічного сміття для магнітного поля Землі 01.05.2024

Все частіше ми чуємо про збільшення кількості космічного сміття, що оточує нашу планету. Однак не тільки активні супутники та космічні апарати сприяють цій проблемі, а й уламки старих місій. Зростання кількості супутників, які запускає компанії, як SpaceX, створює не тільки можливості для розвитку інтернету, але й серйозні загрози для космічної безпеки. Експерти тепер звертають увагу на потенційні наслідки для магнітного поля Землі. Доктор Джонатан Макдауелл з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики підкреслює, що компанії стрімко розвертають супутникові констеляції, і кількість супутників може зрости до 100 000 наступного десятиліття. Швидкий розвиток цих космічних армад супутників може призвести до забруднення плазмового середовища Землі небезпечними уламками та загрози стійкості магнітосфери. Металеві уламки від використаних ракет можуть порушити іоносферу та магнітосферу. Обидві ці системи відіграють ключову роль у захисті атмосфери і підтримують ...>>

Застигання сипких речовин 30.04.2024

У світі науки існує досить загадок, і однією з них є дивна поведінка сипких матеріалів. Вони можуть поводитися як тверде тіло, але раптово перетворюватися на текучу рідину. Цей феномен став об'єктом уваги багатьох дослідників, і, можливо, нарешті ми наближаємося до розгадки цієї загадки. Уявіть собі пісок у пісочному годиннику. Зазвичай він тече вільно, але в деяких випадках його частинки починають застрягати, перетворюючись з рідкого стану на тверде. Цей перехід має важливе значення для багатьох областей, починаючи від виробництва ліків та закінчуючи будівництвом. Дослідники зі США спробували описати цей феномен і наблизитися до його розуміння. У ході дослідження вчені провели моделювання в лабораторії, використовуючи дані про пакети полістиролових кульок. Вони виявили, що вібрації усередині цих комплектів мають певні частоти, що означає, що через матеріал можуть поширюватись лише певні типи вібрацій. Отримані ...>>

Випадкова новина з Архіву Комп'ютерні окуляри HyperX Spectre 17.11.2020 HyperX, ігровий підрозділ компанії Kingston Technology, оголосив про початок продажів очок Spectre, що блокують синє світло. Ці окуляри покликані зменшити втому очей геймерів, студентів та професіоналів, які використовують комп'ютери. Доступно три моделі – Stealth, Reach та Scout (для молодих користувачів). Колекція Spectre Eyewear передбачає широкий вибір варіантів лінз, дизайнів, кольорів та розмірів. Лінія HyperX Spectre Stealth, розроблена для максимального комфорту та мінімального тиску при використанні спільно з гарнітурою, відрізняється гнучкими металевими дужками з нержавіючої сталі, пластиковими наконечниками та гнучкими петлями. У цих окулярах використовують нейлонові лінзи преміум-класу, призначені для зменшення колірних спотворень. Окуляри доступні у трьох стилях оправи із трьома варіантами кольору. Вони коштують 80 доларів. Лінія HyperX Spectre React пропонує додаткові поляризовані лінзи для сонцезахисних окулярів, які легко прикріплюються за допомогою магнітів, щоб зменшити відблиски та захистити від ультрафіолетових променів. У моделях Spectre React полікарбонатні лінзи поєднуються з легким та гнучким дизайном, який автоматично адаптується до форми голови. Для більшої сумісності з гарнітурою ці моделі також оснащені ультратонкими гнучкими гумовими наконечниками дужок. Залежно від різновиду ці окуляри коштують 70-80 доларів. Молодіжна колекція HyperX Spectre Scout відрізняється легкою спортивною оправою із синіми, зеленими чи білими акцентами та текстурованими дужками. У цих окулярах також використовуються лінзи з полікарбонату, які зменшують "цифрову втому" очей. Ці очки коштують 40 доларів.

Інші цікаві новини:

▪ Стародавні люди труїлися важкими металами

▪ Медичні DC/DC-перетворювачі Mean Well MDS15/20

▪ Телефонний одяг

▪ Нова мікросхема фероелектричної пам'яті FM25L16

▪ Мікроконтролер Toshiba TMPM372 із блоком векторних обчислень

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ Розділ сайту Альтернативні джерела енергії. Добірка статей

▪ стаття Росіяни йдуть! Крилатий вислів

▪ статья Яка гра набула другого життя завдяки кольоровому телебаченню? Детальна відповідь

▪ стаття Наладчик та оператор верстатів з ЧПУ. Типова інструкція з охорони праці

▪ стаття Еквівалент навантаження для УМЗЧ. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Чудо з картоном. Секрет фокусу

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024