УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВИБРАЦИИ Российский патент 1994 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к способам и средствам измерения пространственной вибрации, и может быть использовано для контроля величины и направления вибраций различных машин и механизмов, сейсмической вибрации при землетрясениях, различных конструкций и т.п.

Известно устройство для измерения пространственной вибрации, содержащее два вибропреобразователя и последовательно соединенные блок обработки и регистратор, предусилители, коммутатор, блок управления, выходы которого соединены с управляющим входом коммутатора и регистратора, в которое для повышения точности измерения трехмерных вибраций введены три корректора, входы которых соединены с выходами каждого из трех предусилителей, а выходы корректоров - с блоком обработки, выходы вибропреобразователей через коммутатор соединены с входами предусилителей, а блок управления - с управляющими входами предусилителей и корректоров [1].

Недостатками известного устройства являются низкая точность из-за малой чувствительности к вибрации и низкая надежность по внезапным отказам из-за высокой сложности.

Известно устройство для измерения пространственной вибрации, содержащее вибропреобразователь вибрации, первый и второй блоки вычитания, сумматор, пьезопластину с двумя токопроводящими электродами, один из которых сплошной, в котором для обеспечения измерения смещения по трем взаимно ортогональным направлениям другой токопроводящий электрод выполнен в виде четырех раздельно соединенных с сумматором секторов, каждая пара противолежащих из которых связана с одним из вычитающих блоков [2].

Недостатками известного устройства являются низкая точность из-за малой чувствительности к вибрации и низкая надежность работы по внезапным отказам из-за высокой сложности.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения чувствительности при одновременном повышении надежности за счет упрощения устройства.

Это достигается тем, что устройство для измерения пространственной вибрации, содержащее вибропреобразователь вибрации, первый и второй блоки вычитания, сумматор, снабжено четырьмя омметрами, вибропреобразователь выполнен в виде кубического корпуса и размещенной в корпусе инерционной массой, связанной с ним упругим подвесом, выполненным в виде взаимно перпендикулярных петель шнура из электропроводящей резины, каждая из петель подвеса помещена в упругую эластичную U-образную оболочку, основание каждой из четырех оболочек прикреплено соответственно к четырем сторонам инерционного элемента. Другой конец каждой из четырех оболочек соединен с противоположными четырьмя плоскостями корпуса. Каждая пара концов противолежащих петель шнура соединена соответственно с двумя входами первого, второго омметров и третьего, четвертого омметров. Выходы первого, второго омметров соединены соответственно с двумя входами первого блока вычитания, вычитающие выходы третьего, четвертого омметров - с входами второго блока вычитания, выходы первого и второго блоков вычитания - с первым и вторым входами сумматора соответственно.

На фиг. 1 показано устройство для измерения пространственной вибрации; на фиг.2 - зависимость сигналов на выходах омметров U₁ и U₂ и сигнала U₃ на выходе блока вычитания.

Устройство для измерения пространственной вибрации содержит вибропреобразователь вибрации, первый 1 и второй 2 блоки вычитания и сумматор (измеритель разности) 3.

Устройство снабжено четырьмя омметрами 4-7. Вибропреобразователь выполнен в виде инерционной массы 8, размещенной в кубическом корпусе и связанной с кубическим корпусом 9 упругим подвесом. Упругий подвес выполнен в виде взаимно перпендикулярных шнуров 10-13, состоящих из петель 14-17 нитей 18-21 из электропроводящей резины, помещенной в изоляционную упругую эластичную оболочку 22-25 соответственно. Оболочки 22-25 выполнены, например, из резины или латекса.

Одни концы шнуров 10-13 прикреплены к противоположным сторонам инерционной массы 8 с изоляцией от нее петель 14-17, например, с помощью прокладок 26-29 из изоляционного материала. Другие концы шнуров 10-13 прикреплены к противоположным стенкам 30-33 кубического корпуса 9, а концы нитей 18-21 пропущены через стенки 30-33 с изоляцией от стенок нитей, например, с помощью изоляционных оболочек 22-25. Концы нитей 18-21 соединены со входами омметров 4-7, выходы которых соединены попарно со входами первого 1 и второго 2 блоков вычитания, выходы которых соединены со входами сумматора 3 (измерителя разности).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Кубический корпус 9 устанавливается на машине, механизме или на другом объекте, вибрации которого необходимо контролировать, и неподвижно жестко крепится к объекту контроля, причем плоскость корпуса 9 устанавливается плоскостью шнуров 10-13 в интересующей исследователя в плоскости.

Корпусу 9 сообщается от объекта входное перемещение Х со скоростью dx/dt = x'= = v и ускорением d²x/dt²= x'' = a. Инерционный элемент 8 совершает эти колебания относительно кубического корпуса 9. Инерционный элемент 8 упруго связан с корпусом через систему шнуров 10-13 с жесткостью К (в Н/м) и имеет массу m. Взаимное перемещение массы m элемента 8 относительно корпуса 9 преобразуется с помощью нитей 18-21 в электрические сопротивления нитей.

Четыре упругих эластичных шнура 10-13 при любых колебаниях инерционного элемента 8 работают в пределах упругих деформаций, когда при любых растяжениях или сокращениях шнуров их объемы остаются постоянными. Поэтому при удлинении шнура в 2 раза от l до 2l его поперечное сечение одновременно уменьшается в 2 раза, чтобы объем шнура оставался постоянным. В аналогичном режиме упругих деформаций работают и нити 18-21. При увеличении любой длины нити в 2 раза от l до 2l ее поперечное сечение уменьшается также в 2 раза от S до S/2. При увеличении длины нити в общем случае в n раз ее поперечное сечение уменьшается в n раз.

Известно, что сопротивление проводника пропорционально его удельному сопротивлению ρ и длине l и обратно пропорционально поперечному сечению S и выражается формулой R = ρ l/S. (1)
Так как нити являются проводниками вследствие их выполнения из электропроводной резины, то при увеличении длины любой нити в n раз ее сопротивление согласно (1) увеличивается в n² раз из-за одновременного уменьшения сечения также в n раз.

Таким образом, сопротивление нити в любой момент времени пропорционально квадрату ее удлинения, что является причиной увеличения чувствительности сопротивления нити к смещению инерционного элемента 8 относительно корпуса 9 в n раз по сравнению с известными преобразователями перемещения в сигнал.

На фиг. 2 приведены зависимости сигналов с выходов омметров 4-7 (показаны кривые изменений сигналов с омметров 5 и 6 при вертикальных вибрациях инерционного элемента 8). При нейтральном (фиг.1) положении инерционного элемента 8 сопротивления нитей 20 и 21 одинаковы и сигналы U₁ и U₂ также одинаковы с выходов омметров 5 и 6. При смещении инерционного элемента 8 вниз от положения равновесия длина жилы 20 увеличивается, а длина жилы 21 уменьшается, в результате сигнал на выходе омметра 5 U₁ растет, а сигнал U₂ на выходе омметра 6 падает от среднего значения соответственно до максимального и минимального значений.

Сигналы с выходов омметров 5 и 6 поступают на входы блока вычитания 1, на выходе которого формируется сигнал U₃. При показанном на фиг.1 положении инерционного элемента 8 сигналы с выходов омметров 5 и 6 одинаковы, а сигнал с выхода блока вычитания 1 U₃ равен нулю.

При перемещении элемента 8 в верхнее положение сигнал U₃ на выходе блока вычитания становится максимальным (равным разности сигналов с выходов омметров 5 и 6) и по амплитуде своих изменений равен сумме амплитуд изменений сигналов U₁ и U₂. Если учесть, что сигналы на выходах омметров 5 и 6 пропорциональны квадратам смещения инерционного элемента от положения равновесия, то сигнал U₃ в любой момент времени будет пропорционален удвоенному квадрату удлинения шнура (или удвоенному квадрату укорочения напротив лежащего шнура). Так, например, при удлинении шнура 12 в 2 раза сигнал на выходе омметра 5 увеличится уже в 4 раза, сигнал на выходе омметра 6 из-за одновременного сокращения шнура 13 в 2 раза уменьшится уже в 4 раза, а сигнал на выходе блока вычитания 1 увеличится уже в 8 раз.

При трехкратном увеличении длины шнура при колебаниях элемента 8 сигналы на выходах омметров 5 и 6 соответственно увеличатся или уменьшатся уже в 9 раз, а сигнал на выходе блока вычитания увеличится в 18 раз. При изменении длины шнура в общем случае в n раз сигнал на выходе блока вычитания 1 изменится в 2 n² раз. Столь резкого увеличения чувствительности не обеспечивает ни один из датчиков преобразования перемещения инерционного элемента в электрический сигнал.

Известно, что при прочих равных условиях увеличение чувствительности к измеряемому параметру в n раз приводит к снижению погрешности измерений также в n раз. В настоящем устройстве чувствительность к перемещению увеличивается в 2n² раз и одновременно погрешность уменьшается также в 2n² раз.

Изменения сопротивлений нитей 18 и 19 при горизонтальных вибрациях инерционного элемента 8 происходят аналогично описанным изменениям для вертикальных вибраций. Сигнал на выходе блока вычитания 2 также будет пропорционален 2n² при изменениях длин шнуров в n раз.

Сигналы с выходов блоков вычитания 1 и 2 поступают на входы сумматора (измерителя разности) 3. Если инерционный элемент колеблется только в вертикальном направлении, то нити 18 и 19 удлиняются и сокращаются одновременно и сигналы на выходах омметров 4 и 7 одинаковы в любой момент времени. Поэтому в данном случае сигнал на выходе блока вычитания 2 в любой момент времени равен нулю. Сигнал на выходе сумматора 3 будет в точности равен сигналу с выхода блока вычитания 1.

Если же инерционный элемент 8 совершает только горизонтальные колебания, то сигнал на выходе блока разности 2 будет формироваться как показано на фиг.2 и описано выше для формирования сигнала на выходе блока вычитания 1. Сигналы же на выходах омметров 5 и 6 в любой момент времени будут одинаковы из-за одинаковых одновременных удлинений и укорочений шнуров 12 и 13, сигнал на выходе блока вычитания 1 в любой момент времени будет равен нулю, а сигнал на выходе сумматора (измерителя разности) 3 будет равен сигналу с выхода блока вычитания 2.

Если же инерционный элемент 8 будет совершать колебания под отличным от прямого углом, т.е. когда колебания совершаются под острым углом к горизонтали или к вертикали, то все будет происходить несколько сложнее. Пусть, например, инерционный элемент 8 совершает вибрации в направлении снизу вверх направо, т. е. от нижнего левого угла корпуса 9 к правому верхнему его углу. При смещении элемента 8 от положения равновесия вверх и вправо шнуры 10 и 13 будут удлиняться, а шнуры 12 и 11 одновременно укорачиваться. При этом сигналы на выходах омметров 4 и 5 будут одновременно уменьшаться, а сигналы на выходах омметров 3 и 6 одновременно увеличиваться. Если сечение корпуса 9 в плоскости фиг.1 является квадратным и длины всех нитей 18-21 также одинаковы, а элемент 8 совершает вибрации под углом 45^о от горизонтали, то изменения сигналов на выходах омметров 3-6 будут точно одинаковыми по абсолютному значению.

В результате сигналы на выходах блоков вычитания 1 и 2 будут тоже синусоидальными и по амплитуде вдвое большими от сигналов с выходов омметров 3-6. Сигнал на выходе сумматора (измерителя разности) 3 при этом будет равным нулю. Таким образом, при колебаниях корпуса 9 под углом 45^о к вертикали на выходах блоков вычитания 1 и 2 будут присутствовать сигналы, а сигнал на выходе сумматора (измерителя разности) 3 будет отсутствовать (равен нулю).

Если же инерционный элемент 8 будет совершать колебания относительно вертикали под углом больше 45^о, то по мере приближения колебаний к горизонтальным будут увеличиваться сигналы на выходах омметров 3 и 4 и одновременно уменьшаться сигналы на выходах омметров 5 и 6. В результате сигналы на выходе блока вычитания 2 будут увеличиваться, а сигнал на выходе блока вычитания 1 - уменьшаться. Величина разности сигналов с блоков 2 и 1 вычитания будет расти, что будет индицироваться сумматором (измерителем разности) 3, на выходе которого будет формироваться положительный сигнал.

Если же инерционный элемент 8 будет совершать колебания относительно вертикали под углом меньше 45^о, то по мере приближения колебаний к вертикали будут увеличиваться сигналы на выходах омметров 5 и 6 и одновременно будут уменьшаться сигналы на выходах омметров 3 и 4. В результате сигнал на выходе блока вычитания 1 будет увеличиваться, а сигнал на выходе блока вычитания 2 падать. Величина разности сигналов с блоков вычитания 2 и 1 также будет расти (по сравнению с аналогичными колебаниями инерционного элемента под углом 45^о), что будет индицироваться сумматором (измерителем разности) 3, на выходе которого будет формироваться отрицательный сигнал.

Таким образом, устройство позволяет измерять с высокой точностью и высокой чувствительностью пространственные вибрации корпуса, закрепляемого на любом контролируемом объекте. Для измерения объемных вибраций устройство сначала устанавливают в одной плоскости и измеряют вибрации в этой плоскости, т.е. определяют угол и амплитуду вибраций в этой плоскости. После этого корпус устанавливают в другой перпендикулярной к первой плоскости и снова для этой плоскости измеряют угол и амплитуду вибраций в этой плоскости.

Одновременное повышение точности измерения вибраций и повышение надежности работы устройства достигнуты за счет преодоления технического противоречия. Важным для преодоления противоречия является выполнение вибропреобразователя вибрации в виде эластичных упругих шнуров специальной конструкции, а также применение омметров и блоков вычитания. Это позволило как исключить движущиеся механические детали и узлы, так и упростить электронную часть и одновременно в 2n² раз повысить чувствительность, что при прочих равных условиях позволяет повысить точность измерений также в 2n² раз. Даже при удлинении шнура на 50% чувствительность составит 2˙1,5² = 4,5, т. е. будет равна 9% увеличения сигнала с изменением разности на 1% удлинения шнура, т.е. на 1% изменения амплитуды вибрации. Столь высокой чувствительностью не обладает ни одно устройство для измерения вибраций.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и средствам измерения пространственной вибрации, и может быть использовано для контроля величины и направления вибраций различных машин и механизмов, сейсмической вибрации при землетрясениях, различных конструкций и тому подобное. Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения чувствительности при одновременном повышении надежности за счет упрощения. Это достигается тем, что устройство для измерения пространственной вибрации, содержащее вибропреобразователь, первый 1 и второй 2 блоки вычитания и сумматор 3, снабжено четырьмя омметрами 4 - 7, а вибропреобразователь выполнен в виде инерционного элемента 8, упруго связанного с корпусом 9 четырьмя расположенными взаимно перпендикулярно упругими эластичными шнурами 11 - 14, каждый из которых выполнен из электропроводящей резины, помещенной в изоляционную U-образную упругую эластичную оболочку 22 - 25, например, из резины или латекса. Одни концы шнуров прикреплены к противоположным сторонам инерционного элемента 8 с изоляцией от него, а другие концы - к противоположным стенкам корпуса. Концы шнуров пропущены через стенки с изоляцией от стенок и соединены с входами омметров 4 - 7, выходы четырех омметров 4, 5, 6, 7 попарно соединены с входами первого и второго блоков вычитания, выходы которых соединены с входами сумматора 3. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВИБРАЦИИ, содержащее вибропреобразователь, первый и второй блоки вычитания, сумматор, отличающееся тем, что оно снабжено четырьмя омметрами, вибропреобразователь выполнен в виде кубического корпуса и размещенной в корпусе инерционной массы, связанной с ним упругим подвесом, выполненным в виде размещенных взаимно перпендикулярно петель шнура из электропроводящей резины, каждая из петель подвеса размещена в упругой эластичной U-образной оболочке, основание каждой из четырех оболочек прикреплено соответственно к каждой из четырех сторон инерционного элемента, другой конец каждой из четырех оболочек соединен с соответствующей каждой из четырех плоскостей корпуса, каждая пара концов противолежащих петель шнура соединена соответственно с двумя входами первого, второго омметров и третьего, четвертого омметров, выходы первого, второго омметров соединены соответственно с двумя входами первого блока вычитания, выходы третьего, четвертого омметров - соответственно с входами второго блока вычитания , выходы первого и второго блоков вычитания - с первым и вторым входами сумматора соответственно.