ВИБРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01H11/08 

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля параметров механических колебаний, создаваемых машинами и оборудованием при исследовании динамических конструкций, а также при измерениях ускорения, скорости и смещения механических колебаний и ударов.

В области виброметрии широко известны виброизмерительные приборы, предназначенные для вибрационного контроля качества продукции, а также для измерения параметров вибрации. Так, известен виброметр, содержащий, в частности, пьезоэлектрический вибропреобразователь и калибровочный генератор, интеграторы, измерительный усилитель, нормирующий блок, среднеквадратический и пиковый детекторы с общим отсчетным устройством, а также переключатели для измерения различных параметров вибрации и обеспечения режима калибровки (авт. св. СССР N 1392391, кл. G 01 H 11/06, 1986). Известное устройство позволяет осуществлять процесс калибровки вибропреобразователей в процессе измерений.

Известен также портативный виброметр, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, фильтр нижних частот, переключатель диапазона измерений, первый и второй интеграторы, первый и второй усилители, детектор среднеквадратичного значения и блок индикации (Каталог фирмы "Брюль и Къер" -"Электронная аппаратура", 1983/84, модель 2511). Известный виброметр является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату и принят за прототип. Известный прибор позволяет осуществлять вибродиагностику оборудования, а также контролировать создаваемые производственным оборудованием механические колебания.

Однако как первому, так и второму известным виброметрам присущи следующие недостатки.

В известных виброметрах при их включении напряжение питания поступает не одновременно на элементы схемы, что обусловлено различной скоростью нарастания этих напряжений до их номинального значения. Различная скорость нарастания обусловлена разбросом параметров отдельных элементов в схеме и различными токами потребления по этим напряжениям питания. Кроме того, в известных виброметрах при включении переходные процессы, протекающие в их конструктивных элементах, приводят к быстрому насыщению интеграторов и, как следствие, к выводу их из рабочего диапазона. Время, необходимое для протекания переходных процессов, составляет 5-30 с. До окончания переходных процессов в элементах схемы устройство не готово к проведению измерений. Это приводит к неудобству его эксплуатации, обусловленному необходимостью ожидания установившегося режима, что снижает количество возможных измерений, производимых в единицу времени; к необходимости длительного времени включения прибора (при каждом его включении имеют место длительные переходные процессы); а следовательно, к увеличению энергопотребления прибора. Кроме того, в известных виброметрах переключение диапазонов измерения при различных уровнях входного сигнала, а также переключение каналов измерения в зависимости от измеряемого параметра и их калибровка производится вручную, что также является неудобством эксплуатации. Отсутствие в известных виброметрах цифровой индикации результатов контроля в соответствующих единицах измерения приводит к необходимости пересчета показаний прибора. Это, во-первых, увеличивает погрешность измерений, а, во-вторых, также снижает удобство эксплуатации прибора.

Целью изобретения является ликвидация перечисленных недостатков, а именно повышение удобства эксплуатации путем сокращения времени неустановившегося режима, наличия цифровой индикации контролируемых параметров в соответствующих единицах измерения, а также путем автоматизации коммутации и калибровки каналов измерения.

Это достигается тем, что в виброметр, содержащий пьезоэлектрический вибропреобразователь, фильтр верхних частот, фильтр нижних частот, первый и второй интеграторы, первый и второй усилители, детектор среднеквадратичного значения и блок индикации, дополнительно введены первый и второй коммутаторы, последовательно соединенные переключатель диапазона измерения и третий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные блок задания режимов работы и блок управления. Блок индикации выполнен цифровым, первый, второй и третий усилители выполнены масштабирующими, пьезоэлектрический вибропреобразователь, фильтр нижних частот, первый коммутатор, первый усилитель, первый интегратор, второй усилитель, второй интегратор, третий усилитель, второй коммутатор, детектор среднеквадратичного значения, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации соединены последовательно, вход фильтра верхних частот соединен с выходом фильтра нижних частот, выход фильтра верхних частот соединен со вторым входом первого коммутатора, второй и третий входы второго коммутатора соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей, первый выход блока управления соединен со входом пьезоэлектрического вибропреобразователя, второй выход с управляющими входами первого и второго коммутаторов, третий выход со вторыми входами соответственно первого и второго интеграторов, четвертый выход со стробирующим входом аналого-цифрового преобразователя, пятый, шестой и седьмой выходы соответственно со вторым, третьим и четвертым входами блока индикации, второй вход блока управления соединен со вторым выходом аналого-цифрового преобразователя и с пятым входом блока индикации, третий вход с управляющим входом первого усилителя, соединенного с выходом переключателя диапазона измерений.

Блок управления выполнен в виде последовательно соединенных регистра и узла выработки питающих напряжений, соединенных с его положительным выходом первого и второго элементов задержки, первого и второго ключей, вторые входы которых соединены с отрицательным выходом узла питающих напряжений, триггера Шмитта, вход которого соединен со вторым входом узла питающих напряжений, последовательно соединенных элемента ИЛИ, третьего элемента задержки, элемента И и генератора импульсов, последовательно соединенных формирователя импульсов выключения и четвертого элемента задержки, формирователя диапазона измерения, содержащего последовательно соединенные первый инвертор, элемент И и первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, последовательно соединенные второй и третий элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй инвертор, первый и второй входы элемента И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом второго инвертора, вход которого соединен со вторым входом третьего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вход первого инвертора является первым входом формирователя диапазона измерений, а его соответственно вторым и третьим входами являются второй вход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и вход второго инвертора, а выходом формирователя диапазонов измерений являются выходы первого и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход регистра и вход элемента ИЛИ объединены и являются первым входом блока управления, второй вход регистра соединен с выходом элемента ИЛИ, третий вход регистра соединен с выходом четвертого элемента задержки, четвертый вход со вторым входом узла питающих напряжений. Второй выход регистра соединен с первым входом формирователя диапазонов измерений, выход элемента ИЛИ соединен со входом формирователя импульсов выключения и с третьим входом второго ключа, с третьим входом первого ключа соединен выход первого элемента задержки, выход второго элемента задержки соединен со вторым входом элемента И, первым выходом блока управления является выход второго ключа, вторым выходом второй выход регистра, третьим выходом выход первого ключа, четвертым выходом выход генератора импульсов, пятым выходом выход триггера Шмитта, шестым выходом выход формирователя диапазонов измерений, седьмым выходом выход второго элемента задержки, вторым и третьим входами блока управления являются соответственно второй и третий входы формирователя диапазонов измерения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена блок-схема виброметра; на фиг. 2 функциональная схема блока управления; на фиг. 3 блок-схема формирователя диапазонов измерения; на фиг. 4 блок-схема узла выработки питающих напряжений.

Виброметр содержит последовательно соединенные пьезоэлектрический вибропреобразователь 1, фильтр 2 нижних частот, первый коммутатор 3, первый усилитель 4, первый интегратор 5, второй усилитель 6, второй интегратор 7, третий усилитель 8, второй коммутатор 9, детектор 10 среднеквадратичного значения, аналого-цифровой преобразователь 11 и блок 12 индикации, фильтр 13 верхних частот, последовательно соединенные блок 14 задания режимов работы и блок 15 управления, переключатель 16 диапазона измерений. Вход фильтра 13 верхних частот соединен со вторым входом первого коммутатора 3.

Второй и третий входы второго коммутатора 9 соединены соответственно с выходами первого 4 и второго 6 усилителей. Первый вход блока 15 управления соединен со входом пьезоэлектрического вибропреобразователя 1, второй выход с третьим входом первого коммутатора 3 и с четвертым входом второго коммутатора 10, третий выход со вторыми входами первого 5 и второго 7 интеграторов, четвертый выход со стробирующим входом аналого-цифрового преобразователя 11, пятый, шестой и седьмой выходы соответственно со вторым, третьим и четвертым входами блока 12 индикации. Второй вход блока 15 управления соединен со вторым выходом аналого-цифрового преобразователя 11 и с пятым входом блока 12 индикации, третий вход с управляющим входом первого усилителя 4 и с выходом переключателя 16 диапазонов измерений.

Блок 15 управления (см. фиг. 2) содержит последовательно соединенные регистр 17 и узел 18 выработки питающих напряжений, с положительными выходами которого соединены первый и второй элементы 19, 20 задержки, первый 21 и второй 22 ключи, вторые входы которых соединены с отрицательным выходом узла 18 выработки питающих напряжений, триггер 32 Шмитта, вход которого соединен со вторым входом узла 18 питающих напряжений, последовательно соединенные элемент 24 ИЛИ, третий элемент 25 задержки, элемент 26 И и генератор 27 импульсов, последовательно соединенные формирователь 28 импульсов выключения и четвертый элемент 29 задержки, формирователь 30 диапазонов измерений, состоящий из последовательно соединенных первого инвертора 31, элемента 32 И и первого элемента 33 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, последовательно соединенных второго и третьего элементов 34, 35 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второго инвертора 36, первый и второй входы элемента 32 И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента 34 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход первого элемента 33 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом второго инвертора 36, вход которого соединен со вторым входом третьего элемента 35 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вход первого инвертора 31 является первым входом формирователя 30 диапазона измерения, а его соответственно вторым и третьим входами являются второй вход второго элемента 34 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и вход второго инвертора 36, а выходом формирователя 30 диапазонов измерений являются выходы первого и третьего элементов 33, 35 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Первый вход регистра 17 и вход элемента 24 ИЛИ объединены и являются первым входом блока 15 управления, второй вход регистра 17 соединен с выходом элемента 24 ИЛИ, третий вход с выходом четвертого элемента 29 задержки, четвертый вход со вторым входом узла 18 выработки питающих напряжений. Второй выход регистра 17 соединен с первым входом формирователя 30 диапазонов измерений, выход элемента 24 ИЛИ соединен со входом формирователя 28 импульсов выключения и с третьим входом второго ключа 22, с третьим входом первого ключа 21 соединен выход первого элемента 19 задержки, выход которого элемента 20 задержки соединен со вторым входом элемента 26 И. Первым выходом блока 15 управления является выход второго ключа 22, вторым выходом второй выход регистра 17, третьим выходом выход первого ключа 21, четвертым выходом выход генератора 27 импульсов, пятым выходом выход триггера 23 Шмитта, шестым выходом выход формирователя 30 диапазонов измерений, седьмым выходом выход второго элемента 20 задержки, вторым и третьим входами блока 15 управления являются соответственно второй и третий входы формирователя 30 диапазонов измерения.

Узел 18 выработки питающих напряжений выполнен в виде последовательно соединенных третьего ключа 37 и первого преобразователя 38, второго преобразователя 39, входы первого и второго преобразователя 38, 39 объединены, а их выходы являются соответственно положительным и отрицательным выходами узла 18 питающих напряжений, входом узла 18 является управляющий вход третьего ключа 37.

Устройство работает следующим образом.

Нажатием соответствующей кнопки блока 14 задания режимов работы устанавливается один из видов измерительного параметра вибрации: виброускорение, виброскорость или виброперемещение. Входной сигнал блока 14 заданий режимов поступает на первый вход блока 15 управления, который формирует сигналы управления работой схемы виброметра следующим образом.

Входной сигнал блока 15 управления поступает на первый вход его регистра 17. С первого выхода регистра 17 сигнал поступает на вход узла 18 выработки питающих напряжений. Этим сигналом производится включение ключа 37 и преобразователями 38, 39 производится преобразование напряжения батареи и разнополярные напряжения для питания всех элементов схемы (питание регистра 17 осуществляется непосредственно от батареи). Таким образом, на первом, втором, пятом и шестом выходах блока 15 управления формируются питающие напряжения, поступающие на все элементы схемы, кроме интеграторов 5 и 7. По истечении времени τ₁ переходных процессов в элементах устройства на входе первого элемента 19 задержки формируется управляющий сигнал, который обеспечивает включение ключей 21, и на интеграторы 5 и 7 поступают первое и второе питающие напряжения одновременно, что обеспечивает начальные нулевые условия включения интеграторов.

Включение интеграторов после прекращения переходных процессов в остальных элементах схемы уменьшает постоянную времени и переходных процессов в самих интеграторах, т.к. эти процессы происходят практически при нулевых начальных условиях. Это приводит к сокращению времени установления рабочего режима прибора. Кроме того, включение интеграторов 5 и 7 в схему через буферные усилители 6 и 8 приводит к уменьшению сопротивления нагрузки интеграторов, что, в свою очередь, также обеспечивает уменьшение постоянной времени τ_u и переходных процессов.

Таким образом, предложенная схема размещения интеграторов 5 и 7 через буферные усилители 6 и 8 и подключение к ним питания с задержкой τ₁ позволяет сократить время τ_о установления схемы в состояние, пригодное для измерения, а следовательно, увеличить удобство эксплуатации прибора, т.к.

τ₁ + τ_u < τ₁ + τ_u¹, где τ_u и τ_u¹ соответственно время переходных процессов в интеграторах при ненулевых и нулевых начальных условиях.

Во время протекания переходных процессов в интеграторах 5 и 7 с выхода второго элемента 20 задержки на блок 12 индикации (седьмой выход блока 15 управления) поступает сигнал, свидетельствующий о неустановившемся режиме. По истечении интервала времени τ_u, необходимого для протекания переходных процессов в интеграторах 5 и 7 на выходе второго элемента 20 задержки формируется сигнал, который поступает на второй вход элемента 26 И. На первом входе элемента 26 И уже присутствует сигнал с выхода третьего элемента 25 задержки, время задержки сигнала которого τ_в равно времени протекания переходных процессов в вибропреобразователе 1 и которое меньше τ₁ и τ_u (τ_в < τ_u < τ₁). Таким образом, сигнал с выхода элемента 26 И запускает генератор 27 импульсов (наличие сигнала на четвертом выходе блока 15 управления), и виброметр переходит в режим измерения.

Первый и второй коммутаторы 3 и 9 управляющим сигналом (выход 2) блока 15 управления подключают входы, соответствующие виду измеряемого параметра (виброускорение, виброскорость или виброперемещение), и сигнал с выхода пьезоэлектрического преобразователя 1 поступает на вход фильтра 2 низких частот (ФНЧ), который ограничивает сигнал в частотном диапазоне с нижним пределом частоты измеряемого сигнала 10 Гц. При измерении скорости и смещения механических колебаний подключается фильтр 13 верхних частот (ФНЧ) с частотой среза 1 кГц, который обеспечивает полосу пропускания виброметра, соответствующую требованиям стандарта.

В зависимости от величины амплитуды входного сигнала переключателем сигнала диапазонов измерений производят выбор динамического диапазона измерений. Корректировка значений измеряемых показаний производится автоматически в блоке 15 управления.

При переключении диапазона измерения переключателем 16 на управляющий вход первого усилителя 4 поступает сигнал, соответственно изменяющий его коэффициент усиления. При этом на третий вход формирователя 30 диапазона измерений (третий вход блока 15 управления) поступает сигнал, несущий информацию о требуемом масштабе измерений. При необходимости изменения единицы измерения, соответствующей измеряемому параметру, со второго выхода регистра 17 на первый вход формирователя 30 диапазона измерений (первый вход блока 15 управления) поступает код измеряемого параметра.

На второй вход формирователя 30 (второй вход блока 15 управления) поступает сигнал с выхода АЦП 11, определяющий стробирование индицируемой информации. Схема формирователя (элементы 31-36) обеспечивает вывод на индикацию (шестой выход блока 15 управления) десятичной запятой в позицию, соответствующую измеряемому параметру и значению динамического диапазона измерения.

В зависимости от вида измеряемого вибропараметра, определяемого вторым коммутатором 9, сигнал с выхода первого усилителя поступает либо непосредственно на соответствующий вход второго коммутатора 9, либо производится его последовательное интегрирование в первом и втором интеграторах 5 и 7. Во втором и третьем масштабных усилителях 6 и 8 производится масштабирование сигнала, т. е. умножение его на константу, учитывающую единицу измерения соответствующего вибропараметра. Таким образом, показания цифрового блока 12 индикации не требует пересчета, что значительно повышает удобство эксплуатации прибора.

Выходные напряжения усилителей 6 и 8 по соответствующим каналам второго коммутатора 9 поступают в детектор 10 среднеквадратичного значения, работающий по итерационному алгоритму, в котором также производится усреднение сигнала. Запись усредненного значения сигнала в АЦП 11 производится по сигналу блока 15 управления, формируемому на его четвертом входе. Генератор 27 импульсов вырабатывает серию импульсов, обеспечивающих управление процессом усреднения результата измерения детектором 10 среднеквадратичного значения и регистрации измеренного значения в регистре АЦП 11. Запуск генератора 27 импульсов осуществляется с отрицательного значения импульса, при котором производится усреднение значения измеренного сигнала, а запись усредненного значения в регистр АЦП 11 производится при формировании положительного импульса. Длительность формируемых импульсов определяется необходимым интервалом усреднения, записи результата и его преобразованием. После преобразования в АЦП 11 сигнал в цифровой форме и в соответствующей единице измерения отображается на табло блока 12 индикации.

При изменении местоположения вибропреобразователя 1 возможен значительный импульсивный сигнал, вызывающий нежелательные переходные процессы в виброметре. Если перед переустановкой вибропреобразователя 1 отжать кнопку блока 14 задания режимов работы, то сигналом с элемента 24 ИЛИ через ключ 22 отключается питание вибропреобразователя 1 (выход 1 блока 15 управления). При этом прибор не измеряет, но не включается на время задержки четвертого элемента 29 задержки. Таким образом четвертый элемент задержки обеспечивает возможность проведения дополнительных измерений, сопровождаемых переустановкой датчика, без выключения прибора. После переустановки вибропреобразователя 1 и включении прибора нажатием одной из кнопок блока 14 задания режимов работы переходные процессы, протекающие в элементах схемы будут иметь длительность, определенную в третьем элементе 25 задержки и предотвращают на время данной задержки изменение показаний в блоке 12 индикации.

По завершении всех процессов измерения последний измеряемый параметр сохраняется в регистре АЦП 11 и индицируется в блоке 12 индикации в течение времени, определенном временем задержки четвертого элемента 29 задержки. При отжатии кнопки включения блока 14 задания режимов производится включение формирователя 28 импульса выключения, но результат измерения еще сохраняется на табло 12 индикации. После окончания времени задержки четвертого элемента 29 с его выхода сигнал поступает на третий вход регистра 18, производится его обнуление и отключение прибора.

Таким образом, предложенная схема виброметра обеспечивает простой, быстрый и высокоточный процесс измерения параметров механических колебаний ударов, исследования динамических характеристик механических конструкций.

Электронная схема устройства обеспечивает также надежность и стабильность работы прибора, не требует длительного его включения, а следовательно, позволяет сократить энергопотребление. Кроме того, электронная схема обуславливает простоту прибора в обращении и его пригодность для применения лицами, неосведомленными в области электронно-измерительной аппаратуры.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в качестве виброметра. Он выполнен в виде пьезодатчика и связанного с последним блока обработки и регистрации сигналов. Схема электронной логики этого блока регламентирует с момента включения виброметра переходные процессы, автоматическое переключение диапазонов измерения и вывод результатов измерения на цифровую индикацию и регистрацию. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ВИБРОМЕТР, содержащий пьезоэлектрический вибропреобразователь, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, первый и второй интеграторы, первый и второй усилители, детектор среднеквадратичного значения и блок индикации, отличающийся тем, что он снабжен первым и вторым коммутаторами, переключателем диапазона измерения, третьим усилителем, аналого-цифровым преобразователем, последовательно соединенными блоком задания режимов работы и блоком управления, блок индикации выполнен цифровым, первый, второй и третий усилители выполнены масштабирующими, пьезоэлектрический вибропреобразователь, фильтр нижних частот, первый коммутатор, первый усилитель, первый интегратор, второй усилитель, второй интегратор, третий усилитель, второй коммутатор, детектор среднеквадратичного значения, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации соединены последовательно, вход фильтра верхних частот соединен с выходом фильтра нижних частот, выход фильтра верхних частот соединен со вторым входом первого коммутатора, второй и третий входы второго коммутатора соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей, выход переключателя диапазона измерения соединен с управляющим входом первого усилителя, первый выход блока управления соединен со входом пьезоэлектрического вибропреобразователя, второй выход с управляющими входами первого и второго коммутаторов, третий выход со вторыми входами, соответственно, первого и второго интеграторов, четвертый выход со стробирующим входом аналого-цифрового преобразователя, пятый, шестой и седьмой выходы соответственно со вторым, третьим и четвертым входами блока индикации, второй вход блока управления соединен со вторым выходом аналого-цифрового преобразователя и с пятым входом блока индикации, третий вход с управляющим входом первого усилителя. 2. Виброметр по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен в виде последовательно соединенных регистра и узла выработки питающих напряжений, соединенных с его положительным выходом первого и второго элементов задержки и первого и второго ключей, вторые входы которых соединены с отрицательным выходом узла питающих напряжений, триггера Шмитта, выход которого соединен со вторым входом узла питающих напряжений, последовательно соединенных элемента ИЛИ, третьего элемента задержки, элемента И и генератора импульсов, последовательно соединенных формирователя импульсов выключения и четвертого элемента задержки, формирователи диапазона измерений, содержащего последовательно соединенные первый инвертор, элемент И и первый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, последовательно соединенные второй и третий элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй инвертор, первый и второй входы элемента И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом второго инвертора, вход которого соединен со вторым входом третьего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вход первого инвертора является первым входом формирователя диапазона измерений, а его соответственно вторым и третьим входами являются второй вход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и вход второго инвертора, выходом формирователя диапазона измерений является выходы первого и третьего элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход регистра и вход элемента ИЛИ объединены и являются первым выходом блока управления, второй вход регистра соединен с выходом элемента ИЛИ, третий вход регистра соединен с выходом четвертого элемента задержки, четвертый вход регистра соединен со вторым входом узла питающих напряжений, второй выход регистра соединен с первым входом формирователя диапазона измерений, выход элемента ИЛИ соединен со входом формирователя импульсов выключения и с третьим входом второго ключа, с третьим входом первого ключа соединен выход первого элемента задержки, выход второго элемента задержки соединен со вторым входом элемента И, первым выходом блока управления является выход второго ключа, вторым выходом второй выход регистра, третьим выходом выход первого ключа, четвертым выходом выход генератора импульсов, пятым выходом выход триггера Шмитта, шестым выходом выход формирователя диапазона измерений, седьмым выходом выход второго элемента задержки, вторым и третьим входами блока управления являются соответственно второй и третий входы формирователя диапазона измерений.