УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ РОТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ Российский патент 1996 года по МПК G01M1/22 

Изобретение относится к устройствам измерения вибрации и контроля дисбаланса и может быть использовано при вибрационных измерениях, для измерения и анализа колебаний, записи и хранения вибрационных и акустических сигналов и контроля дисбаланса роторных механизмов и балансировки роторов.

Известно устройство для измерения дисбаланса роторов, которое содержит вычислитель, датчик вибрации, датчик метки, преобразователь аналог-цифра, индикатор, узлы постоянной и оперативной памяти, интерфейс и усилитель.

Известное устройство позволяет получить удовлетворительную точность в стационарных условиях, но дает значительные погрешности при балансировке роторов в условиях эксплуатации, когда помехи и шумы искажают сигнал дисбаланса, измеряемый на опоре или корпусе ротора. В этом случае требуется анализ вибрации ротора, что известное устройство не позволяет выполнить.

Целью изобретения является повышение точности при работе в нестационарных условиях и при наличии высокого уровня помех и шумов, а также расширение функциональных возможностей устройства.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения вибрации роторных механизмов, содержащее датчик вибрации, аналого-цифровой преобразователь, датчик метки, тактовый генератор, узел управления и индикации и вычислитель, который соединен с ними, введены один или несколько дополнительных датчиков вибрации, которые соединены с управляемым переключателем каналов, выход которого соединен с входным усилителем, выход которого соединен с входом узла функционального преобразования, вход и выход которого соединены с входами управляемого переключателя, выход которого соединен с входом перестраиваемого фильтра, выход которого соединен с входом управляемого нормализатора, выход которого соединен с входом элемента выбора и хранения, выход которого соединен с входом преобразователя аналог-цифра, выход которого через регистр соединен с входом интерфейса, который соединен с управляющими входами переключателя каналов, управляемого переключателя, входами управления перестраиваемого фильтра, а также тремя шинами: адресной, данных и управления, к которым параллельно подключены таймер, узел постоянной памяти, узел оперативной памяти, вычислитель, узел управления и индикации, тактовый генератор соединен с таймером, выход таймера соединен с входами управления элемента выборки и хранения и преобразователя аналог-цифра, управляющие выходы интерфейса соединены с управляющими входами управляемого нормализатора.

Узел функционального преобразования содержит первый и второй интеграторы, которые соединены последовательно, а их выходы являются выходами этого узла.

Узел функционального преобразования содержит первый и второй интеграторы, которые соединены последовательно, а выходы первого и второго интеграторов являются выходами этого узла и соединены соответственно с детектором среднеквадратичных значений и пиковым детектором, выходы которых также являются выходами данного узла.

Управляемый нормализатор выполнен в виде вспомогательного цифроаналогового преобразователя и усилителя, которые соединены обратной связью с выхода усилителя на дополнительный вход цифроаналогового преобразователя, а другие входы цифроаналогового преобразователя и регулируемого усилителя соединены с управляющими выходами интерфейса.

Управляемый нормализатор выполнен в виде аналогового коммутатора, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через резисторы соединен с входом управляемого нормализатора и выходом операционного усилителя, который через первую группу резисторов соединен с соответствующими входами первой группы входов аналогового коммутатора, вторая группа входов которого через соответствующие резисторы соединена с входом управляемого нормализатора.

Перестраиваемый фильтр выполнен в виде аналогового коммутатора, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через резисторы соединен с входом перестраиваемого фильтра и выходом операционного усилителя, который через группу конденсаторов соединен с соответствующими входами первой группы входов аналогового коммутатора, вторая группа входов которого через соответствующие резисторы соединена с входом перестраиваемого фильтра, а выход перестраиваемого фильтра соединен с инвертирующим входом операционного усилителя через вспомогательный конденсатор.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для измерения вибрации роторных механизмов: на фиг. 2 схема управляемого усилителя, который может использоваться в качестве управляемого нормализатора, вариант выполнения; на фиг. 3 то же, другой вариант выполнения; на фиг. 4 схема перестраиваемого фильтра, вариант выполнения; на фиг. 5 узел функционального преобразования, вариант выполнения.

Устройство для измерения вибрации роторных механизмов содержит первый 1 и второй 2 датчики вибрации (количество датчиков может быть увеличено), которые могут быть выполнены, например, в виде пьезоакселерометра или пьезовелосиметра, индуктивного, индукционного, емкостного или оптического датчика.

Датчики 1 и 2 подключены к управляемому переключателю 3 каналов, на выход которого пропускается сигнал одного из датчиков. Управляемый переключатель 3 выбора каналов соединен с входным усилителем 4, который согласует вход устройства с характеристиками конкретных датчиков. Узел 5 функционального преобразования может содержать интеграторы 6 и 7, которые последовательно обеспечивают двойное интегрирование сигнала с датчиков, если в качестве датчика используется акселерометр, а если используется датчик скорости, узел интегрирования должен содержать один интегратор и обеспечивать однократное интегрирование. Управляемый переключатель 8 соединен непосредственно с каждым из интеграторов и с входным усилителем 4.

Выход управляемого переключателя 8 соединен с входом перестраиваемого фильтра 9. Выход перестраиваемого фильтра 9 соединен с входом управляемого нормализатора 10, состоящего из дополнительного цифроаналогового преобразователя и регулируемого усилителя, который соединен с ним последовательно, выход регулируемого усилителя 16 соединен с дополнительным входом цифроаналогового преобразователя. Выход управляемого нормализатора 10 соединен с входом элемента 11 выборки и хранения, выход которого соединен с входом преобразователя 12 аналог-цифра. Преобразователь 12 аналог-цифра соединен шиной 13 с регистром 14. Выходы регистра 14 параллельно соединены с шинами 15-17 данных, адресов и управления через интерфейс 18. Кроме того, с указанными тремя шинами 15-17 параллельно соединены вычислитель 19, таймер 20, узел 21 постоянной памяти, узел 22 оперативной памяти, а также узел 23 индикации и управления. Устройство также содержит датчик 24 метки фотоэлектрического или электродинамического типа, который соединен последовательно с формирователем 25 и вычислителем 19.

Устройство может быть выполнено с использованием специального тактового генератора или использовать тактовый генератор вычислителя. Выход таймера 20 соединен с управляющими входами элемента 11 выборки и хранения и преобразователя 12 аналог-цифра. Выходы интерфейса 18 соединены с управляющими входами управляемых переключателей 3 и 8, перестраиваемого фильтра 9, а также управляемого нормализатора 10.

Узел 23 индикации и управления может быть выполнен в виде буферного регистра 26, который соединен с шинами 15-17, входами и выходами клавиатуры 27, а также контроллера 28, выход которого соединен с индикатором 29. Этот узел может быть выполнен также в виде стандартного дисплея.

Управляемые усилители могут быть выполнены по схеме одно- (как описано в формуле изобретения) или двух- (как показано на фиг. 2) квадратных умножителей аналогового сигнала на код, содержащих цифроаналоговый преобразователь 30 и усилители 31, 32. Такой усилитель может быть выполнен также на основе усилителя 33 и аналогового коммутатора 34, который коммутирует резисторы в цепи обратной связи усилителя и на его входе.

Управляемый нормализатор может быть выполнен по одной из указанных схем или в виде их последовательного соединения и обеспечивает управление коэффициентом передачи таким образом, чтобы выходной сигнал обеспечивал наиболее эффективное использование разрядной сетки преобразователя 12 аналог-цифра.

Перестраиваемый фильтр (фиг. 4) может быть выполнен также на основе усилителя 35 и аналогового коммутатора 36, который коммутирует резисторы 37 на его входе и конденсаторы 38 в цепи обратной связи, обеспечивая перестройку частотной характеристики.

Перестраиваемый фильтр может быть выполнен также на основе последовательного соединения нескольких схем, показанных на фиг. 4. Кроме того, такой фильтр может быть выполнен по другим известным схемам, причем в случае использования тактового питания последнее может быть получено от таймера 20.

При выполнении узла функционального преобразования с встроенными детекторами, среднеквадратичного 39 и пикового 40 (фиг. 5), обеспечивается также аппаратурное определение общего уровня сигнала по пиковому или среднеквадратичному уровню.

Устройство для измерения вибрации роторных механизмов может работать в режиме измерения и анализа общего уровня и мощности вибрации в заданном частотном диапазоне, в том числе гармонического и частотного спектрального анализа.

Устройство для измерения вибрации роторных механизмов может работать в режиме запись и хранение измеренных данных по дисбалансу, вибрационных сигналов и/или спектров, а также просмотра записанных данных и передачи данных через интерфейс в персональный компьютер для обработки, прогнозирования и диагностики по тренду параметров измерения дисбаланса и вибрации. Выбор режима работы задается узлом 23 управления индикации и в соответствии с программным обеспечением, заложенным в узел 21 постоянной памяти.

Устройство для измерения вибрации роторных механизмов может работать в режиме измерения величины и положения, т.е. значения и угла дисбаланса с одновременным измерением частоты вращения.

Устройство для измерения вибрации роторных механизмов может работать в режиме двух- или многоплоскостной балансировки роторов в собственных опорах методом пробных грузов или по известным коэффициентам влияния.

Устройство для измерения вибрации роторных механизмов работает следующим образом.

В узле 23 задаются режим работы и коэффициенты чувствительности одного или каждого из датчиков 1 и 2 вибрации, в зависимости от поставленной задачи измерения дисбаланса или вибрации. Затем через управляемый от интерфейса 18 переключатель 3 выбора каналов производится подключение одного из датчиков вибрации к устройству для измерения вибрации роторных механизмов. Далее задается вид измеряемой величины смещение, скорость или ускорение, что определяется включением соответствующего входа управляемого переключателя 8, управляющий сигнал на который передается через интерфейс 18. Затем устанавливают характеристику измеряемого сигнала: среднее значение, размах или среднеквадратичное значение, определение которых реализуется вычислителем 19 с помощью стандартных программ, записанных в узел 21 постоянной памяти, или с использованием детекторов, входящих в узел 5. В последнем случае обеспечивается большая широкополосность в режиме реального времени.

При нестационарности вибросигнала включают стандартную программу усреднения или другой статистической оценки, которая записана в узел 21 постоянной памяти, позволяющая повысить точность измерения вибрационных характеристик или дисбаланса, его угла и параметров вибрации.

При измерении дисбаланса в одной плоскости сигнал с соответствующего датчика 1 или 2 вибрации через переключатель 3 выбора каналов поступает на входной усилитель 4 и интеграторы 6 и 7. В зависимости от установленного режима управляемый переключатель 8 пропускает сигнал либо с входного усилителя, либо с одного из интеграторов.

После переключателя сигнал поступает на перестраиваемый фильтр 9, который служит для подавления гармонических составляющих сигнала высших порядков. После перестраиваемого фильтра сигнал поступает на вход управляемого нормализатора 10, управляющие сигналы от вычислителя 19 на перестраиваемый фильтр 9 передают с шин 15, 16, 17 через интерфейс 18. Управляемый нормализатор обеспечивает работу с оптимальным уровнем сигнала на своем выходе независимо от уровня сигнала на входе, т.е. обеспечивает автоматическое регулирование уровня сигнала.

После того как сигнал проходит через нормализатор 10, он поступает на элемент 11 выборки и хранения. В момент получения импульса от таймера 20 элемент 11 запоминает и хранит до прихода следующего импульса мгновенное значение уровня сигнала. Полученное значение аналогового сигнала преобразователь 12 аналог-цифра превращает в цифровой код и по информационной шине 13 передает его в регистр 14, который запоминает сигналы, т.е. запоминает состояние шины данных, и выдает на шину данных код сигнала через интерфейс 18. По шине 15 данных информация о текущем значении дисбаланса поступает в вычислитель 19 и обрабатывается в соответствии с одной из программ, записанных в узле 21 постоянной памяти. Таймер 20 в зависимости от частоты вращения ротора задает время выборки сигнала и период между выборками.

Одновременно сигнал датчика 24 метки после формирования в формирователе 25 также поступает на вход прерывания вычислителя 19. Этот сигнал может также обеспечивать срабатывание таймера 20 и используется для расчета углового положения дисбаланса и частоты вращения роторного механизма. Вычислитель 19 обрабатывает сигнал с датчика вибрации и с учетом информации датчика метки выдает значение дисбаланса, его угол и частоту вращения ротора на экране индикатора 29 в узле 23 управления и индикации.

При использовании режима усреднения или определения статистических характеристик вычислитель 19 формирует среднее значение дисбаланса и его угла по числу выборок или другую статистическую характеристику этих параметров вибрации. Это позволяет устранить влияние помех и случайных шумов, а также вибрационных процессов, зависящих от элементов роторного механизма.

Затем производится пуск ротора с пробным грузом и вычислитель 19 формирует на экране индикатора сообщение об оценке положения дисбаланса, а также указывает величину корректирующей массы, которую нужно установить в плоскости коррекции для устранения дисбаланса.

При балансировке ротора в двух плоскостях производят последовательно измерение дисбаланса в месте установки каждого из датчиков 1 и 2 вибрации и если коэффициенты влияния неизвестны, то проводят два пуска с пробными грузами. По установленным коэффициентам проводят балансировку в соответствии с программой, записанной в узле 21 постоянной памяти. Вычислитель определяет место и величину корректирующих масс для устранения дисбаланса.

Для определения источников вибрации ротора и определения гармонических составляющих вибрации, влияющих на определение дисбаланса, вычислитель 19 выполняет расчет и формирует на экране дисплея график гармонического спектра вибросигнала, а при необходимости и самого сигнала.

Для детального анализа состояния роторного механизма вычислитель 19 проводит расчет и построение на экране дисплея частотного спектра вибросигнала. При этом отключается датчик метки и вычислитель 19 выполняет аналитические действия только по сигналам таймера 20.

Любая информация, выдаваемая вычислителем (характеристики дисбаланса, вибрации, спектры) может быть записана в узел 22 оперативной памяти и храниться под своим номером кадра сколь угодно долго за счет поддержания питания на этом узле, даже при отключении источника от остальной части схемы. Эту информацию можно вызвать по номеру кадра на экран узла 23 для просмотра, а также можно передать через интерфейс вычислителя 19 в персональный компьютер для статистической обработки, прогнозирования вибросостояния объекта, хранения данных и распечатки на бумажный носитель для формирования документов о результатах балансировки и вибродиагностики.

Таким образом, благодаря использованию управляемых с пульта и вычислителем элементов измеритель дисбаланса автоматически настраивается на измеряемый сигнал и поэтому обладает более высокой точностью и помехоустойчивостью в условиях нестационарной эксплуатации измерителя, а также обладает более широкими функциональными возможностями по измерению вибрации, выполнению гармонического и спектрального анализа, накоплению и хранению экспериментальных результатов. Данное техническое решение обеспечивает изменение и расширение функций измерителя программными средствами без изменения структуры измерителя и его элементов.

Использование: при вибрационных измерениях, для измерения и анализа колебаний, записи и хранения вибрационных и акустических сигналов и контроля дисбаланса роторных механизмов и балансировки роторов. Сущность изобретения: устройство содержит датчик вибрации, входной усилитель, интеграторы, преобразователь аналог-цифра и регистр, вычислитель, таймер, узел постоянной памяти, узел оперативной памяти, узел управления и индикации, шины управления, данных и адреса, датчик метки подключен через формирователь, управляемый нормализатор, перестраиваемый фильтр, интерфейс. 5 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ РОТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ, содержащее датчик вибрации, аналого-цифровой преобразователь, переключатель, регистр, узел управления, соединенные с ним вычислитель и индикатор, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными датчиками вибрации, подключенным к их выходам и выходу основного датчика вибрации переключателем каналов, последовательно соединенными усилителем, вход которого подключен к выходу переключателя каналов, и узлом функционального преобразования, последовательно соединенными перестраиваемым фильтром, вход которого связан с выходом переключателя, соединенного входами с выходами узла функционального преобразования, нормализатором и блоком выборки-хранения, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, связанного выходом с регистром, последовательно соединенными датчиком метки и формирователем импульсов, выход которого подключен к входу прерывания вычислителя, таймером, выход которого связан с управляющими входами блока выборки-хранения и аналого-цифрового преобразователя, а узел управления выполнен с шинами адресов, данных и управления, с узлами постоянной и оперативной памяти и с интерфейсом, подключенным к нормализатору, перестраиваемому фильтру и переключателям. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел функционального преобразования выполнен в виде последовательно соединенных первого и второго интеграторов, вход первого из которых является входом и первым выходом узла функционального преобразования, а выходы интеграторов являются его вторым и третьим выходами. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел функционального преобразования выполнен из последовательно соединенных первого интегратора, вход которого является входом узла функционального преобразования, второго интегратора и первого пикового детектора, выход которого является первым выходом узла функционального преобразования, из детектора среднеквадратичных значений, вход которого подключен к выходу первого интегратора и является вторым выходом узла функционального преобразования, и из второго пикового детектора, подключенного к входу первого интегратора, а выходы второго пикового детектора, детектора среднеквадратичных значений и второго интегратора являются соответственно третьим, четвертым и пятым выходами узла функционального преобразования. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нормализатор выполнен из цифроаналогового преобразователя и включенного в его обратную связь усилителя, выход которого является выходом нормализатора, а вход цифроаналогового преобразователя является входом нормализатора. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нормализатор выполнен из аналогового коммутатора, подключенного к его выходу инвертирующим входом операционного усилителя, прямой вход которого заземлен, из первой группы резисторов, подключенных к соответствующим входам аналогового коммутатора и являющихся входом нормализатора объединенными своими другими выводами, из второй группы резисторов, подключенных к соответствующим входам аналогового коммутатора и являющихся выходом нормализатора объединенными своими другими выводами с выходом операционного усилителя, из первого дополнительного резистора, через которое выход аналогового коммутатора связан с входом нормализатора, и из второго дополнительного резистора, через которые аналоговый коммутатор связан с выходом нормализатора. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перестраиваемый фильтр выполнен из аналогового коммутатора, подключенного к его выходу инвертирующим входом операционного усилителя, группы конденсаторов, подключенных к соответствующим входам аналогового коммутатора и являющихся объединенными другими выводами с выходом операционного усилителя выходом перестраиваемого фильтра, из группы резисторов, подключенных к соответствующим входам аналогового коммутатора и являющихся объединенными другими выводами входом перестраиваемого фильтра, из параллельно соединенных дополнительных конденсатора и первого резистора, включенных между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, и из второго дополнительного резистора, включенного между входом перестраиваемого фильтра и выходом аналогового коммутатора.