УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК G01H1/00 

Изобретение относится к виброакустической диагностике, а именно к конструкции устройств для измерения мгновенной колебательной мощности.

В вибрационных исследованиях большое значение имеет измерение колебательной мощности, что определяет необходимость развивать точные методы измерения мгновенной колебательной мощности в выбранных точках объекта диагностирования. Эти методы позволяют дать простую и наглядную оценку мощности излучаемой системой; помогают определить утечку колебательной энергии в опоры, т. е. демпфирующие свойства опор; уточнить критерии виброзащиты. На практике колебательную мощность в отдельной точке определяют через приложенную силу и виброскорость в этой точке.

Известно устройство измерения колебательной мощности [1, стр. 185]. В этом устройстве используются датчики силы и скорости, а измеритель имеет соответственно два канала. В канал силы сигнал может поступать с одного или двух датчиков силы. В устройстве с двумя датчиками используется фазовращатель на 180^o и суммирующее устройство. В канал скорости сигнал возможно подавать с датчика ускорения, при этом используется интегратор с целью преобразования сигнала ускорения в сигнал скорости. Далее сигналы силы и скорости через предварительные усилители поступают на двухканальный анализатор типа 2032/34 фирмы "Брюль и Къер" либо на ЭВМ, где перемножаются и определяется колебательная мощность.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения мгновенной мощности, основанное на применении двух датчиков в каждом направлении: датчика ускорения и датчика силы [2, стр. 327]. В схеме измерения присутствуют предусилители, синхронные фильтры, интегрирующий усилитель (интегрирует ускорение до скорости), измерители напряжения и умножитель.

Известные устройства в любом случае предполагают в схеме измерения наличие двух датчиков, которые составляют основу стоимости канала измерения. Датчики необходимо совместно калибровать и проводить их синхронизацию. Измерения проводятся только в направлении крепежа, что не всегда возможно на реальном объекте. Наличие двух датчиков не позволяет измерять мощность в одной точке, этим обусловлена низкая достоверность измерений. Все эти недостатки приводят к тому, что измерения колебательной мощности реально не используются в вибродиагностике или используется среднее интегральное значение мощности.

Целью предлагаемого изобретения является точный замер мгновенной колебательной мощности в необходимых точках диагностируемого объекта в различных направлениях с уменьшением числа каналов измерения и количества датчиков.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения мгновенной мощности механических колебаний, содержащее по каждому заданному направлению последовательно соединенные предварительный усилитель, интегратор, умножитель, выход которого подключен к одному из входов вычислителя, согласно изобретению по каждому выбранному направлению снабжено датчиком виброускорения и масштабным усилителем, выход датчика виброускорения подключен ко входу предварительного усилителя, к выходу предварительного усилителя подключен масштабный усилитель, выход которого подключен ко второму входу умножителя, а к остальным входам вычислителя подключены выходы умножителей по остальным направлениям.

Также указанная цель может достигаться тем, что устройство для измерения мгновенной мощности механических колебаний, содержащее по каждому заданному направлению последовательно соединенные датчик виброскорости и предварительный усилитель, а также умножитель, выход которого подключен к одному из входов вычислителя, согласно изобретению снабжено по каждому направлению масштабным усилителем и дифференцирующим звеном, включенным между выходом предварительного усилителя и первым входом умножителя, к выходу предварительного усилителя подключен также масштабный усилитель, выход которого подключен ко второму входу умножителя, а на остальные входы вычислителя подключены выходы умножителей по остальным направлениям.

Исключение датчика силы, сигнал с которого подавался на вход умножителя, и подача сигнала с предварительного усилителя обеспечивает возможность более точного измерения мгновенной мощности механических колебаний в точке и более точное определение ее величины в заданном направлении.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения колебательной мощности основано на применении одного датчика, а именно датчика виброускорения или виброскорости. В одном направлении используется один датчик вместо двух. Схема измерения дана на чертеже. Устройство содержит установленные в выбранных точках на корпусе 1 исследуемого объекта по одному из заданных направлений датчик 2 виброускорения или виброскорости и далее последовательно соединенные предварительный усилитель 3, интегратор или, соответственно датчику, дифференцирующее звено 4, умножитель 5. Выход умножителя 5 подключен к одному из входов (например, N_x) вычислителя 6. К выходу предварительного усилителя 3 подключен введенный в устройство масштабный усилитель 7, выход которого подключен ко второму входу умножителя 5. На другие входы вычислителя 6 подключены выходы умножителей 5 по остальным направлениям (например, N_y, N_z).

Устройство работает следующим образом: с датчика виброускорения или виброскорости 2 сигнал поступает на предварительный усилитель 3, далее сигнал разделяется, поступает на умножитель 5 двумя путями: через масштабный усилитель 7 (для домножения на приведенную массу) и через интегратор или дифференцирующее звено 4. Сигнал с умножителя поступает на вычислитель 6, где преобразуется в конкретное число. Все описанные операции можно организовать как аппаратно, так и на ЭВМ.

Широко используемые для анализа вибраций спектральные и фазовые характеристики, вибросмещения, виброскорости и виброускорения, применяемые по отдельности, не дают представления об энергии взаимодействия в исследуемом объекте. Анализ потоков энергии в системе позволит получить распределение этих потоков в пространстве по времени и частоте. Рассмотрение энергетических соотношений в данном случае необходимо вести через мгновенную мощность. Она позволяет дать простую и наглядную оценку виброакустической мощности, излучаемой системой; помогает определить утечку колебательной энергии в опоры, т. е. демпфирующие свойства опор; уточнить критерии виброзащиты. Суммарный поток колебательной энергии, или активную колебательную мощность, N_a используют для вычисления эффективных частотных характеристик, которые несмотря на некоторую условность являются наиболее обоснованным результатом усреднения характеристик системы в отдельных точках [2].

Пусть за элементарный промежуток времени dt по направлению z под действием силы F_z происходит перемещение некоторой массы со скоростью V_z. Мгновенная мощность силы равна N(F_z)=F_zV_z,
где F_z, V_z - мгновенные значения силы и скорости в момент времени dt.

В случае вибрационного взаимодействия при рассмотрении мгновенной мощности для отдельной гармоники можно записать

где F_zм, V_zм - амплитуды силы и скорости вибрации по z для частоты ω.
Итак, мощность силы выразится следующим образом:
N(F_z) = F_zV_z = F_zмV_zмcosϕ-F_zмV_zмcos(2ωt-ϕ).
Здесь первый член - постоянная составляющая мощности (активная мощность), второй - гармоническая составляющая с удвоенной частотой (реактивная мощность). Из вышесказанного следует, что мгновенная мощность положительна при совпадении знаков силы и скорости и отрицательна при разных знаках. При положительной мощности энергия передается по направлению z, а при отрицательной - в обратном направлении.

Мгновенная колебательная мощность получается на основе сигналов скорости и ускорения, снятых с корпуса механизма в необходимом направлении: передаваемая мгновенная мощность где V_z - вектор виброскорости, направленный по оси z; F_z - вектор силы, направленный по оси z. Учитывая, что a_z= F_z/m_пр, где a_z - ускорение вдоль оси z, m_пр - приведенная масса. Таким образом, можно записать колебательную мощность в направлении оси z:
На основании вышесказанного имеется возможность применения одного датчика, а именно датчика ускорения или датчика виброскорости. В этом и заключается сущность предлагаемого устройства. Замеренный для одного направления сигнал с датчика 2 виброускорения или виброскорости поступает на предварительный усилитель 3. Далее двумя путями сигнал поступает на умножитель 5: через масштабный усилитель 7, который домножает сигнал на приведенную массу, и через интегратор 4 (если применяется датчик виброускорения) или дифференцирующее звено 4 (если применяется датчик виброскорости). Умножитель 5 перемножает сигналы, поступающие с интегратора или дифференцирующего звена 4 и с масштабного усилителя 7. Далее вычислитель 6 обрабатывает конечный сигнал, поступивший с умножителя, пропорциональный мгновенной колебательной мощности, и преобразует его в конкретное число. Таким образом, получается величина мгновенной колебательной мощности в одном направлении. Замеряя мощность в различных направлениях, с помощью вычислителя же возможно получать пространственное распределение потоков колебательной мощности. Такие элементы устройства, как интегратор или дифференцирующее звено, масштабный усилитель, умножитель и вычислитель, можно реализовать программно. В этом случае на электронную вычислительную машину (ЭВМ) подается сигнал с предварительного усилителя через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), записывается в память машины и обрабатывается по вышеназванной схеме.

В выбранных точках корпуса исследуемого объекта 1 в необходимых для измерения направлениях устанавливаются датчики 2 виброускорения или виброскорости. Выходной сигнал с каждого датчика подается на вход предварительного усилителя 3, с выхода предварительного усилителя 3 сигнал подается на вход умножителя 5 двумя путями. Первый через масштабный усилитель 7 (для учета приведенной массы) на первый вход умножителя 5, а второй сначала на вход интегратора или соответственно датчика дифференцирующего звена 4, выход интегратора или дифференцирующего звена подключен ко второму входу умножителя 5. Выход умножителя подключен к входу вычислителя 6. Возможна непосредственная связь предварительного усилителя 3 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и далее ЭВМ, в этом случае интегратор или дифференцирующее звено, масштабный усилитель, умножитель и вычислитель реализуются программно. АЦП передает в ЭВМ оцифрованный сигнал ускорения или скорости, который подлежит дальнейшей обработке: получение сигнала скорости (интегрирование при применении датчика виброускорения) или ускорения (дифференцирование при применении датчика виброскорости), перемножение скорости и ускорения, домножение на приведенную массу, получение мгновенной мощности по каждому интересующему направлению, получение пространственного распределения мгновенной мощности, путем учета мгновенной мощности, измеренной в различных направлениях.

Устройство может быть применено к измерению колебательной мощности различных механических систем, а также содержащих "слабые" узлы в виде подшипников качения и скольжения на гидродинамической смазке. Использование предлагаемого устройства позволит увеличить точность при измерении колебательной мощности и заменить известные устройства, что обеспечит экономию средств на изготовление системы измерения в 1,7 раза, повышение достоверности измерений на 40-60%.

Литература
1. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с. ил. (качество и надежность).

2. Вибрации в технике. Справочник. В 6-ти т./Ред. совет: В.Н.Челомей (пред. ). - М.: Машиностроение, 1981, - Т. 5. Измерения и испытания. - Под ред. М.Д.Генкина. 1981. - 496 с., ил.

Устройство относится к виброакустической диагностике и может быть использовано для измерения колебательной мощности различных механических систем, в частности содержащих "слабые" узлы в виде подшипников качения и скольжения на гидродинамической смазке. Устройство содержит несколько измерительных каналов по числу заданных направлений измерения. Каждый измерительный канал содержит последовательно соединенные датчик виброускорения, предварительный усилитель, интегратор и умножитель. Между выходом предварительного усилителя и вторым входом умножителя включен масштабный усилитель. Выходы умножителей всех каналов подключены ко входам вычислителя. В другом варианте выполнения устройства вместо датчика виброускорения используется датчик виброскорости, а вместо интегратора - дифференцирующее звено. Устройство позволяет сократить количество измерительных каналов и датчиков, необходимых для измерения мощности в одной точке объекта, повысив тем самым достоверность измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения мгновенной мощности механических колебаний, содержащее по каждому заданному направлению последовательно соединенные предварительный усилитель, интегратор, умножитель, выход которого подключен к одному из входов вычислителя, отличающееся тем, что по каждому выбранному направлению содержит датчик виброускорения и масштабный усилитель, выход датчика виброускорения подключен ко входу предварительного усилителя, к выходу предварительного усилителя подключен масштабный усилитель, выход которого подключен ко второму входу умножителя, а к остальным входам вычислителя подключены выходы умножителей по остальным направлениям. 2. Устройство для измерения мгновенной мощности механических колебаний, содержащее по каждому заданному направлению последовательно соединенные датчик виброскорости и предварительный усилитель, а также умножитель, выход которого подключен к одному из входов вычислителя, отличающееся тем, что по каждому выбранному направлению содержит масштабный усилитель и дифференцирующее звено, включенное между выходом предварительного усилителя и первым входом умножителя, к выходу предварительного усилителя подключен также масштабный усилитель, выход которого подключен ко второму входу умножителя, а к остальным входам вычислителя подключены выходы умножителей по остальным направлениям.