СПОСОБ ПОВЕРКИ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G01M7/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поверки трехкомпонентных вибропреобразователей и/или калибровки при их изготовлении.

Для поверки трехкомпонентных вибропреобразователей необходимо осуществлять вибровоздействие на каждую из трех компонент, измерять ее реакцию на это вибровоздействие для сличения с аналогичной реакцией эталонного вибропреобразователя.

Известен «Способ воспроизведения трехкомпонентных вибраций» (RU 2327965, G01M 7/06, 27.06.2008), предназначенный для испытаний конструкций на вибрацию и использующий однонаправленное виброускорение с расчетными величинами амплитуд виброускорений, образуемыми проекциями его вектора по трем осям координат X, Y и Z испытуемого объекта.

Для этого испытуемый объект прикрепляют к платформе, установленной на вибростоле вибростенда под определяемым расчетом двугранным углом θ относительно заданного рабочего направления вектора виброускорения (компонента по оси координат Z) без учета имеющего место поперечного движения вибростола. Для создания компонент виброускорений по осям Х и Y объект на платформе устанавливают под определяемым расчетом углом φ относительно направления наклона платформы.

Заявитель в уровне техники не обнаружил в отечественных и зарубежных источниках применения такого известного способа воспроизведения трехкомпонентных вибраций в вибростендах для проведения поверки и/или калибровки трехкомпонентных вибропреобразователей.

Способ поверки вибропреобразователей (вибродатчиков) регламентирован нормативными документами: ГОСТ Р 8.669-2009 ГСИ «Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки», МИ 2478-98 «Аппаратура виброконтроля. Методика поверки» и может быть реализован, например, на известной «Виброустановке поверочной автоматизированной», внесенной в Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №43154-09.

Известная виброустановка включает:

- два электродинамических вибростенда с вибростолами на два диапазона воспроизводимых частот и амплитуд виброускорений,

- однокомпонентный эталонный вибропреобразователь виброметра для измерения параметров воспроизводимой вибрации,

- трехкомпонентный эталонный вибропреобразователь, используемый только для определения относительного коэффициента поперечного движения вибростола виброустановки (п. 7.6 МИ 1929-2007, «Установки вибрационные поверочные. Методика поверки»).

Известный способ поверки вибропреобразователей, регламентируемый стандартом ГОСТ Р 8.669-2009, с учетом рекомендаций, приведенных в пунктах 6.4.10.10, 6.4.11.4 и 6.4.12.2 МИ 2478-98, относящихся к поверке трехкомпонентных вибропреобразователей, является наиболее близким по назначению и сущности аналогом заявляемого способа и реализуется следующим образом.

На вибростол поверочной виброустановки с прикрепленным к нему эталонным однокомпонентным вибропреобразователем виброметра устанавливают поверяемый трехкомпонентный вибропреобразователь таким образом, чтобы одна из его осей чувствительности - горизонтально-поперечная X, горизонтально-осевая Y или вертикальная Z - была параллельна оси чувствительности эталонного однокомпонентного вибропреобразователя и, соответственно, параллельна направлению задаваемого однонаправленного виброускорения - вибрационного воздействия.

Согласно ГОСТ Р 8.669-2009 осуществляют непосредственное сличение реакции на воздействующее виброускорение однокомпонентного эталонного вибропреобразователя, встроенного в поверочную виброустановку, с реакцией одной из компонент поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя и определяют метрологические характеристики этой компоненты (в т.ч. коэффициент преобразования, неравномерность амплитудно-частотной характеристики).

Меняя положение поверяемого вибропреобразователя (п.п. 6.4.10.10, 6.4.11.4, 6.4.12.2 МИ 2478-98), по аналогичному непосредственному сличению измеренных сопоставимых реакций однокомпонентного эталонного вибропреобразователя и других компонент поверяемого вибропреобразователя определяют метрологические характеристики всех трех компонент и, в итоге, всего поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя.

Таким образом, известный способ поверки трехкомпонентных вибропреобразователей предусматривает последовательное непосредственное сличение измеренных сопоставимых реакций эталонного однокомпонентного вибропреобразователя и каждой компоненты поверяемого вибропреобразователя на воздействующее однонаправленное виброускорение с последующей перестановкой поверяемого вибропреобразователя под воздействующее виброускорение на очередную компоненту.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится влияние на точность поверки поперечного движения вибростола виброустановки и имеющее место, как правило, неизвестное отклонение от ортогональности осей чувствительности у поверяемого вибропреобразователя, а также необходимость менять положение поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя при поверке каждой компоненты.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности поверки и сокращение времени на ее проведение.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в исключении влияния на точность поверки поперечного движения вибростола виброустановки и неизвестного отклонения от ортогональности осей чувствительности поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя, а также отсутствие необходимости изменения положения поверяемого вибропреобразователя при поверке каждого его компонента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что по заявляемому способу поверки трехкомпонентных вибропреобразователей, использующему воздействие на поверяемый и эталонный вибропреобразователи заданными однонаправленными виброускорениями, векторы которых совпадают по направлениям с их осями чувствительности, и непосредственное сличение измеренных сопоставимых реакций обоих вибропреобразователей на воздействующие виброускорения, в отличие от известного способа эталонный и поверяемый трехкомпонентные вибропреобразователи устанавливают таким образом, чтобы их одноименные оси чувствительности были параллельны друг другу, вертикальную ось чувствительности каждого вибропреобразователя совмещают с плоскостью, проходящей через вектор воздействующего на этот вибропреобразователь однонаправленного виброускорения и биссектрису угла между его горизонтальными осями чувствительности и ориентируют эту ось под заданным острым углом относительно вектора своего воздействующего однонаправленного виброускорения, а на одноименные компоненты поверяемого и эталонного вибропреобразователей одновременно воздействуют одинаковыми компонентами вектора этого своего однонаправленного виброускорения, которые равны их проекциям на одноименные оси чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что вертикальные оси поверяемого и эталонного вибропреобразователей ориентируют относительно заданного вектора воздействующего однонаправленного виброускорения под углами, предпочтительно, равными 54,7′ (54°42′).

На фиг. 1 изображено пространственное расположение поверяемого и эталонного вибропреобразователей на вибростоле поверочного вибростенда; на фиг. 2 - то же, вид сбоку, на фиг. 3 условно изображен поверяемый вибропреобразователь с осями координат и векторами вибровозбуждения его компонент, являющихся проекциями вектора однонаправленного вибровозбуждения заданного направления; на фиг. 4 - то же, вид сбоку; на фиг. 5 - то же, вид сверху; на фиг. 6 - то же, во фронтальной диметрической проекции.

Заявляемый способ поверки трехкомпонентных вибропреобразователей осуществляется следующим образом.

Поверяемый (п) 1 и эталонный (эт) 2 трехкомпонентные вибропреобразователи (фиг.1, 2) с компонентами 3_Xп, 3_Yп и 3_Zп поверяемого 1 вибропреобразователя и эталонного 2 вибропреобразователя с компонентами 4_Xэт, 4_Yэт и 4_Zэт с помощью соответствующих крепежных отверстий 5 и 6 устанавливают на вибростол поверочной виброустановки (вс) (на фиг. не показаны) таким образом, чтобы их одноименные оси чувствительности (фиг.3-5) - горизонтальные X_п, X_эт и Y_п, Y_эт и вертикальные Z_п, Z_эт были параллельны и расположены в параллельных или совмещенных для вертикальных осей (как изображено на фиг. 1-5) плоскостях.

Вертикальные оси чувствительности Z_п, и Z_эт вибропреобразователей совмещают с плоскостью, проходящей через вектор воздействующего на этот вибропреобразователь однонаправленного виброускорения, совпадающего с осью Z_вс вибростола виброустановки, и биссектрис 7_п и 7_эт углов между горизонтальными осями чувствительности X_п, X_эт и Y_п, У_эт вибропреобразователей.

Положения вертикальных осей Z_п и Z_эт обоих вибропреобразователей (совместно с их горизонтальными осями) ориентируют относительно общего воздействующего однонаправленного вектора виброускорения по оси Z_вс под заданным острым углом (на фиг. 1-6 θ=45°, на фиг. 6 - положения поверяемого вибропреобразователя - позиции 1₁, исходное положение, и 1₂, положение после ориентации оси Z_вс под углом θ). При этом горизонтальные оси чувствительности X_п, X_эт и Y_п, Y_эт ориентируются относительно оси Z_вс и вектора воздействующего виброускорения α_Zвс под одинаковыми равными углами γ (фиг.3-4).

На поверяемый 1 и эталонный 2 вибропреобразователи по направлению оси Z_вс воздействуют заданным однонаправленным виброускорением α_Zвс. Поскольку все оси чувствительности 3_Xп, 3_Yп и 3_Zп поверяемого 1 и 4_Xэт, 4_Yэт и 4_Zэт эталонного 2 вибропреобразователей ориентированы под соответствующими острыми углами θ или γ по отношению к своему вектору воздействующего виброускорения α_Zвс (фиг.3, 4, 5 и 6), то на каждый компонент вибропреобразователей одновременно воздействует виброускорение с вектором, равным проекции вектора α_Zвс воздействующего виброускорения на эти оси чувствительности соответствующей компонены - α_Xп-α_Xэт, α_Yп-α_Yэт и α_Zп-α_Zэт.

По непосредственному сличению измеренных сопоставимых реакций компонент поверяемого и эталонного вибропреобразователей на воздействующие виброускорения определяют текущие метрологические характеристики поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя.

В этом случае при условии отсутствия поперечного движения вибростола поверочного вибростенда (т.е. $${\overrightarrow{a}}_{Xвс}=0$$ ; $${\overrightarrow{a}}_{Yвс}=0$$ ) на оси эталонного и поверяемого вибропреобразователей действуют следующие виброускорения

При известных коэффициентах преобразования эталонного вибропреобразователя по каждой компоненте k_Zэт, k_Xэт, k_Zэт и измеренных значениях выходных напряжений его измерительной цепи U_Zэт, U_Xэт и U_Yэт определяются проекции модуля заданного вектора виброускорения на оси X_эт, Y_эт и Z_эт эталонного вибропреобразователя (см. ГОСТ Р 8.669-2009, МИ 2478-98):

;

.

Зная проекции векторов a _Zэт, a _Xэт и a _Yэт, модуль вектора задаваемого с помощью поверочной виброустановки виброускорения определяется известным выражением:

Если измеренные выходные сигналы поверяемого вибропреобразователя - U_Zп, U_Xп и U_Yп, то при условии равенства его коэффициентов преобразования каждой компоненты можно определить требуемое значение коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя:

где известное значение заданного модуля вектора виброускорения $$\left|{\overrightarrow{a}}_{{}_{BC}}\right|$$ может быть выражено через параметры поверяемого вибропреобразователя:

Из выражений (2) и (4) следует вывод, что при параллельном расположении соответствующих осей чувствительности X_эт, Y_эт и Z_эт эталонного и X_п, Y_п и Z_п поверяемого вибропреобразователей на оба вибропреобразователя действует один и тот же вектор виброускорения, задаваемый поверочной виброустановкой. При наличии поперечного движения ( $${\overrightarrow{a}}_{Xвс}\ne 0$$ ; $${\overrightarrow{a}}_{Yвс}\ne 0$$ ) вибростола модуль вектора виброускорения, который определяется выражением

,

и его направление в пространстве изменятся. Однако это изменение относительно осей чувствительности эталонного и поверяемого вибропреобразователей из-за их параллельности при установке произойдет одинаковым образом и при определении коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя не отразится.

Если поперечное движение поверочного вибростенда незначительное и им можно пренебречь, то и отклонения от взаимной параллельности расположения соответствующих осей чувствительности X_эт, Y_эт и Z_эт эталонного и X_п, Y_п и Z_п поверяемого вибропреобразователей при их установке не оказывают влияния на точность определения коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя. Этот вывод можно сделать на основании следующих рассуждений.

Если ось Z_п поверяемого 1 вибропреобразователя расположена под углом θ±Δθ к оси Z_вс поверочного вибростенда (фиг.6), а оси Х_п и Y_п параллельны осям X_вс и Y_вс, то проекции вектора виброускорения, задаваемого с помощью поверочного вибростенда, на оси поверяемого вибропреобразователя определяются выражениями:

где Δθ - угол, характеризующий отклонение от взаимной параллельности осей чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей.

Если определить модуль вектора виброускорения, действующего на поверяемый вибропреобразователь с учетом отклонения от взаимной параллельности осей чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей [проекции вектора виброускорения определяются выражениями (5)], то получим:

т.е. отклонения от взаимной параллельности поверяемого и эталонного вибропреобразователей при их установке не оказывают влияния на значение модуля вектора виброускорения, действующего на поверяемый вибропреобразователь.

Для обеспечения одинаковой абсолютной погрешности измерения векторов воздействующих виброускорений на все компоненты вибропреобразователей (при условии равенства погрешностей измерительных систем каждого канала вибропреобразователя) необходимо все оси чувствительности их компонент ориентировать относительно заданного однонаправленного виброускорения вибростенда поверочной установки под равными углами (θ=γ), что обеспечивает сопоставимость величин проекций измеряемых векторов виброускорений. Равные углы относительно заданного однонаправленного виброускорения вибростенда поверочной установки можно получить выбором соответствующего значения угла θ с помощью следующего расчета по формулам:

, или

, откуда

ctgθ=cos45° или ctgθ=sin45°, a θ≈54,7°.

Из последнего выражения следует, что при угле θ≈54,7° проекции вектора заданного виброускорения с помощью поверочной виброустановки на оси чувствительности эталонного и поверяемого вибропреобразователей будут приблизительно равны, следовательно, абсолютные погрешности измерения проекций также будут приблизительно равны.

Если изменять частоту воздействующего виброускорения в пределах рабочего диапазона частот и определять по формуле (3) коэффициент преобразования модуля виброускорения на каждой частоте, то можно определить неравномерность частотной характеристики поверяемого вибропреобразователя, а изменением амплитуды задаваемого виброускорения - нелинейность амплитудной характеристики (см. ГОСТ Р 8.669-2009).

Для проверки полученных выводов проведены экспериментальные исследования.

С этой целью на частотах 80 Гц и 160 Гц (как правило, в метрологической практике эти частоты являются базовыми) были определены коэффициенты преобразования виброускорения трехкомпонентных вибропреобразователей МВ-52 (№133104 и №133121) по осям чувствительности X_п, Y_п и Z_п методом непосредственного сличения с эталонным вибропреобразователем модели 4321 (№1227698, фирма «Брюль и Къер», Дания). Коэффициенты преобразования по осям чувствительности X_п, Y_п и Z_п поверяемых вибропреобразователей предварительно определялись на рабочем эталоне единиц параметров вибрации по методике, изложенной в ГОСТ Р 8.669-2009 (k_Xп, k_Yп и k_Zп), после чего был определен коэффициент преобразования модуля вектора виброускорения поверяемого вибропреобразователя по формуле:

.

В процессе эксперимента поверяемый 1 и эталонный 2 вибропреобразователи с помощью оправки устанавливали на вибростоле рабочего эталона единиц параметров вибрации в пространственном, при θ=45°, положении, изображенном на фиг 1 и 2. На вибростоле рабочего эталона эталонный и поверяемый вибропреобразователи подвергались воздействию виброускорения величиной 10 м/с².

По формулам (2) определялись эталонные виброускорения, действующие по осям Х_эт, Y_эт и Z_эт, выходные напряжения поверяемого вибропреобразователя U_Xп, U_Yп и U_Zп, после чего по формуле (4) определялось экспериментальное значение коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения k_пЭ. Одновременно определялись экспериментальные коэффициенты преобразования поверяемого вибропреобразователя по каждой оси чувствительности по формулам:

;

;

.

По результатам эксперимента проводилось сравнение коэффициентов преобразования модулей вектора виброускорения k_п и k_пЭ, а также экспериментальных значений коэффициентов преобразования поверяемых вибропреобразователей k_XпЭ, k_YпЭ и k_ZпЭ с коэффициентами преобразования k_Xп, k_Yп и k_Zп, определенными на рабочем эталоне единиц параметров вибрации. Результаты экспериментов представлены в таблице 1, а результаты обработки экспериментальных данных - в таблице №2.

Сравнение коэффициентов преобразования модуля вектора виброускорения, определенных заявляемым способом по экспериментальным данным k_пЭ, с коэффициентом k_п, определенным по результатам, полученным в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009, показало, что отклонение не превышает 1% (графа 5 таблицы 2). Это связано с тем, что на эталонный и поверяемый вибропреобразователи действует один и тот же вектор виброускорения под одним и тем же углом. Отклонение экспериментальных коэффициентов преобразования по каждой оси чувствительности k_XпЭ, k_YпЭ и k_ZпЭ от соответствующих коэффициентов k_Xп, k_Yп, k_Zп, определенных на рабочем эталоне единиц параметров вибраций в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009, значительно выше (графы 9, 10, 11 таблицы 2). В последнем случае на заданное рабочим эталоном виброускорение накладывается поперечное движение вибростола, что приводит к увеличению погрешности определения коэффициентов преобразования.

При определении коэффициентов преобразования поверяемого вибропреобразователя по ГОСТ Р 8.669-2009 на частотах 80 Гц и 160 Гц время поверки составило около 45 минут, что связано, в первую очередь, с необходимостью его переустановки при определении коэффициентов преобразования по осям чувствительности X_п, Y_п и Z_п. Время определения коэффициентов преобразования заявляемым способом по осям чувствительности X_п, Y_п и Z_п и коэффициента преобразования модуля вектора виброускорения вместе установкой эталонного и поверяемого вибропреобразователей на оправку и с расчетами составляет не более 20 минут. Т.е. время определения параметров поверяемого трехкомпонентного вибропреобразователя уменьшается более чем в 2 раза, что при серийном изготовлении трехкомпонентных вибропреобразователей дает существенный временной и, соответственно, экономический эффект.

Вышеприведенные зависимости показывают, что на эталонный и поверяемый вибропреобразователи действует один и тот же вектор виброускорения независимо от его возможного отклонения относительно заданного направления вектора вибровозбуждения из-за наличия поперечного движения вибростола поверочной виброустановки, что позволяет исключить влияние поперечного движения вибростола на точность измерения сопоставимых реакций обоих вибропреобразователей на воздействующие виброускорения.

Отклонения от взаимной параллельности осей чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей при их установке также не оказывают влияния на результат измерений модуля вектора виброускорения. Одновременное получение информации о метрологическом состоянии всех компонент поверяемого вибропреобразователя при его поверке сокращает время на ее проведение.

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поверки трехкомпонентных вибропреобразователей и/или калибровки при их изготовлении. В способе поверки трехкомпонентных вибропреобразователей используют воздействие на поверяемый и эталонный вибропреобразователи заданным однонаправленным виброускорением и непосредственно сличают измеренные сопоставимые реакции обоих вибропреобразователей на воздействующие проекции виброускорения, при этом эталонный и поверяемый трехкомпонентные вибропреобразователи устанавливают таким образом, чтобы их одноименные оси чувствительности были параллельны друг другу, вертикальную ось чувствительности каждого вибропреобразователя совмещают с плоскостью, проходящей через вектор воздействующего на этот вибропреобразователь однонаправленного виброускорения и биссектрису угла между его горизонтальными осями чувствительности и ориентируют ось под заданным острым углом относительно вектора своего воздействующего однонаправленного виброускорения, а на одноименные компоненты поверяемого и эталонного вибропреобразователей одновременно воздействуют одинаковыми компонентами векторов этого однонаправленного виброускорения, которые равны их проекциям на одноименные оси чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей. Технический результат - повышение точности поверки трехкомпонентного вибропреобразователя. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Способ поверки трехкомпонентных вибропреобразователей, использующий воздействие на поверяемый и эталонный вибропреобразователи заданными однонаправленными виброускорениями, векторы которых совпадают по направлениям с их осями чувствительности, и непосредственное сличение измеренных сопоставимых реакций обоих вибропреобразователей на воздействующие виброускорения, отличающийся тем, что эталонный и поверяемый трехкомпонентные вибропреобразователи устанавливают таким образом, чтобы их одноименные оси чувствительности были параллельны друг другу, вертикальную ось чувствительности каждого вибропреобразователя совмещают с плоскостью, проходящей через вектор воздействующего на этот вибропреобразователь однонаправленного виброускорения и биссектрису угла между его горизонтальными осями чувствительности и ориентируют ось под заданным острым углом относительно вектора своего воздействующего однонаправленного виброускорения, а на одноименные компоненты поверяемого и эталонного вибропреобразователей одновременно воздействуют одинаковыми компонентами векторов этого однонаправленного виброускорения, которые равны их проекциям на одноименные оси чувствительности поверяемого и эталонного вибропреобразователей.

2. Способ поверки по п. 1, отличающийся тем, что вертикальные оси поверяемого и эталонного вибропреобразователей ориентируют относительно заданного вектора воздействующего однонаправленного виброускорения под углами, предпочтительно, равными 54,7°.