Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов Российский патент 2019 года по МПК G01P15/09 G01P21/00 

Комплекс устройств относится к области приборостроения и может быть использован для дистанционного контроля работоспособности средств измерения параметров механических колебаний по преимуществу высокотемпературных объектов.

В средствах измерения параметров механических колебаний (вибраций) широко используются пьезоэлектрические вибропреобразователи, которые предназначены для работы в течение длительных периодов времени с минимальным обслуживанием в жестких условиях эксплуатации (повышенная температура, влажность, наличие агрессивной среды и т.д.). По этой причине возможно возникновение нарушений работы или отклонений от нормируемых в нормативных документах характеристик пьезоэлектрических вибропреобразователей и, как следствие, измерение параметров вибраций будет проводиться со значительными погрешностями (превышающими допустимые пределы) или информация о них будет вообще отсутствовать. В таких случаях возможен выход из строя объекта, вибрационные параметры которого предназначен измерять комплекс устройств с пьезоэлектрическим вибропреобразователем. Замена вышедшего из строя пьезоэлектрического вибропреобразователя часто является дорогостоящей операцией (а иногда она просто невозможна без длительных и затратоемких работ), поэтому периодический контроль работоспособности средств измерения с пьезоэлектрическим вибропреобразователем, установленным на объекте измерения с повышенной температурой, является актуальной задачей.

Известно техническое решение для измерения параметров механических колебаний объектов с повышенной температурой («Пьезоэлектрический акселерометр» RU 2097772, G01P 15/09, 1997.11.27).

Известное техническое решение содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь, предварительный усилитель с согласующей схемой, биполярным и полевым транзисторами, кабельную линию связи с концевым соединителем, источник питания и регистратор. Предварительный усилитель разделен на две части, одна из которых с согласующей схемой и биполярным и полевым транзисторами расположена вместе с пьезопреобразователем в его корпусе, а другая часть предварительного усилителя, с согласующим резистором, расположена вне корпуса пьезоэлектрического вибропреобразователя и связана с его первой частью линией связи с концевым соединителем.

Размещение второй части предварительного усилителя с согласующим резистором, определяющим режим работы и коэффициент усиления предварительного усилителя, в нормальные температурные условия позволяет известному техническому решению быть работоспособным в диапазоне температур объекта от -40 до +125°С.

К недостатку известного технического решения следует отнести отсутствие возможности дистанционного контроля его работоспособности.

Известно также техническое решение для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов («Пьезоэлектрический акселерометр» RU 140046 U1, G01P 15/09, 17.10.2013), которое позволяет измерять параметры механических колебаний объектов с повышенной температурой (от -60 до +250°С, а при использовании высокотемпературной пьезокерамики - до +400°С), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.

Известное техническое решение (фиг. 1) содержит измерительно-усилительный блок 1 и блок регистрации 2. В измерительно-усилительный блок 1 включены пьезоэлектрический вибропреобразователь 3, в корпусе которого размещен пьезопреобразователь 3₁. Пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 установлен на объекте 4, виброускорение которого измеряется в процессе эксплуатации. К сигнальному выходному контакту 3₂ пьезопреобразователя 3₁ подключена кабельная линия связи 5 с концевым соединителем 6, в котором установлена плата 10 с усилительно-преобразующим блоком 9, фильтром нижних частот 15 и источником опорного напряжения 16. Выходные контакты 6₁ и 6₂ концевого соединителя 6, которые являются токовым выходом усилительно-преобразующего блока 9, соединены соответственно с шиной питания 12 и общей шиной 13. Второй общий выходной контакт 3₃ пьезопреобразователя 3₁ соединен с корпусом вибропреобразователя 3 и общей шиной 13.

Усилительно-преобразующий блок 9 выполнен на базе дифференциального операционного усилителя 8 (цепи отрицательной обратной связи на фиг. 1 не показаны), инвертирующий вход 8₁ которого с помощью кабельной линии связи 5 соединен через входной резистор 7 с сигнальным выходным контактом 3₂ пьезопреобразователя 3₁, а выход 8₂ дифференциального операционного усилителя 8 подключен к базе 11₁ транзистора 11 структуры p-n-р. Эмиттер 11₂ и коллектор 11₃ транзистора 11, а также выводы питания 8₃ и 8₄ дифференциального операционного усилителя 8 через выходы 9₁ и 9₂ усилительно-преобразующего блока 9 подключены соответственно к шине питания 12 и к общей шине 13.

К неинвертирующему входу 8₅ дифференциального операционного усилителя 8 подключен через резистор 14 фильтра нижних частот 15 источник опорного напряжения 16 и первый вывод 17₁ конденсатора 17 фильтра нижних частот 15, который вторым выводом 17₂ соединен с общей шиной 13.

В блоке регистрации 2 размещены источник постоянного тока 18, выходной делитель переменного напряжения 19 и регистратор переменного напряжения 22. Первый вывод 18₁ источника питания постоянного тока 18 соединен с шиной питания 12, а второй вывод 18₂ - с общей шиной 13.

Выходной делитель переменного напряжения 19 содержит последовательно соединенные конденсатор 20 и резистор 21, при этом средняя точка между ними 19₁ подключена к входу регистратора переменного напряжения 22, вывод 20₁ конденсатора 20 подключен к шине питания 12, а вывод 21₁ резистора 21 - к общей шине 13.

Питание источника опорного напряжения 16 осуществляется от источника постоянного тока 18 через ограничительный резистор 29, подключенный к шине питания 12.

Известное техническое решение работает следующим образом.

Воздействие на корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 внешней вибрации со стороны объекта 4 вызывает появление на пьезопреобразователе 3₁ электрического заряда, пропорционального виброускорению, действующему на корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя 3. По кабельной линии связи 5 электрический заряд передается через входной резистор 7 на инвертирующий вход 8₁ дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9, размещенного на плате 10 в концевом соединителе 6. Электрический заряд преобразуется в электрическое напряжение, которое усиливается в дифференциальном операционном усилителе 8 усилительно-преобразующего блока 9 и поступает на базу 11₁ транзистора 11 структуры p-n-р.

Изменение внутреннего сопротивления транзистора 11 под действием напряжения на базе 11₁ вызывает модуляцию падения напряжения на переходе «эмиттер 11₁ - коллектор 11₂» транзистора 11. Усиленный модулированный сигнал в виде суммы постоянной и переменной составляющих напряжения поступает через контакты 6₁ и 6₂ концевого соединителя 6 на выходной делитель переменного напряжения 19, который с помощью конденсатора 20 и резистора 21 выходного делителя переменного напряжения 19 выделяет переменную составляющую напряжения, поступающую со средней точки 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19 на регистратор переменного напряжения 22. Амплитуда (или среднее квадратическое значение) напряжения, измеренная регистратором переменного напряжения 22, пропорциональна амплитуде (или среднему квадратическому значению) виброускорения, действующего на пьезоэлектрический вибропреобразователь 3.

Для выбора рабочей точки дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9 на его неинвертирующий вход 8₅ подается постоянное напряжение от источника опорного напряжения 16 через резистор 14 и конденсатор 17 фильтра нижних частот 15. Питание всего усилительно-преобразующего блока 9 и источника опорного напряжения 16 осуществляется от источника постоянного тока 18, обеспечивающего стабилизацию потребляемого тока на заданном уровне (например, 4 мА).

Размещение чувствительных к повышенной (пониженной) температуре радиоэлектронных элементов известного технического решения (плата 10) в концевом соединителе 6 приводит к исключению их теплового контакта с объектом измерения и, соответственно, к расширению рабочего диапазона температур при измерении параметров вибраций.

К недостатку известного технического решения следует отнести отсутствие возможности дистанционного контроля его работоспособности.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов, является расширение функциональных возможностей комплекса за счет реализации способности дистанционной проверки его работоспособности.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов, заключается в дистанционной проверке соответствия выходных параметров пьезоэлектрического вибропреобразователя и усилительно-преобразующего блока установленным значениям при воздействии на них тестового электрического сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом комплексе устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов, содержащем измерительно-усилительный блок и блок регистрации, при этом, измерительно-усилительный блок содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь, в корпусе которого размещен пьезопреобразователь, общий выходной контакт которого соединен с корпусом вибропреобразователя и общей шиной, кабельную линию связи с концевым соединителем и подключаемый к нему блок регистрации через два выходных контакта концевого соединителя, один из которых соединен с шиной питания, а второй - с общей шиной, размещенные на плате, установленной в концевом соединителе, усилительно-преобразующий блок, выполненный на базе дифференциального операционного усилителя, инвентирующий вход которого соединен через входной резистор с сигнальным выходным контактом пьезопреобразователя по кабельной линии связи, а выход - с базой транзистора структуры p-n-p, эмиттер и коллектор которого, а также выводы питания дифференциального операционного усилителя через первый и второй выходы усилительно-преобразующего блока соединены соответственно с шиной питания и общей шиной, фильтр нижних частот и источник опорного напряжения, первый вывод которого через резистор фильтра нижних частот соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, а через ограничительный резистор - с шиной питания, второй вывод источника опорного напряжения соединен с общей шиной, неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя соединен также с первым выводом конденсатора фильтра нижних частот, блок регистрации содержит источник постоянного тока, выводы которого через два выходных контакта концевого соединителя подключены к шине питания и общей шине измерительно-усилительного блока, выходной делитель переменного напряжения, включающий последовательно соединенные конденсатор выходного делителя и резистор выходного делителя, при этом первый вывод конденсатора выходного делителя подключен к шине питания, второй вывод резистора выходного делителя - к общей шине, а средняя точка между ними подключена к входу регистратора переменного напряжения, в отличие от известного технического решения в заявляемом комплексе концевой соединитель измерительно-усилительного блока снабжен дополнительным третьим выходным контактом, на плате, установленной в концевом соединителе, размещен дополнительный резистор, а блок регистрации дополнительно снабжен трехканальным двухпозиционным переключателем, источником тестового сигнала, запоминающим блоком, блоком сравнения и индикатором неисправности, при этом, второй вывод конденсатора фильтра нижних частот соединен с дополнительным третьим выходным контактом концевого соединителя, а через дополнительный резистор - с общей шиной, выход регистратора переменного напряжения соединен с первым и вторым каналами трехканального двухпозиционного переключателя, третий канал трехканального двухпозиционного переключателя соединен с дополнительным третьим выходным контактом концевого соединителя, первый и второй контакты первого канала трехканального двухпозиционного переключателя соединены с входом запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй контакт второго канала трехканального двухпозиционного переключателя соединен со вторым входом блока сравнения, первый контакт третьего канала трехканального двухпозиционного переключателя соединен с общей шиной, а второй контакт - с выходом источника тестового сигнала, причем, выход блока сравнения соединен с входом индикатора неисправности.

На фиг. 1 показана блок-схема прототипа заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов.

На фиг. 2 показана принципиальная схема измерительно-усилительного блока заявляемого комплекса.

На фиг. 3 показана блок-схема блока регистрации заявляемого комплекса.

Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов (фиг. 2 и фиг. 3) содержит первое устройство - измерительно-усилительный блок 1 и второе устройство - блок регистрации 2.

В измерительно-усилительном блоке 1 расположен пьезоэлектрический вибропреобразователь 3, в корпусе которого размещен пьезопреобразователь 3₁. Пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 установлен на объекте 4, виброускорение которого измеряется в процессе эксплуатации. К сигнальному выходному контакту 3₂ пьезопреобразователя 3₁ подключена кабельная линия связи 5 с концевым соединителем 6, соединяющая выходной контакт 3₂ пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 через входной резистор 7 с инвертирующим входом 8₁ дифференциального операционного усилителя 8 (цепь отрицательной обратной связи на фиг. 2 не показана) усилительно-преобразующего блока 9, размещенного на плате 10, установленной в концевом соединителе 6. Выход 8₂ дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9 соединен с базой 11₁ транзистора 11 структуры p-n-р. Эмиттер 11₂ и коллектор 11₃ транзистора 11 и выводы 8₃ и 8₄ дифференциального операционного усилителя 8 через выходы 9₁ и 9₂ усилительно-преобразующего блока 9, подключены соответственно к шине питания 12 и к общей шине 13, к которым подключены также контакты 6₁ и 6₂ концевого соединителя 6.

Общий выходной контакт 3₃ пьезопреобразователя 3₁ соединен с корпусом вибропреобразователя 3 и общей шиной 13.

К неинвертирующему входу 8₅ дифференциального операционного усилителя 8 подключены через резистор 14 фильтра нижних частот 15 источник опорного напряжения 16 и первый вывод 17₁ конденсатора 17 фильтра нижних частот 15. Элементы фильтра нижних частот 15 и источника опорного напряжения 16 размещены на плате 10.

Источником питания комплекса устройств блоков 1 и 2 служит источник постоянного тока 18, который выводом 18₁ соединен с шиной питания 12 через выходной контакт 6₁ концевого соединителя 6, а выводом 18₂ - с общей шиной 13 через выходной контакт 6₂ концевого соединителя 6.

Выходной делитель переменного напряжения 19, содержит последовательно соединенные конденсатор 20 и резистор 21, средняя точка между ними - 19₁ подключена к входу регистратора переменного напряжения 22. Вывод 20₁ конденсатора 20 подключен к шине питания 12, а вывод 21₁ резистора 21 - к общей шине 13. Выход регистратора переменного напряжения 22, соединен с двумя каналами 23₁ и 23₂ трехканального двухпозиционного переключателя 23.

Контакты 23_1-1 и 23_1-2 первого канала 23₁ трехканального двухпозиционного переключателя 23 соединены с входом запоминающего блока 24, выход которого соединен с первым входом 25₁ блока сравнения 25, контакт 23_2-2 второго канала 23₂ трехканального двухпозиционного переключателя 23 соединен со вторым входом 25₂ блока сравнения 25, выход которого соединен с входом индикатора неисправности 26.

Ко второму выводу 17₂ конденсатора 17 фильтра нижних частот 15 подключены первый вывод 27₁ дополнительного резистора 27 и через выходной контакт 6₃ концевого соединителя 6 - третий канал 23₃ трехканального двухпозиционного переключателя 23. Второй вывод 27₂ дополнительного резистора 27 соединен с общей шиной 13.

Контакт 23_3-1 третьего канала 23₃ трехканального двухпозиционного переключателя 23 подключен к общей шине 13, а контакт 23_3-2 - к выходу источника тестового сигнала 28.

Питание источника опорного напряжения 16 осуществляется от источника постоянного тока 18 через ограничительный резистор 29, подключенный к шине питания 12.

Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов работает следующим образом.

Пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 устанавливают на объект 4, виброускорение которого измеряется в процессе эксплуатации. С помощью кабельной линии связи 5 концевой соединитель 6 с платой 10 устанавливают на значительном расстоянии от объекта 4, что существенно снижает влияние температуры объекта 4 на электронные элементы, размещенные на плате 10.

В режиме измерения виброускорения трехканальный двухпозиционный переключатель 23 устанавливают в первое положение (каналы трехканального двухпозиционного переключателя 23 соединены с первыми контактами: 23_1-1, 23_2-1, 23_3-1; положение переключателя, указанное на фиг. 3). Воздействие на пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 внешней вибрации со стороны объекта 4 вызывает появление электрического заряда на пьезопреобразователе 3₁, пропорционального действующему на него со стороны объекта 4 виброускорению. По кабельной линии связи 5 электрический заряд от пьезопреобразователя 3₁ поступает через входной резистор 7 на инвертирующий вход 8₁ дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9, расположенного на плате 10 в концевом соединителе 6. Электрический заряд усиливается в дифференциальном операционном усилителе 8, преобразуется в электрическое напряжение и поступает на базу 11₁ транзистора 11 структуры p-n-р.

Изменение внутреннего сопротивления транзистора 11 под воздействием напряжения на базе 11₁ вызывает модуляцию падения напряжения на переходе «эмиттер 11₁ - коллектор 11₂» транзистора 11.

Усиленный модулированный сигнал в виде суммы постоянной и переменной составляющих напряжения поступает через контакты 6₁ и 6₂ концевого соединителя 6 на выходной делитель переменного напряжения 19. Конденсатор 20 с резистором 21 выходного делителя 19 выделяют переменную составляющую напряжения, которая со средней точки 19₁ выходного делителя 19 поступает на регистратор переменного напряжения 22, с выхода которого через контакты 23_1-1 и 23_1-2 первого канала 23₁ трехканального двухпозиционного переключателя 23 - на вход запоминающего блока 24. Амплитуда (или среднее квадратическое значение) напряжения, измеренная регистратором переменного напряжения 22, пропорциональна амплитуде (или среднему квадратическому значению) виброускорения, действующего на пьезоэлектрический вибропреобразователь 3.

Выбор рабочей точки дифференциального операционного усилителя 8 производится с помощью источника опорного напряжения 16, соединенного через резистор 14 фильтра нижних частот 15 с неинвертирующим входом 8₅ дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9.

Питание усилительно-преобразующего блока 9 и источника опорного напряжения 16 осуществляется от источника постоянного тока 18, обеспечивающего стабилизацию потребляемого тока на заданном уровне (например, 4 мА).

Проверка работоспособности комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов осуществляется следующим образом.

При первичной поверке в соответствии с ГОСТ 8.669-2009 пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 комплекса устанавливают на вибростол рабочего эталона единиц параметров вибрации. Подключают все блоки комплекса устройств в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3. Каналы трехканального двухпозиционного переключателя 23 переключают в первое положение. На вибростоле рабочего эталона единиц параметров вибрации задают эталонное значение амплитуды (или среднего квадратического значения) виброускорения (например, ). Измеренное регистратором переменного напряжения 22 значение амплитуды (или среднего квадратического значения) переменного напряжения, которое пропорционально действующему на пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 эталонному виброускорению, поступает на первый 23₁ и второй 23₂ каналы трехканального двухпозиционного переключателя 23. С первого канала 23₁ трехканального двухпозиционного переключателя 23 напряжение поступает на контакт 23_1-1 и на вход запоминающего блока 24, где определяется, а затем и фиксируется в паспорте комплекса действительное значение коэффициента преобразования (пКл/мс^-2) пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 на базовой частоте (например, 160 Гц), определяемое по формуле, пКл/мс^-2,

где - амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19, измеренное с помощью регистратора переменного напряжения 22, мВ;

- амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) виброускорения, задаваемого с помощью рабочего эталона единиц параметров вибрации, мс^-2;

- значение емкости конденсатора в цепи отрицательной обратной связи дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9 (на фиг. 1 и фиг. 2 конденсатор не показан, значение емкости этого конденсатора указывается в паспорте на комплекс устройств), нФ.

В запоминающем блоке 24 фиксируется также амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19, измеренное регистратором переменного напряжения 22.

После установки на место эксплуатации пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 подключают все блоки комплекса устройств в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3, переводят трехканальный двухпозиционный переключатель 23 во второе положение (подключаются контакты каналов 23_1-2, 23_2-2 и 23_3-2), подают от источника тестового сигнала 28 на базовой частоте через конденсатор 17 фильтра нижних частот 15 переменное напряжение на неинвертирующий вход 8₅ дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9 и подбирают начальное амплитудное (или среднее квадратическое) значение напряжения на выходе источника тестового сигнала 28, соответствующее действующему на пьезоэлектрический вибропреобразователь значению амплитуды (или среднему квадратическому значению) виброускорения, при котором во время первичной поверки определялось действительное значение коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 (например, ).

В этом случае амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19 должно быть равно (допустимо при незначительном превышении шумового порога напряжением увеличивать таким образом, чтобы амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19 было кратно значению (например, или ). Частота сигнала на выходе источника тестового сигнала 28 должна быть равна частоте сигнала, при которой определялось действительное значение коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 (например, 160 Гц).

Значение напряжения (и кратность напряжения если оно применялось) сохраняется в запоминающем устройстве 24 и фиксируется в паспорте комплекса. При фиксированном значении изменяют частоту источника тестового сигнала 28 от базового значения до величины 1,2 F_Уст, где F_Уст - значение частоты установочного резонанса, которое должно соответствовать указанному в паспорте на пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 (отличие не должно превышать, например, 10%). В запоминающем блоке 24 фиксируют значение F_Уст и амплитуду сигнала на выходе регистратора переменного напряжения 22 на частоте F_Уст (или среднее квадратическое значение).

Переводят трехканальный двухпозиционный переключатель 23 в первое положение, после чего комплекс устройств готов к работе в режиме измерений виброускорения.

Информация о текущем амплитудном значении (или о среднем квадратическом значении) виброускорения, воздействующем на пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 со стороны объекта 4, получают по напряжению, измеренному регистратором переменного напряжения 22, по формуле,

где - текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) напряжения в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19, измеренное с помощью регистратора переменного напряжения 22, мВ;

- текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) виброускорения, действующего на пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 со стороны объекта 4, мс^-2.

Через интервал времени, регламентированный в нормативной документации на комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов осуществлют проверку его работоспособности. Для этого переводят трехканальный двухпозиционный переключатель 23 во второе положение и через конденсатор 17 фильтра нижних частот подают на неинвертирующий вход 8₅ дифференциального операционного усилителя 8 усилительно-преобразующего блока 9 электрический сигнал на базовой частоте с выхода источника тестового сигнала 28, амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) которого равно записанному в паспорте комплекса значению В средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19 текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) сигнала измеряется регистратором переменного напряжения 22 и передается через контакт 23_2-2 трехканального двухпозиционного переключателя 23 на второй вход 25₂ блока сравнения 25, в котором текущее амплитудное значение (или среднее квадратическое значение) сигнала сравнивается с сохраненным в запоминающем блоке 24 значением При сравнении измеренных и сохраненных в запоминающем блоке 24 значений напряжения возможны несколько вариантов.

1. Если в блоке сравнения 25 выполняется условие

(отклонение не должно превышать регламентированного в технических условиях на комплекс устройств значения, например, 5%), то в индикатор неисправности 26 поступает команда об исправном состоянии комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов.

2. Если в блоке сравнения 25 выполняется условие

и отклонение превышает значение, регламентированное в нормативных документах на комплекс устройств, то в индикатор неисправности 26 поступает команда о неисправном состоянии комплекса устройств.

3. Если же в блоке сравнения 25 выполняются условия:

то произошло отсоединение выходных контактов 3₂ и/или 3₃ пьезопреобразователя 3₁ от кабельной линии связи 5 или обрыв самой кабельной линии связи 5. В индикатор неисправности 26 поступает команда о неисправном состоянии комплекса устройств.

4. Если выполняется условие по пункту 1, то с помощью источника тестового сигнала 28 проверяется текущее значение частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя 3. Для этого при фиксированном значении изменяют частоту источника тестового сигнала 28 от базового значения (например, 160 Гц) до величины 1,2 F_Уст, где - значение частоты установочного резонанса, сохраненное в запоминающем блоке 24 (отличие не должно превышать заданного значения, например, 10%). При отсутствии отклонений, превышающих заданные значения, в индикатор неисправности 26 поступает команда об исправном состоянии комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов.

При регистрации неисправности комплекса дальнейшие действия оператора связаны с определением источника неисправности.

На нашем предприятии были изготовлены 3 опытных образца (№№17114, 17117 и 17118) заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов со следующими элементами:

- пьезоэлектрические вибропреобразователи со сдвиговой деформацией пьезоэлементов (по патенту RU 143487 U1), в которых

- пьезопреобразователь (поз. 3₁, см. фиг. 2 и фиг. 3) имеет:

пьезопакет, содержащий 4 прямоугольных пьзокерамических пластины,

изготовленных из материала ЦТС-26, ТНАВ - 1;

размеры прямоугольных пьзокерамических пластин - 8,5×8 мм²;

толщина - 0,72 мм; инерционная масса - 15 г;

- дифференциальный операционный усилитель - AD8627 (поз. 8):

- источник опорного напряжения - AD1580BRT (поз. 16);

- транзистор - ВС860С (поз. 11);

- источник питания постоянного тока - LM334Z (поз. 18);

- регистратор переменного напряжения - вольтметр Agilent 34401А (поз. 22);

- резистор - Р1-33-1-1 (200 Ом) (поз. 7);

- резистор - Р1-33-1-1 (10 МОм) (поз. 14);

- резистор - P1-33-1 (1 МОм) (поз. 21);

- резистор - P1-33-1-1 (1 кОм) (поз. 27);

- резистор - Р1-33-1-1 (30 кОм) (поз. 29);

- конденсатор - К10-43 (0,33 мкФ); (поз. 17)

- конденсатор - К10-43 (10 мкФ) (поз. 20).

Электронные элементы с усилительно-преобразующим блоком 9, фильтром нижних частот 15 и источником опорного напряжения 16 установлены на двусторонней печатной плате 10 с размерами 10×11 мм² с применением ЧИП-элементов для поверхностного монтажа и размещены в концевом соединителе 6 (длина кабеля от пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 до платы 10 от 0,6 до 1 м). Плата 10 размещается между контактами концевого соединителя 6 типа 2РМДТ18КПЭ4Г5В1В. Для обеспечения герметичности концевого соединителя 6 используется герметик «ВИКСИНТ». Конструкция концевого соединителя 6 с размещенной в нем платой 10 позволяет проводить измерения при температурах, границы которого обуславливаются только эксплуатационными характеристиками используемого пьезопреобразователя 3₁ (см., например, пьезоэлектрический вибропреобразователь МВ-44 номер в Государственном реестре средств измерений РФ 21349-06 от 15.03.2012 г., у которого температурные условия эксплуатации, °С от минус 60 до плюс 400).

Последовательность проводимых экспериментов с каждым образцом комплекса устройств следующая.

В соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 8.669 - 2009 определяются действительное значение коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя и значение частоты установочного резонанса которые фиксируются в запоминающем блоке 24 вместе со средним квадратическим значением напряжения на выходе регистратора переменного напряжения

Пьезоэлектрический вибропреобразователь 3 устанавливали на имитатор объекта 4 (инерционная масса которого в 10 раз больше массы пьезоэлектрического вибропреобразователя 3) и подключали все блоки комплекса устройств в соответствии с фиг. 2 и фиг. 3.

По описанной выше процедуре определили

- среднее квадратическое значение напряжения на выходе источника тестового сигнала 28 при котором среднее квадратическое значение напряжения в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19 равно сохраненному в запоминающем блоке 24 напряжению (в эксперименте ),

- значение частоты установочного резонанса F_Уст, которое должно быть равно (отличие не должно превышать 5%).

На следующем этапе опытные образцы пьезоэлектрического вибропреобразователя 3, входящего в состав комплекса устройств, подвергали процедуре располяризации (на них воздействовали постоянным напряжением от 500 до 1000 В), после чего определяли текущие значения и (при ) и влияние обрыва соединения в линии передачи электрического сигнала от пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 к расположенной в концевом соединителе 6 плате 10.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Из таблицы следует, что после воздействия на экспериментальные образцы пьезоэлектрических вибропреобразователей постоянным напряжением от 500 до 1000 В (после располяризации) переменное напряжение на выходе усилительно-преобразующего блока 9 и измеренное регистратором переменного напряжения 22 в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19 изменилось ~ -8% при подаче напряжения 100 мВ (среднее квадратическое значение) на неинвертирующий вход 8₅ дифференциального операционного усилителя 8 с выхода источника тестового сигнала 28. Так как коэффициент преобразования усилительно-преобразующего блока 9 не изменялся, то изменение напряжения на выходе усилительно-преобразующего блока 9 подтверждает изменение коэффициентов преобразования пьезоэлектрических вибропреобразователей, что свидетельствует об их неисправном состоянии.

При имитации обрыва соединения в линии передачи электрического сигнала от пьезоэлектрического вибропреобразователя 3 к расположенной в концевом соединителе 6 плате 10 с усилительно-преобразующим блоком 9 напряжение на выходе усилительно-преобразующего блока 9 находилось в пределах При этом, напряжение, измеренное регистратором напряжения 22 в средней точке 19₁ выходного делителя переменного напряжения 19,

но

Это свидетельствует о том, что произошло отсоединение выходных контактов 3₂ и/или 3₃ пьезопреобразователя 3₁ от кабельной линии связи 5 или обрыв самой кабельной линии связи 5.

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

Комплекс устройств относится к области приборостроения и может быть использован для дистанционного контроля работоспособности средств измерения параметров механических колебаний по преимуществу высокотемпературных объектов. Комплекс содержит два устройства - измерительно-усилительный блок и блок регистрации. Измерительно-усилительный блок включает пьезоэлектрический вибропреобразователь, установленный на объекте, кабельную линию связи с концевым соединителем, а также размещенные на плате, установленной в концевом соединителе, усилительно-преобразующий блок, источник опорного напряжения и фильтр нижних частот. Кабельная линия связи соединяет выход пьезоэлектрического вибропреобразователя через входной резистор с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, составляющего основу усилительно-преобразующего блока. Блок регистрации включает источник питания, выходной делитель переменного напряжения, регистратор переменного напряжения, трехканальный двухпозиционный переключатель, запоминающий блок, блок сравнения, индикатор неисправности и источник тестового сигнала. Источник тестового сигнала в режиме проверки работоспособности комплекса подключается через третий выходной контакт концевого соединителя и конденсатор фильтра нижних частот к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя. Размещение в концевом соединителе на значительном расстоянии от объекта измерения чувствительных к повышенной (пониженной) температуре радиоэлектронных элементов измерительно-усилительного блока приводит к исключению их теплового контакта с объектом измерения и, соответственно, к расширению рабочего диапазона температур при измерении параметров вибраций, который в этом случае определяется только эксплуатационными характеристиками используемого пьезоэлектрического вибропреобразователя. Технический результат заключается в обеспечении возможности дистанционной проверки путем определения соответствия выходных параметров пьезоэлектрического вибропреобразователя и усилительно-преобразующего блока установленным значениям при воздействии на них тестового электрического сигнала. 1 табл., 3 ил.

Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов, содержащий измерительно-усилительный блок и блок регистрации, при этом измерительно-усилительный блок содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь, в корпусе которого размещен пьезопреобразователь, общий выходной контакт которого соединен с корпусом вибропреобразователя и общей шиной, кабельную линию связи с концевым соединителем и подключаемый к нему блок регистрации через два выходных контакта концевого соединителя, один из которых соединен с шиной питания, а второй - с общей шиной, размещенные на плате, установленной в концевом соединителе, усилительно-преобразующий блок, выполненный на базе дифференциального операционного усилителя, инвентирующий вход которого соединен через входной резистор с сигнальным выходным контактом пьезопреобразователя по кабельной линии связи, а выход - с базой транзистора структуры p-n-р, эмиттер и коллектор которого, а также выводы питания дифференциального операционного усилителя через первый и второй выходы усилительно-преобразующего блока соединены соответственно с шиной питания и общей шиной, фильтр нижних частот и источник опорного напряжения, первый вывод которого через резистор фильтра нижних частот соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, а через ограничительный резистор - с шиной питания, второй вывод источника опорного напряжения соединен с общей шиной, неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя соединен также с первым выводом конденсатора фильтра нижних частот, блок регистрации содержит источник постоянного тока, выводы которого с через два выходных контакта концевого соединителя подключены к шине питания и общей шине измерительно-усилительного блока, выходной делитель переменного напряжения, включающий последовательно соединенные конденсатор выходного делителя и резистор выходного делителя, при этом первый вывод конденсатора выходного делителя подключен к шине питания, второй вывод резистора выходного делителя - к общей шине, а средняя точка между ними подключена к входу регистратора переменного напряжения, отличающийся тем, что концевой соединитель измерительно-усилительного блока снабжен дополнительным третьим выходным контактом, на плате, установленной в концевом соединителе, размещен дополнительный резистор, а блок регистрации дополнительно снабжен трехканальным двухпозиционным переключателем, источником тестового сигнала, запоминающим блоком, блоком сравнения и индикатором неисправности, при этом второй вывод конденсатора фильтра нижних частот соединен с дополнительным третьим выходным контактом концевого соединителя, а через дополнительный резистор - с общей шиной, выход регистратора переменного напряжения соединен с первым и вторым каналами трехканального двухпозиционного переключателя, третий канал трехканального двухпозиционного переключателя соединен с дополнительным третьим выходным контактом концевого соединителя, первый и второй контакты первого канала трехканального двухпозиционного переключателя соединены с входом запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй контакт второго канала трехканального двухпозиционного переключателя соединен со вторым входом блока сравнения, первый контакт третьего канала трехканального двухпозиционного переключателя соединен с общей шиной, а второй контакт - с выходом источника тестового сигнала, причем, выход блока сравнения соединен с входом индикатора неисправности.