Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности Российский патент 2024 года по МПК G01P15/09 

Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим устройствам, предназначенным для измерения вибрационного ускорения на работающих объектах (преимущественно высокотемпературных) с целью виброконтроля, вибромониторинга и вибродиагностики в различных областях техники, в том числе на энерговырабатывающих и нефтеперерабатывающих объектах, на объектах ракетно-космической техники, авиации, иных транспортных средствах.

Анализ существующих средств измерений параметров вибрации показывает, что чаще всего для решения этих задач применяются в качестве первичных преобразователей пьезоэлектрические датчики, т.к. обладают рядом достоинств: простота и дешевизна конструкции, относительно небольшие габаритные размеры и масса, механическая прочность, широкий частотный и амплитудный диапазоны измерений, возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала и т.д. (см., например, М. Serridge, Т. Licht/ "Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers. Theory and Application Handbook", pp. 12 - 13//«Пьезоэлектрические акселерометры и вибрационные предусилители. Справочник по теории и эксплуатации», с. 12-13). По этой причине ниже рассматриваются только комплексы устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с пьезоэлектрическими вибропреобразователями, измеряющими виброускорение, однако все практические выводы могут быть распространены и на пьезоэлектрические вибропреобразователи, измеряющие виброскорость и виброперемещение.

Следует отметить, что максимальные значения составляющих погрешности у пьезоэлектрических вибропреобразователей определяются неравномерностью их частотной характеристики и зависимостью коэффициента преобразования от температуры, действующей как на измерительное устройство, так и на систему обработки электрических сигналов с выхода этих устройств.

Неравномерность частотной характеристики является составляющей основной погрешности пьезоэлектрического вибропреобразователя (см. ГОСТ Р 8.669 - 2009 «ГСИ. Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки») и может быть уменьшена как за счет уменьшения рабочего частотного диапазона средства измерений, так и за счет линеаризации частотной характеристики с помощью фильтров, что определяется спецификой дальнейшего их применения.

Зависимость от температуры является дополнительной погрешностью для пьезоэлектрических вибропреобразователей, которая регламентируется в Технических условиях, и проявляется только во время эксплуатации средства измерений при отклонении от нормальной температуры, действующей пьезоэлектрический вибропреобразователь и на систему обработки электрических сигналов с выхода этих средств измерений. Принципиально пьезоэлектрические вибропреобразователи могут работать при достаточно высоких температурах (350°С и выше), но их коэффициент преобразования («чувствительность» в зарубежных источниках) существенно изменяется при повышенных (пониженных) температурах. Появление дополнительной температурной погрешности пьезоэлектрического вибропреобразователя, в первую очередь, связано с влиянием температуры на диэлектрическую проницаемость применяемого пьезоматериала, его коэффициент электромеханического преобразования в измеряемом направлении и т.д. (см. например, Ю.И. Иориш «Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы»/ГНТИ «Машиностроительной литературы», М., 1963, с 507-519). Эксперименты показывают, что дополнительная погрешность, вызванная отклонением от нормальной температуры, действующей на пьезоэлектрический вибропреобразователь и систему обработки информации с его выхода, может достигать 30% и более даже в диапазоне до 250°С, что во многих случаях эксплуатации является недопустимым. Разработка и изготовление специальной высокотемпературной пьезокерамики требует больших финансовых затрат, что не всегда целесообразно. Поэтому задача уменьшения температурной погрешности комплексов устройств с пьезоэлектрическими вибропреобразователями, изготовленными из относительно низкотемпературной пьезокерамики (например, ЦТС-19, ЦТС-26 и т.д.), является актуальной.

Известно техническое решение для измерения параметров механических колебаний объектов с повышенной температурой («Sensitivity dynamic compensation method and compensation device for high-temperature acceleration sensor»; «Способ динамической компенсации чувствительности и устройство для компенсации высокотемпературного датчика ускорения»; CN 114689900 A, G01P 15/00, G01P 21/00, 2022-07-01).

Известное техническое решение динамической компенсации чувствительности (коэффициента преобразования) содержит датчики ускорения, датчик температуры, аналого-цифровой преобразователь, одноплатный компьютер, блок интерфейса сигналов, монитор (экран или какой-либо другой индикатор).

Известное техническое решение динамической компенсации чувствительности (коэффициента преобразования) работает следующим образом. Определяются чувствительности (коэффициенты преобразования) датчиков ускорения при соответствующей температуре для базы данных, после чего создается база данных температурных чувствительностей (коэффициентов преобразования)

высокотемпературных датчиков ускорения, которая размешается в одноплатном компьютере (как правило, эта процедура осуществляется в процессе испытаний выпускаемых датчиков ускорения); в соответствии с руководством по эксплуатации в различных точках объекта, вибрацию которого следует измерять, устанавливают высокотемпературные датчики ускорения и элементы соответствующей системы обработки информации. В процессе эксплуатации датчиков ускорения и датчика температуры получают сигналы, которые усиливаются, преобразуются в цифровую форму, после чего сравниваются с данными, зафиксированными в базе данных. Если температура не отличается от нормальной, то измеренные параметры вибрации на выходах датчиков ускорения не корректируются, преобразуются в цифровую форму и поступают на монитор (экран или какой-либо другой индикатор). Если же температура отклонилась от нормальной, то проводится компенсация чувствительности (коэффициента преобразования) сравнением с данными, зафиксированными в базе данных. В соответствии с изменением температуры, точное значение которой определяется с помощью датчика температуры, сигнал высокотемпературного датчика ускорения может динамически компенсироваться. Это позволяет получить с фиксированной или переменной температурой значение амплитуды (или среднего квадратического значения) вибрации, действующей на датчик ускорения.

При серийном производстве вибропреобразователей (особенно пьезоэлектрических) создать базу данных для каждого выпускаемого вибропреобразователя сложно (требуется большое количество временных, энергетических и иных затрат), т.к. чувствительность (коэффициент преобразования) и собственная емкость пьезоэлемента, входящего в состав пьезоэлектрического вибропреобразователя, изменяются в больших пределах, по разным и достаточно сложным законам, даже у однотипных пьезоэлектических вибропреобразователей. Это приводит к изменению чувствительности (коэффициента преобразования) пьезоэлектрического вибропреобразователя и, при его отсутствии в базе данных, к снижению точности измерения. При этом, практика показывает, что даже при температуре действующей на вибропреобразователь от минус 40 до плюс 100°С, изменение чувствительности (коэффициента преобразования) и собственной емкости пьезоэлемента находится в пределах 10-12%. Дальнейшее повышение (понижение) температуры приводит к резкому увеличению отклонения чувствительности (коэффициента преобразования) и собственной емкости пьезоэлемента от значений при нормальных условиях (см., например, М. Serridge, Т. Licht/ "Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers. Theory and Application Handbook", pp. 80-84//«Пьезоэлектрические акселерометры и вибрационные предусилители. Справочник по теории и эксплуатации», с. 80-84).

Недостатком известного технического решения является снижение точности измерений параметров вибрации при серийном выпуске пьезоэлектрических вибропреобразователей, а также усложнение конструкции и системы обработки информации.

Известно техническое решение для измерения параметров механических колебаний объектов с повышенной температурой («Пьезоэлектрический акселерометр», RU 2196997, G01P 15/09, G01B 7/34, 10.04.2002).

Известное техническое решение содержит чувствительный пьезоэлемент, расположенный в корпусе пьезоэлектрического вибропребразователя, инерционную массу, прикрепленную к чувствительному пьезоэлементу, кабельную линию связи, соединяющую чувствительный пьезоэлемент с системой обработки информации, включающей RC-фильтр низкой частоты, потенциалозадающий резистор, включенный параллельно конденсатору RC-фильтра, усилитель, выполненный на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении и подключенный входом к выходу RC-фильтра, источник опорного напряжения, соответствующий полюс которого соединен с общим выводом чувствительного пьезоэлемента, конденсатора RC-фильтра и потенциалозадающего резистора, блок регистрации и термостабильный компенсирующий конденсатор, включенный последовательно между соответствующими выводами чувствительного пьезоэлемента и резистора RC-фильтра.

Известное техническое решение работает следующим образом. Вибрация объекта, на котором установлен пьезоэлектрический вибропребразователь, воздействует на инерционную массу, которая, в свою очередь, воздействует на чувствительный пьезоэлемент. Последний вырабатывает под действием вибрации электрический заряд, пропорциональный величине действующего на чувствительный пьезоэлемент виброускорения. Электрический заряд поступает через компенсирующий конденсатор на RC-фильтр, в котором он фильтруется и преобразуется в электрическое напряжение и поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. С помощью операционного усилителя электрическое напряжение усиливается и поступает на вход блока регистрации, в котором и определяется действующее на пьезоэлектрический вибропреобразователь виброускорение. Принятое последовательное включение термостабильного компенсирующего конденсатора, имеющего практически нулевой температурный коэффициент емкости, позволяет уменьшить относительную погрешность измерения виброускорения, обусловленную изменением собственной емкости чувствительного пьезоэлемента в диапазоне температур от минус 40 до плюс 125°С.

Однако, известно, что последовательное подключение к пьезоэлектрическому вибропреобразователю, который имеет сугубо емкостной характер, термостабильного компенсирующего конденсатора приводит к уменьшению их суммарной емкости и коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя и, соответственно, к снижению уровня выходного сигнала при заданном значении действующей на него вибрации, соответственно, точность измерения ее параметров уменьшается (см., например, М. Serridge, Т. Licht / "Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers. Theory and Application Handbook", pp. 26-27 // «Пьезоэлектрические акселерометры и вибрационные предусилители. Справочник по теории и эксплуатации», с. 26-27).

Недостатком известного технического решения является ограниченный рабочий температурный диапазон (от минус 40 до 125°С), и снижение точности измерения параметров вибрации при превышении указанного диапазона температур.

Известно техническое решение для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов («Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов», RU 2705747, G01P 15/09, G01P 21/00, 07.08.2018), которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.

Известное техническое решение содержит (фиг. 1) измерительно-усилительный блок 1, в состав которого входят пьезоэлектрический вибропреобразователь 2 с платой 3, с установленным на ней усилительно-преобразующим блоком 4, источником опорного напряжения и фильтром нижних частот, и блок регистрации 5. Пьезоэлектрический вибропреобразователь 2 установлен на объекте 6, параметры механических колебаний которого измеряются.

В корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 установлен пьезочувствительный элемент 2₁, а его сигнальный выходной контакт 2₂ соединен с входом кабельной линии связи 9. Общий выходной контакт 2₃ пьезоэлектрического вибропреобразователя соединен с инерционной массой 2₄, объектом 6, параметры механических колебаний которого измеряются, и экраном кабельной линии связи 9. Кабельная линия связи 9 соединяет выход пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 через входной резистор с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока 4 (на фиг. 1 электронные элементы, размещенные на плате 3, не показаны), выход дифференциального операционного усилителя подключен к базе транзистора структуры р-n-р, эмиттер которого соединен через контакт 10₁ концевого соединителя 10 с линией связи 11, а коллектор - через контакт 10₂ концевого соединителя 10 с линией связи 12.

Блок регистрации 5 включает источник питания, выходной делитель переменного напряжения, регистратор переменного напряжения, трехканальный двухпозиционный переключатель, запоминающий блок, блок сравнения, индикатор неисправности и источник тестового сигнала (на фиг. 1 состав блока регистрации 5 не показан).

Размещение в концевом соединителе 10 на значительном расстоянии от объекта измерения 6 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 эксплуатационными характеристиками используемого пьезоэлектрического вибропреобразователя (общепромышленные пьезоэлектрические вибропреобразователи имеют, как правило, точку Кюри не менее 350°С). Однако, радиоэлектронные элементы измерительно-усилительного блока 4 обычного исполнения надежно работают только при повышенных температурах окружающей среды до 125°С, поэтому превышение температурного режима свыше 125°С снижает точность результатов измерений параметров вибраций.

Известное техническое решение работает следующим образом. Воздействие на корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 внешней вибрации со стороны объекта 6 измерения вызывает появление на пьезочувствительном элементе 2₁ электрического заряда, пропорционального амплитуде (или среднему квадратическому значению) виброускорения, действующего на корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя 2. По кабельной линии связи 9 электрический заряд через входной резистор передается на инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока 4, размещенного на плате 3 в концевом соединителе 10. Электрический заряд усиливается с помощью дифференциального операционного усилителя, преобразуется в электрическое напряжение, фильтруется фильтром нижних частот и поступает на блок регистрации 5, выделяющий и измеряющий с помощью регистратора переменного напряжения переменную составляющую поступающего сигнала, амплитуда которого (или среднее квадратическое значение) пропорциональна виброускорению, действующему на корпус пьезоэлектрического вибропреобразователя 2.

Для проверки наличия или отсутствия неисправности в пьезоэлектрическом вибропреобразователе 2 и усилительно-преобразующем блоке 4 в процессе эксплуатации в блоке регистрации 5 размещены источник тестового сигнала, от которого на неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя, установленного на плате 3 в концевом соединителе 10 поступает через трехканальный двухпозиционный переключатель тестовый сигнал. Реакция усилительно-преобразующего блока 4 на тестовый сигнал сравнивается с зафиксированным в блоке сравнения сигналом, сохраненным в запоминающем блоке перед вводом его в эксплуатацию, после чего в индикаторе неисправности делается вывод о работоспособности пьезоэлектрического вибропреобразователя и усилительно-преобразующего блока 4.

Размещение чувствительных к повышенной (пониженной) температуре радиоэлектронных элементов известного технического решения на плате 3 в концевом соединителе 10 приводит к исключению их теплового контакта с объектом измерения 6 и, соответственно, к расширению рабочего диапазона температур при измерении параметров вибраций, по крайней мере, до 125°С. Однако, коэффициент преобразования и собственная емкость чувствительного пьезоэлемента 2₁ изменяются в значительно бо'льших пределах при измерении вибрации объектов с повышенной (пониженной) температурой (от минус 60 до плюс 250°С), что приводит к изменению коэффициента преобразования всего пьезоэлектрического вибропреобразователя с дифференциальным операционным усилителем и, как следствие, к снижению точности измерения.

Недостатком известного технического решения является ограниченный рабочий температурный диапазон (от минус 40 до 125°С) и снижение точности измерения параметров вибрации при превышении указанного диапазона температур.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности является повышение точности измерения параметров механических колебаний преимущественно высокотемпературных объектов, при воздействии на него повышенных (пониженных) температур от минус 60 до 250°С.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности, заключается в уменьшении отклонения коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя с усилительно-преобразующим блоком, входящих в состав комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности, при воздействии на него повышенной (пониженной) температуры (от минус 60 до 250°С), от значения, полученного при нормальной температуре.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом комплексе устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности, содержащем измерительно-усилительный блок и блок регистрации, при этом, измерительно-усилительный блок включает пьезоэлектрический вибропреобразователь с размещенными в его корпусе пьезочувствительным элементом с инерционной массой, сигнальным и общим выходными контактами, кабельную линию связи с концевым соединителем, а также размещенные на плате, установленной в концевом соединителе, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот и усилительно-преобразующий блок, содержащий охваченный емкостной отрицательной обратной связью дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого через входной резистор соединен с сигнальным контактом кабельной линии связи, а своим выходом дифференциальный операционный усилитель подключен к базе транзистора структуры р-n-р, эмиттер которого соединен через контакты концевого соединителя с блоком регистрации, при этом, общий выходной контакт пьезоэлектрического вибропреобразователя соединен с его инерционной массой, объектом, параметры механических колебаний которого измеряются, и экраном кабельной линии связи, а блок регистрации, содержащий источник питания постоянного тока, выходной делитель переменного напряжения, регистратор переменного напряжения, трехканальный двухпозиционный переключатель, источник тестового сигнала, запоминающий блок, блок сравнения и индикатор неисправности, подключен к плате, установленной в концевом соединителе, в отличие от известного технического решения заявляемый комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности снабжен дополнительным блоком из двух конденсаторов, включенных параллельно друг другу, один из которых имеет отрицательный температурный коэффициент емкости, а второй - нулевой температурный коэффициент емкости, при этом, дополнительный блок конденсаторов подключен, с одной стороны, к сигнальному контакту пьезочувствительного элемента пьезоэлектрического вибропреобразователя, а с другой - к сигнальному контакту кабельной линии связи.

Указанный технический результат достигается также тем, что дополнительный блок конденсаторов установлен в корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности.

На фиг. 1 показана схема прототипа заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности.

На фиг. 2 показана схема заявляемого комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности.

Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности (фиг. 2) содержит измерительно-усилительный блок 1, в состав которого входят пьезоэлектрический вибропреобразователь 2 с платой 3, с установленным на ней усилительно-преобразующим блоком 4, источником опорного напряжения и фильтром нижних частот (на фиг. 2 электронные элементы, размещенные на плате 3, не показаны), и блок регистрации 5. Пьезоэлектрический вибропреобразователь 2 установлен на объекте 6, параметры механических колебаний которого измеряются.

В корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 установлен пьезочувствительный элемент 2₁, а его сигнальный выходной контакт 2₂ соединен с входом дополнительного блока, состоящего из двух подключенных параллельно друг другу конденсаторов 7 и 8, один из которых 7 имеет отрицательный температурный коэффициент емкости, а второй 8 - нулевой температурный коэффициент емкости. Общий выходной контакт 2₃ пьезочувствительного элемента 2₁ соединен с инерционной массой 2₄ пьезоэлектрического вибропреобразователя 2, общим контактом объекта 6, параметры механических колебаний которого измеряются, и экраном кабельной линии связи 9. Выход дополнительного блока конденсаторов 7 и 8 соединен с началом сигнального контакта кабельной линии связи 9, подключенной вторым концом к входу усилительно-преобразующего блока 4, установленного на плате 3, размещенной в концевом соединителе 10. С помощью контактов 10₁-10₃ концевого соединителя 10 выход усилительно-преобразующего блока 4, установленного на плате 3 в концевом соединителе 10, соединен с блоком регистрации 5 (на фиг. 2 состав блока регистрации 5 не показан).

Усилительно - преобразующий блок 4 содержит охваченный емкостной отрицательной обратной связью дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого через входной резистор и кабельную линию связи 9 соединен с выходом блока конденсаторов 7 и 8. Выход дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока 4 подключен к базе транзистора структуры р-n-р, эмиттер которого соединен через контакт 10₁ концевого соединителя 10 с линией связи 11, а коллектор - через контакт 10₂ концевого соединителя 10 с линией связи 12.

Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя соединен через резистор фильтра нижних частот с источником опорного напряжения, а через конденсатор фильтра нижних частот и контакт 10₃ концевого соединителя 10 - с источником тестового сигнала, размещенным в блоке регистрации 5. Питание источника опорного напряжения осуществляется по линии связи 11 через ограничительный резистор и контакт 10₁ концевого соединителя 10 от источника питания постоянного тока, размещенного в блоке регистрации 5.

Выбор рабочей точки дифференциального операционного усилителя производится с помощью источника опорного напряжения, соединенного через резистор фильтра нижних частот с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока 4. Питание усилительно-преобразующего блока 4 осуществляется от источника постоянного тока, обеспечивающего стабилизацию потребляемого тока на заданном уровне (например, 4 мА), расположенного в блоке регистрации 5.

Блок регистрации 5 содержит (на фиг. 2 состав блока регистрации 5 не показан) источник питания постоянного тока, выходной делитель переменного напряжения, регистратор переменного напряжения, трехканальный двухпозиционный переключатель, источник тестового сигнала, запоминающий блок, блок сравнения и индикатор неисправности. При этом, источник питания постоянного тока соединен через контакты 10₁ и 10₂ с помощью линий связи 11 и 12 - с усилительно - преобразующим блоком 4; выход источника тестового сигнала соединен с линией связи 13 и линией связи 12, а через контакты 10₂ и 10₃ - с фильтром нижних частот и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока 4, при этом, линия связи 12 также подключена к общей шине 14.

Техническое решение работает следующим образом.

В соответствии с требованиями Руководства по эксплуатации пьезоэлектрический вибропреобразователь 2 устанавливают на объект 6, виброускорение которого измеряется в процессе эксплуатации. Сигнальный выходной контакт 2₂ пьезочувствительного элемента 2₁ подключают к дополнительному блоку конденсаторов 7-8 (на дополнительный блок конденсаторов 7-8 должна действовать температура, равная температуре, действующей на пьезоэлектрический вибропреобразователь 2), выход которого подключают к сигнальному контакту кабельной линии связи 9. Общий выходной контакт 2₃ пьезочувствительного элемента 2₁ подключают к инерционной массе 2₄ пьезоэлектрического вибропреобразователя 2, общему контакту объекта 6, виброускорение которого измеряется, и экрану кабельной линии связи 9, соединяющей выход пьезочувствительного элемента 2₁ с входом усилительно-преобразующего блока 4. С помощью кабельной линии связи 9 устанавливают концевой соединитель 10 с платой 3 на значительном расстоянии от объекта 6, что существенно снижает влияние температуры объекта 6 на электронные элементы, размещенные на плате 3. Концевой соединитель 10 подключают к блоку регистрации 5.

Воздействие на пьезоэлектрический вибропреобразователь 2 внешней вибрации со стороны объекта 6 вызывает появление на сигнальном выходном контакте 2₂ пьезочувствительного элемента 2₁ электрического заряда, пропорционального действующему на него виброускорению со стороны объекта 6. Электрический заряд поступает на блок конденсаторов 7-8, емкость которого, определяемая суммой их емкостей, и уменьшается (увеличивается) при воздействии на них повышенной (пониженной) температуры, т.к. конденсатор 7 имеет отрицательный температурный коэффициент емкости. С другой стороны, при воздействии повышенной (пониженной) температуры на пьезочувствительный элемент 2₁ его емкость увеличивается (уменьшается) (см., например, М. Serridge, Т. Licht / "Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers. Theory and Application Handbook", p.81 // «Пьезоэлектрические акселерометры и вибрационные предусилители. Справочник по теории и эксплуатации», с. 81). При равенстве процессов изменения емкостей пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 и конденсатора с отрицательным температурным коэффициентом емкости 7 суммарная емкость пьезоэлектрического преобразователя 2 и блока конденсаторов 7 и 8 при воздействии повышенной (пониженной) температуры остается близкой к постоянному значению. Таким образом происходит компенсация изменения суммарной емкости пьезочувствительного элемента 2₁ и блока конденсаторов 7-8, а так как известно, что коэффициент преобразования (чувствительность) пьезоэлектрического вибропреобразователя с усилителем заряда зависит от отношения суммарной емкости пьезочувствительного элемента 2₁ к емкости отрицательной обратной связи операционного усилителя, размещенного на плате 3 усилительно - преобразующего блока 4, расположенной в концевом соединителе 10, находящемся на расстоянии от объекта 6, которое определяется длиной кабельной линии связи 9, то можно утверждать, что это отношение изменяется мало с повышением (понижением) температуры объекта 6 в пределах от минус 60 до 250°С. Для увеличения коэффициента преобразования (чувствительности) и получения сигналов на выходе пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 с относительно б'ольшим значением отношения сигнал/шум в блоке 7-8 дополнительно к конденсатору 7 параллельно установлен второй конденсатор 8 с нулевым температурным коэффициентом емкости, но относительно большим значением собственной емкости (последовательное подключение к пьезоэлектрическому вибропреобразователю 2 только конденсатора с отрицательным температурным коэффициентом емкости 7 приводит к существенному уменьшению суммарной емкости комплекта «вибропреобразователь - конденсатор с отрицательным температурным коэффициентом»). Это позволяет при изменении температуры объекта 6, с одной стороны, с помощью конденсатора 7 скомпенсировать изменение емкости пьезочувствительного элемента 2, а с другой - не снижать значительно его коэффициент преобразования (чувствительность), так как параллельно конденсатору 7 подключен конденсатор 8 с нулевым температурным коэффициентом емкости, но относительно большим значением собственной емкости.

По кабельной линии связи 9 электрический заряд от блока конденсаторов 7-8 поступает через входной резистор на инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя усилительно-преобразующего блока 4, расположенного на плате 3 в концевом соединителе 10. Электрический заряд усиливается в дифференциальном операционном усилителе усилительно-преобразующего блока 4, преобразуется в электрическое напряжение и поступает на базу транзистора структуры р-n-р. Изменение внутреннего сопротивления транзистора структуры р-n-р под воздействием напряжения на его базе вызывает модуляцию падения напряжения на переходе «эмиттер - коллектор» транзистора.

Усиленный модулированный сигнал в виде суммы постоянной и переменной составляющих напряжения поступает через контакты 10₁ и 10₂ концевого соединителя 10 на вход блока регистрации 5, в котором выделяется переменная составляющая напряжения. Значение амплитуды (или среднего квадратического значения) переменной составляющей напряжения измеряется с помощью регистратора переменного напряжения и сохраняется в запоминающем блоке блока регистрации 5.

Для проверки наличия или отсутствия неисправности в пьезоэлектрическом вибропреобразователе 2 и усилительно-преобразующем блоке 4 в процессе эксплуатации на неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя, установленного на плате 3 в концевом соединителе 10 поступает от источника тестового сигнала через трехканальный двухпозиционный переключатель, размещенные в блоке регистрации 5, тестовый сигнал. Реакция усилительно-преобразующего блока 4 на тестовый сигнал сравнивается с зафиксированным в блоке сравнения сигналом, сохраненным в запоминающем блоке перед вводом его в эксплуатацию, после чего в индикаторе неисправности делается вывод о работоспособности пьезоэлектрического вибропреобразователя и усилительно-преобразующего блока 4.

На нашем предприятии был изготовлен опытный образец заявляемого Комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности (с опытными образцами пьезоэлектрических вибропреобразователей №№02, 03, и 08) со следующими основными элементами:

- опытные образцы пьезоэлектрических вибропреобразователей изготовлены со сдвиговой деформацией пьезоэлементов (по патенту RU 143487 U1), в которых

- пьезоэлектрический вибропреобразователь (2, см. фиг. 2) 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;

- источник опорного напряжения - AD1580BRT;

- транзистор - ВС860С;

- источник питания постоянного тока - LM334Z;

- регистратор переменного напряжения - вольтметр Agilent 34401 А;

- номинальное значение емкости пьезоэлектрических вибропреобразователей 2,5 нФ;

- номинальное значение емкости конденсаторов 7 с отрицательным температурным коэффициентом емкости - 2,4 нФ;

- номинальное значение емкости конденсаторов 8 с нулевым температурным коэффициентом емкости - 3,3 нФ.

Электронные элементы усилительно-преобразующего блока 4, установлены на двусторонней печатной плате 3 с размерами 10×11 мм² с применением ЧИП-элементов для поверхностного монтажа и размещены в концевом соединителе 10 (длина кабеля от пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 до платы 3 ~0,8 м). Плата 3 размещается между контактами концевого соединителя 10 типа 2РМДТ18КПЭ4Г5В1В. Для обеспечения герметичности концевого соединителя 10 используется герметик «ВИКСИНТ». Конструкция концевого соединителя 10 с размещенной в нем платой 3 позволяет проводить измерения при температурах, границы которого обуславливаются только эксплуатационными характеристиками используемого пьезоэлектрического вибропреобразователя 2 (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 от минус 60 до плюс 400°С).

Последовательность проводимых экспериментов с опытным образцом заявляемого Комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности следующая.

На первом этапе исследований определяются

- коэффициенты преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 Комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности без встроенных дополнительных блоков конденсаторов 7-8 при нормальной и повышенной (пониженной) температурах;

- отклонения полученных значений коэффициентов преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 Комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний с компенсацией температурной погрешности объектов без встроенных дополнительных блоков конденсаторов 7-8 при воздействии на них повышенной (пониженной) температуры от значений, определенных в нормальных условиях.

Для этого в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 8.669 - 2009 с помощью рабочего эталона единиц параметров вибрации определяются при нормальной температуре окружающей среды (24,6°С) действительные значения коэффициентов преобразования исследуемых опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 Комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности без встроенных дополнительных блоков конденсаторов 7-8. После этого пьезоэлектрические преобразователи 2 размещают в камере Установки для проведения температурных испытаний пьезоэлектрических вибропреобразователей (тип А321, фирма «Эндевко, США, №50085) и подключают в соответствии с фиг. 2 все блоки, входящие в состав Комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности без встроенных дополнительных блоков конденсаторов 7-8. При этом, усилительно - преобразующий блок 4 устанавливают с помощью кабельной линии связи 9 в концевой соединитель 10 на плате 3 (с источником опорного напряжения и фильтром нижних частот) на значительном расстоянии от объекта 6 (не менее 0,8 м).

Включают Установку для проведения температурных испытаний пьезоэлектрических вибропреобразователей и определяют значения коэффициентов преобразования пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности без встроенных блоков конденсаторов 7-8 при температурах минус 60°С, минус 40°С, минус 20°С, 0°С, 50°С, 100°С, 150°С, 200°С и 250°С. Рассчитывают отклонения значений коэффициентов преобразования k_ПВП опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4, определенных при заданной температуре, от действительных значений, определенных при нормальных условиях. Полученные результаты сведены в таблицу 1.

Из представленного в таблице 1 экспериментального материала следует, что при воздействии повышенной (пониженной) температуры на опытные образцы пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с указанными выше параметрами и с усилительно-преобразующим блоком 4

- отклонения коэффициентов преобразования, определенных при повышенных температурах без термокомпенсации, от значений, определенных в нормальных условиях, более 27% (графа 10 таблицы 1);

- отклонения коэффициентов преобразования, определенных при пониженных температурах без термокомпенсации, от значений, определенных в нормальных условиях, более 18% (графа 2 таблицы 1).

На втором этапе определяют влияние повышенной (пониженной) температуры на коэффициенты преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 и встроенной термокомпенсацией. С этой целью в опытные образцы пьезоэлектрических вибропреобразователей 2, подвергнутые испытаниям на определение влияния повышенной (пониженной) температуры без термокомпенсации, результаты которых представлены в таблице 1, встраивают дополнительный блок конденсаторов 7-8, состоящий из двух подключенных параллельно друг другу конденсаторов, один из которых 7 имеет отрицательный температурный коэффициент, а второй 8 - нулевой. Конденсаторы 7 - 8 и усилительно-преобразующий блок 4 устанавливаются и подключаются в соответствии с требованиями настоящего описания. После этого опытные образцы пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 подвергаются воздействию повышенной (пониженной) температуры в последовательности, описанной выше. Полученные результаты сведены в таблицу 2.

Из представленного в таблице 2 материала можно сделать выводы о том, что при условии воздействия на усилительно-преобразующий блок 4 повышенной (пониженной) температуры объекта

отклонения коэффициентов преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2, определенных при повышенных температурах до 250°С с термокомпенсацией в соответствии с настоящей заявкой, от значений, определенных в нормальных условиях, не более 12,2% (графа 11 таблицы 2);

отклонения коэффициентов преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей с усилительно-преобразующим блоком, определенных при пониженных температурах до минус 60°С с термокомпенсацией в соответствии с настоящей заявкой, от значений, определенных в нормальных условиях, не более 5,3% (графа 2 таблицы 2).

Увеличение значений емкостей дополнительных конденсаторов 7-8 позволит уменьшить отклонения коэффициентов преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 от значений, определенных в нормальных условиях.

На третьем этапе экспериментальных исследований рассмотрено влияние дополнительных конденсаторов 7 и 8 на коэффициенты преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2. С этой целью для сравнения определены коэффициенты преобразования опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 при нормальных условиях, без и с конденсаторами термокомпенсации, при этом, к пьезочувствительному элементу 2₁ опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 последовательно подключались

- блок конденсаторов 7-8 (в соответствии с настоящей заявкой);

- конденсатор 7 с отрицательным температурным коэффициентом емкости;

- конденсатор 8 с нулевым температурным коэффициентом емкости. Полученные результаты сведены в таблицу 3.

Из представленного в таблице 3 материала можно сделать выводы о том, что

- максимальные значения коэффициентов преобразования получены у опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 с усилительно-преобразующим блоком 4 и встроенными дополнительными блоками конденсаторов 7-8 (графа 4 таблицы 3), при этом, один из дополнительных конденсаторов 7 имеет отрицательный температурный коэффициент емкости, а второй 8 - нулевой (дополнительные конденсаторы 7-8 установлены в корпусах опытных образцов пьезоэлектрических вибропреобразователей 2 и подключены параллельно друг другу);

- при использовании для термокомпенсации только дополнительного конденсатора 7 с отрицательным температурным коэффициентом емкости, емкость которого приблизительно равна емкости опытного образца пьезоэлектрического вибропреобразователя, уменьшается коэффициент преобразования более, чем на 23% по сравнению с коэффициентом преобразования, определенным с дополнительным блоком конденсаторов 7-8 (графа 7, таблица 3);

- при использовании для термокомпенсации только дополнительного конденсатора 8 с нулевым температурным коэффициентом емкости, емкость которого приблизительно в 1,5 раза больше емкости опытного образца пьезоэлектрического вибропреобразователя, уменьшается коэффициент преобразования более, чем на 14% по сравнению с коэффициентом преобразования, определенным с дополнительным блоком конденсаторов 7-8 (графа 9, таблица 3).

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

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности снабжен дополнительным блоком из двух конденсаторов, включенных параллельно друг другу, один из которых имеет отрицательный температурный коэффициент емкости, а второй - нулевой температурный коэффициент емкости, при этом, дополнительный блок конденсаторов подключен, с одной стороны, к сигнальному контакту пьезочувствительного элемента пьезоэлектрического вибропреобразователя, а с другой - к сигнальному контакту кабельной линии связи. Технический результат – повышение точности измерения параметров механических колебаний преимущественно высокотемпературных объектов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности, содержащий измерительно-усилительный блок и блок регистрации, при этом, измерительно-усилительный блок включает пьезоэлектрический вибропреобразователь с размещенными в его корпусе пьезочувствительным элементом с инерционной массой, сигнальным и общим выходными контактами, кабельную линию связи с концевым соединителем, а также размещенные на плате, установленной в концевом соединителе, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот и усилительно-преобразующий блок, включающий охваченный емкостной отрицательной обратной связью дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого через входной резистор соединен с сигнальным контактом кабельной линии связи, а своим выходом дифференциальный операционный усилитель подключен к базе транзистора структуры р-n-р, эмиттер которого соединен через контакты концевого соединителя с блоком регистрации, при этом, общий выходной контакт пьезоэлектрического вибропреобразователя соединен с его инерционной массой, объектом, параметры механических колебаний которого измеряются, и экраном кабельной линии связи, а блок регистрации, содержащий источник питания постоянного тока, выходной делитель переменного напряжения, регистратор переменного напряжения, трехканальный двухпозиционный переключатель, источник тестового сигнала, запоминающий блок, блок сравнения и индикатор неисправности, подключен к плате, установленной в концевом соединителе, отличающийся тем, что заявляемый комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности снабжен дополнительным блоком из двух конденсаторов, включенных параллельно друг другу, один из которых имеет отрицательный температурный коэффициент емкости, а второй - нулевой температурный коэффициент емкости, при этом, дополнительный блок конденсаторов подключен, с одной стороны, к сигнальному контакту пьезочувствительного элемента пьезоэлектрического вибропреобразователя, а с другой - к сигнальному контакту кабельной линии связи.

2. Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный блок конденсаторов установлен в корпусе пьезоэлектрического вибропреобразователя комплекса устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности.