RU192335U1

RU192335U1 - Беспроводной трехканальный датчик вибрации

Info

Publication number: RU192335U1
Application number: RU2019112486U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Геннадьевич Беловол; Алексей Михайлович Бабец; Тимофей Михайлович Усач; Михаил Анатольевич Богомолов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Коммерческие Разработки Измерительной Техники" (Ооо "Крит")
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Полезная модель относится к сфере промышленных измерений вибрации с целью мониторинга и диагностики технического состояния роторных машин. Беспроводной трехканальный датчик вибрации содержит корпус, выполненный в виде основания, в углублении которого расположена аккумуляторная батарея, и жестко закрепленной на основании стойки, при этом в верхней части стойки закреплены плата беспроводной зарядки и плата катушки беспроводной зарядки, а в нижней части стойки закреплена плата сигнального процессора, причем на первой паре противоположных внешних поверхностях стойки закреплены первая плата преобразователя вибрации и плата синхронизации, а на второй паре противоположных внешних поверхностях закреплены первая плата преобразователя вибрации и плата коммуникационного процессора, связанная с интерфейсным устройством при помощи беспроводного протокола обмена данными, причем платы преобразователя вибрации соединены с платой сигнального процессора по интерфейсу SPI, плата катушки беспроводной зарядки через плату беспроводной зарядки соединена с аккумуляторной батареей и с платой коммуникационного процессора, а плата коммуникационного процессора и плата синхронизации соединены с платой сигнального процессора по интерфейсам UART и SPI. Технический результат заключается в повышении срока службы датчика при высокой точности измерения. 3 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Техническое решение (полезная модель) относится к сфере промышленных измерений вибрации с целью мониторинга и диагностики технического состояния роторных машин, а также анализа вибрационного поведения конструкций.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен трехкомпонентный датчик вибрации с аккамулятороной батареей, раскрытый в сети Интернет с 2008 года по адресу https://wftw.gemeasurement.com/sites/qemc.dev/files/ranger_pro_wireless_accel_datas_heet_125m6113-.pdf. Указанный датчик позволяет осуществлять беспроводную синхронизацию с точностью 20 мкс и передаче оцифрованных данных измерения по передаче оцифрованных данных измерения по Wi-Fi.

Недостатком раскрытого выше датчика является низкая точность измерения, отсутствие беспроводной зарядки и передачи оцифрованных данных измерения по Bluetooth.

Кроме того, из уровня техники известен трехкомпонентный датчик вибрации (прототип), раскрытый в сети Интернет с 2008 года по адресу (https://www.valmet.com/qlobalassets/products/automation/valmet-dna-dcs/condition-monitoring/br81586_en_01-wvs-100-sensor.pdf. Недостатком раскрытого выше датчика является низкая точность измерения, отсутствие синхронизации, беспроводной зарядки и передачи оцифрованных данных измерения по Bluetooth.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Задачей заявленного технического решения является осуществление сфазированного с точностью 1 мкс измерения временных реализаций вибрации, полученных в разных точках конструкции, либо в привязке фазовых характеристик к определенному моменту во времени. Первое необходимо для реализации некоторых классов вибродиагностических алгоритмов, построению форм колебаний конструкции на заданной частоте, второе - для решения задачи балансировки роторных машин по вибрации, построении их амплитудно-фазочастотных характеристик.

Техническим результатом заявленного технического решения является повышение срока службы датчика при высокой точности измерения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что беспроводной трехканальный датчик вибрации содержит корпус, выполненный в виде основания, в углублении которого расположена аккумуляторная батарея, и жестко закрепленной на основании стойки, при этом в верхней части стойки закреплены плата беспроводной зарядки и плата катушки беспроводной зарядки, а в нижней части стойки закреплена плата сигнального процессора, причем на первой паре противоположных внешних поверхностях стойки закреплены первая плата преобразователя вибрации и плата синхронизации, а на второй паре противоположных внешних поверхностях закреплены первая плата преобразователя вибрации и плата коммуникационного процессора связанная с интерфейсным устройством при помощи беспроводного протокола обмена данными, причем платы преобразователя вибрации соединены с платой сигнального процессора по интерфейсу SPI, плата катушки беспроводной зарядки через плату беспроводной зарядки соединена с аккумуляторной батареей и с платой коммуникационного процессора, а плата коммуникационного процессора и плата синхронизации соединены с платой сигнального процессора по интерфейсам UART и SPI.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Техническое решение будет более понятной из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - Разрезы заявленного датчика вибрации.

Фиг. 2 - Разрезы заявленного датчика вибрации.

Фиг. 3 - Общий вид заявленного датчика вибрации.

1 - Батарея аккумуляторная; 2 - Плата катушки беспроводной зарядки; 3 - Плата сигнального процессора; 4 - Плата преобразователя вибрации; 5 - Стойка; 6 - Плата синхронизации; 7 - Плата коммуникационного процессора; 8 - Плата беспроводной зарядки (плата QJ) зарядки; 9 - Основание.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Беспроводной трехканальный датчик вибрации содержит корпус, выполненный в виде основания (9), в углублении которого расположена аккумуляторная батарея (1), и жестко закрепленной на основании (9) стойки (5).В верхней части стойки (5) закреплены плата (8) беспроводной зарядки и плата (2) катушки беспроводной зарядки (указанные платы расположены на расстоянии друг от друга по высоте), а в нижней части стойки закреплена плата (3) сигнального процессора. При этом н на первой паре противоположных внешних поверхностях стойки (5) закреплены первая плата преобразователя вибрации (4) и плата синхронизации (6), при этом на второй паре противоположных внешних поверхностях закреплены вторая плата (4) преобразователя вибрации и плата (7) коммуникационного процессора связанная с интерфейсным устройством при помощи беспроводного протокола обмена данными. Причем платы (4) преобразователя вибрации соединены с платой (3) сигнального процессора соединены по интерфейсу SPI, плата катушки беспроводной зарядки через плату беспроводной зарядки соединена (электрически при помощи проводов) с аккумуляторной батареей и с платой коммуникационного процессора, а плата (7) коммуникационного процессора и плата (6) синхронизации соединены с платой (3) сигнального процессора по интерфейсам UART и SPI. Первая и вторая платы (4) преобразователя вибрации расположены на смежных внешних поверхностях стойки (5).

Датчик представляет собой неразборную необслуживаемую безразьемную конструкцию массой 450 грамм диаметром 70 мм и высотой 75 мм. На основании Поз. 9 помещается стойка Поз 5, на которой размещаются платы устройства, крепящаяся болтами к основанию Поз 9. К стойке крепится сверху плата беспроводной зарядки Поз 8. Аккумуляторная батарея Поз 1 устанавливается в батарейный отсек, представляющий собой углубление в основании.

Установленная на основание стойка зарывается светорадиопрозрачной крышкой из неметаллического материала, крепящаяся к основанию при помощи резьбового соединения.

Измерение вибрации производится путем установки датчика на поверхность исследуемого изделия в точке, где требуется измерить вибрацию. Установка осуществляется либо на шпильку диаметром 8 мм либо на магнитную платформу, крепящуюся к основанию датчика.

Компоненты мгновенного значения виброускорения в точке установки в трех взаимно перпендикулярных направлениях преобразуются в цифровую форму при помощи действующих по инерционному принципу микросхем MEMS, установленных на платах преобразователя вибрации Фиг 2. Далее цифровые значения по интерфейсу SPI поступают в сигнальный процессор, установленный на плате сигнального процессора поз 3. Сигнальный процессор производит цифровую обработку оцифрованного сигнала вибрации, заключающуюся в цифровой фильтрации, цифровом интегрировании, спектральной обработке, вычислении ряда предустановленных детекторов во временной и частотной областях. Всю обработанную информацию, а также отфильтрованные и неотфильтрованные временные реализации, сигнальный процессор предоставляет по запросу от коммуникационного процессора, установленного на плате коммуникационного процессора Поз 7.

Коммуникационный процессор взаимодействует с сигнальным процессором по интерфейсам UART и SPI. По интерфейсу UART осуществляется двунаправленный обмен информацией, в котором в качестве мастера выступает коммуникационный процессор, по SPI - однонаправленный (от сигнального к коммуникационному). ПО первому интерфейсу коммуникационный процессор запрашивает результаты вычислений, осуществляет доставку конфигурационной информации в сигнальный процессор, по второму - сигнальный процессор непрерывно передает необработанные отсчеты вибрационного сигнала.

Коммуникационный процессор с интерфейсным устройством пользователя, работающим под управлением специализированного программного обеспечения. Работа заключается в приеме запросов от коммуникационного устройства пользователя и ответе на них. В качестве протоколов взаимодействия используются стандартные беспроводные стандарты WiFi и Bluetooth.

В качестве интерфейсного устройства можно использовать любой планшет или смартфон под управлением операционных систем iOs или Android либо компьютер под управлением операционных систем Window либо Linux.

Для оповещения пользователя о режимах работы и исправности устройства используются многоцветные светодиоды, устанавливаемые на плату коммуникационного устройства, которые видны при закрытой крышке.

Для осуществления синхронизации хода встроенных часов используется чип, расположенный на плате синхронизации поз 6. Алгоритм синхронизации - проприетарный, точность - 1 мкс. Синхронизируются часы сигнальных процессоров, в связи с чем чип синхронизации подключается к сигнальному процессору по GPIO для точной фиксации момента прихода синхронизирующих пакетов, и по SPI для того, чтобы передать связанную с временем информацию. Датчик не отключается от питания. В случае, если потребителей информации нет, сигнальный процессор переводится в режим глубокого сна, а коммуникационный - в энергосберегающий режим.

Датчик сигнализирует о разряде батарей мигающим красным светодиодом. Если не мигает ни один из светодиодов - датчик разряжен полностью.

Для заряда датчик надо установить на крышку на любое устройство, поддерживающее зарядку по стандарту Qi. Зарядка начнется мгновенно, в процессе зарядки датчик будет светиться ровным красным светом. В процессе зарядки нагрузка с батарей снимается, по окончании датчик автоматически переходит в рабочий режим.

Предлагаемая полезная модель представляет собой трехкомпонентный безразъемный мобильный датчик вибрации, производящий измерения вибрации в трех взаимноперпендикулярных направлениях в точке своей установки. Измерения заключаются в оцифровке сигнала виброускорения, его цифровой фильтрации, интегрировании с целью получения сигналов скорости и перемещения, производимых в режиме реального времени, спектральной обработке сигнала с целью выделения из него значимой диагностической информации, представляемой в виде дискретных спектральных отсчетов с фазами, либо набора дискретных спектральных отсчетов, связанных со скоростью вращения и/или геометрическими размерами диагностируемого узла, либо среднеквадратическому значению ускорения и/или скорости и/или перемещения в определенных частотных полосах.

Полученные вышеописанным образом измерений и их результаты передаются по стандартным беспроводным промышленным интерфейсам (Bluetooth и WiFi) на управляемый специализированным программным обеспечением смартфон, планшетный компьютер либо ноутбук, где они становятся доступны для визуализации, архивирования и последующего анализа.

Заявленный датчик позволяет повысить срок службы устройства, в виду отсутствия разъемов (для подключения провода зарядного устройства и провода передачи оцифрованных данных измерения), через которые пыль и влага попадают внутрь устройства, что приводит к выходу устройства из строя).

Заявленное беспроводное устройство обладает по сравнению с проводным следующими преимуществами:

1. Более высокая надежность и помехоустойчивость.

Проводные соединения ненадежны, особенно в условиях промышленного объекта. Многократное включение отключение приводит к ухудшению контакта, росту контактного сопротивления и искажению сигнала. Провода рвутся, по проводам на сигнал наводится помеха, которую средствами прибора отфильтровать невозможно.

2. Более длительный срок службы.

Разъем негерметичен. Через него внутрь прибора попадает пыль и влага.

3. Удобство и безопасность эксплуатации.

Провода ограничивают место расположения человека, работающего с прибором. Если проводов нет, человек может отойти на безопасное расстояние в точку, где ему будет удобно работать.

Предлагаемое техническое решение представляет собой трехкомпонентный безразъемный мобильный датчик вибрации, производящий измерения вибрации в трех взаимноперпендикулярных направлениях в точке своей установки. Измерения заключаются в оцифровке сигнала виброускорения, его цифровой фильтрации, интегрировании с целью получения сигналов скорости и перемещения, производимых в режиме реального времени, спектральной обработке сигнала с целью выделения из него значимой диагностической информации, представляемой в виде дискретных спектральных отсчетов с фазами, либо набора дискретных спектральных отсчетов, связанных со скоростью вращения и/или геометрическими размерами диагностируемого узла, либо среднеквадратическому значению ускорения и/или скорости и/или перемещения в определенных частотных полосах.

Данная полезная модель отличается от аналогов следующими характеристиками.

1. Реализованы два интерфейса - WiFi и Bluetooth в стандарте BLE, которые могут работать одновременно или независимо. Это дает возможность при проведении одноканальных измерений использовать Bluetooth, что обеспечивает сверхмалое потребление и продляет срок работы устройства без подзарядки.

2. Модель выполнена как безразъемная монолитная необслуживаемая конструкция, что обеспечивает повышение срока ее службы, так как отказ разъемных соединений в средствах промышленных измерений -один из основных источников отказов.

3. Для обеспечения принципа безразъемности в устройстве реализована беспроводная зарядка стандарта Qi.

4. В модели реализована беспроводная синхронизация с точностью 1 мкс, что не может гарантировать ни один продукт на рынке. Такая точность необходима для оценки взаимных фазовых характеристик относительно высокочастотных компонентов в спектре, что необходимо для оценки, например, высших мод свободных и/или вынужденных колебаний конструкций.

5. В модели реализован расчет положения осей, что облегчает измерения горизонтальной и осевой составляющих вибрации в точке измерения независимо от ориентации датчика по отношению к его оси вращения.

Заявленное техническое решение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления технического решения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, техническое решение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой.

Claims

Беспроводной трехканальный датчик вибрации, содержащий корпус, выполненный в виде основания, в углублении которого расположена аккумуляторная батарея, и жестко закрепленной на основании стойки, при этом в верхней части стойки закреплены плата беспроводной зарядки и плата катушки беспроводной зарядки, а в нижней части стойки закреплена плата сигнального процессора, причем на первой паре противоположных внешних поверхностях стойки закреплены первая плата преобразователя вибрации и плата синхронизации, а на второй паре противоположных внешних поверхностях закреплены первая плата преобразователя вибрации и плата коммуникационного процессора, связанная с интерфейсным устройством при помощи беспроводного протокола обмена данными, причем платы преобразователя вибрации соединены с платой сигнального процессора по интерфейсу SPI, плата катушки беспроводной зарядки через плату беспроводной зарядки соединена с аккумуляторной батареей и с платой коммуникационного процессора, а плата коммуникационного процессора и плата синхронизации соединены с платой сигнального процессора по интерфейсам UART и SPI.