RU198634U1 - Устройство для измерения вибрации - Google Patents

Abstract

Техническое решение относится к устройствам измерения механических колебаний, в частности к сфере виброакустического мониторинга и диагностики состояния роторных машин. Устройство для измерения вибрации содержит корпус, в котором расположен блок питания, включающий аккумуляторную батарею, соединенную с контроллером уровня заряда, блок управления, выполненный в виде интегральной схемы и включающий вычислительный и коммуникационный компоненты, хотя бы один датчик вибрации, выполненный в виде акселерометра на основе микроэлектромеханической системы и соединенный с вычислительным компонентом блока управления посредством последовательного периферийного интерфейса, и акустический датчик, соединенный с вычислительным компонентом блока управления посредством аналого-цифрового преобразователя. Датчик вибрации может быть выполнен в виде датчика высокой и/или низкой точности, а акустический датчик выполнен в виде микроэлектромеханической системы. Коммуникационный компонент блока управления выполнен с возможностью взаимодействия с внешним интерфейсом посредством беспроводного протокола обмена данных. Корпус устройства может содержать кнопку включения, соединенную с блоком питания, а также разъем для подключения зарядного устройства, соединенный с блоком питания. Устройство для измерения вибрации характеризуется высокой производительностью, возможностью использования для измерения вибраций в широкой полосе частот и высокой точностью измерений. При этом благодаря компоновке на одной печатной плате устройство имеет компактные размеры и небольшой вес, что позволяет снизить влияние самого устройства на вибрации наблюдаемого оборудования. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Техническое решение относится к устройствам измерения механических колебаний, в частности к сфере виброакустического мониторинга и диагностики состояния роторных машин.

Из уровня техники известно устройство контроля вибрации редуктора по патенту РФ на полезную модель №RU169944U (МПК G01H 17/00, опубликован 07.04.2017). Устройство представляет собой беспроводную система, состоящую из блока управления и подконтрольных ему датчиков вибрации, тахогенератора и радиомодуля. В качестве преобразователя вибрации используется пьезоэлектрический акселерометр, который крепится с помощью болтового соединения. Тахогенератор и датчик вибрации являются выносными и располагаются на точках измерения, передача сигналов производится через аналоговый выход. Блок управления является вычислительным устройством и реализует спектральный и частотный анализ амплитуд вибрации и частот вращения валов редуктора.

Использование выносных датчиков вибрации является ненадежным в эксплуатации. К тому же, выносной аналоговый тракт подвержен влиянию со стороны электрических и магнитных полей, что так же отрицательно влияет на качество обработки.

Известен беспроводной датчик вибрации по патенту РФ на изобретение №RU2437071C2 (МПК G01M 7/00, опубликован 20.12.2011г.). В известном датчике вибрации в качестве преобразователя вибрации используется пьезоэлектрический акселерометр, для закрепления которого использована эластичная мембрана, что позволяет снизить эквивалентную массу колебательной системы. Коммуникация с оператором и передача данных производится с помощью Wi-Fi протокола.

Пьезоэлектрический акселерометр, используемый в известном датчике вибрации, характеризуется низким шумовым сопротивлением. Это не позволяет достоверно проводить предиктивную диагностику в случае, когда частотные признаки сопоставимы с уровнем шума. Кроме того, существенным его недостатком является низкая стабильность смещения датчика, т.е. величины, определяющей выходной сигнал датчика в состоянии покоя. Низкая стабильность смещения подразумевает существенное и плохо предсказуемое изменение этого параметра под воздействием условий окружающей среды и рабочими воздействиями, что снижает точность вибрационного анализа.

В качестве ближайшего аналога выбран беспроводной трехканальный датчик вибрации по патенту РФ на полезную модель RU192335U1 (МПК G01H 11/00, опубликован 12.09.2019), который состоит из нескольких плат, выполняющих сигнальную обработку, временную синхронизацию и беспроводную коммуникацию. Известное решение представляет собой трехкомпонентный безразъемный мобильный датчик вибрации, производящий измерения вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях в точке своей установки. Полученные результаты измерений передаются по стандартным беспроводным интерфейсам (Bluetooth и Wi-Fi) на интерфейсное устройство пользователя для визуализации, архивирования и последующего анализа.

Инертность рассматриваемого датчика, обусловленная относительно высоким весом датчика (450г), не позволяет достоверно диагностировать высокочастотные вибрации, что приводит к ограничению измеряемой полосы частот. Кроме того, обособленность электронных компонентов с разнесением их на несколько плат, увеличивает размеры датчика.

Задача заявляемого технического решения заключается создании устройства для измерения вибрации, позволяющего диагностировать механические колебания в широком спектре частот с заданными параметрами. Технический результат проявляется в расширении динамического и частотного диапазона спектра наблюдаемых поломок и повышении точности анализа.

Поставленная задача и заявленный технический результат достигаются тем, что устройство для измерения вибрации, содержащее корпус, в котором расположен блок питания, включающий аккумуляторную батарею, соединенную с контроллером уровня заряда, блок управления, выполненный в виде интегральной схемы и включающий вычислительный и коммуникационный компоненты, хотя бы один датчик вибрации, выполненный в виде акселерометра на основе микроэлектромеханической системы и соединенный с вычислительным компонентом блока управления посредством последовательного периферийного интерфейса,согласно заявляемому решению содержит также акустический датчик, соединенный с вычислительным компонентом блока управления посредством аналого-цифрового преобразователя. Датчик вибрации может быть выполнен в виде датчика высокой и/или низкой точности, а акустический датчик выполнен в виде микроэлектромеханической системы. Коммуникационный компонент блока управления выполнен с возможностью взаимодействия с внешним интерфейсом посредством беспроводного протокола обмена данных. Корпус устройства может содержать кнопку включения, соединенную с блоком питания, а также разъем для подключения зарядного устройства, соединенный с блоком питания.

Далее для точного и определенного раскрытия заявляемого технического решения приведено определение используемых терминов.

Блок управления, выполненный в виде интегральной схемы,также может быть назван как система на кристалле (СнК), однокристальная система (англ. System-on-a-Chip, SoC), представляет собой электронную схему, выполняющую функции отдельного блока или элемента и размещенную на одной интегральной схеме. Она может оперировать как цифровыми сигналами, так и аналоговыми, и аналого-цифровыми. Блок управления в виде интегральной схемы может, в частности, содержать один или несколько микроконтроллеров, микропроцессоров или ядер цифровой обработки сигналов (DSP), модули памяти, компоненты, реализующие стандартные интерфейсы для подключения внешних устройств, компоненты цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, а также компоненты программируемых логических матриц.

Датчик вибрации, выполненный в виде акселерометра на основе микроэлектромеханической системы, представляет собой устройство, которое включает микроэлектронные и микромеханические компоненты и выполняет функции преобразования значений виброускорения по трем взаимно перпендикулярным направлениям в цифровое значение.

Последовательный периферийный интерфейс, также называемый SPI (англ. SerialPeripheralInterface, SPI bus - последовательный периферийный интерфейс, шина SPI), представляет собой последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). В заявленном устройстве в качестве ведущего устройства (MASTER) выступает блок управления.

Датчик вибрации, выполненный в виде акселерометра на основе микроэлектромеханической системы, в отличие от пьезоэлектрического акселерометра, характеризуется высокой термостабильностью и временной стабильностью рабочих характеристик, что повышает точность измерений в широком интервале ускорений и условий окружающей среды. Соединение датчика вибрации с вычислительным компонентом блока управления посредством последовательного периферийного интерфейса обеспечивает высокую пропускную способность и простоту аппаратной реализации. Устройство может содержать комбинацию датчиков вибрации высокой точности и низкой точности, что позволяет осуществлять гибкую диагностику вибраций на низких и высоких частотах с минимальным и средним шумом соответственно.

Акустический датчик может регистрировать высокочастотные вибрации системы. Помимо этого, датчик может регистрировать механические колебания системы (стуки, скрипы), звуковая интерпретация которых характерна для некоторых типовых поломок.В отличии от датчика вибрации, выполненного в виде акселерометра, динамический диапазон измерения вибрации на частотах от 10 Гц до 2 кГц которого составляет ±2g, ±4g, ±8g, акустический датчик позволяет расширить этот диапазон и воспринимать вибрации на частотах до 8 кГц. Акустический датчик, выполненный в виде микроэлектромеханической системы, имеет значительно меньший вес и габариты, позволяя снизить влияние самого устройства на вибрации наблюдаемого оборудования, а также уменьшить энергопотребление. Регистрация амплитуда-частотных характеристик позволит диагностировать отдельные паттерны дефектов, источник которого не находится в месте установки датчика. Кроме этого, используя систему таких датчиков, становится возможным локализация источника дефекта для более детальной диагностики.

Техническое решение поясняется с помощью фигур, на которых условно представлен один из возможных вариантов осуществления.

Фиг.1 представляет функциональную схему устройства.

Фиг. 2 представляет общий внешний вид устройства в возможном варианте реализации.

Фиг.3 содержит боковой разрез заявленного устройства по линии А-А фиг.1.

Фиг.4 представляет вид на конфигурацию печатной платы в возможном варианте реализации.

На фигурах цифрами обозначены: 1 - блок управления, 2 - вычислительный компонент, 3 - коммуникационный компонент, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - вибрационный датчик высокой точности, 6 - вибрационный датчик низкой точности, 7 - акустический датчик, 8 - блок питания, 9 - аккумуляторная батарея, 10 - контроллер уровня заряда, 11 - разъем электропитания, 12 - ключ электропитания, 13 - печатная плата, 14 - магнит, 15 - корпус.

Далее со ссылками на фигуры поясняется конструкция и реализация заявленного устройства, а также возможный вариант использования.

Устройство для измерения вибрации может быть реализовано в едином корпусе 15, содержащем печатную плату 13, закрепленную на основании корпуса 15, на которой размещены:

блок 1 управления, выполненный в виде интегральной схемы и содержащий, в частности, вычислительный компонент 2, коммуникационный компонент 3, аналого-цифровой преобразователь 4;

датчик 5 вибрации высокой точности, выполненный в виде акселерометра на основе микроэлектромеханической системы и соединенный с вычислительным компонентом 2 блока 1 управления;

датчик 6 вибрации низкой точности, выполненный в виде акселерометра на основе микроэлектромеханической системы и соединенный с вычислительным компонентом 2 блока 1 управления;

акустический датчик 7, выполненный в виде микроэлектромеханической системы и соединенный с вычислительным компонентом 2 блока 1 управления посредством аналого-цифрового преобразователя 4 блока 1 управления.

В корпусе устройства также размещен блок 8 питания, включающий аккумуляторную батарею 9, соединенную с контроллером 10 уровня заряда, к которому может быть подключен разъем 11 для подключения источника электропитания и ключ 12 для включения-выключения устройства путем подачи и отключения электропитания. Блок 8 питания может быть, например, размещен в углублении корпуса 15 под печатной платой 13. Корпус может содержать устройство-приемник заряда по стандарту беспроводной зарядки, например, по стандарту Qi, который в свою очередь соединен с разъемом 11 зарядки.

Корпус устройства может также содержать разъемы, предусматривающие разборку и обслуживание, фиксаторы корпуса и узлы для крепления шкива (на фигурах не показаны), а также магниты 14 для фиксации корпуса в месте установки.

Для измерения вибраций устройство устанавливается на поверхность исследуемой системы в точке, где требуется провести диагностику. Установка осуществляется с помощью крепления на магнитах 14 или с помощью шкива.

Датчики 5 и 6 вибрации, расположенные на плате 13, преобразуют значения виброускорения на частотах от 10 Гц до 2 кГц по трем взаимно перпендикулярным направлениям в цифровое значение. Далее цифровые данные поступают в вычислительный компонент 2 блока 1управления посредством последовательного периферийного интерфейса(SPI). По интерфейсу SPI осуществляется двунаправленный обмен данными с датчиками 5 и 6 вибрации, в котором в качестве ведущего устройства (MASTER) выступает блок 1 управления. Высокочастотные вибрации на частотах до 8 кГц, а также механические колебания системы (стуки, скрипы), звуковая интерпретация которых характерна для некоторых типовых поломок, воспринимаются акустическим датчиком 7. Аналоговый сигнал с акустического датчика 7 поступает на аналого-цифровой преобразователь 4 блока 1 управления и далее в вычислительный компонент 2.

Коммуникационный компонент 3 блока 1 управления реализует взаимодействие с внешним интерфейсом посредством беспроводного протокола обмена данных, например, Wi-Fi. Взаимодействие заключается, в частности, в приеме запросов от оператора и ответ на них. С помощью программного обеспечения оператор задает режимы работы датчиков 5 и 6 вибрации и акустического датчика 7.

Для оповещения пользователя о режимах работы, исправности устройства, уровне заряда и других параметрах могут использоваться световые индикаторы, например, одноцветные светодиоды, устанавливаемые на основную печатную плату 13, которые видны при закрытом корпусе. Включение и выключение устройства происходит с помощью нажатия ключа 12 электропитания, подключенного к блоку 8 питания. Контроллер 10 заряда оценивает уровень заряда аккумуляторной батареи 9 и передает данные о достижении критически низкого уровня заряда на блок 1 управления, а также, например, путем включения индикации низкого уровня заряда. Зарядка устройства может осуществляться с помощью разъема 11 электропитания, в частности, посредством подключения Micro-USB кабеля и/или любого устройства, поддерживающего зарядку по стандарту беспроводной зарядки. Разъем 11 электропитания и ключ 12 могут быть закрыты заглушками.

Устройство работает следующим образом. Оператор формирует запрос на выполнение измерений, который по беспроводному протоколу поступает в коммутационный компонент 3 блока 1 управления, обрабатывается блоком 1 управления и передается на датчики 5 и 6 посредством интерфейса SPI, а на акустический датчик 7 через аналого-цифровой преобразователь 4 блока 1 управления. Датчики 5 и 6 вибрации, расположенные на плате 13, преобразуют значения виброускорения в диапазоне от 10 Гц до 2 кГц по трем взаимно перпендикулярным направлениям в цифровое значение. Далее цифровые данные поступают в вычислительный компонент 2 блока 1 управления. Дополнительно высокочастотные колебания и механические колебания системы в диапазоне от 10 Гц до 8 кГц, не воспринимаемые датчиками 5 и 6 вибрации, воспринимаются акустическим датчиком 7. Аналоговый сигнал с акустического датчика 7 поступает на аналого-цифровой преобразователь 4 блока 1 управления и далее в вычислительный компонент 2. Полученные данные с датчиков 5, 6 и 7, принятые вычислительным компонентом 2 блока 1 управления, поступают далее в коммуникационный компонент 3 блока 1 управления в виде временного ряда виброакустических данных и передаются по беспроводному протоколу на внешний интерфейс, например, включенный в устройство, управляемое специализированным программным обеспечением (смартфон, компьютер). При этом в блоке 1 управления могут быть реализованы функции базовой обработки данных, например, отслеживание порогов амплитудных величин, вычисление крена-тангажа, оцифровка и передача аналогового сигнала. Принятые и обработанные блоком 1 управления данные могут быть переданы далее на удаленный сервер по HTTP-запросу, где происходит фильтрация и спектральная обработка сигнала и отображение результатов обработки на устройстве оператора. На устройстве оператора данные, полученные от вибрационного или акустического датчика, обрабатываются во временной и спектральной области. В обработку входят этапы фильтрации данных, выделения признаков, таких как: пик-фактор, СКЗ, пик-пик, пик, СКЗ огибающей и другие. На основании полученных признаков строится предиктивная модель в зависимости от типа исследуемого объекта для диагностики текущего состояния и предиктивного анализа.

Специалисту в данной области очевидно, что приведенные примеры выполнения устройства и отдельных его узлов и блоков не ограничивают объем заявляемого технического решения представленными описанием и видами на фигурах. Возможно изготовление и использование устройства в других видах и конфигурациях в объеме заявляемой формулы. В частности, тип и количество используемых датчиков вибрации и акустических датчиков, выбираются, исходя из требуемой точности и характера измеряемых вибраций.

Устройство для измерения вибрации характеризуется высокой производительностью, возможностью использования для измерения вибраций в широкой полосе частот и высокой точностью измерений. При этом, благодаря компоновке на одной печатной плате устройство имеет компактные размеры и небольшой вес, что позволяет снизить влияние самого устройства на вибрации наблюдаемого оборудования.

Claims (7)

1. Устройство для измерения вибрации, содержащее корпус, в котором расположен блок питания, включающий аккумуляторную батарею, соединенную с контроллером уровня заряда, блок управления, выполненный в виде интегральной схемы и включающий вычислительный и коммуникационный компоненты, хотя бы один датчик вибрации, выполненный в виде акселерометра на основе микроэлектромеханической системы и соединенный с вычислительным компонентом блока управления посредством последовательного периферийного интерфейса, отличающееся тем, что содержит акустический датчик, соединенный с вычислительным компонентом блока управления посредством аналого-цифрового преобразователя.

2. Устройство для измерения вибрации по п.1, отличающееся тем, что датчик вибрации выполнен в виде датчика высокой точности.

3. Устройство для измерения вибрации по п.1, отличающееся тем, что датчик вибрации выполнен в виде датчика низкой точности.

4. Устройство для измерения вибрации по п.1, отличающееся тем, что акустический датчик выполнен в виде микроэлектромеханической системы.

5. Устройство для измерения вибрации по п.1, отличающееся тем, что корпус содержит кнопку включения, соединенную с блоком питания.

6. Устройство для измерения вибрации по п.1, отличающееся тем, что корпус содержит разъем для подключения зарядного устройства, соединенный с блоком питания.

7. Устройство для измерения вибрации по п.1, отличающееся тем, что коммуникационный компонент блока управления выполнен с возможностью взаимодействия с внешним интерфейсом посредством беспроводного протокола обмена данных.

Images