RU2724965C1

RU2724965C1 - Absolute vibration displacement sensor

Info

Publication number: RU2724965C1
Application number: RU2020102345A
Authority: RU
Inventors: Виктор Павлович Дунаевский; Елена Юрьевна Веселова; Дмитрий Геннадьевич Кряжев; Александр Александрович Урусовский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "ВИБРОН"
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2020-06-29

Abstract

FIELD: measurement.SUBSTANCE: invention relates to vibration measuring equipment. Absolute vibration displacement sensor piezoelectric accelerometer has its own housing, which is arranged in sensor housing, having an inner volume greater than the body volume of the accelerometer by at least 5 times such that between the sensor housing and the housing of the piezoelectric accelerometer there is a volumetric three-layer thermo-vibration-proof filler, which is resonance-free in the operating frequency range, consisting of three layers, having respectively 1, 6, 10 Shore hardness units and occupying, respectively, 20, 70, 10 % of volume between sensor housing and piezoelectric accelerometer housing, which is an assembly of layers of silicon thermopolymer and polyurethane, providing complete absorption of high-frequency vibration energy and shocks due to said ratios of layers of combined filler, electronic unit is placed in self-contained screen and connected to input interface of external device by double-screen cable with provision of double-circuit screening.EFFECT: possibility of measuring vibration displacement in the frequency range from 0_4 to 200–500 Hz with amplitude of 3–10 to 1000 mcm, with simultaneous impact of random shocks and high-frequency vibration loads exceeding actual ones existing on hydroelectric units and any rotary equipment.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано для мониторинга, диагностики и аварийной защиты роторного оборудования.The invention relates to vibration measuring equipment and can be used for monitoring, diagnostics and emergency protection of rotary equipment.

Известны аналоги-датчики PS400.317 и GPS 400.610Мс пьезоэлектрическими чувствительными элементами и выносным электронным блоком, позволяющие измерять низкочастотные виброперемещения.Known analog sensors PS400.317 and GPS 400.610Ms with piezoelectric sensitive elements and an external electronic unit that allows to measure low-frequency vibrations.

Недостатками аналогов являются отсутствие возможности измерения колебаний с частотами ниже 2 Гц, большие погрешности при измерении более низких частот (до 0,7 Гц). Кроме того, эти датчики не позволяют вести измерения при одновременном интенсивном воздействии вибрации и ударов, характерных для современной промышленности.The disadvantages of analogues are the lack of the ability to measure oscillations with frequencies below 2 Hz, large errors when measuring lower frequencies (up to 0.7 Hz). In addition, these sensors do not allow measurements with the simultaneous intense exposure to vibration and shock, typical of modern industry.

Более близким аналогом к предлагаемому техническому решению является датчик абсолютных виброперемещений - RU 2146806, 21.05.1999, принятый в качестве прототипа, содержащий корпус, расположенные внутри пьезорезистивный акселерометр (чувствительный элемент), электронную схему, обеспечивающую преобразование виброускорений в виброперемещение, демпфер с близким к оптимальному демпирующим коэффициентом с оптимальной до 500 Гц АЧХ, а крепление акселерометра внутри корпуса осуществлено через виброизолятор с собственной частотой на 15-40% превышающей собственную частоту акселерометра. Существенным недостатком прототипа является низкая вибро-ударопрочность и помехозащищенность от промышленных шумов и наводок, обусловленные примененными схемотехническими решениями и конструктивным исполнением.A closer analogue to the proposed technical solution is the absolute vibration displacement sensor - RU 2146806, 05.21.1999, adopted as a prototype, containing a housing located inside the piezoresistive accelerometer (sensing element), an electronic circuit that provides conversion of vibration acceleration to vibration displacement, a damper with a near optimal a damping coefficient with an optimum frequency response up to 500 Hz, and the accelerometer was mounted inside the housing through a vibration isolator with a natural frequency 15-40% higher than the natural frequency of the accelerometer. A significant disadvantage of the prototype is the low vibration resistance and noise immunity from industrial noise and interference, due to the applied circuitry and design.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства, позволяющего измерять виброперемещение в частотном диапазоне от 0,4 Гц до 200-500 Гц с амплитудой от 3-10 мкм до 1000 мкм, при одновременном воздействии случайных ударов и высокочастотных вибрационных нагрузок, превышающих реально существующие на гидроагрегатах и любом роторном оборудовании (высокочастотная вибрация до 500 g, ударов до 1000 g).The technical result of the present invention is the creation of a device that allows you to measure vibration in the frequency range from 0.4 Hz to 200-500 Hz with an amplitude of 3-10 μm to 1000 μm, with the simultaneous exposure to random shocks and high-frequency vibration loads exceeding those actually existing on hydraulic units and any rotary equipment (high-frequency vibration up to 500 g, shock up to 1000 g).

Технический результат достигается в датчике абсолютных виброперемещений, содержащем корпус, расположенные внутри корпуса пьезоэлектрический акселерометр, электронный блок, обеспечивающий преобразование виброускорений в виброперемещение, пьезоэлектрический акселерометр имеет собственный корпус, который размещен в корпусе датчика, имеющего внутренний объем, превышающий объем корпуса акселерометра не менее, чем в 5 раз таким образом, что между корпусом датчика и корпусом пьезоэлектрического акселерометра расположен объемный трехслойный термо-виброзащитный безрезонансный в рабочем диапазоне частот наполнитель, состоящий из трех слоев, имеющих, соответственно, 1, 6, 10 ед. твердости по Шору и занимающих, соответственно, 20, 70, 10% объема между корпусом датчика и корпусом пьезоэлектрического акселерометра, представляющий собой сборку из слоев силиконового термополимера и полиуретана, обеспечивающий полное поглощение энергии высокочастотной вибрации и ударов за счет указанных соотношений слоев комбинированного наполнителя, электронный блок размещен в автономном экране и связан с входным интерфейсом внешнего устройства двухэкранным кабелем с обеспечением двухконтурного экранирования.The technical result is achieved in an absolute vibration displacement sensor, comprising a housing, a piezoelectric accelerometer located inside the housing, an electronic unit that provides conversion of vibration acceleration to vibration displacement, the piezoelectric accelerometer has its own housing, which is placed in the sensor housing having an internal volume exceeding the volume of the accelerometer body not less than 5 times in such a way that between the sensor housing and the piezoelectric accelerometer housing there is a three-layer volumetric thermo-vibration-protective resonant-free resonant filler in the operating frequency range, consisting of three layers having, respectively, 1, 6, 10 units. Shore hardness and occupying, respectively, 20, 70, 10% of the volume between the sensor housing and the piezoelectric accelerometer housing, which is an assembly of layers of silicone thermopolymer and polyurethane, providing complete absorption of high-frequency vibration energy and shock due to the indicated ratios of the layers of the combined filler, electronic the unit is placed in a stand-alone screen and connected to the input interface of an external device with a two-screen cable with double-circuit shielding.

На фиг. 1 изображен датчик абсолютных виброперемещений.In FIG. 1 shows an absolute vibration displacement sensor.

Датчик абсолютных виброперемещений содержит корпус 1, расположенные внутри корпуса пьезоэлектрический акселерометр 2, электронный блок 3, обеспечивающий преобразование виброускорений в виброперемещение, пьезоэлектрический акселерометр 2 имеет собственный корпус 4, который размещен в корпусе 1 датчика таким образом, что между корпусом датчика 1 и корпусом 4 пьезоэлектрического акселерометра расположен трехслойный термо-виброзащитный безрезонансный в рабочем диапазоне частот наполнитель 5, электронный блок 3 размещен в экранирующей оболочке 6 и связан с внешним устройством 7 двухэкранным кабелем 8 с обеспечением двухконтурного экранирования.The absolute vibration displacement sensor contains a housing 1 located inside the housing of the piezoelectric accelerometer 2, an electronic unit 3 that provides conversion of vibration acceleration into vibration displacement, the piezoelectric accelerometer 2 has its own housing 4, which is located in the sensor housing 1 so that between the sensor housing 1 and the piezoelectric housing 4 the accelerometer has a three-layer thermo-vibration-protective resonance-free filler 5 in the operating frequency range, the electronic unit 3 is placed in the shielding sheath 6 and is connected to the external device 7 by a two-screen cable 8 with double-circuit shielding.

Рассмотрим пример конкретной реализации датчика абсолютных виброперемещений. Корпус датчика 1 изготовлен из латуни. Пьезоэлектрический акселерометр 2 представляет из себя биморфный пьезоэлемент 2, который установлен на бобышку 9 в корпусе акселерометра 4. Пьезоэлемент 2 связан двухжильным экранированным кабелем 10 с электронным блоком 3. Электронный блок 3 представляет из себя плату, на которой размещены узлы интегрирования, фильтрации, усиления и преобразования напряжения в ток. Корпус 4 пьезоэлектрического акселерометра выполнен из алюминиевого сплава. Трехслойный термо-виброзащитный безрезонансный в рабочем диапазоне частот наполнитель 5 представляет из себя сборку из слоев силиконового термополимера и полиуретана различной плотности и вязкости, которым заполняют пространство между корпусом датчика 1 и корпусом 4 акселерометра 2. Экранирующая оболочка 6 электронного блока 3 выполнена из медной фольги и связана с внешним устройством 7 двухэкранным кабелем. Экранирование 11 кабеля 8 выполнено в виде слоя медной оплетки и внешнего бронерукава. Выходной интерфейс обеспечивает передачу значения, вычисленного электронным блоком 3 перемещения на внешние устройства, для которых данное перемещение является входным сигналом, например, на сигнализатор превышения вибрации. Корпус 4 пьезоэлектрического акселерометра 2 размещен в корпусе 1, который имеет внутренний объем, превышающий объем корпуса 4 акселерометра 2 не менее, чем в 5 раз. При меньшем объеме корпуса 1 не обеспечивается поглощение высокочастотных и ударных воздействий на чувствительный элемент 2, что приводит к его некачественной работе. Увеличение соотношения объемов корпусов 1 и 4 нецелесообразно из-за увеличения габаритов датчика, что не желательно.Consider an example of a specific implementation of the absolute vibration displacement sensor. Sensor housing 1 is made of brass. The piezoelectric accelerometer 2 is a bimorphic piezoelectric element 2, which is mounted on the boss 9 in the housing of the accelerometer 4. The piezoelectric element 2 is connected by a two-core shielded cable 10 with the electronic unit 3. The electronic unit 3 is a board on which the integration, filtering, amplification and converting voltage to current. The housing 4 of the piezoelectric accelerometer is made of aluminum alloy. The three-layer thermo-vibration-protective resonance-free filler 5 in the operating frequency range is an assembly of layers of silicone thermopolymer and polyurethane of various densities and viscosities, which fill the space between the housing of the sensor 1 and the housing 4 of the accelerometer 2. The shielding shell 6 of the electronic unit 3 is made of copper foil and connected to external device 7 with a two-screen cable. Shielding 11 of the cable 8 is made in the form of a layer of copper braid and an external armored sleeve. The output interface provides the transfer of the value calculated by the electronic movement unit 3 to external devices for which this movement is an input signal, for example, to an excess vibration indicator. The housing 4 of the piezoelectric accelerometer 2 is placed in the housing 1, which has an internal volume exceeding the volume of the housing 4 of the accelerometer 2 by at least 5 times. With a smaller volume of the housing 1 is not ensured by the absorption of high-frequency and shock effects on the sensitive element 2, which leads to poor-quality work. The increase in the ratio of the volumes of buildings 1 and 4 is impractical due to the increase in the size of the sensor, which is not desirable.

Рассмотрим датчик абсолютных виброперемещений в работе. В рассматриваемом примере датчик применяется для контроля наличия опасного уровня вибрации в гидрогенераторной турбине. Датчик абсолютных виброперемещений устанавливают на корпусе турбины. Вибрация корпуса турбины передается на пьезоэлемент 2. В результате этого пьезоэлемент 2 деформируется, создавая разность потенциалов между точками контакта с проводниками 10. Электронный блок 3 считывает разность потенциалов, образующуюся на контактах кабеля 10 с пьезоэлементом 2, и вычисляет пропорциональную этой разности потенциалов величину перемещения.Consider the absolute vibration displacement sensor in operation. In this example, the sensor is used to monitor the presence of a dangerous level of vibration in a hydrogenerator turbine. The absolute vibration displacement sensor is installed on the turbine body. The vibration of the turbine body is transmitted to the piezoelectric element 2. As a result, the piezoelectric element 2 is deformed, creating a potential difference between the points of contact with the conductors 10. The electronic unit 3 reads the potential difference generated at the contacts of the cable 10 with the piezoelectric element 2, and calculates the displacement value proportional to this potential difference.

Благодаря наличию трехслойного термо-виброзащитного безрезонансного в рабочем диапазоне частот наполнителя 5, поглощающеего высокочастотные вибрации и удары, пьезоэлемент 2 воспринимает только вибрации с частотами до 200-500 Гц, а еще наличие двухконтурной системы заземления позволяет расширить нижнюю границу частотного диапазона до 0,4 Гц и измерять колебания с амплитудой от 3-10 мкм до 1000.Due to the presence of a three-layer thermo-vibration-protective resonant-free filler 5 in the operating frequency range, which absorbs high-frequency vibrations and shocks, piezoelectric element 2 only accepts vibrations with frequencies up to 200-500 Hz, and the presence of a two-loop grounding system allows you to expand the lower boundary of the frequency range to 0.4 Hz and measure vibrations with an amplitude of 3-10 microns to 1000.

Claims

Absolute vibration displacement sensor, comprising a body, a piezoelectric accelerometer located inside the body, an electronic unit for converting vibration accelerations into vibration displacement, characterized in that the piezoelectric accelerometer has its own body, which is housed in a sensor body having an internal volume exceeding the volume of the accelerometer body by at least 5 times in such a way that between the sensor housing and the piezoelectric accelerometer housing there is a three-layer volumetric thermo-vibration-protective resonance-free resonant filler in the operating frequency range, consisting of three layers having, respectively, 1, 6, 10 Shore hardness units and occupying, respectively, 20 , 70, 10% of the volume between the sensor housing and the piezoelectric accelerometer housing, which is an assembly of layers of silicone thermopolymer and polyurethane, providing complete absorption of high-frequency vibration energy and shock due to the indicated ratios of combinations of layers of the filler, the electronic unit is located in a stand-alone screen and is connected to the input interface of the external device by a two-screen cable with dual-circuit shielding.