RU99158U1 - REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER CONVERSION - Google Patents

REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER CONVERSION Download PDF

Info

Publication number
RU99158U1
RU99158U1 RU2010125245/28U RU2010125245U RU99158U1 RU 99158 U1 RU99158 U1 RU 99158U1 RU 2010125245/28 U RU2010125245/28 U RU 2010125245/28U RU 2010125245 U RU2010125245 U RU 2010125245U RU 99158 U1 RU99158 U1 RU 99158U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
unit
output
measurement
piezoelectric accelerometer
adder
Prior art date
Application number
RU2010125245/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Иванович Лачин
Александр Константинович Малина
Дмитрий Александрович Плотников
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)"
Priority to RU2010125245/28U priority Critical patent/RU99158U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU99158U1 publication Critical patent/RU99158U1/en

Links

Abstract

Устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра, содержащее блок измерения и контроля, переключатель, соединенный с органом управления, и источник тестового напряжения, отличающееся тем, что дополнительно содержит разъем для подключения пьезоакселерометра, усилитель заряда, аналого-цифровой преобразователь, управляемую линию задержки, ключ, сумматор, блок выявления экстремумов, блок вычисления параметров свободных колебаний, блок коррекции коэффициента передачи, блок определения исправности и интерфейсный блок, причем усилитель заряда подключен к разъему пьезоакселерометра через первый контакт переключателя, источник тестового напряжения подключен к разъему пьезоакселерометра через второй контакт переключателя, через третий контакт переключателя выводы разъема пьезоакселерометра соединяются друг с другом, к выходу усилителя заряда подключен аналого-цифровой преобразователь, к выходу аналого-цифрового преобразователя параллельно подключены управляемая линия задержки и суммирующий вход сумматора, выход управляемой линии задержки через ключ подключен к вычитающему входу сумматора, к выходу сумматора параллельно подключены входы блока измерения и контроля и блока выявления экстремумов, выход блока выявления экстремумов подключен к входу блока вычисления параметров свободных колебаний, к выходу блока вычисления параметров свободных колебаний параллельно подключены блок коррекции коэффициента передачи и блок определения исправности, выход блока коррекции коэффициента передачи подключен к входу блока измерения и контроля, интерфейсны A device for remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer, comprising a measurement and control unit, a switch connected to a control body, and a test voltage source, characterized in that it further comprises a piezoelectric accelerometer connector, a charge amplifier, an analog-to-digital converter, a controlled delay line, a key , adder, block for detecting extremes, block for calculating the parameters of free oscillations, block for correcting the transmission coefficient, block for determining reference and an interface unit, with the charge amplifier connected to the piezoelectric accelerometer connector through the first switch contact, the test voltage source connected to the piezoelectric accelerometer connector through the second switch contact, the piezoelectrometer connector terminals are connected to each other, an analog-to-digital converter is connected to the output of the charge amplifier , the controlled delay line and the summing adder input are connected in parallel to the output of the analog-to-digital converter, the output is the delay line being drawn through the key is connected to the subtracting input of the adder, the inputs of the measurement and control unit and the extrema detection unit are connected in parallel to the adder output, the extrema detection unit output is connected to the input of the unit for calculating the parameters of free oscillations, and the output of the unit for calculating the parameters of free oscillations is connected in parallel to the correction unit the transmission coefficient and the health determination unit, the output of the transmission coefficient correction unit is connected to the input of the measurement and control unit, interface

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для периодического дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра (далее - пьезоакселерометра) путем возбуждения резонансных колебаний его чувствительного элемента и определения их параметров без демонтажа пьезоакселерометра с объекта эксплуатации и без вывода объекта эксплуатации из рабочего режима.The utility model relates to the field of measurement technology and is intended for periodic remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer (hereinafter referred to as the piezo accelerometer) by exciting resonant vibrations of its sensitive element and determining their parameters without dismantling the piezo accelerometer from the operation object and without removing the operation object from the operating mode.

Известно устройство, реализующее способ электрического возбуждения резонансных колебаний пьезоэлектрического акселерометра [Патент Российской Федерации №2150708, кл. G01P 21/00, G01P 15/09, 1999], содержащее источник напряжения возбуждения, переключатель, разъемы для подключения акселерометра и регистратора, формирователь сигналов управления, первый и второй нормально-разомкнутые ключи и элемент задержки, причем в качестве источника напряжения возбуждения используется источник постоянного напряжения.A device is known that implements a method of electrical excitation of resonant oscillations of a piezoelectric accelerometer [Patent of the Russian Federation No. 2150708, cl. G01P 21/00, G01P 15/09, 1999], comprising an excitation voltage source, a switch, connectors for connecting an accelerometer and a recorder, a control signal generator, first and second normally open keys and a delay element, and a source is used as an excitation voltage source constant voltage.

Недостатком устройства является то, что оно позволяет оценить лишь исправность пьезоакселерометра. Небольшие изменения коэффициента преобразования, влияющие на точность измерения параметров вибрации и вызванные, например, колебаниями температуры, это устройство не выявляет. Кроме того, оно работоспособно лишь при отсутствии внешних механических воздействий на пьезоакселерометр со стороны объекта измерения. При наличии таких воздействий вызванные ими колебания чувствительного элемента пьезоакселерометра суммируются со свободными колебаниями, что делает невозможным непосредственное определение параметров свободных колебаний. Эта особенность существенно ограничивает область применения данного устройства. Фактически параметры свободных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра могут быть измерены лишь во время планового или аварийного останова объекта измерения, то есть тогда, когда демонтаж пьезоакселерометра зачастую не вызывает затруднений, и имеется возможность использования традиционных способов контроля.The disadvantage of this device is that it allows you to evaluate only the health of the piezo-accelerometer. Small changes in the conversion coefficient, affecting the accuracy of measuring vibration parameters and caused, for example, by temperature fluctuations, this device does not detect. In addition, it is functional only in the absence of external mechanical influences on the piezo-accelerometer from the side of the measurement object. In the presence of such influences, the vibrations of the sensitive element of the piezo-accelerometer caused by them are summed up with free vibrations, which makes it impossible to directly determine the parameters of free vibrations. This feature significantly limits the scope of this device. In fact, the parameters of free oscillations of the sensitive element of the piezo-accelerometer can be measured only during a planned or emergency stop of the measurement object, that is, when the dismantling of the piezo-accelerometer is often not difficult, and there is the possibility of using traditional monitoring methods.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототип) является система виброконтроля [Патент Российской Федерации №2226676, кл. G01H 17/00, 2003], содержащая датчик вибрации с входом для подачи на него тестового напряжения, блок измерения и контроля, переключатель, соединенный с органом управления, источник тестового напряжения, элемент сравнения, источник образцового сигнала и индикатор неисправности датчика вибрации.Closest to the technical nature of the proposed utility model (prototype) is a vibration control system [Patent of the Russian Federation No. 2226676, cl. G01H 17/00, 2003], comprising a vibration sensor with an input for supplying a test voltage thereto, a measurement and control unit, a switch connected to the control body, a test voltage source, a comparison element, a reference signal source, and a vibration sensor malfunction indicator.

Недостатком системы является необходимость использования датчика специальной конструкции, имеющего не только выход сигнала, пропорционального ускорению, но и вход для подачи на него тестового напряжения. Большинство производимых и эксплуатируемых в настоящее время пьезоакселерометров не имеет такого входа, что существенно ограничивает область применения системы.The disadvantage of the system is the need to use a sensor of a special design that has not only a signal output proportional to acceleration, but also an input for supplying a test voltage to it. Most of the piezoelectric accelerometers currently manufactured and operated do not have such an input, which significantly limits the scope of the system.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности определения коэффициента преобразования пьезоакселерометра в процессе функционирования объекта измерения. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров вибрации путем оперативной коррекции общего коэффициента передачи канала измерения с учетом периодически измеряемого коэффициента преобразования пьезоакселерометра.The objective of the proposed utility model is to provide the ability to determine the conversion coefficient of the piezoelectric accelerometer in the process of functioning of the measurement object. The technical result consists in increasing the accuracy of measuring vibration parameters by quickly correcting the overall transmission coefficient of the measurement channel, taking into account the periodically measured conversion coefficient of the piezo accelerometer.

Технический результат достигается тем, что устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра содержит блок измерения и контроля, переключатель, орган управления, источник тестового напряжения, разъем для подключения пьезоакселерометра, усилитель заряда, аналого-цифровой преобразователь, управляемую линию задержки, ключ, сумматор, блок выявления экстремумов, блок вычисления параметров свободных колебаний, блок коррекции коэффициента передачи, блок определения исправности и интерфейсный блок, причем усилитель заряда подключен к разъему пьезоакселерометра через первый контакт переключателя, источник тестового напряжения подключен к разъему пьезоакселерометра через второй контакт переключателя, через третий контакт переключателя выводы разъема пьезоакселерометра соединяются друг с другом, к выходу усилителя заряда подключен аналого-цифровой преобразователь, к выходу аналого-цифрового преобразователя параллельно подключены управляемая линия задержки и суммирующий вход сумматора, выход управляемой линии задержки через ключ подключен к вычитающему входу сумматора, к выходу сумматора параллельно подключены входы блока измерения и контроля и блока выявления экстремумов, выход блока выявления экстремумов подключен к входу блока вычисления параметров свободных колебаний, к выходу блока вычисления параметров свободных колебаний параллельно подключены блок коррекции коэффициента передачи и блок определения исправности, выход блока коррекции коэффициента передачи подключен к входу блока измерения и контроля, интерфейсный блок подключен к выходу блока измерения и контроля и к блоку определения исправности; орган управления соединен с интерфейсным блоком, к выходам органа управления подключены блок измерения и контроля, блок выявления экстремумов, ключ, управляемая линия задержки и переключатель.The technical result is achieved by the fact that the device for remote measurement of the conversion coefficient of the piezoelectric accelerometer contains a measurement and control unit, a switch, a control, a test voltage source, a connector for connecting a piezo accelerometer, a charge amplifier, an analog-to-digital converter, a controlled delay line, a key, an adder, a block detecting extrema, a unit for calculating the parameters of free oscillations, a block for correcting the transmission coefficient, a unit for determining health and interface the unit, the charge amplifier being connected to the piezoelectric accelerometer connector through the first switch contact, the test voltage source is connected to the piezoelectric accelerometer connector through the second switch contact, the terminals of the piezoelectric accelerometer connector are connected to each other through the third contact of the switch, an analog-to-digital converter is connected to the output of the charge amplifier, to the output of the analog-to-digital converter is connected in parallel with a controlled delay line and a summing input of the adder, the output of the controlled line is delayed the ki is connected through a key to the subtracting input of the adder, the inputs of the measurement and control unit and the extrema detection unit are connected in parallel to the adder output, the extrema detection unit output is connected to the input of the free vibration parameter calculation unit, the transmission coefficient correction block is connected in parallel to the output of the free vibration parameter calculation unit and a health determination unit, the output of the transmission coefficient correction unit is connected to the input of the measurement and control unit, the interface unit is connected to the output in measurement and control unit and to determine the serviceability of the unit; the control is connected to the interface unit, the measuring and control unit, the extremum detection unit, the key, the controlled delay line and the switch are connected to the control unit outputs.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу, причем на фиг.2а показана форма сигнала на выводах пьезоакселерометра, на фиг.2б, - форма сигнала на выходе усилителя заряда (до обработки), а на фиг.2в - форма сигнала, соответствующего резонансным колебаниям чувствительного элемента пьезоакселерометра, на выходе сумматора.Figure 1 presents a functional diagram of a device for remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer, and figure 2 is a timing diagram explaining its operation, and figure 2a shows the waveform at the terminals of the piezoelectric accelerometer, figure 2b, the waveform at the output a charge amplifier (before processing), and in FIG. 2c, a waveform corresponding to resonant vibrations of a sensitive element of a piezo accelerometer at the output of the adder.

Устройство содержит разъем 1 для подключения пьезоакселерометра 2, переключатель 3, источник тестового напряжения (ИТН) 4, усилитель заряда (УЗ) 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, управляемую линию задержки 7, ключ 8, сумматор 9, блок измерения и контроля (БИК) 10, блок коррекции коэффициента передачи (БККП)11, орган управления (ОУ) 12, интерфейсный блок (ИБ) 13, блок выявления экстремумов (БВЭ) 14, блок вычисления параметров свободных колебаний (БВСК) 15 и блок определения исправности (БОИ) 16, причем УЗ 5 подключен к разъему 1 пьезоакселерометра 2 через первый контакт переключателя 3, ИТН 4 подключен к разъему 1 пьезоакселерометра 2 через второй контакт переключателя 3, через третий контакт переключателя 3 выводы разъема 1 пьезоакселерометра 2 соединяются друг с другом, к выходу УЗ 5 подключен АЦП 6, к выходу АЦП 6 параллельно подключены управляемая линия задержки 7 и суммирующий вход сумматора 9, выход управляемой линии задержки 7 через ключ 8 подключен к вычитающему входу сумматора 9, к выходу сумматора 9 параллельно подключены входы БИК 10 и БВЭ 14, выход БВЭ 14 подключен к входу БВСК 15, к выходу БВСК 15 параллельно подключены БККП 11 и БОИ 16, выход БККП 11 подключен к входу БИК 10, ИБ 13 подключен к выходу БИК 10 и к БОИ 16; ОУ 12 соединен с ИБ 13, к выходам ОУ 12 подключены БИК 10, БВЭ 14, ключ 8, управляемая линия задержки 7 и переключатель 3.The device contains a connector 1 for connecting a piezo-accelerometer 2, a switch 3, a test voltage source (ITN) 4, a charge amplifier (US) 5, an analog-to-digital converter (ADC) 6, a controlled delay line 7, a key 8, an adder 9, a measurement unit, and control (BIC) 10, the transmission coefficient correction block (BKKP) 11, the control element (OS) 12, the interface unit (IB) 13, the unit for detecting extrema (BVE) 14, the unit for calculating the parameters of free oscillations (BVSK) 15 and the health determination unit (BOI) 16, and UZ 5 is connected to the connector 1 of the piezo-accelerometer 2 black Without the first contact of the switch 3, the ITN 4 is connected to the connector 1 of the piezo-accelerometer 2 through the second contact of the switch 3, through the third contact of the switch 3 the conclusions of the connector 1 of the piezo-accelerometer 2 are connected to each other, the ADC 6 is connected to the output of the UZ 5, and the controlled ADC 6 is connected in parallel delay line 7 and the summing input of the adder 9, the output of the controlled delay line 7 through a key 8 is connected to the subtracting input of the adder 9, the inputs of the BIC 10 and BVE 14 are connected to the output of the adder 9, the output of the BVE 14 is connected to the input of BVSK 15, to the output FAC 15 are connected in parallel BKKP 11 and the BOI 16 BKKP outlet 11 is connected to the input of the BIC 10, the IB 13 is connected to the output of the BIC 10 and 16 to the BOI; OS 12 is connected to IB 13, to the outputs of OS 12 are connected BIK 10, BVE 14, key 8, a controlled delay line 7, and switch 3.

Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме ОУ 12 переводит переключатель 3 в верхнее положение, размыкает ключ 8, разрешает работу БИК 10 и блокирует работу БВЭ 14. Заряд, пропорциональный ускорению чувствительного элемента пьезоакселерометра 2, обусловленному вибрацией объекта эксплуатации, с выводов пьезоакселерометра 2 через разъем 1 поступает на УЗ 5, а затем на АЦП 6, где преобразуется в цифровую форму. Код с выхода АЦП 6, пропорциональный мгновенному значению заряда, поступает на суммирующий вход сумматора 9. Поскольку ключ 8 разомкнут, этот код без изменений поступает на вход БИК 10, где анализируется и преобразуется в контролируемые показатели вибрации (частота основной гармоники вибрации, мгновенные и действующие значения виброускорения, виброскорости и некоторые другие). При этом БИК 10 выполняет нормирование вычисленных параметров с использованием текущего значения К коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2, полученного с БККП 11 Полученные значения параметров периодически или по запросу передаются через ИБ 13 на следующий уровень системы контроля и диагностики. Одновременно с описанными действиями код с выхода АЦП 6 постоянно накапливается в управляемой линии задержки 7; по мере ее заполнения самые старые коды теряются и замещаются новыми. Величина задержки ТЗАД регулируется ОУ 12 в зависимости от частоты основной гармоники вибрации объекта и должна быть равна целому числу N периодов этой гармоники. Кроме того, величина задержки должна превышать суммарную длительность интервалов Т1…Т4 (фиг.2).The device operates as follows. In normal mode, the op-amp 12 switches the switch 3 to the upper position, opens the key 8, allows the BIC 10 to work, and blocks the operation of the BEC 14. The charge is proportional to the acceleration of the sensitive element of the piezo-accelerometer 2 due to the vibration of the object, from the terminals of the piezo-accelerometer 2 through connector 1 to the ultrasound 5, and then to the ADC 6, where it is converted to digital form. The code from the output of the ADC 6, proportional to the instantaneous value of the charge, goes to the summing input of the adder 9. Since the key 8 is open, this code goes to the input of the BIC 10 without changes, where it is analyzed and converted into controlled vibration indicators (frequency of the fundamental harmonic vibration, instantaneous and current values of vibration acceleration, vibration velocity and some others). At the same time, BIC 10 normalizes the calculated parameters using the current value K of the conversion coefficient of the piezo accelerometer 2 obtained from BKKP 11. The obtained parameter values are periodically or upon request transmitted through IB 13 to the next level of the monitoring and diagnostic system. Simultaneously with the described actions, the code from the output of the ADC 6 is constantly accumulated in the controlled delay line 7; as it is filled, the oldest codes are lost and replaced with new ones. The value of the delay T ZAD is regulated by OA 12 depending on the frequency of the fundamental harmonic of the vibration of the object and must be equal to an integer N of periods of this harmonic. In addition, the delay should exceed the total duration of the intervals T1 ... T4 (figure 2).

Калибровка описываемого устройства выполняется в ходе пусконаладочных, а при наличии возможности, и плановых профилактических работ на объекте эксплуатации пьезоакселерометра 2. При этом пьезоакселерометр 2 демонтируется с объекта, а его коэффициент преобразования К0 измеряется прямым способом (например, с помощью вибростенда). Затем пьезоакселерометр 2 монтируется на объект, а описываемое устройство включается в работу в нормальном режиме и через некоторое время переводится в режим определения образцовых параметров. При этом предполагается, что за время, прошедшее между измерением коэффициента К0 и включением режима определения образцовых параметров, состояние пьезоакселерометра 2 и условия его эксплуатации существенно не изменились.Calibration of the described device is carried out during commissioning, and if possible, planned preventive maintenance at the facility of operation of the piezo-accelerometer 2. At the same time, the piezo-accelerometer 2 is dismantled from the object, and its conversion coefficient K 0 is measured directly (for example, using a vibrating stand). Then the piezoelectric accelerometer 2 is mounted on the object, and the described device is turned on in normal mode and after some time it is transferred to the mode of determining model parameters. It is assumed that during the time elapsed between the measurement of the coefficient K 0 and the inclusion of the mode for determining the model parameters, the state of the piezo accelerometer 2 and its operating conditions have not changed significantly.

В режиме определения образцовых параметров ОУ 12 замыкает ключ 8, в результате чего накопленные в управляемой линии задержки 7 значения, задержанные на несколько периодов, вычитаются из текущих значений, поступающих с АЦП 6. При условии отсутствия в течение времени задержки заметных изменений вибрации объекта эксплуатации последовательность кодов на выходе сумматора 9 будет содержать только случайную составляющую, обусловленную шумами канала измерения и негармоническими составляющими вибрации (фиг.2в, интервал Т1). БИК 10 оценивает параметры этой последовательности кодов, которые впоследствии будут использованы при вычислении параметров собственных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра 2.In the mode of determining the model parameters, the OS 12 closes the key 8, as a result of which the values accumulated in the controlled delay line 7, delayed for several periods, are subtracted from the current values received from the ADC 6. If there is no noticeable change in the vibration of the operation object during the delay time, the sequence codes at the output of the adder 9 will contain only a random component due to the noise of the measurement channel and non-harmonic components of vibration (pigv, interval T1). BIC 10 evaluates the parameters of this sequence of codes, which will subsequently be used in calculating the parameters of the natural oscillations of the sensitive element of the piezo accelerometer 2.

По истечении некоторого времени Tl (4…5 периодов основной гармоники вибрации) ОУ 12 переводит переключатель 3 в среднее положение. При этом чувствительный элемент пьезоакселерометра 2 в результате обратного пьезоэффекта деформируется под воздействием напряжения возбуждения, поступающего с ИТН 4 (фиг.2а, интервал Т2). По истечении некоторого времени Т2, когда деформация достигнет установившегося значения, ОУ 12 переводит переключатель 3 в нижнее положение, замыкая таким образом выводы пьезоакселерометра 2. Заряд на выводах, вызванный подключением ИТН 4, в течение очень короткого промежутка времени ТЗ уменьшается до нуля (фиг.2а, интервал ТЗ), а деформация чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 начинает изменяться в виде затухающий колебаний с резонансной частотой. К этим колебаниям добавляется составляющая, вызванная вибрацией объекта эксплуатации (фиг.2а, интервал Т4). По окончании интервала времени ТЗ ОУ 12 переводит переключатель 3 в верхнее положение, вновь подключая УЗ 5 к выводам пьезоакселерометра 2. Одновременно с этим ОУ 12 блокирует работу БИК 10 и разрешает работу БВЭ 14. В результате работы управляемой линии задержки 7 на выходе сумматора 9 сформируется последовательность кодов, пропорциональных мгновенным значениям заряда на выводах пьезоакселерометра 2, соответствующая резонансным колебаниям чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 (фиг.2в, интервал Т4). За исключением начального участка, где возможно ограничение сигнала входными узлами описываемого устройства (УЗ 5 и АЦП 6), полученная последовательность кодов достаточно точно описывается выражением:After some time Tl (4 ... 5 periods of the fundamental harmonic of vibration), the op-amp 12 puts switch 3 in the middle position. In this case, the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2 as a result of the inverse piezoelectric effect is deformed under the influence of the excitation voltage coming from ITN 4 (figa, interval T2). After some time T2, when the deformation reaches a steady-state value, OS 12 switches the switch 3 to the lower position, thus closing the terminals of the piezoelectric accelerometer 2. The charge at the terminals caused by the connection of ITN 4 decreases to zero within a very short period of time (Fig. 2a, TK interval), and the deformation of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2 begins to change in the form of damped oscillations with a resonant frequency. To these vibrations is added a component caused by the vibration of the object of operation (figa, interval T4). At the end of the time interval, the OA 12 switches the switch 3 to the upper position, reconnecting the UZ 5 to the terminals of the piezoelectric accelerometer 2. At the same time, the OA 12 blocks the operation of the BIC 10 and enables the operation of the BEE 14. As a result of the operation of the controlled delay line 7, the output of the adder 9 a sequence of codes proportional to the instantaneous values of the charge at the terminals of the piezoelectric accelerometer 2, corresponding to the resonant vibrations of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2 (pigv, interval T4). With the exception of the initial section, where the signal may be limited by the input nodes of the described device (US 5 and ADC 6), the obtained sequence of codes is rather accurately described by the expression:

где y(i) - i-e значение последовательности;where y (i) is the i-e value of the sequence;

i - номер отсчета (0…n);i - reference number (0 ... n);

Y - начальное значение функции при i=0 (в момент отключения источника тестового напряжения);Y is the initial value of the function at i = 0 (at the time of switching off the test voltage source);

t0 - период квантования по времени;t 0 - time quantization period;

τ - постоянная времени затухания переходного процесса;τ is the transient decay time constant;

ω - круговая частота резонансных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра 2;ω is the circular frequency of the resonant oscillations of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2;

Для определения значения Y БВЭ 14 выявляет локальные экстремумы последовательности кодов (фиг.2в, интервал Т4 за исключением участка с ограничением сигнала), а БВСК 15 на основе полученных данных определяет параметры экспоненциальной огибающей функции переходного процесса Y и τ, а также частоту резонансных колебаний ω. При этом выявление экстремумов выполняется до тех пор, пока уровень полезного сигнала (фиг.2в, интервал Т4) не станет сопоставим с уровнем помех (фиг.2в, интервал Т1).To determine the value of Y, the BEE 14 detects local extrema of the code sequence (Fig.2c, the interval T4 except for the signal limited section), and the BESC 15 determines the parameters of the exponential envelope of the transition process Y and τ, as well as the frequency of resonant oscillations ω . In this case, the detection of extrema is performed until the level of the useful signal (FIG. 2B, interval T4) becomes comparable with the level of interference (FIG. 2B, interval T1).

Полученные в процессе определения образцовых параметров значения Y, τ и ω(Y0, τ0, ω0) сохраняются в памяти БККП11. Туда же через ИБ 13 по команде оператора системы контроля и диагностики записывается эталонное значение коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2 К0, измеренное прямым способом, а также значения предельно допустимых отклонений параметров τ ω и коэффициента преобразования от номинала.The values of Y, τ and ω (Y 0 , τ 0 , ω 0 ) obtained in the process of determining the model parameters are stored in the BKKP11 memory. There, through IB 13, at the command of the operator of the monitoring and diagnostic system, the reference value of the conversion coefficient of the piezo accelerometer 2 K 0 , measured directly, as well as the maximum permissible deviations of the parameters τ ω and the conversion coefficient from the nominal value, is recorded.

По окончании вычислений ОУ 12 переводит устройство из режима определения образцовых параметров в нормальный режим путем размыкания ключа 8, разрешения работы БИК 10 и блокирования БВЭ 14.At the end of the calculations, the OS 12 transfers the device from the mode of determining the model parameters to the normal mode by opening the key 8, enabling the BIC 10 and blocking the BVE 14.

В режим измерения текущего значения коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2 описываемое устройство переходит либо автоматически с заданной периодичностью, либо по команде оператора, поступающей через ИБ 13. Работа устройства в этом режиме во многом аналогична работе в режиме определения образцовых параметров. Устройство точно так же возбуждает резонансные колебания чувствительного элемента пьезоакселерометра 2, выделяет последовательность кодов, соответствующую этим колебаниям, и определяет параметры Y и τ экспоненциальной огибающей описывающей ее функции, а также частоту резонансных колебаний ω.The described device switches to the mode of measuring the current value of the conversion coefficient of the piezo-accelerometer 2 either automatically at a predetermined frequency, or at the command of the operator through IB 13. The operation of the device in this mode is largely similar to the operation in the mode of determining model parameters. The device in the same way excites the resonant vibrations of the sensitive element of the piezo-accelerometer 2, selects the sequence of codes corresponding to these vibrations, and determines the parameters Y and τ of the exponential envelope of the function describing it, as well as the frequency of the resonant oscillations ω.

Так как с течением времени и в зависимости от условий эксплуатации пьезоакселерометра 2 его характеристики могут изменяться, значения параметров Y, τ и ω, вычисленные в режиме измерения (Y1, τ1 ω1), в общем случае отличаются от аналогичных значений Y0, τ0, ω0, вычисленных в режиме определения образцовых параметров.Since over time and depending on the operating conditions of the piezo-accelerometer 2, its characteristics can change, the values of the parameters Y, τ, and ω calculated in the measurement mode (Y 1 , τ 1 ω 1 ) generally differ from similar values of Y 0 , τ 0 , ω 0 calculated in the mode of determining the model parameters.

После вычисления параметров Y1, τ1, ω1 БКПП11 вычисляет текущее значение коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2 К по формуле:After calculating the parameters Y 1 , τ 1 , ω 1 BKPP11 calculates the current value of the conversion coefficient of the piezo accelerometer 2 K by the formula:

БОИ 16 сравнивает полученные величины К, τ1, ω1 с заданными предельно допустимьми значениями и на основании результатов сравнения формирует признак исправности пьезоакселерометра 2, который через ИБ 13 передается на следующий уровень системы контроля и диагностики.BOI 16 compares the obtained values of K, τ 1 , ω 1 with the specified maximum permissible values and, on the basis of the comparison results, forms a sign of serviceability of the piezo-accelerometer 2, which is transmitted through IB 13 to the next level of the monitoring and diagnostic system.

По окончании вычислений устройство переходит в нормальный режим работы. При этом для вычисления контролируемых параметров вибрации БИК 10 использует уже новое значение коэффициента преобразования К, полученное в режиме измерения текущего значения коэффициента преобразования пьезоакселерометра 2.At the end of the calculations, the device goes into normal operation. Moreover, to calculate the controlled vibration parameters, the BIK 10 uses the new value of the conversion coefficient K obtained in the mode of measuring the current value of the conversion coefficient of the piezo accelerometer 2.

Описанный алгоритм функционирования устройства дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра обосновывается следующим образом. Коэффициент преобразования пьезоакселерометра 2 К по определению описывается выражениемThe described algorithm for the operation of the device for remote measurement of the conversion coefficient of the piezoelectric accelerometer is justified as follows. The conversion coefficient of a 2 K piezo-accelerometer is, by definition, described by the expression

где q - заряд, возникающий в чувствительном элементе пьезоакселерометра 2.where q is the charge arising in the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2.

а - виброускорение;a - vibration acceleration;

С учетом второго закона Ньютона и известного выражения 4, связывающего заряд с силой, действующей на чувствительный элемент пьезоакселерометра 2, получим:Given the second law of Newton and the well-known expression 4, connecting the charge with the force acting on the sensitive element of the piezo-accelerometer 2, we obtain:

где Where d33 - продольный пьезомодуль материала чувствительного элемента пьезоакселерометра 2;d 33 is a longitudinal piezoelectric module of the material of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2;

F - сила, действующая на чувствительный элемент пьезоакселерометра 2 со стороны инерционного элемента пьезоакселерометра 2;F is the force acting on the sensitive element of the piezo-accelerometer 2 from the side of the inertial element of the piezo-accelerometer 2;

М - масса инерционного элемента пьезоакселерометра 2.M is the mass of the inertial element of the piezoelectric accelerometer 2.

Таким образом, коэффициент преобразования пьезоакселерометра 2 изменяется пропорционально изменению пьезомодуля:Thus, the conversion coefficient of the piezoelectric accelerometer 2 varies in proportion to the change in the piezoelectric module:

гдеWhere K1 - коэффициент преобразования, соответствующий пьезомодулю d33 1.K 1 is the conversion coefficient corresponding to the piezoelectric module d 33 1 .

d331 - продольный пьезомодуль в момент времени t1;d 33 1 - longitudinal piezoelectric module at time t 1 ;

d330 - продольный пьезомодуль в момент времени t0;d 33 0 - longitudinal piezoelectric module at time t 0 ;

К0 - коэффициент преобразования, соответствующий пьезомодулю d330;To 0 is the conversion coefficient corresponding to the piezoelectric module d 33 0 ;

Измерение значения пьезомодуля в процессе работы пьезоакселерометра 2 затруднено, однако отношение может быть получено следующим образом.The measurement of the value of the piezoelectric module during operation of the piezoelectric accelerometer 2 is difficult, however, the ratio can be obtained as follows.

При подключении ИТН4 к выводам пьезоакселерометра 2 его чувствительный элемент получает деформацию, значение которой вычисляется в соответствии с известным выражениемWhen ITN4 is connected to the terminals of the piezoelectric accelerometer 2, its sensitive element receives a deformation, the value of which is calculated in accordance with the known expression

гдеWhere Δh - изменение высоты чувствительного элемента пьезоакселерометра 2; Δh is the change in the height of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2;

U - приложенное к выводам напряжение.U is the voltage applied to the terminals.

В момент отключения ИТН 4 чувствительный элемент пьезоакселерометра 2 будет находиться в деформированном состоянии, что эквивалентно воздействию на него со стороны инерционного элемента пьезоакселерометра 2 силы F0, определяемой следующим известным выражением:At the time of disconnection of ITN 4, the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2 will be in a deformed state, which is equivalent to the action of the force F 0 on the inertial element of the piezoelectric accelerometer 2, defined by the following well-known expression:

гдеWhere h -высота чувствительного элемента пьезоакселерометра 2; h is the height of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2;

А - площадь сечения чувствительного элемента пьезоакселерометра 2, перпендикулярного направлению действия силы.A is the cross-sectional area of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2, perpendicular to the direction of action of the force.

S - упругость материала чувствительного элемента пьезоакселерометра 2.S is the elasticity of the material of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2.

С учетом выражения 7 получим:Given expression 7 we get:

При воздействии этой силы на электродах чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 возникнет заряд, значение которого с учетом выражений 4 и 9 можно определить по формуле:When this force is applied, a charge will arise on the electrodes of the sensitive element of the piezo-accelerometer 2, the value of which, taking into account expressions 4 and 9, can be determined by the formula:

Если известны значения Q0 в момент времени t0 и Q1 в момент времени t1, то отношение значений пьезомодулей в те же моменты времени с учетом выражения 10 можно определить какIf the values of Q 0 at the time t 0 and Q 1 at the time t 1 are known, then the ratio of the values of the piezoelectric modules at the same time instants taking into account expression 10 can be defined as

При этом считаем, что тестовое напряжение U, а также геометрические размеры чувствительного элемента пьезоакселерометра 2 (A, h) и упругость материала S являются постоянными (см., например: Богуш М.В. Влияние температуры на коэффициент преобразования пьезоэлектрических датчиков. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика - 2008. - №2. - с.36-39.).At the same time, we believe that the test voltage U, as well as the geometric dimensions of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2 (A, h) and the elasticity of the material S are constant (see, for example: MV Bogush, Effect of temperature on the conversion coefficient of piezoelectric sensors. Devices and systems Management, control, diagnostics - 2008. - No. 2. - p. 36-39.).

Таким образом, непосредственно измерив в некоторый момент времени t0 (например, в процессе пусконаладочных работ) коэффициент преобразования К0 и определив при помощи описываемого устройства соответствующее значение Q0, можно путем измерения текущего значения Q1 определить текущее значение коэффициента преобразования K1 (с учетом выражений 6, 11):Thus, directly measuring at some point t 0 of time (for example, during commissioning) conversion coefficient K 0 and determining by means of the described device a corresponding value Q 0, it is possible by measuring the current value of Q 1, the current value K 1 conversion factor (s taking into account expressions 6, 11):

Непосредственное измерение значения Q затруднено необходимостью замыкания выводов пьезоакселерометра 2 сразу после отключения ИТН 4. Однако возникающий в чувствительном элементе пьезоакселерометра 2 механический колебательный процесс приводит к изменению заряда, которое достаточно точно описывается выражениемThe direct measurement of the Q value is complicated by the need to close the terminals of the piezoelectric accelerometer 2 immediately after shutting down the ITN 4. However, the mechanical oscillatory process that occurs in the sensitive element of the piezo accelerometer 2 leads to a change in the charge, which is quite accurately described by the expression

где q(t) - значение заряда в момент времени t;where q (t) is the value of the charge at time t;

t - время;t is the time;

Q - величина заряда в момент отключения ИТН 4;Q - the value of the charge at the time of shutdown ITN 4;

τ - постоянная времени затухания переходного процесса;τ is the transient decay time constant;

ω - круговая частота резонансных колебаний чувствительного элемента пьезоакселерометра 2.ω is the circular frequency of the resonant oscillations of the sensitive element of the piezoelectric accelerometer 2.

Таким образом, зная некоторое количество значений q(t), можно определить значение Q.Thus, knowing a certain number of q (t) values, we can determine the value of Q.

Рассмотренное устройство позволяет измерять коэффициент преобразования пьезоакселерометров, контролирующих параметры вибрации роторных машин (турбоагрегатов электрических станций, компрессоров газоперекачивающих станций и подобных им), то есть таких, у которых вибрация имеет явно выраженный периодический характер.The considered device allows one to measure the conversion coefficient of piezo-accelerometers that control the vibration parameters of rotary machines (turbine units of electric stations, compressors of gas pumping stations and the like), that is, those in which the vibration has a clearly pronounced periodic character.

Технический результат заключается в том, что коэффициент преобразования пьезоакселерометров контролируется устройством в рабочем режиме объекта эксплуатации, что позволяет осуществлять контроль с требуемой периодичностью и своевременно выполнять коррекцию коэффициента передачи всего измерительного канала, повышая за счет этого точность измерений параметров вибрации. Кроме того, значительные отклонения коэффициента преобразования и резонансной частоты от первоначального значения могут использоваться в качестве признака неисправности пьезоакселерометра, что позволит выявлять отказы на самых ранних стадиях их возникновения.The technical result consists in the fact that the conversion coefficient of piezo-accelerometers is controlled by the device in the operating mode of the operation object, which allows monitoring at the required frequency and timely correcting the transmission coefficient of the entire measuring channel, thereby increasing the accuracy of vibration parameter measurements. In addition, significant deviations of the conversion coefficient and the resonant frequency from the initial value can be used as a sign of a malfunction of the piezo-accelerometer, which will allow to detect failures at the earliest stages of their occurrence.

Claims (1)

Устройство дистанционного измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра, содержащее блок измерения и контроля, переключатель, соединенный с органом управления, и источник тестового напряжения, отличающееся тем, что дополнительно содержит разъем для подключения пьезоакселерометра, усилитель заряда, аналого-цифровой преобразователь, управляемую линию задержки, ключ, сумматор, блок выявления экстремумов, блок вычисления параметров свободных колебаний, блок коррекции коэффициента передачи, блок определения исправности и интерфейсный блок, причем усилитель заряда подключен к разъему пьезоакселерометра через первый контакт переключателя, источник тестового напряжения подключен к разъему пьезоакселерометра через второй контакт переключателя, через третий контакт переключателя выводы разъема пьезоакселерометра соединяются друг с другом, к выходу усилителя заряда подключен аналого-цифровой преобразователь, к выходу аналого-цифрового преобразователя параллельно подключены управляемая линия задержки и суммирующий вход сумматора, выход управляемой линии задержки через ключ подключен к вычитающему входу сумматора, к выходу сумматора параллельно подключены входы блока измерения и контроля и блока выявления экстремумов, выход блока выявления экстремумов подключен к входу блока вычисления параметров свободных колебаний, к выходу блока вычисления параметров свободных колебаний параллельно подключены блок коррекции коэффициента передачи и блок определения исправности, выход блока коррекции коэффициента передачи подключен к входу блока измерения и контроля, интерфейсный блок подключен к выходу блока измерения и контроля и к блоку определения исправности; орган управления соединен с интерфейсным блоком, к выходам органа управления подключены блок измерения и контроля, блок выявления экстремумов, ключ и управляемая линия задержки.
Figure 00000001
A device for remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer, comprising a measurement and control unit, a switch connected to a control body, and a test voltage source, characterized in that it further comprises a piezoelectric accelerometer connector, a charge amplifier, an analog-to-digital converter, a controlled delay line, a key , adder, block for detecting extremes, block for calculating the parameters of free oscillations, block for correcting the transmission coefficient, block for determining reference and an interface unit, with the charge amplifier connected to the piezoelectric accelerometer connector through the first switch contact, the test voltage source connected to the piezoelectric accelerometer connector through the second switch contact, the piezoelectrometer connector terminals are connected to each other, the analog-to-digital converter is connected to the output of the charge amplifier , the controlled delay line and the summing adder input are connected in parallel to the output of the analog-to-digital converter, the output is the delay line being drawn through the key is connected to the subtracting input of the adder, the inputs of the measurement and control unit and the extrema detection unit are connected in parallel to the adder output, the extrema detection unit output is connected to the input of the unit for calculating the parameters of free oscillations, and the output of the unit for calculating the parameters of free oscillations is connected in parallel to the correction unit the transmission coefficient and the health determination unit, the output of the transmission coefficient correction unit is connected to the input of the measurement and control unit, interface unit is connected to the output of the measurement unit and the control unit and to determine the proper operation; the control is connected to the interface unit, the measuring and control unit, the extremum detection unit, the key and the controlled delay line are connected to the control unit outputs.
Figure 00000001
RU2010125245/28U 2010-06-18 2010-06-18 REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER CONVERSION RU99158U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010125245/28U RU99158U1 (en) 2010-06-18 2010-06-18 REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER CONVERSION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010125245/28U RU99158U1 (en) 2010-06-18 2010-06-18 REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER CONVERSION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU99158U1 true RU99158U1 (en) 2010-11-10

Family

ID=44026515

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010125245/28U RU99158U1 (en) 2010-06-18 2010-06-18 REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER CONVERSION

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU99158U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2671290C1 (en) * 2017-11-20 2018-10-30 ООО "ГлобалТест" Piezoelectric transducer
RU204614U1 (en) * 2021-01-28 2021-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Device for remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer in operating mode

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2671290C1 (en) * 2017-11-20 2018-10-30 ООО "ГлобалТест" Piezoelectric transducer
RU204614U1 (en) * 2021-01-28 2021-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Device for remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer in operating mode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7490013B2 (en) Power grid failure detection system and method
JP6094673B2 (en) Environmental measuring apparatus and environmental measuring method
CN107710022A (en) Seismaesthesia sensor and earthquake determination methods
CN110109441B (en) Laser inertial measurement unit fault prediction method and system
JPH0612296B2 (en) Vibration sensor calibration method and vibration detection device
CN106225656B (en) The excitation detection device and excitation detection method of a kind of low-power consumption vibration wire sensor
CN110554092A (en) Detection system and detection method
KR101483241B1 (en) Method of diagnosing pump performance using thermodynamic flowmeters
RU99158U1 (en) REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER CONVERSION
CN204255494U (en) Bridge vibration monitoring device
Yu et al. A study on PVDF sensor using wireless experimental system for bridge structural local monitoring
RU99182U1 (en) REMOTE MEASUREMENT DEVICE FOR A PIEZO ELECTRIC ACCELEROMETER
US11293790B2 (en) Piezoelectric transducer condition monitoring
RU2283501C1 (en) Device for estimating and predicting technical state of isolation of windings of electric motor
RU204614U1 (en) Device for remote measurement of the conversion coefficient of a piezoelectric accelerometer in operating mode
JP2005257570A (en) Method and system for diagnosing structure by means of optical fiber
Kimotho et al. Estimation of remaining useful lifetime of piezoelectric transducers based on self-sensing
JP4606236B2 (en) Weight measurement method
JP2013205048A (en) Method for diagnosing soundness of rotary machine
CN111486943B (en) Industrial robot vibration state analysis method, system and device and readable storage medium
KR100660427B1 (en) Method and system for safely managing structure
JP2021162461A (en) Seismic sensor
JP2015078555A (en) Bridge pier soundness evaluation device and bridge pier soundness evaluation method
RU2795496C1 (en) Monitoring the state of a piezoelectric transducer
JP7162742B2 (en) Equipment condition measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20130619