WO2023113641A1 - Method for measuring vibration velocity and vibration velocity sensor - Google Patents

Method for measuring vibration velocity and vibration velocity sensor Download PDF

Info

Publication number
WO2023113641A1
WO2023113641A1 PCT/RU2022/000351 RU2022000351W WO2023113641A1 WO 2023113641 A1 WO2023113641 A1 WO 2023113641A1 RU 2022000351 W RU2022000351 W RU 2022000351W WO 2023113641 A1 WO2023113641 A1 WO 2023113641A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vibration velocity
values
arrays
vibration
sensor
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/000351
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович ГОЛОВЛЕВ
Александр Витольдович КАЛИНИН
Василий Сергеевич ЕЖОВ
Юстина Олеговна ЦИГА
Original Assignee
Публичное акционерное общество "СИБУР Холдинг"
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
Priority claimed from RU2021137375A external-priority patent/RU2780303C1/en
Application filed by Публичное акционерное общество "СИБУР Холдинг" filed Critical Публичное акционерное общество "СИБУР Холдинг"
Publication of WO2023113641A1 publication Critical patent/WO2023113641A1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration

Definitions

  • the present technical solution in general, refers to measuring technology, and more specifically, to a MEMS-type vibration velocity sensor for monitoring the level of object vibrations in the infra-low and low frequencies and small amplitude values of vibrations in space, along three axes of Cartesian coordinates.
  • Vibration level monitoring devices are vibration sensors of various types.
  • the most common vibration sensors are piezoelectric, piezoresistive and microelectromechanical (MEMS) sensors based on accelerometers.
  • MEMS microelectromechanical
  • Tensoresistive vibration sensors are designed to measure vibrations with a frequency of several tens of hertz. In these sensors, with the help of strain gauges, the deformation of the sensitive element connecting the oscillating seismic mass with the transducer body is measured.
  • the disadvantages include the influence of temperature on the resistance of temperature strain gauges, the impossibility of their operation under conditions of strong dynamic loads, as well as the strong dependence of the measurement accuracy on the material with which the sensor is attached to the object (the occurrence of hysteresis), which practically excludes its use for vibration level monitoring in industrial equipment and complex technical systems with high loads and high operating temperatures (for example, the cooling system of a building, etc.).
  • Piezoelectric vibration level sensors are the most accurate, however, this type of sensors is not suitable for solving the problems of monitoring the vibration of an object in space along the three axes of Cartesian coordinates, since it is required to place 3 separate sensors on the object (due to the features of piezoelectric accelerometers), which in some situations is practically impossible. In addition, piezoelectric transducers are expensive.
  • a wireless vibration sensor is known from the prior art, described in RF patent No. RU 2437071 C2 (Limited Liability Company Research and Production Center “Diagnostics, reliability of machines and integrated automation”), publ. 12/20/2011.
  • Said sensor contains a housing in which signal processing devices, signal transmission devices, a power source and an accelerometer are located, fixed in said housing by means of an elastic membrane.
  • Such a sensor provides an extended bandwidth of measured frequencies by attaching the accelerometer with an elastic membrane.
  • the disadvantages of this solution include the impossibility of controlling vibration along three mutually orthogonal coordinate axes, as well as the presence of strong intrinsic noise (due to the design features), which does not allow accurate measurement of vibration in the region of low and infra-low frequencies and small amplitude values of oscillations in space.
  • the prior art is a device for measuring vibration parameters, disclosed in the patent of the Russian Federation No. RU 189841 U1 (Prygunov Alexander Germanovich and others), publ. 06/06/2019. Said device contains a housing, inside of which there is a MEMS-type vibration sensor connected to the microcontroller and power supply, as well as a device body base temperature sensor and a microcontroller temperature sensor connected to the microcontroller computing core. This device improves the accuracy of measuring vibration parameters by controlling temperature and correcting data when measuring vibration with a MEMS-type vibration sensor.
  • a common disadvantage of these solutions is the absence in their design of a MEMS-type vibration velocity sensor capable of accurately measuring vibration parameters in space along three axes of Cartesian coordinates, in the region of infra-low and low frequencies, as well as small amplitude values of oscillations in space, with accuracy, commensurate with sensors built on piezoelectric transducers. Also, this kind of solution should be simple and inexpensive to manufacture compared to piezoelectric sensors.
  • the present invention is aimed at solving a technical problem or technical problem, which consists in creating a vibration velocity sensor capable of measuring vibration parameters in space with high accuracy along three mutually orthogonal coordinate axes, in the region of infra-low and low frequencies and small amplitude values of oscillations in space.
  • the technical result achieved by solving the above technical problem is to increase the accuracy of measuring the level of vibrations in space with a vibration velocity sensor in the region of infra-low and low frequencies and small amplitude values of oscillations in space.
  • a microcontroller containing: o at least two integrators (230 and 231) configured to generate at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on instantaneous values of acceleration along three mutually orthogonal axes obtained from microelectromechanical three-axis accelerometers ( 210 and 211); about at least two spectral analysis modules (240 and 241) configured to generate at least two sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity based on the array sets of instantaneous values of vibration velocity; about the spectrum cross-correlation module (250), configured to generate the resulting set of vibration velocity spectra based on at least two sets of spectral velocity distribution arrays; about the module for calculating the resulting vibration velocity values (260), configured to calculate the resulting vibration velocity vector and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra.
  • a connector is additionally located on the printed circuit board for connecting a power source.
  • the connector is a wired serial interface.
  • the wired serial interface is an interface selected from the group: RS485, U ART, RS422, SPI, 1 2 C.
  • a transceiver module is additionally located on the printed circuit board, configured to exchange data with an external device
  • At least two MEMS three-axis accelerometers are at least accelerometers selected from the group: capacitive accelerometers, multi-axis accelerometers.
  • the measurement of instantaneous values of vibration velocity by microelectromechanical three-axis accelerometers along three mutually orthogonal coordinate axes is carried out without adjusting the structure.
  • the accelerometers (210 and 211) comprise an analog-to-digital converter (ADC).
  • ADC analog-to-digital converter
  • the instantaneous acceleration values include the sum of the intrinsic noise value and the measured signal value.
  • each of at least two sets of arrays of instantaneous vibration rates formed in integrators (230 and 231) contains at least three arrays of instantaneous vibration rates along mutually orthogonal axes.
  • each of at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity is performed in parallel in each of the integrators (230 and 231).
  • each of the at least two arrays of the spectral distribution of vibration velocity is performed in parallel in each of the spectral analysis modules (240 and 241).
  • each of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays formed in the spectral analysis modules (240 and 241) contains at least three vibration velocity spectral distribution arrays along mutually orthogonal axes.
  • the spectrum cross-correlation module (250) is configured to calculate the RMS of the vibration velocity.
  • the resulting set of vibration velocity spectra in the cross-correlation module (250) of the spectra is formed based on the multiplication of the values of the first of at least two sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity by the complex conjugate values of the second of at least two sets arrays of spectral distribution of vibration velocity.
  • the resulting set of vibration velocity spectra generated in the spectrum cross-correlation module (250) contains at least three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
  • the set of vibration velocities calculated in the computing module (260) contains at least three vibration velocities along mutually orthogonal axes.
  • the sensor housing is made dust- and moisture-proof.
  • the housing is explosion-proof.
  • the explosion-proof housing is made of a material selected from the group of polyester-coated mild steel, AISI 304 stainless steel, polyester, carbon-filled fiberglass reinforced, powder-coated cast aluminum.
  • the housing further comprises a magnetic mount for attaching the sensor to an object.
  • the claimed technical results are achieved by implementing a method for measuring vibration velocity to control the level of vibrations in areas of infra-low and low frequencies, performed using a vibration velocity sensor, and containing the steps in which: a) activate the vibration velocity sensor; b) receiving cyclic measurement data of the instantaneous acceleration value from at least two microelectromechanical triaxial accelerometers along three mutually orthogonal axes; c) forming at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on the obtained instantaneous values of acceleration along three mutually orthogonal axes; d) generating at least two sets of velocity spectral distribution arrays based on the arrays of instantaneous velocity values generated in step (c); e) generating the resulting set of vibration velocity spectra based on at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays, f) calculating the resulting vibration velocity vector and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra,
  • the vibration velocity sensor is activated based on a predetermined activation time period.
  • the vibration velocity sensor is turned off.
  • the first and second sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity contain at least three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes.
  • the first and second set of spectral distribution arrays of vibration velocity contain at least three arrays of spectral distribution of vibration velocity along mutually orthogonal axes.
  • the resulting set of vibration velocity spectra contains at least three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
  • the set of vibration velocity values contains at least three vibration velocity values along mutually orthogonal axes.
  • the resulting set of vibration velocity spectra is formed based on the multiplication of the values of the first of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays by the complex conjugate values of the second of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays.
  • the vibration level of the object is controlled in the infra-low and low frequencies in the range from 2 Hz to 1000 Hz with a dynamic range from 0.01 to 50 mm/s.
  • data is transferred to an external device via an interface selected from the group: RS485, U ART, RS422, SPI, 1 2 C.
  • FIG. 1 - illustrates an example of the implementation of the vibration velocity sensor.
  • FIG. 2 - illustrates the block diagram of the vibration velocity sensor.
  • FIG. 3 - illustrates a block diagram of the implementation of the claimed method for measuring vibration velocity to control the level of vibrations in the infra-low and low frequencies.
  • FIG. 4 - illustrates the general view of the computing modules.
  • Sensor is a collective term that can mean: measuring transducer; primary measuring transducer; sensitive element.
  • a measuring transducer is a technical device with normalized metrological characteristics that is used to convert a measured quantity into another quantity or a measuring signal that is convenient for processing, storage, further transformations, indication or transmission.
  • Explosion-proof electrical equipment in which design measures are provided to eliminate or hinder the possibility of ignition (during operation) of the surrounding explosive mixture.
  • the claimed technical solution makes it possible to measure the values of the vibration velocity of the object under study in space, along three mutually orthogonal axes, in the region of infra-low and low frequencies and small amplitude values of oscillations with high accuracy by compensating for the intrinsic noise of the vibration sensor.
  • Controlling the vibration level of an object with the help of the claimed technical solution can be carried out in the frequency range from 2 Hz to 1000 Hz (the region of infra-low and low frequencies) with a dynamic range from 0.01 to 50 mm/s.
  • FIG. 1 shows an example of the implementation of the vibration velocity sensor 100.
  • the specified sensor 100 is made in an explosion-proof housing 110 containing a mount (not shown) designed to install the sensor 100 on the object under study.
  • the sensor 100 may further comprise a connector for connecting an external power source.
  • the explosion-proof enclosure of the software can be made of, but not limited to, polyester coated mild steel, AISI 304 stainless steel, carbon-filled fiberglass reinforced polyester, powder coated cast aluminum, and the like.
  • the sensor 100 may have dust and moisture resistance (the degree of protection is not lower than IP 65).
  • the degree of protection is understood as a method of protection, verified by standard test methods, which is provided by the enclosure from access to dangerous parts (dangerous current-carrying and dangerous mechanical parts), ingress of external solid objects and / or water inside shells. This is achieved, for example, by coating the current-carrying elements of the circuit with varnish and / or coating the components of the software package with a rubber layer, which prevents moisture from entering inside.
  • the mount used to mount the probe 100 on the object of interest can be, for example, a magnetic mount for metal surfaces, a threaded stud mount for even and smooth surfaces, a screw mount via an adapter for uneven and/or painted surfaces, and etc., but not limited to.
  • the mount may be located on the base of the sensor 100.
  • the sensor 100 can be installed on the object under test using an adhesive, such as epoxy.
  • an adhesive such as epoxy
  • the object under investigation in this decision should be understood as any equipment and technical systems or installations that cause vibration.
  • the investigated object may be a gas cleaning fan, a compressor, a motor, a drilling rig, railroad tracks, etc., without being limited.
  • the sensor 100 is designed to measure vibration velocity values on the equipment under test. A more detailed operating principle of said sensor 100 and a detailed block diagram are shown in FIG. 2 and are disclosed in more detail below.
  • vibration velocity is determined by vibration standards and regulations. So, as a normalized vibration parameter for monitoring the technical condition of an object, most standards and regulatory documents establish the vibration velocity RMS (root mean square value), because this parameter gives the most accurate assessment of the technical condition of objects in the most common frequency range of vibration sources. In addition, ISO 10816-3 also requires the Root Mean Square (RMS) of the vibration velocity to evaluate the vibration level.
  • RMS Root Mean Square
  • the vibration displacement and vibration acceleration parameters can be easily obtained.
  • the measured parameters need to be differentiated.
  • the signal must be integrated.
  • FIG. 2 shows a structural diagram of the sensor 100.
  • the specified sensor 100 contains an explosion-proof housing, inside which is a printed circuit board, on which are located: two microelectromechanical three-axis accelerometers 210 and 211, a microcontroller 220 containing: two integrators 230 and 231, two spectral analysis modules 240 and 241 , spectrum cross-correlation module 250, module for calculating the resulting vibration velocity values 260.
  • the elements of the claimed vibration velocity sensor 100 are fixed between themselves and the supporting structural elements, using a wide range of assembly operations, for example, screwing, articulation, soldering, riveting, etc., depending on the most suitable method of fastening the elements.
  • the microcontroller 220 may be an on-board computer, controller, computer (electronic computer), CNC (computer numerical control), PLC (programmable logic controller) and any other device capable of performing a given, well-defined sequence of computing operations (actions, instructions).
  • Microcontroller 220 may be implemented as a device or module, described in more detail in FIG. 4.
  • Microcontroller 220 is configured to simultaneously receive and process information from accelerometers 210 and 211.
  • microcontroller 220 may include a set of modules, which may be logic or firmware modules, such as modules 230, 231, 240, 241, 250, 260, configured to generate sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on information from accelerometers 210 and 211, generate sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity, generate the resulting set of spectra of vibration velocity based on sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity, calculate the resulting vector of vibration velocity and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra.
  • modules 230, 231, 240, 241, 250, 260 configured to generate sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on information from accelerometers 210 and 211, generate sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity, generate the resulting set of spectra of vibration velocity based on sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity, calculate the resulting vector of vibration velocity and a set of vibration velocity values based on the resulting set of
  • instructions may refer, in general, to instructions in a program that are written to perform a particular function, such as receiving data from the accelerometers 210 and 211, processing the received data (integration, fast Fourier transform etc.), data transformation.
  • the instructions may be implemented in a variety of ways, including, for example, object-oriented methods.
  • the instructions may be implemented using the C++ programming language, Java, various libraries (eg, “MFC”; Microsoft Foundation Classes), etc.
  • the instructions that carry out the processes described in this solution can be transmitted over both wired and wireless transmission lines.
  • the accelerometers 210 and 211 may be microelectromechanical three-axis accelerometers (MEMS accelerometers) and are designed to generate arrays of instantaneous acceleration values and convert the obtained values into an electrical signal.
  • MEMS accelerometers microelectromechanical three-axis accelerometers
  • These accelerometers 210 and 211 have three measuring axes at once, directed perpendicular to each other, which makes it possible to measure the acceleration of a body in any direction.
  • each of said accelerometers 210 and 211 generates an array of instantaneous acceleration values along each of the axes. These operations can occur in parallel.
  • accelerometers 210 and 211 may also include an analog-to-digital converter (ADC) to convert the measured acceleration values.
  • ADC analog-to-digital converter
  • capacitive MEMS accelerometers can be used, based on a measuring cell, which is a silicon case, inside which a console with a suspended inertial mass is placed. Electrodes are applied to the inner surfaces of the case and the surface of the mass, which turns the structure into a system of two capacitors. Under the action of acceleration, the inertial mass oscillates on the console, which leads to a change in the distance between the plates of both capacitors and, as a result, a change in their capacitance. In this case, the total capacitance of the composite capacitor remains unchanged. The capacitance variation of capacitors is reflected by a change in the potentials on their plates, which, in fact, can be measured as a signal proportional to the applied acceleration.
  • the three-axis MEMS accelerometer uses a separate test mass for each axis, which is displaced along this axis when acceleration occurs (fixed by capacitive sensors).
  • a multi-axis accelerometer built on the above-described principles and differing by the principle of manufacturing an inertial mass, which allows it to oscillate in several planes at once.
  • MEMS accelerometers can be used any type of MEMS accelerometer design that measures the instantaneous values of the object's acceleration and converts them into electrical signals.
  • triaxial MEMS accelerometers 210 and 211 for example, triaxial accelerometers from Analog DevicesTM such as ADXL375, LIS2DW12 triaxial accelerometers from STMicroelectronicsTM, etc. can be used without limitation.
  • Integrators 230 and 231 are designed to generate sets of arrays of vibration velocity values based on the arrays of instantaneous acceleration values from accelerometers 210 and 211, respectively. Each of these integrators 230 and 231 generates an independent set of arrays of vibration velocity values as a function of time based on the obtained instantaneous acceleration values. Moreover, a set of arrays of vibration velocity values means three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes in accordance with the measured acceleration values along the indicated axes.
  • the specified integrator 230 will perform the process of integrating the arrays of values (three arrays of instantaneous acceleration values along the three corresponding axes) received from the accelerometer 210, and accordingly the integrator 231 will perform a similar integration process for the accelerometer 211.
  • the number of integrators and the scheme of their connection to accelerometers depends on the number of used accelerometers.
  • These integration operations can be performed simultaneously by parallelizing the integration operations. It is also worth noting that the integration process is widely known and used, including for converting acceleration values into velocity values. A more detailed description of the integration processes is given in [1].
  • Spectral analysis modules 240 and 241 are designed to form arrays of the spectral distribution of vibration velocity. These modules 240 and 241 perform a Fast Fourier Transform (FFT) of the arrays of vibration velocities received from modules 230 and 231 to form arrays of the spectral vibration velocity distribution. Fourier transform processes by different modules can also occur in parallel. So, module 240, when receiving an array of vibration velocity values from module 230, can perform a fast Fourier transform, while module 241 will perform a similar operation with data received from module 231.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • Spectrum cross-correlation module 250 is designed to compute the resulting velocity spectrum array.
  • the specified module 250 is configured to receive the arrays of the spectral distribution of vibration velocity from modules 240 and 241, and multiply the values of one array by the complex conjugate values of the second array to obtain the resulting array of the vibration velocity spectrum.
  • the multiplication process makes it possible to reduce the inherent noise in the region of low and infra-low frequencies and small amplitude values that occur in the accelerometers 210 and 211 and to improve the accuracy of measuring the vibration velocity values due to the resulting array of the vibration velocity spectrum, which levels the own noises.
  • the measured acceleration values include the sum of the intrinsic noise value and the useful (measured) signal value. Since the useful signal is caused by an external force that is simultaneously applied to both accelerometers, the output data streams from the accelerometers contain in-phase components that determine the degree of signal similarity (correlation).
  • the cross-correlation function CCF is used, which can be calculated, for example, using the following formula:
  • Bxy(T) f x(t)-y(t-T)-dt (1)
  • the module for calculating the resulting vibration velocity values 260 is designed to calculate the resulting vibration velocity vector and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra.
  • the specified module 260 is configured to receive the resulting vibration velocity spectrum from the module 250 and calculate the RMS value of the vibration velocity based on it.
  • the vibration velocity value is formed along the corresponding measurement axis.
  • the vibration velocity values for the X, Y, Z axes are used to calculate the scalar value of the resulting vibration velocity vector.
  • the calculated values of the vibration velocity can be used to determine the anomalous operation of the object under study, determine the deviations of the vibration level from the permissible vibration level, etc.
  • Vibration level control is carried out on the basis of calculated vibration velocity values, which can be interpreted into appropriate diagnostic indicators for a specific type of object under study.
  • the scenario of the sensor 100 begins with the installation of the specified sensor on the object under study.
  • a technical installation that creates vibration can be used as an object under study.
  • the type of attachment of the sensor 100 to the object under study is selected. So, for example, to install the sensor on an industrial fan, a magnetic mount located at the base of the sensor software housing 100 can be used. In another embodiment of the claimed solution, a threaded stud mount can be used as a mount.
  • Activation of the sensor 100 occurs by applying power to said sensor 100.
  • the sensor can be powered from an external power source connected to the vibration velocity sensor 100 via a power supply connector.
  • the operating range of the supply voltage is from +2.7V to +3.7V.
  • a power source for example, a lithium cell can be used.
  • the power supply filters the input power supply, protects against transient voltage spikes, and provides power to the internal busses of the sensor 100.
  • the sensor 100 may further comprise a power supply equipped with a transceiver.
  • the sensor 100 When the sensor 100 needs to be activated, for example, both in the case of a scheduled measurement of the vibration level of an object, and a measurement of the vibration level on demand from an external device, the sensor 100 is energized.
  • the vibration level is the results of measuring the vibration indicators that the object under study creates and their further comparison with the corresponding permissible values of these indicators for a particular type of the object under study. Measurement of vibration parameters allows identify deviations in the normal operation of equipment in a timely manner, identify defects at an early stage, etc. Thus, the vibration level of the object can be determined based on the vibration velocity index, etc., without being limited.
  • power can be supplied from an external device according to its activation periods (both scheduled and on demand).
  • the microcontroller 220 After power-up, the microcontroller 220 initializes all necessary software and hardware resources, namely the internal and peripheral modules of the microcontroller and the three-axis MEMS accelerometers 210 and 211.
  • the microcontroller 220 sends a control signal to start the measurement cycle in the accelerometers 210 and 211 and receives the measurement data.
  • the cycle of measurement of instantaneous acceleration values lasts until the arrays of primary data are filled. So, for example, in a particular embodiment, the measurement cycle lasts until the arrays of primary data are filled, each with a size of 8192 readings.
  • the microcontroller deactivates these accelerometers 210 and 211 to save power supply.
  • the resulting arrays of instantaneous acceleration values are input to the integrators 230 and 231.
  • the integrators 230 and 231 can be, without limitation, software or firmware modules and are located directly on the printed circuit board and/or in the microcontroller 220, for example , on FPGA (programmable logic integrated circuit) type FPGA, etc.
  • These integrators 230 and 231 are configured to form sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity from the obtained arrays of primary acceleration values.
  • the array of vibration velocity values generated by each of the integrators 230 and 231 is the result of integrating the instantaneous vibration acceleration values, i.e. is obtained by converting acceleration values into speed, and is an array of instantaneous vibration velocity values.
  • each accelerometer 210 and 211 Since each accelerometer 210 and 211 generates an array of primary acceleration values along three axes in the Cartesian coordinate system, each set of arrays of instantaneous vibration velocity values also contains at least three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes (along the X, Y axes , Z). As described above, depending on the type of accelerometers 210 and 211, the formation of a primary array of instantaneous acceleration values for each axis can occur using MEMS accelerometers manufactured using planar (surface) or volumetric technology. Thus, at the output of integrators 230 and 231, two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity are formed, each of which contains three arrays of instantaneous values of vibration velocity along three corresponding measurement axes.
  • modules 240 and 241 which perform a fast Fourier transform to obtain sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity.
  • modules 240 and 241 can also be both software and firmware modules and are located directly on the printed circuit board and/or in the microcontroller 220.
  • Each of these arrays of the spectral distribution of vibration velocity contains three arrays of the spectral distribution of vibration velocity along three mutually orthogonal axes.
  • the sets of spectral velocity distribution arrays are then fed to the input of the spectrum cross-correlation module 250, which provides the formation of the resulting set of vibration velocity spectra based on the obtained sets of spectral distribution of vibration velocity arrays.
  • the values of the first of two sets of vibration velocity spectral distribution arrays are multiplied by the complex conjugate values of the second of two sets of vibration velocity spectral distribution arrays.
  • the resulting set of vibration velocity spectra is formed, which contains three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
  • the resulting vibration velocity vector and the set of vibration velocity values are calculated. These calculations are performed in the module for calculating the resulting vibration velocity 260.
  • the specified module 260 is configured to calculate the RMS vibration velocity to obtain vibration velocity values for each measurement axis (X, Y, Z), as well as to calculate the scalar value of the resulting vibration velocity vector.
  • these data are transmitted to an external device. Data transfer to an external device can be carried out via the interface of the RS485 standard.
  • the senor 100 further comprises a transceiver module that transmits measured data to an external device.
  • a personal computer, a server, a smartphone, a tablet, a wearable smart device, a router, a communication center, etc. can be used as an external device.
  • any means of wireless data transmission can be used, for example, a GSM modem, a GPRS modem, an LTE modem, a 5G modem, a satellite communication module, an NFC module, a Bluetooth and/or BLE module, a Wi-Fi module, and etc.
  • the sensor 100 may additionally contain satellite navigation tools, such as GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo.
  • FIG. 3 shows the steps of a method 300 for measuring vibration velocity to monitor the level of vibrations in the infra-low and low frequency region. Said method 300 is performed using the vibration velocity sensor 100 as described above.
  • the sensor 100 is activated.
  • the sensor 100 is powered from an external power source through the power connector on the body 110 of the sensor 100.
  • a lithium battery can be used as an external power source.
  • power is supplied from an external device via a wired serial interface such as RS485, etc. not limited.
  • the periods of power supply to the sensor 100 can be set on an external device.
  • the activation period of the sensor 100 can is the planned period of measurements of the values of the vibration velocity of the object under study, set on an external device by means of a human-machine interface of interaction.
  • sensor 100 may be activated by an external device at the request of a user through a human-machine interface.
  • any known method of energizing sensor 100 may be used.
  • step 302 instantaneous acceleration value cyclic measurement data is obtained from at least two MEMS triaxial accelerometers 210 and 211.
  • microcontroller 220 activates accelerometers 210 and 211, which begin the instantaneous acceleration value measurement cycle.
  • the specified cycle lasts until the primary data arrays are filled. So, for example, in a particular embodiment, the measurement cycle lasts until the arrays of primary data are filled, each with a size of 8192 readings.
  • the microcontroller deactivates these accelerometers 210 and 211 to save power supply. The resulting arrays of instantaneous acceleration values are transferred to modules 230 and 231 for further processing.
  • step 303 at least two sets of arrays of instantaneous vibration rates are formed by modules 230 and 231 based on the received arrays of instantaneous vibration rates.
  • Sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity are formed based on the integration of arrays of instantaneous values of vibration acceleration over a time interval, each set of arrays of vibration velocity values containing three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes. This is due to the fact that the three-axis accelerometers 210 and 211 form an array of instantaneous acceleration values along three mutually orthogonal axes (X, Y, Z) to control the level of vibrations in space.
  • the indicated process of integrating each of the arrays of instantaneous acceleration values can occur in parallel in each of the modules 230 and 231. Integrated sets of arrays of vibration velocity values are then sent to modules 240 and 241.
  • step 304 at least two sets of velocity spectral distribution arrays are generated by modules 240 and 241 based on the array sets of instantaneous velocity values obtained in step 303. These modules perform a fast Fourier transform to obtain spectral velocity distribution array sets. Modules 240 and 241 can also be both software and firmware modules and are located directly on the printed circuit board and / or in the microcontroller 220. Each of these arrays of the spectral distribution of vibration velocity also contains three arrays of the spectral distribution of vibration velocity along three mutually orthogonal axes. The received sets of arrays of the spectral distribution of the vibration velocity are sent to module 250.
  • the resulting set of vibration velocity spectra is formed based on at least two sets of spectral distribution of vibration velocity arrays obtained at step 304. values of the second of two sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity.
  • the resulting set of vibration velocity spectra is formed, which contains three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
  • a resulting velocity vector and a set of velocity values are determined based on the resulting set of velocity spectra.
  • the necessary calculations are performed in the module for calculating the resulting vibration velocity values 260.
  • the specified module 260 is configured to calculate the RMS vibration velocity to obtain the vibration velocity values for each measurement axis (X, Y, Z), as well as to calculate the scalar value of the resulting vibration velocity vector.
  • the RMS value characterizes the vibration energy, which makes it possible to assess the destructive effect of vibration on the object under study.
  • the set of vibration velocity values obtained using module 260 contains three vibration velocity values along mutually orthogonal axes, which makes it possible to assess the effect of vibration on the object under study in space.
  • step 307 the calculated values of the vibration velocity for each axis and the resulting vibration velocity vector are transmitted to an external device for further translation.
  • Data transfer to an external device can be carried out via the interface of the RS485 standard.
  • UART, RS422, SPI, 1 2 C, etc. interfaces can be used, without limitation.
  • the sensor 100 further comprises a transceiver module that transmits measured data to an external device.
  • a personal computer, a server, a smartphone, a tablet, a wearable smart device, a router, a communication center, etc. can be used as an external device.
  • the submitted application materials describe a vibration velocity sensor and a method for measuring vibration velocity to control the level of vibrations in the region of infra-low and low frequencies and the region of small amplitude values of vibrations, providing high measurement accuracy by reducing the intrinsic noise of accelerometers.
  • the use of three-axis MEMS accelerometers makes it possible to measure the level of vibration in space along three mutually orthogonal axes without changing the design of the accelerometers.
  • FIG. 4 shows an example of a general view of the modules (400) that provide the implementation of the presented solution.
  • modules (400) a different range of computing modules and microcontrollers can be implemented, for example, a human-machine interaction module, integrators, a microcontroller, a cross-correlation module, spectral analysis modules, a module for calculating the resulting vibration velocity values, a server, an external device, etc. .
  • the module (400) contains one or more processors (401), memory facilities such as RAM (702) and ROM (403), input / output interfaces (404), input / output devices connected by a common information exchange bus. output (405), and a device for networking (406).
  • processors 401
  • memory facilities such as RAM (702) and ROM (403
  • input / output interfaces 404
  • input / output devices connected by a common information exchange bus.
  • output (405
  • a device for networking (406).
  • the processor (401) (or multiple processors, multi-core processor, etc.) can be selected from a range of devices currently widely used, for example, manufacturers such as: IntelTM, AMDTM, AppleTM, Samsung Exynos TM, MediaTEKTM, Qualcomm SnapdragonTM, etc. Under the processor or one of the processors used in the module (400), it is also necessary to understand the graphics processor, for example, an NVIDIA or Graphcore GPU, the type of which is also suitable for the full or partial execution of the method (300), and can also be used to train and apply machine learning models in various information systems.
  • the graphics processor for example, an NVIDIA or Graphcore GPU, the type of which is also suitable for the full or partial execution of the method (300), and can also be used to train and apply machine learning models in various information systems.
  • RAM (402) is a random access memory and is designed to store machine-readable instructions executable by the processor (401) to perform the necessary data logical processing operations.
  • the RAM (402) typically contains the executable instructions of the operating system and associated software components (applications, program modules, etc.). In this case, the RAM (402) may be the available memory of the graphics card or graphics processor.
  • [FROM] ROM (403) is one or more permanent storage media, such as a hard disk drive (HDD), solid state drive (SSD), flash memory (EEPROM, NAND, etc.), optical storage media (CD-R/RW, DVD-R/RW, BlueRay Disc, MD), etc.
  • I/O interfaces (404) are used to organize the operation of the module components (400) and organize the operation of external connected devices.
  • the choice of appropriate interfaces depends on the particular design of the computing device, which can be, but not limited to: PCI, AGP, PS/2, IrDa, FireWire, LPT, COM, SATA, IDE, Lightning, USB (2.0, 3.0, 3.1, micro, mini, type C), TRS/ Audio jack (2.5, 3.5, 6.35), HDMI, DVI, VGA, Display Port, RJ45, RS232, etc.
  • Various means (405) of I/O information are used to provide user interaction with the panoramic image creation tool, for example, a keyboard, a display (monitor), a touch display, a touch pad, a joystick, a mouse, a light pen, a stylus, a touch panel, trackball, speakers, microphone, augmented reality tools, optical sensors, tablet, indicator lights, projector, camera, biometric identification tools (retina scanner, fingerprint scanner, voice recognition module), etc.
  • the network communication means (406) provides data transmission via an internal or external computer network, for example, an Intranet, the Internet, a LAN, and the like.
  • an Intranet for example, an Intranet, the Internet, a LAN, and the like.
  • one or more means (406) may used but not limited to: Ethernet card, GSM modem, GPRS modem, LTE modem, 5G modem, satellite communication module, NFC module, Bluetooth and / or BLE module, Wi-Fi module, etc.
  • satellite navigation tools can also be used as part of the module (400), for example, GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo.
  • module (400) The specific choice of elements of the module (400) for the implementation of various software and hardware architectural solutions may vary while maintaining the required functionality provided from a particular type of device.
  • Some functions of the vibration velocity sensor can also be implemented on the firmware of the user's personal device, which can be a module (400) in the form of a set of hardware or logic modules capable of performing a given, well-defined sequence of computational operations (actions, instructions), or a computer-readable medium containing instructions, such as software, to perform the above functions.
  • a module 400 in the form of a set of hardware or logic modules capable of performing a given, well-defined sequence of computational operations (actions, instructions), or a computer-readable medium containing instructions, such as software, to perform the above functions.

Abstract

The claimed invention relates to a MEMS-type vibration velocity sensor for monitoring the level of infra-low-frequency and low-frequency vibrations, comprising an explosion-proof housing having mounted therein a printed circuit board on which are arranged at least two micro-electromechanical triaxial accelerometers capable of cyclically measuring an instantaneous acceleration value along three mutually orthogonal axes, and a microcontroller containing: at least two integrators capable of forming at least two sets of instantaneous vibration velocity value arrays; at least two spectral analysis modules capable of forming at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays; a spectrum cross-correlation module capable of forming a result set of vibration velocity spectra; and a module for calculating vibration velocity result values, which is capable of calculating a vibration velocity result vector and a set of vibration velocity values. Also claimed is a method for measuring vibration velocity using the above vibration velocity sensor. The technical result is more accurate measurement of the level of infra-low-frequency and low-frequency, low-amplitude vibrations in space.

Description

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРОСКОРОСТИ И ДАТЧИК ВИБРОСКОРОСТИ VIBRATION VELOCITY MEASUREMENT METHOD AND VIBRATION VELOCITY SENSOR
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY
[1] Настоящее техническое решение, в общем, относится к измерительной технике, а более конкретно, к датчику виброскорости MEMS-типа для контроля уровня вибраций объекта в области инфранизких и низких частот и малых амплитудных значений колебаний в пространстве, по трем осям декартовых координат. [1] The present technical solution, in general, refers to measuring technology, and more specifically, to a MEMS-type vibration velocity sensor for monitoring the level of object vibrations in the infra-low and low frequencies and small amplitude values of vibrations in space, along three axes of Cartesian coordinates.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND OF THE INVENTION
[2] В современном мире присутствует огромное количество технических систем и оборудования, такого как трубопроводы, станки, вентиляторы, роторы, насосы и т.д., выход из строя которых может привести к неблагоприятным последствиям. При работе таких объектов (оборудование с возвратно-поступательным или вращательным типом движения, оборудование ударного и ударно-вращательного действия и т.д.), возникающая вибрация может ускорять износ указанных объектов, увеличивать зазоры между внутренними деталями, приводить к разрушению крепежных конструкций и, в целом, приводить объект в негодность. Во избежание непредвиденных и дорогостоящих поломок, на таких объектах, как правило, устанавливаются устройства мониторинга уровня вибраций для осуществления регулярного мониторинга вибраций. [2] In the modern world, there is a huge number of technical systems and equipment, such as pipelines, machines, fans, rotors, pumps, etc., the failure of which can lead to adverse consequences. During the operation of such objects (equipment with reciprocating or rotational type of movement, equipment of shock and shock-rotation action, etc.), the resulting vibration can accelerate the wear of these objects, increase the gaps between internal parts, lead to the destruction of fastening structures and, in general, bring the object into disrepair. To avoid unexpected and costly breakdowns, these facilities typically install vibration monitoring devices to monitor vibrations on a regular basis.
[3] В настоящий момент такие устройства являются незаменимыми при осуществлении мониторинга различного оборудования, технических систем и различного рода конструкций (далее объекты). Измеряемые с помощью таких устройств параметры вибрации позволяют диагностировать состояние исследуемого объекта, оценивать его техническое состояние и выявлять неисправности путем сравнения текущих параметров вибрации, создаваемых работающим объектом, с нормами параметров вибрации для указанного объекта. Устройствами мониторинга уровня вибраций, как правило, являются датчики вибрации различных типов. В настоящее время наиболее распространенными датчиками вибрации являются пьезоэлектрические, тензорезистивные и микроэлектромеханические (МЭМС) датчики, построенные на базе акселерометров. В таких датчиках в качестве первичных преобразователей ускорения применяются акселерометры, соответствующие типу датчика. [3] At the moment, such devices are indispensable for monitoring various equipment, technical systems and various structures (hereinafter referred to as objects). The vibration parameters measured using such devices make it possible to diagnose the state of the object under study, evaluate its technical condition and detect malfunctions by comparing the current vibration parameters created by the operating object with the norms of the vibration parameters for the specified object. Vibration level monitoring devices, as a rule, are vibration sensors of various types. Currently, the most common vibration sensors are piezoelectric, piezoresistive and microelectromechanical (MEMS) sensors based on accelerometers. In such sensors as accelerometers corresponding to the type of sensor are used for primary acceleration transducers.
[4] Тензорезистивные датчики вибраций предназначены для измерения вибраций частотой несколько десятков герц. В указанных датчиках с помощью тензорезисторов происходит измерение деформации чувствительного элемента, соединяющего колеблющуюся сейсмическую массу с корпусом преобразователя. [4] Tensoresistive vibration sensors are designed to measure vibrations with a frequency of several tens of hertz. In these sensors, with the help of strain gauges, the deformation of the sensitive element connecting the oscillating seismic mass with the transducer body is measured.
[5] К недостаткам следует отнести влияние температуры на сопротивление тензорезисторов температуры, невозможность их работы в условиях сильных динамических нагрузок, а также сильную зависимость точности измерения от материала, с помощью которого датчик крепится к объекту (возникновение гистерезиса), что практически исключает его применение для мониторинга уровня вибраций в промышленном оборудовании и сложных технических системах с высокими нагрузками и высокими рабочими температурами (например, система охлаждения здания и т.д.). [5] The disadvantages include the influence of temperature on the resistance of temperature strain gauges, the impossibility of their operation under conditions of strong dynamic loads, as well as the strong dependence of the measurement accuracy on the material with which the sensor is attached to the object (the occurrence of hysteresis), which practically excludes its use for vibration level monitoring in industrial equipment and complex technical systems with high loads and high operating temperatures (for example, the cooling system of a building, etc.).
[6] Пьезоэлектрические датчики контроля уровня вибраций являются наиболее точными, однако указанный тип датчиков не подходит для решения задач контроля вибрации объекта в пространстве по трем осям декартовых координат, поскольку требуется размещение 3-х отдельных датчиков на объекте (ввиду особенностей пьезоэлектрических акселерометров), что в некоторых ситуациях является практически невозможным. Кроме того, пьезоэлектрические преобразователи имеют высокую стоимость. [6] Piezoelectric vibration level sensors are the most accurate, however, this type of sensors is not suitable for solving the problems of monitoring the vibration of an object in space along the three axes of Cartesian coordinates, since it is required to place 3 separate sensors on the object (due to the features of piezoelectric accelerometers), which in some situations is practically impossible. In addition, piezoelectric transducers are expensive.
[7] Из уровня техники известен беспроводной датчик вибрации, описанный в патенте РФ № RU 2437071 С2 (Общество с ограниченной ответственностью Научно- производственный центр “Диагностика, надежность машин и комплексная автоматизация”), опубл. 20.12.2011. Указанный датчик содержит корпус, в котором расположены устройства обработки сигнала, устройства передачи сигнала, источник питания и акселерометр, закрепленный в указанном корпусе с помощью эластичной мембраны. Такой датчик обеспечивает расширенную полосу измеряемых частот за счет крепления акселерометра с помощью эластичной мембраны. [7] A wireless vibration sensor is known from the prior art, described in RF patent No. RU 2437071 C2 (Limited Liability Company Research and Production Center “Diagnostics, reliability of machines and integrated automation”), publ. 12/20/2011. Said sensor contains a housing in which signal processing devices, signal transmission devices, a power source and an accelerometer are located, fixed in said housing by means of an elastic membrane. Such a sensor provides an extended bandwidth of measured frequencies by attaching the accelerometer with an elastic membrane.
[8] К недостаткам указанного решения можно отнести невозможность контроля вибрации по трем взаимно-ортогональным осям координат, а также наличие сильных собственных шумов (ввиду особенности конструкции), что не позволяет точно измерять вибрацию в области низких и инфранизких частот и малых амплитудных значений колебаний в пространстве. [9] Из уровня техники известно устройство для измерения параметров вибрации, раскрытое в патенте РФ № RU 189841 U1 (Прыгунов Александр Германович и др.), опубл. 06.06.2019. Указанное устройство содержит корпус, внутри которого имеется датчик вибрации MEMS-типа, соединенный с микроконтроллером и с блоком питания, а также датчик температуры основания корпуса устройства и датчик температуры микроконтроллера, соединенные с вычислительным ядром микроконтроллера. Указанное устройство повышает точность измерения параметров вибрации за счет контроля температуры и корректировки данных при измерении вибрации датчиком вибрации MEMS-типа. [8] The disadvantages of this solution include the impossibility of controlling vibration along three mutually orthogonal coordinate axes, as well as the presence of strong intrinsic noise (due to the design features), which does not allow accurate measurement of vibration in the region of low and infra-low frequencies and small amplitude values of oscillations in space. [9] The prior art is a device for measuring vibration parameters, disclosed in the patent of the Russian Federation No. RU 189841 U1 (Prygunov Alexander Germanovich and others), publ. 06/06/2019. Said device contains a housing, inside of which there is a MEMS-type vibration sensor connected to the microcontroller and power supply, as well as a device body base temperature sensor and a microcontroller temperature sensor connected to the microcontroller computing core. This device improves the accuracy of measuring vibration parameters by controlling temperature and correcting data when measuring vibration with a MEMS-type vibration sensor.
[10] К недостаткам такого решения можно отнести присутствие сильных собственных шумов, за счет которых снижается точность измерения параметров вибрации в области низких и инфранизких частот и малых амплитудных значений колебаний в пространстве. [10] The disadvantages of this solution include the presence of strong intrinsic noise, due to which the accuracy of measuring vibration parameters in the region of low and infra-low frequencies and small amplitude values of oscillations in space decreases.
[11] Общим недостатком указанных решений является отсутствие в их конструкции датчика виброскорости MEMS-типа, способного точно измерять параметры вибрации в пространстве по трем осям декартовых координат, в области инфранизких и низких частот, а также малых амплитудных значений колебаний в пространстве, с точностью, соизмеримой с датчиками, построенными на пьезоэлектрических преобразователях. Также такого рода решение должно быть простым и недорогим в изготовлении по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками. [11] A common disadvantage of these solutions is the absence in their design of a MEMS-type vibration velocity sensor capable of accurately measuring vibration parameters in space along three axes of Cartesian coordinates, in the region of infra-low and low frequencies, as well as small amplitude values of oscillations in space, with accuracy, commensurate with sensors built on piezoelectric transducers. Also, this kind of solution should be simple and inexpensive to manufacture compared to piezoelectric sensors.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ESSENCE OF THE TECHNICAL SOLUTION
[12] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, присущих существующим решениям, известным из уровня техники. [12] This technical solution is aimed at eliminating the shortcomings inherent in existing solutions known from the prior art.
[13] Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы или технической задачи, заключающейся в создании датчика виброскорости, способного с высокой точностью измерять параметры вибрации в пространстве по трем взаимноортогональным осям координат, в области инфранизких и низких частот и малых амплитудных значений колебаний в пространстве. [13] The present invention is aimed at solving a technical problem or technical problem, which consists in creating a vibration velocity sensor capable of measuring vibration parameters in space with high accuracy along three mutually orthogonal coordinate axes, in the region of infra-low and low frequencies and small amplitude values of oscillations in space.
[14] Техническим результатом, достигающимся при решении вышеуказанной технической задачи, является повышение точности измерения уровня вибраций в пространстве датчиком виброскорости в области инфранизких и низких частот и малых амплитудных значений колебаний в пространстве. [14] The technical result achieved by solving the above technical problem is to increase the accuracy of measuring the level of vibrations in space with a vibration velocity sensor in the region of infra-low and low frequencies and small amplitude values of oscillations in space.
[15] Дополнительным техническим результатом, достигаемым при решении вышеуказанной задачи, является расширение арсенала технических средств. [15] An additional technical result achieved in solving the above problem is the expansion of the arsenal of technical means.
[16] Указанные технические результаты достигаются благодаря осуществлению датчика виброскорости для контроля уровня вибраций в области инфранизких и низких частот, включающего корпус, внутри которого установлена печатная плата, на которой расположены: [16] The indicated technical results are achieved due to the implementation of the vibration velocity sensor to control the level of vibrations in the infra-low and low frequencies, including a housing, inside which a printed circuit board is installed, on which are located:
• по меньшей мере два микроэлектромеханических трехосевых акселерометра (210 и 211), выполненных с возможностью циклического измерения мгновенного значения ускорения по трем взаимно ортогональным осям; • at least two microelectromechanical three-axis accelerometers (210 and 211), made with the possibility of cyclic measurement of the instantaneous acceleration value along three mutually orthogonal axes;
• микроконтроллер (220), содержащий: о по меньшей мере два интегратора (230 и 231), выполненных с возможностью формирования по меньшей мере двух наборов массивов мгновенных значений виброскорости на основе мгновенных значений ускорения по трем взаимно ортогональным осям, полученных от микроэлектромеханических трехосевых акселерометров (210 и 211); о по меньшей мере два модуля спектрального анализа (240 и 241), выполненных с возможностью формирования по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на основе наборов массивов мгновенных значений виброскорости; о модуль кросс-корреляции спектра (250), выполненный с возможностью формирования результирующего набора спектров виброскорости на основе по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости; о модуль вычисления результирующих значений виброскорости (260), выполненный с возможностью вычисления результирующего вектора виброскорости и набора значений виброскорости на основе результирующего набора спектров виброскорости. • a microcontroller (220) containing: o at least two integrators (230 and 231) configured to generate at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on instantaneous values of acceleration along three mutually orthogonal axes obtained from microelectromechanical three-axis accelerometers ( 210 and 211); about at least two spectral analysis modules (240 and 241) configured to generate at least two sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity based on the array sets of instantaneous values of vibration velocity; about the spectrum cross-correlation module (250), configured to generate the resulting set of vibration velocity spectra based on at least two sets of spectral velocity distribution arrays; about the module for calculating the resulting vibration velocity values (260), configured to calculate the resulting vibration velocity vector and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra.
[17] В одном частном примере осуществления датчика на печатной плате дополнительно расположен разъем, предназначенный для подключения источника питания. [18] В другом частном примере осуществления датчика разъем представляет собой проводной последовательный интерфейс. [17] In one particular embodiment of the sensor, a connector is additionally located on the printed circuit board for connecting a power source. [18] In another particular embodiment of the sensor, the connector is a wired serial interface.
[19] В другом частном примере осуществления датчика проводной последовательный интерфейс представляет собой интерфейс, выбираемый из группы: RS485, U ART, RS422, SPI, 12С. [19] In another particular embodiment of the sensor, the wired serial interface is an interface selected from the group: RS485, U ART, RS422, SPI, 1 2 C.
[20] В другом частном примере осуществления датчика на печатной плате дополнительно расположен приемо-передающий модуль, выполненный с возможностью обмена данными с внешним устройством [20] In another particular embodiment of the sensor, a transceiver module is additionally located on the printed circuit board, configured to exchange data with an external device
[21] В другом частном примере осуществления датчика по меньшей мере два микроэлектромеханических трехосевых акселерометра (210 и 211) представляют собой по меньшей мере акселерометры, выбираемые из группы: емкостные акселерометры, многоосные акселерометры. [21] In another particular embodiment of the sensor, at least two MEMS three-axis accelerometers (210 and 211) are at least accelerometers selected from the group: capacitive accelerometers, multi-axis accelerometers.
[22] В другом частном примере осуществления датчика измерение мгновенных значений виброскорости микроэлектромеханическими трехосевыми акселерометрами по трем взаимно-ортогональным осям координат проводится без юстировки конструкции. [22] In another particular example of the implementation of the sensor, the measurement of instantaneous values of vibration velocity by microelectromechanical three-axis accelerometers along three mutually orthogonal coordinate axes is carried out without adjusting the structure.
[23] В другом частном примере осуществления датчика акселерометры (210 и 211) содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП). [23] In another particular embodiment of the sensor, the accelerometers (210 and 211) comprise an analog-to-digital converter (ADC).
[24] В другом частном примере осуществления датчика измеряемые акселерометрами (210 и 211), мгновенные значения ускорения включают в себя сумму величины собственного шума и величины измеряемого сигнала. [24] In another particular embodiment of the sensor, as measured by the accelerometers (210 and 211), the instantaneous acceleration values include the sum of the intrinsic noise value and the measured signal value.
[25] В другом частном примере осуществления датчика каждый из по меньшей мере двух наборов массивов мгновенных значений виброскорости, сформированных в интеграторах (230 и 231) содержит по меньшей мере три массива мгновенных значений виброскорости по взаимно ортогональным осям. [25] In another particular embodiment of the sensor, each of at least two sets of arrays of instantaneous vibration rates formed in integrators (230 and 231) contains at least three arrays of instantaneous vibration rates along mutually orthogonal axes.
[26] В другом частном примере осуществления датчика формирование каждого из по меньшей мере двух наборов массивов мгновенных значений виброскорости выполняется параллельно в каждом из интеграторов (230 и 231). [26] In another particular embodiment of the sensor, the formation of each of at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity is performed in parallel in each of the integrators (230 and 231).
[27] В другом частном примере осуществления датчика формирование каждого из по меньшей мере двух массивов спектрального распределения виброскорости выполняется параллельно в каждом из модулей спектрального анализа (240 и 241). [27] In another particular embodiment of the sensor, the formation of each of the at least two arrays of the spectral distribution of vibration velocity is performed in parallel in each of the spectral analysis modules (240 and 241).
[28] В другом частном примере осуществления датчика формирование массивов спектрального распределения виброскорости модулями спектрального анализа (240 и 241) выполняется с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ). [29] В другом частном примере осуществления датчика каждый из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости, сформированных в модулях спектрального анализа (240 и 241), содержит по меньшей мере три массива спектрального распределения виброскорости по взаимно ортогональным осям. [28] In another particular embodiment of the sensor, the formation of arrays of the spectral distribution of vibration velocity by the spectral analysis modules (240 and 241) is performed using a fast Fourier transform (FFT). [29] In another particular embodiment of the sensor, each of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays formed in the spectral analysis modules (240 and 241) contains at least three vibration velocity spectral distribution arrays along mutually orthogonal axes.
[30] В другом частном примере осуществления датчика модуль кросс-корреляции спектров (250) выполнен с возможностью вычисления СКЗ виброскорости. [30] In another particular embodiment of the sensor, the spectrum cross-correlation module (250) is configured to calculate the RMS of the vibration velocity.
[31] В другом частном примере осуществления датчика результирующий набор спектров виброскорости в модуле кросс-корреляции (250) спектров формируется на основе умножения значений первого из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на комплексно-сопряженные значения второго из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости. [31] In another particular embodiment of the sensor, the resulting set of vibration velocity spectra in the cross-correlation module (250) of the spectra is formed based on the multiplication of the values of the first of at least two sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity by the complex conjugate values of the second of at least two sets arrays of spectral distribution of vibration velocity.
[32] В другом частном примере осуществления датчика результирующий набор спектров виброскорости, сформированный в модуле кросс-корреляции спектров (250), содержит по меньшей мере три результирующих спектра виброскорости по взаимно ортогональным осям. [32] In another particular embodiment of the sensor, the resulting set of vibration velocity spectra generated in the spectrum cross-correlation module (250) contains at least three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
[33] В другом частном примере осуществления датчика набор значений виброскорости, рассчитанный в вычислительном модуле (260) содержит по меньшей мере три значения виброскорости по взаимно ортогональным осям. [33] In another particular embodiment of the sensor, the set of vibration velocities calculated in the computing module (260) contains at least three vibration velocities along mutually orthogonal axes.
[34] В другом частном примере осуществления датчика корпус датчика выполнен пылевлагозащищенным. [34] In another particular embodiment of the sensor, the sensor housing is made dust- and moisture-proof.
[35] В другом частном примере осуществления датчика корпус является взрывозащитным . [35] In another particular embodiment of the sensor, the housing is explosion-proof.
[36] В другом частном примере осуществления датчика взрывозащитный корпус выполнен из материала, выбираемого из группы: низкоуглеродистая сталь с полиэфирным покрытием, нержавеющая сталь AISI 304, полиэфирный пластик, армированное стекловолокно с углеродным наполнителем, литого алюминия с порошковым покрытием. [36] In another particular embodiment of the sensor, the explosion-proof housing is made of a material selected from the group of polyester-coated mild steel, AISI 304 stainless steel, polyester, carbon-filled fiberglass reinforced, powder-coated cast aluminum.
[37] В другом частном примере осуществления датчика корпус дополнительно содержит магнитное крепление, предназначенное для закрепления датчика на объекте. [37] In another particular embodiment of the sensor, the housing further comprises a magnetic mount for attaching the sensor to an object.
[38] Кроме того, заявленные технические результаты достигаются за счет осуществления способа измерения виброскорости для контроля уровня вибраций в области инфранизких и низких частот, выполняемый с помощью датчика виброскорости, и содержащий этапы на которых: a) активируют датчик виброскорости; b) получают данные циклического измерения мгновенного значения ускорения от по меньшей мере двух микроэлектромеханических трехосевых акселерометров по трем взаимно ортогональным осям; c) формируют по меньшей мере два набора массивов мгновенных значений виброскорости на основе полученных мгновенных значений ускорения по трем взаимно ортогональным осям; d) формируют по меньшей мере два набора массивов спектрального распределения виброскорости на основе наборов массивов мгновенных значений виброскорости, сформированных на этапе (с); e) формируют результирующий набор спектров виброскорости на основе по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости, f) вычисляют результирующий вектор виброскорости и набор значений виброскорости на основе результирующего набора спектров виброскорости, g) передают вычисленные на эатпе (f) значения на внешнее устройство. [38] In addition, the claimed technical results are achieved by implementing a method for measuring vibration velocity to control the level of vibrations in areas of infra-low and low frequencies, performed using a vibration velocity sensor, and containing the steps in which: a) activate the vibration velocity sensor; b) receiving cyclic measurement data of the instantaneous acceleration value from at least two microelectromechanical triaxial accelerometers along three mutually orthogonal axes; c) forming at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on the obtained instantaneous values of acceleration along three mutually orthogonal axes; d) generating at least two sets of velocity spectral distribution arrays based on the arrays of instantaneous velocity values generated in step (c); e) generating the resulting set of vibration velocity spectra based on at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays, f) calculating the resulting vibration velocity vector and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra, g) transmitting the values calculated in step (f) to an external device.
[39] В другом частном примере осуществления способа активация датчика виброскорости осуществляется на основе заранее заданного временного периода активации. [39] In another particular embodiment of the method, the vibration velocity sensor is activated based on a predetermined activation time period.
[40] В другом частном примере осуществления способа после передачи вычисленных значений на внешнее устройство датчик виброскорости отключается. [40] In another particular embodiment of the method, after the calculated values are transmitted to an external device, the vibration velocity sensor is turned off.
[41] В другом частном примере осуществления способа первый и второй набор массивов мгновенных значений виброскорости, содержат по меньшей мере три массива значений виброскорости по взаимно ортогональным осям. [41] In another particular embodiment of the method, the first and second sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity contain at least three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes.
[42] В другом частном примере осуществления способа первый и второй набор массивов спектрального распределения виброскорости, содержат по меньшей мере три массива спектрального распределения виброскорости по взаимно ортогональным осям. [42] In another particular embodiment of the method, the first and second set of spectral distribution arrays of vibration velocity contain at least three arrays of spectral distribution of vibration velocity along mutually orthogonal axes.
[43] В другом частном примере осуществления способа результирующий набор спектров виброскорости содержит по меньшей мере три результирующих спектра виброскорости по взаимно ортогональным осям. [44] В другом частном примере осуществления способа набор значений виброскорости содержит по меньшей мере три значения виброскорости по взаимно ортогональным осям. [43] In another particular embodiment of the method, the resulting set of vibration velocity spectra contains at least three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes. [44] In another particular embodiment of the method, the set of vibration velocity values contains at least three vibration velocity values along mutually orthogonal axes.
[45] В другом частном примере осуществления способа результирующий набор спектров виброскорости формируется на основе умножения значений первого из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на комплексно-сопряженные значения второго из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости. [45] In another particular embodiment of the method, the resulting set of vibration velocity spectra is formed based on the multiplication of the values of the first of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays by the complex conjugate values of the second of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays.
[46] В другом частном примере осуществления способа контроль уровня вибрации объекта производится в области инфранизких и низких частот в диапазоне от 2 Гц до 1000 Гц с динамическим диапазоном от 0,01 до 50 мм/с. [46] In another particular example of the implementation of the method, the vibration level of the object is controlled in the infra-low and low frequencies in the range from 2 Hz to 1000 Hz with a dynamic range from 0.01 to 50 mm/s.
[47] В другом частном примере осуществления способа передача данных на внешнее устройство выполняется по интерфейсу, выбираемому из группы: RS485, U ART, RS422, SPI, 12С. [47] In another particular example of the implementation of the method, data is transferred to an external device via an interface selected from the group: RS485, U ART, RS422, SPI, 1 2 C.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[48] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых: [48] The features and advantages of the present technical solution will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, in which:
[49] Фиг. 1 - иллюстрирует пример реализации датчика виброскорости. [49] FIG. 1 - illustrates an example of the implementation of the vibration velocity sensor.
[50] Фиг. 2 - иллюстрирует структурную схему датчика виброскорости. [50] FIG. 2 - illustrates the block diagram of the vibration velocity sensor.
[51] Фиг. 3 - иллюстрирует блок схему выполнения заявленного способа измерения виброскорости для контроля уровня вибраций в области инфранизких и низких частот. [51] FIG. 3 - illustrates a block diagram of the implementation of the claimed method for measuring vibration velocity to control the level of vibrations in the infra-low and low frequencies.
[52] Фиг. 4 - иллюстрирует общий вид вычислительных модулей. [52] FIG. 4 - illustrates the general view of the computing modules.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ DETAILED DESCRIPTION
[53] Ниже будут описаны термины и понятия, необходимые для реализации настоящего технического решения. [53] The terms and concepts necessary for the implementation of the present technical solution will be described below.
[54] Датчик - собирательный термин, который может означать: измерительный преобразователь; первичный измерительный преобразователь; чувствительный элемент. [55] Измерительный преобразователь — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. [54] Sensor is a collective term that can mean: measuring transducer; primary measuring transducer; sensitive element. [55] A measuring transducer is a technical device with normalized metrological characteristics that is used to convert a measured quantity into another quantity or a measuring signal that is convenient for processing, storage, further transformations, indication or transmission.
[56] Взрывозащищенное электрооборудование - электрооборудование, в котором предусмотрены конструктивные меры по устранению или затруднению возможности воспламенения (при эксплуатации) окружающей его взрывоопасной смеси. [56] Explosion-proof electrical equipment - electrical equipment in which design measures are provided to eliminate or hinder the possibility of ignition (during operation) of the surrounding explosive mixture.
[57] Заявленное техническое решение позволяет измерять значения виброскорости исследуемого объекта в пространстве, по трем взаимно ортогональным осям, в области инфранизких и низких частот и малых амплитудных значений колебаний с высокой точностью за счет компенсации собственных шумов датчика вибрации. Контроль уровня вибрации объекта с помощью заявленного технического решения может производиться в диапазоне частот от 2Гц до 1000Гц (область инфранизких и низких частот) с динамическим диапазоном от 0,01 до 50 мм/с. [57] The claimed technical solution makes it possible to measure the values of the vibration velocity of the object under study in space, along three mutually orthogonal axes, in the region of infra-low and low frequencies and small amplitude values of oscillations with high accuracy by compensating for the intrinsic noise of the vibration sensor. Controlling the vibration level of an object with the help of the claimed technical solution can be carried out in the frequency range from 2 Hz to 1000 Hz (the region of infra-low and low frequencies) with a dynamic range from 0.01 to 50 mm/s.
[58] Кроме того, указанное решение позволяет использовать датчик вибрации во взрывоопасных средах за счет особенностей реализации, описанных подробнее ниже. Также выполнение указанного датчика на MEMS акселерометрах (микроэлектромеханические акселерометры) позволяет измерять значения виброскорости по трем взаимно-ортогональным осям координат без юстировки конструкции. [58] In addition, this solution allows the use of the vibration sensor in explosive environments due to the implementation features described in more detail below. Also, the implementation of the specified sensor on MEMS accelerometers (microelectromechanical accelerometers) allows you to measure the vibration velocity values along three mutually orthogonal coordinate axes without adjusting the structure.
[59] На Фиг. 1 приведен пример реализации датчика виброскорости 100. Указанный датчик 100 выполнен во взрывозащитном корпусе 110, содержащем крепление (не показано), предназначенное для установки датчика 100 на исследуемый объект. В частном варианте реализации датчик 100 может дополнительно содержать разъем для подключения внешнего источника питания. [59] FIG. 1 shows an example of the implementation of the vibration velocity sensor 100. The specified sensor 100 is made in an explosion-proof housing 110 containing a mount (not shown) designed to install the sensor 100 on the object under study. In a private embodiment, the sensor 100 may further comprise a connector for connecting an external power source.
[60] Взрывозащитный корпус ПО может быть выполнен, не ограничиваясь, из низкоуглеродистой стали с полиэфирным покрытием, нержавеющей стали AISI 304, полиэфирного пластика, армированного стекловолокном с углеродным наполнителем, литого алюминия с порошковым покрытием и т.п. [60] The explosion-proof enclosure of the software can be made of, but not limited to, polyester coated mild steel, AISI 304 stainless steel, carbon-filled fiberglass reinforced polyester, powder coated cast aluminum, and the like.
[61] Также, датчик 100 может обладать пылевлагозащищенностью (степень защиты не ниже IP 65). Под степенью защиты понимается способ защиты, проверяемый стандартными методами испытаний, который обеспечивается оболочкой от доступа к опасным частям (опасным токоведущим и опасным механическим частям), попадания внешних твёрдых предметов и/или воды внутрь оболочки. Это достигается, например, за счет покрытия токоведущих элементов схемы лаком и/или покрытия составных частей корпуса ПО слоем резины, который предотвращает попадание внутрь влаги. [61] Also, the sensor 100 may have dust and moisture resistance (the degree of protection is not lower than IP 65). The degree of protection is understood as a method of protection, verified by standard test methods, which is provided by the enclosure from access to dangerous parts (dangerous current-carrying and dangerous mechanical parts), ingress of external solid objects and / or water inside shells. This is achieved, for example, by coating the current-carrying elements of the circuit with varnish and / or coating the components of the software package with a rubber layer, which prevents moisture from entering inside.
[62] В качестве крепления, используемого для установки датчика 100 на исследуемый объект, может использоваться, например, магнитное крепление для металлических поверхностей, крепление на шпильку с резьбой для ровных и гладких поверхностей, винтовое крепление через переходник для неровных и/или окрашенных поверхностей и т.д., не ограничиваясь. Крепление может быть расположено на основании датчика 100. Кроме того, в частных вариантах реализации датчик 100 может устанавливаться на исследуемый объект с помощью клея, такого как эпоксидная смола. Для специалиста в данной области техники, очевидно, что в качестве крепления может использоваться любой тип креплений, предназначенный для установки датчика 100 на исследуемый объект. [62] The mount used to mount the probe 100 on the object of interest can be, for example, a magnetic mount for metal surfaces, a threaded stud mount for even and smooth surfaces, a screw mount via an adapter for uneven and/or painted surfaces, and etc., but not limited to. The mount may be located on the base of the sensor 100. In addition, in private implementations, the sensor 100 can be installed on the object under test using an adhesive, such as epoxy. For a person skilled in the art, it is obvious that any type of mounts designed to install the sensor 100 on the object of interest can be used as a mount.
[63] Под исследуемым объектом в данном решении следует понимать любое оборудование и технические системы или установки, вызывающие возникновение вибрации. Так, например, исследуемый объект (или объект) может представлять собой вентилятор газоочистки, компрессор, мотор, буровую установку, железнодорожные рельсы и т.д., не ограничиваясь. [63] The object under investigation in this decision should be understood as any equipment and technical systems or installations that cause vibration. For example, the investigated object (or object) may be a gas cleaning fan, a compressor, a motor, a drilling rig, railroad tracks, etc., without being limited.
[64] Датчик 100 предназначен для измерения значений виброскорости на исследуемом оборудовании. Более подробный принцип работы указанного датчика 100 и подробная структурная схема приведены на Фиг. 2 и раскрыты более подробно ниже. [64] The sensor 100 is designed to measure vibration velocity values on the equipment under test. A more detailed operating principle of said sensor 100 and a detailed block diagram are shown in FIG. 2 and are disclosed in more detail below.
[65] Выбор измеряемого параметра вибрации (виброскорости) обусловлен стандартами по вибрации и нормативными документами. Так, в качестве нормируемого параметра вибрации для контроля за техническим состоянием объекта большинство стандартов и нормативных документов устанавливают СКЗ виброскорости (среднеквадратичное значение), т.к. указанный параметр дает наиболее точную оценку технического состояния объектов в наиболее распространенном частотном диапазоне источников вибрации. Кроме того, по стандарту ИСО 10816-3 для оценки уровня вибрации также требуется среднеквадратичное значение (СКЗ) виброскорости. [65] The choice of the measured vibration parameter (vibration velocity) is determined by vibration standards and regulations. So, as a normalized vibration parameter for monitoring the technical condition of an object, most standards and regulatory documents establish the vibration velocity RMS (root mean square value), because this parameter gives the most accurate assessment of the technical condition of objects in the most common frequency range of vibration sources. In addition, ISO 10816-3 also requires the Root Mean Square (RMS) of the vibration velocity to evaluate the vibration level.
[66] Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что при измеренных параметрах виброскорости с легкостью можно получить параметры виброперемещения и виброускорения. Для преобразования виброскорости в виброускорение, измеренные параметры нужно продифференцировать. Для преобразования виброскорости в виброперемещение сигнал нужно проинтегрировать. [66] For a person skilled in the art it will be obvious that with the measured vibration velocity parameters, the vibration displacement and vibration acceleration parameters can be easily obtained. To convert vibration velocity to vibration acceleration, the measured parameters need to be differentiated. To convert the vibration velocity into vibration displacement, the signal must be integrated.
[67] На Фиг. 2 приведена структурная схема датчика 100. Указанный датчик 100 содержит взрывозащитный корпус, внутри которого располагается печатная плата, на которой расположены: два микроэлектромеханических трехосевых акселерометра 210 и 211, микроконтроллер 220, содержащий: два интегратора 230 и 231, два модуля спектрального анализа 240 и 241, модуль кросс-корреляции спектра 250, модуль вычисления результирующих значений виброскорости 260. [67] FIG. 2 shows a structural diagram of the sensor 100. The specified sensor 100 contains an explosion-proof housing, inside which is a printed circuit board, on which are located: two microelectromechanical three-axis accelerometers 210 and 211, a microcontroller 220 containing: two integrators 230 and 231, two spectral analysis modules 240 and 241 , spectrum cross-correlation module 250, module for calculating the resulting vibration velocity values 260.
[68] Элементы заявленного датчика виброскорости 100 фиксируются между собой и несущими элементами конструкции, с помощью широкого спектра сборочных операций, например, свинчивания, сочленения, спайки, склепки и др., в зависимости от наиболее подходящего способа крепления элементов. [68] The elements of the claimed vibration velocity sensor 100 are fixed between themselves and the supporting structural elements, using a wide range of assembly operations, for example, screwing, articulation, soldering, riveting, etc., depending on the most suitable method of fastening the elements.
[69] Микроконтроллер 220 может являться бортовым вычислителем, контроллером, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер) и любым другим устройством, способным выполнять заданную, чётко определённую последовательность вычислительных операций (действий, инструкций). Микроконтроллер 220 может быть выполнен в виде устройства или модуля, описанного более подробно на фиг. 4. Микроконтроллер 220 выполнен с возможностью одновременного получения и обработки информации от акселерометров 210 и 211. Как указывалось выше, микроконтроллер 220 может содержать набор модулей, которые могут являться логическими или программноаппаратными модулями, такими как модули 230, 231, 240, 241, 250, 260, выполненными с возможностью формирования наборов массивов мгновенных значений виброскорости на основе информации от акселерометров 210 и 211, формирования наборов массивов спектрального распределения виброскорости, формирования результирующего набора спектров виброскорости на основе наборов массивов спектрального распределения виброскорости, вычисления результирующего вектора виброскорости и набора значений виброскорости на основе результирующего набора спектров виброскорости. [69] The microcontroller 220 may be an on-board computer, controller, computer (electronic computer), CNC (computer numerical control), PLC (programmable logic controller) and any other device capable of performing a given, well-defined sequence of computing operations (actions, instructions). Microcontroller 220 may be implemented as a device or module, described in more detail in FIG. 4. Microcontroller 220 is configured to simultaneously receive and process information from accelerometers 210 and 211. As noted above, microcontroller 220 may include a set of modules, which may be logic or firmware modules, such as modules 230, 231, 240, 241, 250, 260, configured to generate sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on information from accelerometers 210 and 211, generate sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity, generate the resulting set of spectra of vibration velocity based on sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity, calculate the resulting vector of vibration velocity and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra.
[70] Термин «инструкции», используемый в этой заявке, может относиться, в общем, к командам в программе, которые написаны для осуществления конкретной функции, такой как прием данных от акселерометров 210 и 211, обработка полученных данных (интегрирование, быстрое преобразование Фурье и т.д.), преобразование данных. Инструкции могут быть осуществлены множеством способов, включающих в себя, например, объектно-ориентированные методы. Например, инструкции могут быть реализованы, посредством языка программирования C++, Java, различных библиотек (например, “MFC”; Microsoft Foundation Classes) и т.д. Инструкции, осуществляющие процессы, описанные в этом решении, могут передаваться как по проводным, так и по беспроводным линиям передачи. [70] The term "instructions" as used in this application may refer, in general, to instructions in a program that are written to perform a particular function, such as receiving data from the accelerometers 210 and 211, processing the received data (integration, fast Fourier transform etc.), data transformation. The instructions may be implemented in a variety of ways, including, for example, object-oriented methods. For example, the instructions may be implemented using the C++ programming language, Java, various libraries (eg, “MFC”; Microsoft Foundation Classes), etc. The instructions that carry out the processes described in this solution can be transmitted over both wired and wireless transmission lines.
[71] Акселерометры 210 и 211 могут являться микроэлектромеханическими трехосевыми акселерометрами (MEMS акселерометры) и предназначены для формирования массивов мгновенных значений ускорения и преобразования полученных значений в электрический сигнал. Указанные акселерометры 210 и 211 имеют в своем составе сразу три измерительные оси, направленные перпендикулярно друг к другу, что позволяет измерять ускорение тела в любом направлении. Таким образом, при измерении мгновенных значений ускорения, каждый из указанных акселерометров 210 и 211 формирует массив мгновенных значений ускорения по каждой из осей. Указанные операции могут происходить параллельно. Стоит также отметить, что для преобразования измеренных значений ускорения, акселерометры 210 и 211 также могут содержать аналого-цифровой преобразователь (АЦП). [71] The accelerometers 210 and 211 may be microelectromechanical three-axis accelerometers (MEMS accelerometers) and are designed to generate arrays of instantaneous acceleration values and convert the obtained values into an electrical signal. These accelerometers 210 and 211 have three measuring axes at once, directed perpendicular to each other, which makes it possible to measure the acceleration of a body in any direction. Thus, when measuring instantaneous acceleration values, each of said accelerometers 210 and 211 generates an array of instantaneous acceleration values along each of the axes. These operations can occur in parallel. It is also worth noting that accelerometers 210 and 211 may also include an analog-to-digital converter (ADC) to convert the measured acceleration values.
[72] В частном варианте реализации могут использоваться емкостные МЭМС акселерометры, основанные на измерительной ячейке, представляющей собой корпус из кремния, внутри которого размещена консоль с подвешенной инертной массой. На внутренние поверхности корпуса и поверхности массы нанесены электроды, что превращает конструкцию в систему из двух конденсаторов. Под действием ускорения инертная масса колеблется на консоли, что приводит к изменению расстояния между обкладками обоих конденсаторов и, как следствие, изменению их емкости. При этом суммарная емкость составного конденсатора остается неизменной. Вариация емкости конденсаторов отражается изменением потенциалов на их обкладках, что, собственно, и может быть измерено, как сигнал пропорциональный приложенному ускорению. В свою очередь, трехосевой МЭМС акселерометр использует для каждой оси отдельную пробную массу, которая смещается при возникновении ускорения вдоль данной оси (фиксируются емкостными датчиками). В другом частом варианте реализации может быть использован многоосный акселерометр, построенный на описанных выше принципах и отличающийся принципом изготовления инертной массы, позволяющей колебаться сразу в нескольких плоскостях. [72] In a particular implementation, capacitive MEMS accelerometers can be used, based on a measuring cell, which is a silicon case, inside which a console with a suspended inertial mass is placed. Electrodes are applied to the inner surfaces of the case and the surface of the mass, which turns the structure into a system of two capacitors. Under the action of acceleration, the inertial mass oscillates on the console, which leads to a change in the distance between the plates of both capacitors and, as a result, a change in their capacitance. In this case, the total capacitance of the composite capacitor remains unchanged. The capacitance variation of capacitors is reflected by a change in the potentials on their plates, which, in fact, can be measured as a signal proportional to the applied acceleration. In turn, the three-axis MEMS accelerometer uses a separate test mass for each axis, which is displaced along this axis when acceleration occurs (fixed by capacitive sensors). In another frequent implementation, a multi-axis accelerometer built on the above-described principles and differing by the principle of manufacturing an inertial mass, which allows it to oscillate in several planes at once.
[73] Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что в качестве трехосевых микроэлектромеханических акселерометров может быть использован любой тип конструкции микроэлектромеханического акселерометра, обеспечивающий измерение мгновенных значений ускорения объекта и их преобразование в электрических сигнал. [73] For a person skilled in the art it will be obvious that as three-axis MEMS accelerometers can be used any type of MEMS accelerometer design that measures the instantaneous values of the object's acceleration and converts them into electrical signals.
[74] В качестве трехосевых микроэлектромеханических акселерометров 210 и 211 могут использоваться, не ограничиваясь, например, трехосевые акселерометры от компании Analog Devices™, такие как ADXL375, трехосевые акселерометры LIS2DW12 от компании STMicroelectronics™ и т.д. [74] As triaxial MEMS accelerometers 210 and 211, for example, triaxial accelerometers from Analog Devices™ such as ADXL375, LIS2DW12 triaxial accelerometers from STMicroelectronics™, etc. can be used without limitation.
[75] Интеграторы 230 и 231 предназначены для формирования наборов массивов значений виброскорости на основе полученных массивов мгновенных значений ускорения от акселерометров 210 и 211 соответственно. Каждый из указанных интеграторов 230 и 231 формирует независимый набор массивов значений виброскорости как функции от времени на основе полученных мгновенных значений ускорения. Причем, под набором массивов значений виброскорости понимается три массива значений виброскорости по взаимно ортогональным осям в соответствии с измеренными значениями ускорения по указанным осям. Так, если акселерометр 210 подключен к интегратору 230, то указанный интегратор 230 выполнит процесс интегрирования массивов значений (три массива мгновенных значений ускорения по трем соответствующим осям), полученных от акселерометра 210, и соответственно интегратор 231 проведет аналогичный процесс интегрирования для акселерометра 211. Для специалиста, очевидно, что количество интеграторов и схема их подключения к акселерометрам зависит от количества используемых акселерометров. Указанные операции интегрирования могут выполняться одновременно посредством распараллеливания операций интегрирования. Стоит также отметить, что процесс интегрирования широко известен и применяется, в том числе для преобразования значений ускорения в значения скорости. Более подробное описания процессов интегрирования приведено в [1]. [75] Integrators 230 and 231 are designed to generate sets of arrays of vibration velocity values based on the arrays of instantaneous acceleration values from accelerometers 210 and 211, respectively. Each of these integrators 230 and 231 generates an independent set of arrays of vibration velocity values as a function of time based on the obtained instantaneous acceleration values. Moreover, a set of arrays of vibration velocity values means three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes in accordance with the measured acceleration values along the indicated axes. So, if the accelerometer 210 is connected to the integrator 230, then the specified integrator 230 will perform the process of integrating the arrays of values (three arrays of instantaneous acceleration values along the three corresponding axes) received from the accelerometer 210, and accordingly the integrator 231 will perform a similar integration process for the accelerometer 211. For a specialist , it is obvious that the number of integrators and the scheme of their connection to accelerometers depends on the number of used accelerometers. These integration operations can be performed simultaneously by parallelizing the integration operations. It is also worth noting that the integration process is widely known and used, including for converting acceleration values into velocity values. A more detailed description of the integration processes is given in [1].
[76] Модули спектрального анализа 240 и 241 предназначены для формирования массивов спектрального распределения виброскорости. Указанные модули 240 и 241 выполняют быстрое преобразование Фурье (БПФ) массивов значений виброскорости, полученных от модулей 230 и 231, для формирования массивов спектрального распределения виброскорости. Процессы преобразования Фурье разными модулями могут происходить также параллельно. Так, модуль 240 при получении массива значений виброскорости от модуля 230 может выполнять быстрое преобразование Фурье, в то время как модуль 241 будет выполнять аналогичную операцию с данными, полученными от модуля 231. Быстрое преобразование Фурье — процесс преобразования функции действительной переменной x(t) в её спектр более подробно раскрыто в [2]. [76] Spectral analysis modules 240 and 241 are designed to form arrays of the spectral distribution of vibration velocity. These modules 240 and 241 perform a Fast Fourier Transform (FFT) of the arrays of vibration velocities received from modules 230 and 231 to form arrays of the spectral vibration velocity distribution. Fourier transform processes by different modules can also occur in parallel. So, module 240, when receiving an array of vibration velocity values from module 230, can perform a fast Fourier transform, while module 241 will perform a similar operation with data received from module 231. Fast Fourier transform is the process of converting a function of a real variable x(t) into its spectrum is described in more detail in [2].
[77] Модуль кросс-корреляции спектра 250 предназначен для вычисления результирующего массива спектра виброскорости. Указанный модуль 250 выполнен с возможностью получения массивов спектрального распределения виброскорости от модулей 240 и 241, и умножения значений одного массива на комплексносопряженные значения второго массива для получения результирующего массива спектра виброскорости. При этом процесс умножения позволяет уменьшить собственные шумы в области низких и инфранизких частот и малых амплитудных значений, возникающие в акселерометрах 210 и 211 и повысить точность измерения значений виброскорости за счет полученного результирующего массива спектра виброскорости, который нивелирует возникшие в каждом из акселерометров 210 и 211 собственные шумы. [77] Spectrum cross-correlation module 250 is designed to compute the resulting velocity spectrum array. The specified module 250 is configured to receive the arrays of the spectral distribution of vibration velocity from modules 240 and 241, and multiply the values of one array by the complex conjugate values of the second array to obtain the resulting array of the vibration velocity spectrum. At the same time, the multiplication process makes it possible to reduce the inherent noise in the region of low and infra-low frequencies and small amplitude values that occur in the accelerometers 210 and 211 and to improve the accuracy of measuring the vibration velocity values due to the resulting array of the vibration velocity spectrum, which levels the own noises.
[78] При параллельной работе двух акселерометров 210 и 211 измеренные значения ускорения включают в себя сумму величины собственного шума и величины полезного (измеряемого) сигнала. Поскольку полезный сигнал вызван внешней силой, которая одновременно прикладывается к обоим акселерометрам, то в потоках выходных данных от акселерометров появляются синфазно изменяющиеся составляющие, определяющие степень сходства сигналов (корреляцию). Для количественной оценки степени сходства измерительных сигналов применяется взаимно корреляционная функция (ВКФ), которая может быть рассчитана, например, по следующей формуле: [78] When the two accelerometers 210 and 211 are operated in parallel, the measured acceleration values include the sum of the intrinsic noise value and the useful (measured) signal value. Since the useful signal is caused by an external force that is simultaneously applied to both accelerometers, the output data streams from the accelerometers contain in-phase components that determine the degree of signal similarity (correlation). To quantify the degree of similarity of the measuring signals, the cross-correlation function (CCF) is used, which can be calculated, for example, using the following formula:
Bxy(T) = f x(t)-y(t-T)-dt (1) где, x(t) - набор мгновенных значений ускорения акселерометра 210, y(t) - набор мгновенных значений ускорения акселерометра 211, — временной сдвиг функции х относительно у. Bxy(T) = f x(t)-y(t-T)-dt (1) where, x(t) - set of instantaneous accelerometer acceleration values 210, y(t) - set of instantaneous accelerometer acceleration values 211, - time shift of function x regarding u.
[79] При перемножении мгновенных значений x(t) и y(t) величина коррелирующего (полезного) сигнала значительно увеличивается по отношению к хаотичному шуму. Таким образом, в результате вычисления функции ВХу повышается соотношение сигнал/шум. Параметр в таком случае выбирается равным 0. Чтобы получить величину виброскорости в определенном диапазоне частот на основе спектральных распределений виброскорости, полученных от модулей 240 и 241, происходит вычисление кросс-коррелированного спектра виброскорости по следующей формуле: [79] When multiplying the instantaneous values x(t) and y(t), the magnitude of the correlated (useful) signal increases significantly with respect to chaotic noise. Thus, as a result of calculating the function B X y, the signal-to-noise ratio increases. The parameter in this case is chosen equal to 0. In order to obtain the magnitude of the vibration velocity in a certain frequency range based on the spectral distributions of the vibration velocity obtained from the modules 240 and 241, the cross-correlated spectrum of the vibration velocity is calculated using the following formula:
F(Bxy) = (F|x|)* • (F|y|) (2) где F - преобразование Фурье, F(Bxy) = (F|x|)* • (F|y|) (2) where F is the Fourier transform,
(F(x|)* - комплексно сопряженная функция для х. (F(x|)* is the complex conjugate function for x.
[80] Выполнение преобразования Фурье для взаимнокорреляционной функции двух сигналов выполняется на основе произведения их спектральных функций, одна из которых подвергнута комплексному сопряжению. В результате получается распределение спектра взаимной корреляции (кросс-корреляции) исходных сигналов. [80] The execution of the Fourier transform for the cross-correlation function of two signals is performed based on the product of their spectral functions, one of which is subjected to complex conjugation. The result is a distribution of the spectrum of cross-correlation (cross-correlation) of the original signals.
[81] Модуль вычисления результирующих значений виброскорости 260 предназначен для вычисления результирующего вектора виброскорости и набора значений виброскорости на основе результирующего набора спектров виброскорости. Указанный модуль 260 выполнен с возможностью получения результирующего спектра виброскорости от модуля 250 и вычисления на его основе среднеквадратичного значения виброскорости (СКЗ). На выходе модуля 260 формируется значение виброскорости по соответствующей оси измерения. Значения виброскорости для осей X, Y, Z используются для вычисления скалярной величины результирующего вектора виброскорости. [81] The module for calculating the resulting vibration velocity values 260 is designed to calculate the resulting vibration velocity vector and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra. The specified module 260 is configured to receive the resulting vibration velocity spectrum from the module 250 and calculate the RMS value of the vibration velocity based on it. At the output of module 260, the vibration velocity value is formed along the corresponding measurement axis. The vibration velocity values for the X, Y, Z axes are used to calculate the scalar value of the resulting vibration velocity vector.
[82] Далее, вычисленные значения виброскорости, могут быть использованы для определения аномальной работы исследуемого объекта, определения отклонений уровня вибраций от допустимого уровня вибраций и т.д. Контроль уровня вибраций, как указывалось выше, осуществляется на основе вычисленных значений виброскорости, которые могут быть интерпретированы в соответствующие диагностические показатели для конкретного типа исследуемого объекта. [82] Further, the calculated values of the vibration velocity can be used to determine the anomalous operation of the object under study, determine the deviations of the vibration level from the permissible vibration level, etc. Vibration level control, as mentioned above, is carried out on the basis of calculated vibration velocity values, which can be interpreted into appropriate diagnostic indicators for a specific type of object under study.
[83] Вычисленные значения виброскорости по осям далее передаются на внешнее устройство. После чего, цикл измерения значений вибрации завершается. [83] The calculated values of the vibration velocity along the axes are then transferred to an external device. After that, the cycle of measurement of vibration values is completed.
[84] Таким образом, за счет измерения двух независимых массивов мгновенных значений ускорения одновременно двумя независимыми акселерометрами 210 и 211, а также дальнейшей параллельной обработки измеренных данных, заключающейся в интегрировании и БПФ, и дальнейшем вычислении кросс-коррелированного спектра, повышается точность измерения значений виброскорости в области инфранизких и низких частот и малых амплитудных значений, и уменьшаются собственные шумы, возникающие при измерении первичных мгновенных значений ускорения, что позволяет обеспечивать высокоточный контроль уровня вибраций для исследуемого объекта. [84] Thus, by measuring two independent arrays of instantaneous acceleration values simultaneously with two independent accelerometers 210 and 211, as well as further parallel processing of the measured data, which consists in integration and FFT, and further calculation of the cross-correlated spectrum, increases the accuracy of measuring the vibration velocity values in the region of infra-low and low frequencies and small amplitude values, and reduces the intrinsic noise that occurs when measuring the primary instantaneous acceleration values, which makes it possible to provide high-precision control of the vibration level for the studied object.
[85] Ниже приведено описание сценария работы датчика 100, которое приведено в качестве примера и не ограничивает варианты реализации указанного датчика. [85] The following is a description of the scenario of the sensor 100, which is given as an example and does not limit the options for implementing the specified sensor.
[86] Сценарий работы датчика 100 начинается с установки указанного датчика на исследуемый объект. Как указывалось выше, в качестве исследуемого объекта может использоваться техническая установка, создающая вибрацию. В зависимости от типа установки выбирается тип крепления датчика 100 к исследуемому объекту. Так, например, для установки датчика на промышленный вентилятор может быть использовано магнитное крепление, расположенное в основании корпуса ПО датчика 100. В другом варианте осуществления заявленного решения в качестве крепления может быть использовано крепление на шпильку с резьбой. [86] The scenario of the sensor 100 begins with the installation of the specified sensor on the object under study. As mentioned above, a technical installation that creates vibration can be used as an object under study. Depending on the type of installation, the type of attachment of the sensor 100 to the object under study is selected. So, for example, to install the sensor on an industrial fan, a magnetic mount located at the base of the sensor software housing 100 can be used. In another embodiment of the claimed solution, a threaded stud mount can be used as a mount.
[87] Активация датчика 100 происходит посредством подачи питания на указанный датчик 100. В одном частном варианте осуществления питание на датчик может подаваться от внешнего источника питания, соединенного с датчиком виброскорости 100 через разъем для подключения источника питания. Рабочий диапазон напряжения питания составляет от +2,7В до +3,7В. В качестве источника питания может быть использован, например, литиевый элемент. Источник питания осуществляет фильтрацию входного напряжения питания, защиту от кратковременных "скачков" напряжения и обеспечивает подачу питания на внутренние шины датчика 100. В другом частном варианте осуществления датчик 100 дополнительно может содержать источник питания, оборудованный приемопередатчиком . [87] Activation of the sensor 100 occurs by applying power to said sensor 100. In one particular embodiment, the sensor can be powered from an external power source connected to the vibration velocity sensor 100 via a power supply connector. The operating range of the supply voltage is from +2.7V to +3.7V. As a power source, for example, a lithium cell can be used. The power supply filters the input power supply, protects against transient voltage spikes, and provides power to the internal busses of the sensor 100. In another particular embodiment, the sensor 100 may further comprise a power supply equipped with a transceiver.
[88] При необходимости активации датчика 100, например, как в случае запланированного измерения уровня вибраций объекта, так и измерения уровня вибраций по запросу от внешнего устройства, на датчик 100 подается питание. Стоит отметить, что уровень вибрации представляет собой результаты измерения показателей вибрации, которые создает исследуемый объект и дальнейшего их сравнения с соответствующими допустимыми значениями этих показателей для конкретного типа исследуемого объекта. Измерение параметров вибрации позволяет своевременно выявить отклонение в нормальной работе оборудования, выявить дефекты на ранней стадии и т.д. Так, уровень вибрации объекта может быть определен на основе показателя виброскорости и т.д., не ограничиваясь. Как было описано выше, питание может быть подано от внешнего устройства в соответствии с его периодами активации (как запланированными, так и по запросу). [88] When the sensor 100 needs to be activated, for example, both in the case of a scheduled measurement of the vibration level of an object, and a measurement of the vibration level on demand from an external device, the sensor 100 is energized. It should be noted that the vibration level is the results of measuring the vibration indicators that the object under study creates and their further comparison with the corresponding permissible values of these indicators for a particular type of the object under study. Measurement of vibration parameters allows identify deviations in the normal operation of equipment in a timely manner, identify defects at an early stage, etc. Thus, the vibration level of the object can be determined based on the vibration velocity index, etc., without being limited. As described above, power can be supplied from an external device according to its activation periods (both scheduled and on demand).
[89] После подачи питания, микроконтроллер 220 производит инициализацию всех необходимых программных и аппаратных ресурсов, а именно внутренних и периферийных модулей микроконтроллера и трехосевых микроэлектромеханических акселерометров 210 и 211. [89] After power-up, the microcontroller 220 initializes all necessary software and hardware resources, namely the internal and peripheral modules of the microcontroller and the three-axis MEMS accelerometers 210 and 211.
[90] Далее микроконтроллер 220 подает управляющий сигнал на запуск цикла измерения в акселерометрах 210 и 211 и получает данные измерений. Цикл измерения мгновенных значений ускорения длится до тех пор, пока не заполнятся массивы первичных данных. Так, например, в частном варианте осуществления цикл измерения длится до тех пор, пока не заполнятся массивы первичных данных, размером по 8192 отсчета каждый. После получения массивов первичных данных от акселерометров 210 и 211 в одном варианте осуществления, микроконтроллер деактивирует указанные акселерометры 210 и 211 для экономии заряда источника питания. [90] Next, the microcontroller 220 sends a control signal to start the measurement cycle in the accelerometers 210 and 211 and receives the measurement data. The cycle of measurement of instantaneous acceleration values lasts until the arrays of primary data are filled. So, for example, in a particular embodiment, the measurement cycle lasts until the arrays of primary data are filled, each with a size of 8192 readings. After receiving arrays of primary data from the accelerometers 210 and 211 in one embodiment, the microcontroller deactivates these accelerometers 210 and 211 to save power supply.
[91] Полученные массивы мгновенных значений ускорения поступают на входы интеграторов 230 и 231. Как указывалось выше, интеграторы 230 и 231 могут являться, не ограничиваясь, программными или программно-аппаратными модулями и располагаются непосредственно на печатной плате и/или в микроконтроллере 220, например, на ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) типа FPGA и т.д. Указанные интеграторы 230 и 231 выполнены с возможностью формирования наборов массивов мгновенных значений виброскорости из полученных массивов первичных значений ускорения. Таким образом, массив значений виброскорости, формируемый каждым из интеграторов 230 и 231, является результатом интегрирования мгновенных значений виброускорения, т.е. получается путем преобразования значений ускорения в скорость, и является массивом мгновенных значений виброскорости. [91] The resulting arrays of instantaneous acceleration values are input to the integrators 230 and 231. As mentioned above, the integrators 230 and 231 can be, without limitation, software or firmware modules and are located directly on the printed circuit board and/or in the microcontroller 220, for example , on FPGA (programmable logic integrated circuit) type FPGA, etc. These integrators 230 and 231 are configured to form sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity from the obtained arrays of primary acceleration values. Thus, the array of vibration velocity values generated by each of the integrators 230 and 231 is the result of integrating the instantaneous vibration acceleration values, i.e. is obtained by converting acceleration values into speed, and is an array of instantaneous vibration velocity values.
[92] Поскольку каждый акселерометр 210 и 211 формирует массив первичных значений ускорения по трем осям в декартовой системе координат, то каждый набор массивов мгновенных значений виброскорости также содержит, по меньшей мере, три массива значений виброскорости по взаимно ортогональным осям (по осям X, Y, Z). Как описывалось выше, в зависимости от типа акселерометров 210 и 211 формирование первичного массива мгновенных значений ускорения по каждой оси может происходить с помощью МЭМС акселерометров, изготовленных по планарной (поверхностной) или по объемной технологии. Таким образом, на выходе интеграторов 230 и 231 формируются два набора массивов мгновенных значений виброскорости, каждый из которых содержит по три массива мгновенных значений виброскорости по трем соответствующим осям измерения. [92] Since each accelerometer 210 and 211 generates an array of primary acceleration values along three axes in the Cartesian coordinate system, each set of arrays of instantaneous vibration velocity values also contains at least three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes (along the X, Y axes , Z). As described above, depending on the type of accelerometers 210 and 211, the formation of a primary array of instantaneous acceleration values for each axis can occur using MEMS accelerometers manufactured using planar (surface) or volumetric technology. Thus, at the output of integrators 230 and 231, two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity are formed, each of which contains three arrays of instantaneous values of vibration velocity along three corresponding measurement axes.
[93] Сформированные наборы массивов мгновенных значений виброскорости далее поступают на входы модулей 240 и 241, которые выполняют быстрое преобразование Фурье для получения наборов массивов спектрального распределения виброскорости. Указанные модули 240 и 241 также могут являться как программными, так и программно-аппаратными модулями и располагаться непосредственно на печатной плате и/или в микроконтроллере 220. Каждый из указанных массивов спектрального распределения виброскорости содержит три массива спектрального распределения виброскорости по трем взаимно ортогональным осям. [93] The generated sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity are then fed to the inputs of modules 240 and 241, which perform a fast Fourier transform to obtain sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity. These modules 240 and 241 can also be both software and firmware modules and are located directly on the printed circuit board and/or in the microcontroller 220. Each of these arrays of the spectral distribution of vibration velocity contains three arrays of the spectral distribution of vibration velocity along three mutually orthogonal axes.
[94] Наборы массивов спектрального распределения виброскорости далее поступают на вход модуля кросс-корреляции спектра 250, который обеспечивает формирование результирующего набора спектров виброскорости на основе полученных наборов массивов спектрального распределения виброскорости. Для получения результирующего набора спектров виброскорости умножаются значения первого из двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на комплексно-сопряженные значения второго из двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости. Таким образом на выходе модуля 250 формируется результирующий набор спектров виброскорости, который содержит три результирующих спектра виброскорости по взаимно ортогональным осям. [94] The sets of spectral velocity distribution arrays are then fed to the input of the spectrum cross-correlation module 250, which provides the formation of the resulting set of vibration velocity spectra based on the obtained sets of spectral distribution of vibration velocity arrays. To obtain the resulting set of vibration velocity spectra, the values of the first of two sets of vibration velocity spectral distribution arrays are multiplied by the complex conjugate values of the second of two sets of vibration velocity spectral distribution arrays. Thus, at the output of module 250, the resulting set of vibration velocity spectra is formed, which contains three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
[95] На основе полученного из модуля 250 результирующего набора спектров виброскорости вычисляются результирующий вектор виброскорости и набор значений виброскорости. Указанные вычисления выполняются в модуле вычисления результирующих значений виброскорости 260. Указанный модуль 260 выполнен с возможностью вычисления СКЗ виброскорости для получения значений виброскорости по каждой оси измерения (X, Y, Z), а также для вычисления скалярной величины результирующего вектора виброскорости. [96] После вычисления скалярной величины результирующего вектора виброскорости и значений виброскорости по каждой оси, указанные данные передаются на внешнее устройство. Передача данных на внешнее устройство может производиться по интерфейсу стандарта RS485. Для специалиста в данной области техники очевидно, что в зависимости от требований, предъявляемых на внешнем устройстве сбора данных, могут быть использованы, не ограничиваясь, также интерфейсы UART, RS422, SPI, 12С и т.д. В одном частном варианте осуществления, датчик 100 дополнительно содержит приемо-передающий модуль, с помощью которого осуществляется передача измеренных данных на внешнее устройство. В качестве внешнего устройства может быть использован персональный компьютер, сервер, смартфон, планшет, носимое умное устройство, маршрутизатор, узел связи и т.д. [95] Based on the resulting set of vibration velocity spectra obtained from module 250, the resulting vibration velocity vector and the set of vibration velocity values are calculated. These calculations are performed in the module for calculating the resulting vibration velocity 260. The specified module 260 is configured to calculate the RMS vibration velocity to obtain vibration velocity values for each measurement axis (X, Y, Z), as well as to calculate the scalar value of the resulting vibration velocity vector. [96] After calculating the scalar value of the resulting vibration velocity vector and the vibration velocity values for each axis, these data are transmitted to an external device. Data transfer to an external device can be carried out via the interface of the RS485 standard. For a person skilled in the art, it is obvious that, depending on the requirements for an external data acquisition device, UART, RS422, SPI, 1 2 C, etc. interfaces can be used, without limitation. In one particular embodiment, the sensor 100 further comprises a transceiver module that transmits measured data to an external device. A personal computer, a server, a smartphone, a tablet, a wearable smart device, a router, a communication center, etc. can be used as an external device.
[97] В качестве стандарта передачи данных может быть использовано любое средство беспроводной передачи данных, например, GSM модем, GPRS модем, LTE модем, 5G модем, модуль спутниковой связи, NFC модуль, Bluetooth и/или BLE модуль, Wi-Fi модуль и др. Кроме того, датчик 100 дополнительно может содержать средства спутниковой навигации, например, GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo. [97] As a data transmission standard, any means of wireless data transmission can be used, for example, a GSM modem, a GPRS modem, an LTE modem, a 5G modem, a satellite communication module, an NFC module, a Bluetooth and/or BLE module, a Wi-Fi module, and etc. In addition, the sensor 100 may additionally contain satellite navigation tools, such as GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo.
[98] Таким образом, за счет формирования двух независимых первичных массивов мгновенных значений ускорения и последующей их обработки и преобразования, а также формирования результирующего набора спектров виброскорости, компенсируются собственные шумы МЭМС акселерометров, что позволяет повысить точность измерения уровня вибраций в области инфранизких и низких частот и в области малых амплитудных значений колебаний в пространстве, где уровень шумов особенно сильный. [98] Thus, due to the formation of two independent primary arrays of instantaneous acceleration values and their subsequent processing and transformation, as well as the formation of the resulting set of vibration velocity spectra, the intrinsic noise of MEMS accelerometers is compensated, which makes it possible to increase the accuracy of measuring the vibration level in the infra-low and low frequencies and in the region of small amplitude values of oscillations in space, where the noise level is especially strong.
[99] На Фиг. 3 представлены этапы способа 300 измерения виброскорости для контроля уровня вибраций в области инфранизких и низких частот. Указанный способ 300 выполняется с помощью датчика виброскорости 100, который был описан выше. [99] FIG. 3 shows the steps of a method 300 for measuring vibration velocity to monitor the level of vibrations in the infra-low and low frequency region. Said method 300 is performed using the vibration velocity sensor 100 as described above.
[100] На этапе 301 происходит активация датчика 100. На датчик 100 подается питание от внешнего источника питания через разъем для подключения питания на корпусе 110 датчика 100. В качестве внешнего источника питания может быть использована литиевая батарея. В другом частном варианте осуществления питание подается от внешнего устройства по проводному последовательному интерфейсу, например, RS485 и т.д. не ограничиваясь. Периоды подачи питания на датчик 100 могут быть заданы на внешнем устройстве. Периодом активации датчика 100 может являться запланированный период измерений значений виброскорости исследуемого объекта, установленный на внешнем устройстве посредством человеко-машинного интерфейса взаимодействия. В другом частном варианте осуществления, датчик 100 может быть активирован внешним устройством по запросу пользователя через человеко-машинного интерфейс взаимодействия. Для специалиста в данной области техники, очевидно, что может быть использован любой известный способ подачи питания на датчик 100. [100] In step 301, the sensor 100 is activated. The sensor 100 is powered from an external power source through the power connector on the body 110 of the sensor 100. A lithium battery can be used as an external power source. In another particular embodiment, power is supplied from an external device via a wired serial interface such as RS485, etc. not limited. The periods of power supply to the sensor 100 can be set on an external device. The activation period of the sensor 100 can is the planned period of measurements of the values of the vibration velocity of the object under study, set on an external device by means of a human-machine interface of interaction. In another particular embodiment, sensor 100 may be activated by an external device at the request of a user through a human-machine interface. One of ordinary skill in the art will appreciate that any known method of energizing sensor 100 may be used.
[Ю1] После подачи питания происходит инициализация всех необходимых программных и аппаратных ресурсов, а именно внутренних и периферийных модулей микроконтроллера 220 и трехосевых микроэлектромеханических акселерометров 210 и 211. [11] After power is applied, all the necessary software and hardware resources are initialized, namely the internal and peripheral modules of the microcontroller 220 and the three-axis MEMS accelerometers 210 and 211.
[Ю2] На этапе 302 получают данные циклического измерения мгновенного значения ускорения от по меньшей мере двух микроэлектромеханических трехосевых акселерометров 210 и 211. На указанном этапе 302 микроконтроллер 220 активирует акселерометры 210 и 211, которые начинают цикл измерения мгновенных значений ускорения. Указанный цикл длится до тех пор, пока не заполнятся массивы первичных данных. Так, например, в частном варианте осуществления цикл измерения длится до тех пор, пока не заполнятся массивы первичных данных, размером по 8192 отсчета каждый. После получения массивов первичных данных от акселерометров 210 и 211 в одном варианте осуществления микроконтроллер деактивирует указанные акселерометры 210 и 211 для экономии заряда источника питания. Полученные массивы мгновенных значений ускорения передаются в модули 230 и 231 для дальнейшей обработки. [102] At step 302, instantaneous acceleration value cyclic measurement data is obtained from at least two MEMS triaxial accelerometers 210 and 211. At this step 302, microcontroller 220 activates accelerometers 210 and 211, which begin the instantaneous acceleration value measurement cycle. The specified cycle lasts until the primary data arrays are filled. So, for example, in a particular embodiment, the measurement cycle lasts until the arrays of primary data are filled, each with a size of 8192 readings. After receiving arrays of primary data from the accelerometers 210 and 211 in one embodiment, the microcontroller deactivates these accelerometers 210 and 211 to save power supply. The resulting arrays of instantaneous acceleration values are transferred to modules 230 and 231 for further processing.
[ЮЗ] На этапе 303 на основе полученных массивов мгновенных значений виброскорости посредством модулей 230 и 231 формируют, по меньшей мере, два набора массивов мгновенных значений виброскорости. Наборы массивов мгновенных значений виброскорости формируются на основе интегрирования массивов мгновенных значений виброускорения на временном интервале, причем каждый набор массивов значений виброскорости содержит три массива значений виброскорости по взаимно ортогональным осям. Это обусловлено тем, что трехосевые акселерометры 210 и 211 формируют массив мгновенных значений ускорения по трем взаимно ортогональным осям (X, Y, Z) для контроля уровня вибраций в пространстве. Как упоминалось выше, указанный процесс интегрирования каждого из массивов мгновенных значений ускорения может происходить параллельно в каждом из модулей 230 и 231. Интегрированные наборы массивов значений виброскорости далее поступают на модули 240 и 241. [SW] In step 303, at least two sets of arrays of instantaneous vibration rates are formed by modules 230 and 231 based on the received arrays of instantaneous vibration rates. Sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity are formed based on the integration of arrays of instantaneous values of vibration acceleration over a time interval, each set of arrays of vibration velocity values containing three arrays of vibration velocity values along mutually orthogonal axes. This is due to the fact that the three-axis accelerometers 210 and 211 form an array of instantaneous acceleration values along three mutually orthogonal axes (X, Y, Z) to control the level of vibrations in space. As mentioned above, the indicated process of integrating each of the arrays of instantaneous acceleration values can occur in parallel in each of the modules 230 and 231. Integrated sets of arrays of vibration velocity values are then sent to modules 240 and 241.
[Ю4] На этапе 304 формируют посредством модулей 240 и 241, по меньшей мере, два набора массивов спектрального распределения виброскорости на основе наборов массивов мгновенных значений виброскорости полученных на этапе 303. Указанные модули выполняют быстрое преобразование Фурье для получения наборов массивов спектрального распределения виброскорости. Модули 240 и 241 также могут являться как программными, так и программно-аппаратными модулями и располагаться непосредственно на печатной плате и/или в микроконтроллере 220. Каждый из указанных массивов спектрального распределения виброскорости также содержит три массива спектрального распределения виброскорости по трем взаимно ортогональным осям. Полученные наборы массивов спектрального распределения виброскорости поступают в модуль 250. [J4] In step 304, at least two sets of velocity spectral distribution arrays are generated by modules 240 and 241 based on the array sets of instantaneous velocity values obtained in step 303. These modules perform a fast Fourier transform to obtain spectral velocity distribution array sets. Modules 240 and 241 can also be both software and firmware modules and are located directly on the printed circuit board and / or in the microcontroller 220. Each of these arrays of the spectral distribution of vibration velocity also contains three arrays of the spectral distribution of vibration velocity along three mutually orthogonal axes. The received sets of arrays of the spectral distribution of the vibration velocity are sent to module 250.
[Ю5] На этапе 305 в модуле 250 формируют результирующий набор спектров виброскорости на основе, по меньшей мере, двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости полученных на этапе 304. Для получения результирующего набора спектров виброскорости умножают значения первого из двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на комплексносопряженные значения второго из двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости. Таким образом, на выходе модуля 250 формируется результирующий набор спектров виброскорости, который содержит три результирующих спектра виброскорости по взаимно ортогональным осям. [Y5] At step 305, in module 250, the resulting set of vibration velocity spectra is formed based on at least two sets of spectral distribution of vibration velocity arrays obtained at step 304. values of the second of two sets of arrays of spectral distribution of vibration velocity. Thus, at the output of module 250, the resulting set of vibration velocity spectra is formed, which contains three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
[Ю6] На этапе 306 определяют результирующий вектор виброскорости и набор значений виброскорости на основе результирующего набора спектров виброскорости. Необходимые вычисления выполняются в модуле вычисления результирующих значений виброскорости 260. Указанный модуль 260 выполнен с возможностью вычисления СКЗ виброскорости для получения значений виброскорости по каждой оси измерения (X, Y, Z), а также для вычисления скалярной величины результирующего вектора виброскорости. Как упоминалось выше, величина СКЗ характеризует энергию колебаний, что позволяет оценить разрушительное влияние вибрации на исследуемый объект. Стоит также отметить, что набор значений виброскорости, полученный при помощи модуля 260, содержит три значения виброскорости по взаимно ортогональным осям, что позволяет оценить влияние вибрации на исследуемый объект в пространстве. [107] На этапе 307 вычисленные значения виброскорости по каждой оси и результирующий вектор виброскорости передаются на внешнее устройство для дальнейшей трансляции. Передача данных на внешнее устройство может производиться по интерфейсу стандарта RS485. Для специалиста в данной области техники очевидно, что в зависимости от требований, предъявляемых на внешнем устройстве сбора данных, могут быть использованы, не ограничиваясь, также интерфейсы UART, RS422, SPI, 12С и т.д. В одном частном варианте осуществления, датчик 100 дополнительно содержит приемо-передающий модуль, с помощью которого осуществляется передача измеренных данных на внешнее устройство. В качестве внешнего устройства может быть использован персональный компьютер, сервер, смартфон, планшет, носимое умное устройство, маршрутизатор, узел связи и т.д. [S6] In step 306, a resulting velocity vector and a set of velocity values are determined based on the resulting set of velocity spectra. The necessary calculations are performed in the module for calculating the resulting vibration velocity values 260. The specified module 260 is configured to calculate the RMS vibration velocity to obtain the vibration velocity values for each measurement axis (X, Y, Z), as well as to calculate the scalar value of the resulting vibration velocity vector. As mentioned above, the RMS value characterizes the vibration energy, which makes it possible to assess the destructive effect of vibration on the object under study. It should also be noted that the set of vibration velocity values obtained using module 260 contains three vibration velocity values along mutually orthogonal axes, which makes it possible to assess the effect of vibration on the object under study in space. [107] In step 307, the calculated values of the vibration velocity for each axis and the resulting vibration velocity vector are transmitted to an external device for further translation. Data transfer to an external device can be carried out via the interface of the RS485 standard. For a person skilled in the art, it is obvious that, depending on the requirements for an external data acquisition device, UART, RS422, SPI, 1 2 C, etc. interfaces can be used, without limitation. In one particular embodiment, the sensor 100 further comprises a transceiver module that transmits measured data to an external device. A personal computer, a server, a smartphone, a tablet, a wearable smart device, a router, a communication center, etc. can be used as an external device.
[108] Таким образом, в представленных материалах заявки описаны датчик виброскорости и способ измерения виброскорости для контроля уровня вибраций в области инфранизких и низких частот и области малых амплитудных значений колебаний, обеспечивающие высокую точность измерений за счет уменьшения собственных шумов акселерометров. Также, использование трехосевых МЭМС акселерометров позволяет измерять уровень вибрации в пространстве по трем взаимно ортогональным осям без изменения конструкции акселерометров. [108] Thus, the submitted application materials describe a vibration velocity sensor and a method for measuring vibration velocity to control the level of vibrations in the region of infra-low and low frequencies and the region of small amplitude values of vibrations, providing high measurement accuracy by reducing the intrinsic noise of accelerometers. Also, the use of three-axis MEMS accelerometers makes it possible to measure the level of vibration in space along three mutually orthogonal axes without changing the design of the accelerometers.
[Ю9] На Фиг. 4 представлен пример общего вида модулей (400), которые обеспечивают реализацию представленного решения. На базе модулей (400) может быть реализован различный спектр вычислительных модулей и микроконтроллеров, например, модуль человеко-машинного взаимодействия, интеграторы, микроконтроллер, модуль кросс корреляции, модули спектрального анализа, модуль вычисления результирующих значений виброскорости, сервер, внешнее устройство и т.д. [Y9] In FIG. 4 shows an example of a general view of the modules (400) that provide the implementation of the presented solution. On the basis of modules (400), a different range of computing modules and microcontrollers can be implemented, for example, a human-machine interaction module, integrators, a microcontroller, a cross-correlation module, spectral analysis modules, a module for calculating the resulting vibration velocity values, a server, an external device, etc. .
[ИО] В общем виде модуль (400) содержит объединенные общей шиной информационного обмена один или несколько процессоров (401), средства памяти, такие как ОЗУ (702) и ПЗУ (403), интерфейсы ввода/вывода (404), устройства ввода/вывода (405), и устройство для сетевого взаимодействия (406). [IO] In general terms, the module (400) contains one or more processors (401), memory facilities such as RAM (702) and ROM (403), input / output interfaces (404), input / output devices connected by a common information exchange bus. output (405), and a device for networking (406).
[111] Процессор (401) (или несколько процессоров, многоядерный процессор и т.п.) может выбираться из ассортимента устройств, широко применяемых в настоящее время, например, таких производителей, как: Intel™, AMD™, Apple™, Samsung Exynos™, MediaTEK™, Qualcomm Snapdragon™ и т.п. Под процессором или одним из используемых процессоров в модуле (400) также необходимо понимать графический процессор, например, GPU NVIDIA или Graphcore, тип которых также является пригодным для полного или частичного выполнения способа (300), а также может применяться для обучения и применения моделей машинного обучения в различных информационных системах. [111] The processor (401) (or multiple processors, multi-core processor, etc.) can be selected from a range of devices currently widely used, for example, manufacturers such as: Intel™, AMD™, Apple™, Samsung Exynos ™, MediaTEK™, Qualcomm Snapdragon™, etc. Under the processor or one of the processors used in the module (400), it is also necessary to understand the graphics processor, for example, an NVIDIA or Graphcore GPU, the type of which is also suitable for the full or partial execution of the method (300), and can also be used to train and apply machine learning models in various information systems.
1112] ОЗУ (402) представляет собой оперативную память и предназначено для хранения исполняемых процессором (401) машиночитаемых инструкций для выполнения необходимых операций по логической обработке данных. ОЗУ (402), как правило, содержит исполняемые инструкции операционной системы и соответствующих программных компонент (приложения, программные модули и т.п.). При этом, в качестве ОЗУ (402) может выступать доступный объем памяти графической карты или графического процессора. 1112] RAM (402) is a random access memory and is designed to store machine-readable instructions executable by the processor (401) to perform the necessary data logical processing operations. The RAM (402) typically contains the executable instructions of the operating system and associated software components (applications, program modules, etc.). In this case, the RAM (402) may be the available memory of the graphics card or graphics processor.
[ИЗ] ПЗУ (403) представляет собой одно или более средств для постоянного хранения данных, например, жесткий диск (HDD), твердотельный накопитель данных (SSD), флэш-память (EEPROM, NAND и т.п.), оптические носители информации (CD- R/RW, DVD-R/RW, BlueRay Disc, MD) и др. [FROM] ROM (403) is one or more permanent storage media, such as a hard disk drive (HDD), solid state drive (SSD), flash memory (EEPROM, NAND, etc.), optical storage media (CD-R/RW, DVD-R/RW, BlueRay Disc, MD), etc.
[114] Для организации работы компонентов модуля (400) и организации работы внешних подключаемых устройств применяются различные виды интерфейсов В/В (404). Выбор соответствующих интерфейсов зависит от конкретного исполнения вычислительного устройства, которые могут представлять собой, не ограничиваясь: PCI, AGP, PS/2, IrDa, FireWire, LPT, COM, SATA, IDE, Lightning, USB (2.0, 3.0, 3.1, micro, mini, type C), TRS/ Audio jack (2.5, 3.5, 6.35), HDMI, DVI, VGA, Display Port, RJ45, RS232 и т.п. [114] Various types of I/O interfaces (404) are used to organize the operation of the module components (400) and organize the operation of external connected devices. The choice of appropriate interfaces depends on the particular design of the computing device, which can be, but not limited to: PCI, AGP, PS/2, IrDa, FireWire, LPT, COM, SATA, IDE, Lightning, USB (2.0, 3.0, 3.1, micro, mini, type C), TRS/ Audio jack (2.5, 3.5, 6.35), HDMI, DVI, VGA, Display Port, RJ45, RS232, etc.
[115] Для обеспечения взаимодействия пользователя с средством создания панорамного изображения применяются различные средства (405) В/В информации, например, клавиатура, дисплей (монитор), сенсорный дисплей, тач-пад, джойстик, манипулятор мышь, световое перо, стилус, сенсорная панель, трекбол, динамики, микрофон, средства дополненной реальности, оптические сенсоры, планшет, световые индикаторы, проектор, камера, средства биометрической идентификации (сканер сетчатки глаза, сканер отпечатков пальцев, модуль распознавания голоса) и т.п. [115] Various means (405) of I/O information are used to provide user interaction with the panoramic image creation tool, for example, a keyboard, a display (monitor), a touch display, a touch pad, a joystick, a mouse, a light pen, a stylus, a touch panel, trackball, speakers, microphone, augmented reality tools, optical sensors, tablet, indicator lights, projector, camera, biometric identification tools (retina scanner, fingerprint scanner, voice recognition module), etc.
[116] Средство сетевого взаимодействия (406) обеспечивает передачу данных посредством внутренней или внешней вычислительной сети, например, Интранет, Интернет, ЛВС и т.п. В качестве одного или более средств (406) может использоваться, но не ограничиваться: Ethernet карта, GSM модем, GPRS модем, LTE модем, 5G модем, модуль спутниковой связи, NFC модуль, Bluetooth и/или BLE модуль, Wi-Fi модуль и др. [116] The network communication means (406) provides data transmission via an internal or external computer network, for example, an Intranet, the Internet, a LAN, and the like. As one or more means (406) may used but not limited to: Ethernet card, GSM modem, GPRS modem, LTE modem, 5G modem, satellite communication module, NFC module, Bluetooth and / or BLE module, Wi-Fi module, etc.
[117] Дополнительно могут применяться также средства спутниковой навигации в составе модуля (400), например, GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo. [117] Additionally, satellite navigation tools can also be used as part of the module (400), for example, GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo.
[118] Конкретный выбор элементов модуля (400) для реализации различных программно-аппаратных архитектурных решений может варьироваться с сохранением обеспечиваемого требуемого функционала от того или иного типа устройства. [118] The specific choice of elements of the module (400) for the implementation of various software and hardware architectural solutions may vary while maintaining the required functionality provided from a particular type of device.
[119] Некоторые функции датчика виброскорости также могут быть реализованы на программно-аппаратной части персонального устройства пользователя, которое может являться модулем (400) в виде набора аппаратных или логических модулей, способных выполнять заданную, чётко определённую последовательность вычислительных операций (действий, инструкций), или машиночитаемого носителя, содержащего инструкции, например, программные, для выполнения вышеупомянутых функций. [119] Some functions of the vibration velocity sensor can also be implemented on the firmware of the user's personal device, which can be a module (400) in the form of a set of hardware or logic modules capable of performing a given, well-defined sequence of computational operations (actions, instructions), or a computer-readable medium containing instructions, such as software, to perform the above functions.
[120] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники. [120] The submitted application materials disclose preferred examples of the implementation of the technical solution and should not be construed as limiting other particular examples of its implementation that do not go beyond the scope of the requested legal protection, which are obvious to specialists in the relevant field of technology.
Источники информации: Information sources:
1) В. И. Белоусова, Г.М. Ермакова, М.М. Михалева, Н.В. Чуксина, И.А. Шестакова, «ВЫСШАЯ МАТЕМАТИКА, Часть II», Уральский федеральный университет, 2017. 1) V.I. Belousova, G.M. Ermakova, M.M. Mikhaleva, N.V. Chuksina, I.A. Shestakova, "Higher Mathematics, Part II", Ural Federal University, 2017.
2) В.П. Кандидов, С. С. Чесноков, С.А. Шленов, «ДИСКРЕТНОЕ2) V.P. Kandidov, S.S. Chesnokov, S.A. Shlenov, "DISCRETE
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ», Физический факультет МГУ, 2019 FOURIER TRANSFORM, Faculty of Physics, Moscow State University, 2019

Claims

ФОРМУЛА FORMULA
1. Датчик виброскорости (100) для контроля уровня вибраций в области инфранизких и низких частот, включающий корпус, внутри которого установлена печатная плата, на которой расположены: 1. Vibration velocity sensor (100) for monitoring the level of vibrations in the infra-low and low frequencies, including a housing, inside which a printed circuit board is installed, on which are located:
• по меньшей мере два микроэлектромеханических трехосевых акселерометра (210 и 211), выполненных с возможностью циклического измерения мгновенного значения ускорения по трем взаимно ортогональным осям; • at least two microelectromechanical three-axis accelerometers (210 and 211), made with the possibility of cyclic measurement of the instantaneous acceleration value along three mutually orthogonal axes;
• микроконтроллер (220), содержащий: о по меньшей мере два интегратора (230 и 231), выполненных с возможностью формирования по меньшей мере двух наборов массивов мгновенных значений виброскорости на основе мгновенных значений ускорения по трем взаимно ортогональным осям, полученных от микроэлектромеханических трехосевых акселерометров (210 и 211); о по меньшей мере два модуля спектрального анализа (240 и 241), выполненных с возможностью формирования по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на основе наборов массивов мгновенных значений виброскорости; о модуль кросс-корреляции спектра (250), выполненный с возможностью формирования результирующего набора спектров виброскорости на основе по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости; о модуль вычисления результирующих значений виброскорости (260), выполненный с возможностью вычисления результирующего вектора виброскорости и набора значений виброскорости на основе результирующего набора спектров виброскорости. • a microcontroller (220) containing: o at least two integrators (230 and 231) configured to generate at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity based on instantaneous values of acceleration along three mutually orthogonal axes obtained from microelectromechanical three-axis accelerometers ( 210 and 211); about at least two spectral analysis modules (240 and 241) configured to generate at least two sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity based on the array sets of instantaneous values of vibration velocity; about the spectrum cross-correlation module (250), configured to generate the resulting set of vibration velocity spectra based on at least two sets of spectral velocity distribution arrays; about the module for calculating the resulting vibration velocity values (260), configured to calculate the resulting vibration velocity vector and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra.
2. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что на печатной плате дополнительно расположен разъем, предназначенный для подключения источника питания. 2. The sensor according to claim 1, characterized in that the printed circuit board additionally has a connector for connecting a power source.
3. Датчик по п. 2, характеризующийся тем, что разъем представляет собой проводной последовательный интерфейс. 3. Sensor according to claim 2, characterized in that the connector is a wired serial interface.
25 25
4. Датчик по п. 2, характеризующийся тем, что проводной последовательный интерфейс представляет собой интерфейс, выбираемый из группы: RS485, U ART, RS422, SPI, 12С. 4. The sensor according to claim 2, characterized in that the wired serial interface is an interface selected from the group: RS485, U ART, RS422, SPI, 1 2 C.
5. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что на печатной плате дополнительно расположен приемо-передающий модуль, выполненный с возможностью обмена данными с внешним устройством. 5. The sensor according to claim 1, characterized in that the printed circuit board additionally houses a transceiver module configured to exchange data with an external device.
6. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что по меньшей мере два микроэлектромеханических трехосевых акселерометра представляют собой по меньшей мере акселерометры, выбираемые из группы: емкостные акселерометры, многоосные акселерометры. 6. The sensor according to claim 1, characterized in that at least two microelectromechanical three-axis accelerometers are at least accelerometers selected from the group: capacitive accelerometers, multi-axis accelerometers.
7. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что измерение мгновенных значений виброскорости микроэлектромеханическими трехосевыми акселерометрами (210 и 211) по трем взаимно-ортогональным осям координат проводится без юстировки конструкции. 7. The sensor according to claim 1, characterized in that the measurement of instantaneous values of vibration velocity by microelectromechanical three-axis accelerometers (210 and 211) along three mutually orthogonal coordinate axes is carried out without adjusting the structure.
8. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что акселерометры (210 и 211) содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП). 8. The sensor according to claim. 1, characterized in that the accelerometers (210 and 211) contain an analog-to-digital converter (ADC).
9. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что, измеряемые акселерометрами (210 и 211), мгновенные значения ускорения включают в себя сумму величины собственного шума и величины измеряемого сигнала. 9. The sensor according to claim 1, characterized in that, measured by the accelerometers (210 and 211), the instantaneous acceleration values include the sum of the intrinsic noise value and the measured signal value.
10. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что каждый из по меньшей мере двух наборов массивов мгновенных значений виброскорости, сформированных в интеграторах (230 и 231) содержит по меньшей мере три массива мгновенных значений виброскорости по взаимно ортогональным осям. 10. The sensor according to claim 1, characterized in that each of at least two sets of arrays of instantaneous vibration rates formed in integrators (230 and 231) contains at least three arrays of instantaneous vibration rates along mutually orthogonal axes.
11. Датчик по п. 1 , характеризующийся тем, формирование каждого из по меньшей мере двух наборов массивов мгновенных значений виброскорости выполняется параллельно в каждом из интеграторов (230 и 231). 11. The sensor according to claim 1, characterized in that the formation of each of at least two sets of arrays of instantaneous values of vibration velocity is performed in parallel in each of the integrators (230 and 231).
12. Датчик по п.1, характеризующийся тем что формирование каждого из по меньшей мере двух массивов спектрального распределения виброскорости выполняется параллельно в каждом из модулей спектрального анализа (240 и 241). 12. The sensor according to claim 1, characterized in that the formation of each of the at least two arrays of the spectral distribution of vibration velocity is performed in parallel in each of the spectral analysis modules (240 and 241).
13. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что формирование массивов спектрального распределения виброскорости модулями спектрального анализа (240 и 241) выполняется с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ). 13. The sensor according to claim 1, characterized in that the formation of arrays of the spectral distribution of vibration velocity by the spectral analysis modules (240 and 241) is performed using the fast Fourier transform (FFT).
14. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что каждый из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости, сформированных в модулях спектрального анализа (240 и 241), содержит по меньшей мере три массива спектрального распределения виброскорости по взаимно ортогональным осям. 14. The sensor according to claim 1, characterized in that each of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays formed in the spectral analysis modules (240 and 241) contains at least three vibration velocity spectral distribution arrays along mutually orthogonal axes.
15. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что модуль кросс-корреляции спектров (250) выполнен с возможностью вычисления СКЗ виброскорости. 15. The sensor according to claim 1, characterized in that the spectrum cross-correlation module (250) is configured to calculate the vibration velocity RMS.
16. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что результирующий набор спектров виброскорости в модуле кросс-корреляции (250) спектров формируется на основе умножения значений первого из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на комплексно-сопряженные значения второго из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости. 16. The sensor according to claim 1, characterized in that the resulting set of vibration velocity spectra in the cross-correlation module (250) of the spectra is formed on the basis of multiplying the values of the first of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays by the complex conjugate values of the second of at least at least two sets of arrays of the spectral distribution of vibration velocity.
17. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что результирующий набор спектров виброскорости, сформированный в модуле кросс-корреляции спектров (250), содержит по меньшей мере три результирующих спектра виброскорости по взаимно ортогональным осям. 17. The sensor according to claim 1, characterized in that the resulting set of vibration velocity spectra formed in the spectra cross-correlation module (250) contains at least three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
18. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что набор значений виброскорости, рассчитанный в вычислительном модуле (260) содержит по меньшей мере три значения виброскорости по взаимно ортогональным осям. 18. The sensor according to claim 1, characterized in that the set of vibration velocity values calculated in the computing module (260) contains at least three vibration velocity values along mutually orthogonal axes.
19. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что корпус датчика выполнен пылевлагозащищенным . 19. Sensor according to claim. 1, characterized in that the sensor housing is made dust and moisture resistant.
20. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что корпус является взрывозащитным . 20. Sensor according to claim. 1, characterized in that the housing is explosion-proof.
21. Датчик по п. 20, характеризующийся тем, что взрывозащитный корпус выполнен из материала, выбираемого из группы: низкоуглеродистая сталь с полиэфирным покрытием, нержавеющая сталь AISI 304, полиэфирный пластик, армированное стекловолокно с углеродным наполнителем, литого алюминия с порошковым покрытием. 21. The sensor according to claim 20, characterized in that the explosion-proof housing is made of a material selected from the group: polyester-coated low-carbon steel, AISI 304 stainless steel, polyester plastic, carbon-filled glass fiber reinforced, powder-coated cast aluminum.
22. Датчик по п. 1, характеризующийся тем, что корпус дополнительно содержит магнитное крепление, предназначенное для закрепления датчика на объекте. 22. The sensor according to claim. 1, characterized in that the housing additionally contains a magnetic mount designed to secure the sensor to the object.
23. Способ измерения виброскорости для контроля уровня вибраций в области инфранизких и низких частот, выполняемый с помощью датчика виброскорости (100) по любому из п.п. 1-22, и содержащий этапы на которых: a) активируют датчик виброскорости; b) получают данные циклического измерения мгновенного значения ускорения от по меньшей мере двух микроэлектромеханических трехосевых акселерометров по трем взаимно ортогональным осям, c) формируют по меньшей мере два набора массивов мгновенных значений виброскорости на основе полученных мгновенных значений ускорения по трем взаимно ортогональным осям, d) формируют по меньшей мере два набора массивов спектрального распределения виброскорости на основе наборов массивов мгновенных значений виброскорости, сформированных на этапе (с), e) формируют результирующий набор спектров виброскорости на основе по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости, f) вычисляют результирующий вектор виброскорости и набор значений виброскорости на основе результирующего набора спектров виброскорости, g) передают вычисленные на этапе (f) значения на внешнее устройство.23. A method for measuring vibration velocity to control the level of vibrations in the region of infra-low and low frequencies, performed using a vibration velocity sensor (100) according to any one of paragraphs. 1-22 and comprising the steps of: a) activating the vibration velocity sensor; b) receiving cyclic measurement data of the instantaneous acceleration value from at least two microelectromechanical three-axis accelerometers along three mutually orthogonal axes, c) forming at least two sets of arrays of instantaneous vibration velocity values based on the obtained instantaneous acceleration values along three mutually orthogonal axes, d) forming at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays based on the instantaneous velocity value array arrays generated in step (c), e) generating a resulting vibration velocity spectra set based on at least two velocity spectral distribution array sets, f) calculating the resulting vibration velocity vector, and a set of vibration velocity values based on the resulting set of vibration velocity spectra, g) transmitting the values calculated in step (f) to an external device.
24. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что активация датчика виброскорости осуществляется на основе заранее заданного временного периода активации. 24. The method of claim. 23, characterized in that the activation of the vibration velocity sensor is based on a predetermined time period of activation.
25. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что после передачи вычисленных значений на внешнее устройство датчик виброскорости отключается. 25. The method according to claim 23, characterized in that after the calculated values are transmitted to an external device, the vibration velocity sensor is turned off.
26. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что первый и второй набор массивов мгновенных значений виброскорости, содержат по меньшей мере три массива значений виброскорости по взаимно ортогональным осям. 26. The method according to claim 23, characterized in that the first and second set of arrays of instantaneous vibration rates contain at least three arrays of vibration rates along mutually orthogonal axes.
27. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что первый и второй набор массивов спектрального распределения виброскорости, содержат по меньшей мере три массива спектрального распределения виброскорости по взаимно ортогональным осям. 27. The method according to claim 23, characterized in that the first and second set of spectral velocity distribution arrays contain at least three vibration velocity spectral distribution arrays along mutually orthogonal axes.
28 28
28. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что результирующий набор спектров виброскорости содержит по меньшей мере три результирующих спектра виброскорости по взаимно ортогональным осям. 28. The method according to claim 23, characterized in that the resulting set of vibration velocity spectra contains at least three resulting vibration velocity spectra along mutually orthogonal axes.
29. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что набор значений виброскорости содержит по меньшей мере три значения виброскорости по взаимно ортогональным осям. 29. The method according to claim 23, characterized in that the set of vibration velocity values contains at least three vibration velocity values along mutually orthogonal axes.
30. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что результирующий набор спектров виброскорости формируется на основе умножения значений первого из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости на комплексно-сопряженные значения второго из по меньшей мере двух наборов массивов спектрального распределения виброскорости. 30. The method according to claim 23, characterized in that the resulting set of vibration velocity spectra is formed on the basis of multiplying the values of the first of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays by the complex conjugate values of the second of at least two sets of vibration velocity spectral distribution arrays.
31. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что контроль уровня вибрации объекта производится в области инфранизких и низких частот в диапазоне от 2 Гц до 1000 Гц с динамическим диапазоном от 0,01 до 50 мм/с. 31. The method according to claim 23, characterized in that the vibration level of the object is controlled in the region of infra-low and low frequencies in the range from 2 Hz to 1000 Hz with a dynamic range from 0.01 to 50 mm/s.
32. Способ по п. 23, характеризующийся тем, что передача данных на внешнее устройство выполняется по интерфейсу, выбираемому из группы: RS485, UART, RS422, SPI, 12С. 32. The method according to claim 23, characterized in that data is transferred to an external device via an interface selected from the group: RS485, UART, RS422, SPI, 1 2 C.
29 29
PCT/RU2022/000351 2021-12-16 2022-11-30 Method for measuring vibration velocity and vibration velocity sensor WO2023113641A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021137375A RU2780303C1 (en) 2021-12-16 Vibration velocity measurement method and vibration velocity sensor
RU2021137375 2021-12-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023113641A1 true WO2023113641A1 (en) 2023-06-22

Family

ID=86773246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/000351 WO2023113641A1 (en) 2021-12-16 2022-11-30 Method for measuring vibration velocity and vibration velocity sensor

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023113641A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150331009A1 (en) * 2014-05-15 2015-11-19 Etel S.A. Vibration sensor
US9750977B2 (en) * 2014-09-23 2017-09-05 Fitbit, Inc. Hybrid angular motion sensors
RU189841U1 (en) * 2019-04-12 2019-06-06 Пазушко Павел Михайлович DEVICE FOR MEASURING VIBRATION PARAMETERS
RU191511U1 (en) * 2019-05-17 2019-08-08 Пазушко Павел Михайлович DEVICE FOR MEASURING VIBRATION PARAMETERS
EP3279621B1 (en) * 2016-08-26 2021-05-05 Sonion Nederland B.V. Vibration sensor with low-frequency roll-off response curve

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150331009A1 (en) * 2014-05-15 2015-11-19 Etel S.A. Vibration sensor
US9750977B2 (en) * 2014-09-23 2017-09-05 Fitbit, Inc. Hybrid angular motion sensors
EP3279621B1 (en) * 2016-08-26 2021-05-05 Sonion Nederland B.V. Vibration sensor with low-frequency roll-off response curve
RU189841U1 (en) * 2019-04-12 2019-06-06 Пазушко Павел Михайлович DEVICE FOR MEASURING VIBRATION PARAMETERS
RU191511U1 (en) * 2019-05-17 2019-08-08 Пазушко Павел Михайлович DEVICE FOR MEASURING VIBRATION PARAMETERS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ericson et al. Planetary gear modal vibration experiments and correlation against lumped-parameter and finite element models
Bishop The mechatronics handbook-2 volume set
Sergienko et al. Noise and vibration in friction systems
CN112504595B (en) Micro-vibration influence measuring device and method for space-oriented measuring instrument
Prato et al. Traceability of digital 3-axis MEMS accelerometer: simultaneous determination of main and transverse sensitivities in the frequency domain
EP3315917B1 (en) Microelectromechanical systems device test system and method
Holovatyy et al. Development of a system for monitoring vibration accelerations based on the raspberry pi microcomputer and the adxl345 accelerometer
CN101907485A (en) Non-contact structure micro-vibration monitoring device
Sinitsin et al. Wireless acceleration sensor of moving elements for condition monitoring of mechanisms
Yang et al. Dynamic characterization method of accelerometers based on the Hopkinson bar calibration system
RU2780303C1 (en) Vibration velocity measurement method and vibration velocity sensor
WO2023113641A1 (en) Method for measuring vibration velocity and vibration velocity sensor
US20230055678A1 (en) Signal Processing Method, Signal Processing Device, And Monitoring System
CN113252070B (en) Double-fiber gyroscope bandwidth test system and test method
CN102607590B (en) Flexible gyro overload term anti-interference testing device based on optical fiber monitoring
Ericson et al. Planetary gear modal properties and dynamic response: experiments and analytical simulation
Ye et al. Theoretical and experimental study on the dynamic behavior of spur gear transmission system during hovering maneuver flights
RU2598145C1 (en) Method of forming output information in unit of gyroscopes and three-axis unit of damping gyroscopes
Pramudya et al. Vibration characteristics study on observatory using accelerometer ADXL345 sensor and Arduino
Evstifeev et al. Requirements for MEMS gyro shock tests
STAKHOVA Monitoring System of Vibroacoustic Parameters of a Working Zone
HEZLOUN Realization of vibrometers for vibration diagnosis: Comparative study between the different vibration sensors on the market
Germanovich et al. Torsional Vibration Monitoring Using MEMS Accelerometers
CN114184192B (en) Method for acquiring angular velocity measurement channel transfer function of inertial measurement device
CN220818959U (en) Fiber bragg grating azimuth angle sensing system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22908068

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1