Экспериментальное исследование метода повышения точности интеллектуального датчика вибрации

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В [1] автором предложен метод повышения точности интеллектуального датчика вибрации (ИДВ), основанный на периодическом измерении текущего значения коэффициента преобразования (КП) пьезоэлектрического акселерометра (ПА) и соответствующей коррекции коэффициента передачи измерительного канала ИДВ. При этом для измерения КП ПА использовалась теоретически обоснованная зависимость параметров затухающих свободных колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) ПА, вызванных воздействием на него тестового импульса напряжения, от текущего значения КП ПА:

пьезоэлектрический импульс вибрация датчик

где q - мгновенное значение заряда на выводах ПА; t - время; Q - амплитудное (начальное) значение заряда; ф - постоянная времени затухания переходного процесса; щ- круговая частота свободных колебаний ЧЭ.

С целью подтверждения корректности предложенного метода выполнены экспериментальные исследования ПА двух типов: АПЭ_1 (однокомпонентные, 2 экземпляра) и АПЭ_2 (двухкомпонентный, 1 экземпляр).

Вид осциллограммы переходного процесса, полученной под воздействием тестового импульса, показан на рис. 1. Из рисунка видно, что сигнал содержит существенную высокочастотную шумовую составляющую. Это объясняется тем, что используемый осциллограф TDS3034 имеет избыточно широкую полосу пропускания (300 МГц). На входе реальной аппаратуры контроллера ИДВ (КИДВ) для предотвращения эффекта наложения спектров обязательно включается аналоговый фильтр низких частот (ФНЧ), ограничивающий полосу пропускания канала на уровне 15 - 20 кГц. В связи с этим для исключения шумов, которые не будут регистрироваться КИДВ, все полученные с TDS3034 осциллограммы были подвергнуты предварительной фильтрации в пакете программ Lab VIEW Signal Express при помощи ФНЧ с частотой среза 15 кГц. В результате осциллограмма приобрела вид, показанный на рис. 2 (масштаб времени увеличен). Таким образом, выполненные исследования подтвердили возможность возбуждения и регистрации свободных затухающих колебаний ЧЭ ПА.

Для исследования зависимости параметров переходного процесса от амплитуды тестового воздействия было получено несколько семейств осциллограмм при различной величине амплитуды тестового импульса U (по 5 - 7 осциллограмм для каждого значения U). На рис. 3 показано по одной осциллограмме каждого семейства. Из рисунка видно, что частота установочного резонанса (УР) f0 всех осциллограмм практически совпадает, а амплитуда колебаний меняется в соответствии с напряжением тестового импульса U.

Для каждой осциллограммы семейства методом наименьших квадратов определялись параметры экспоненциальной огибающей Q и ф, а также частота УР f0, после чего выполнялась статистическая обработка этих значений - определялись математическое ожидание и границы случайной погрешности (при значении доверительной вероятности P=0,95).

Рис. 1. Осциллограмма отклика на тестовый импульс

Рис. 2. Осциллограмма отклика на тестовый импульс после обработки ФНЧ с частотой среза 15 кГц

Рис. 3. Осциллограммы отклика на тестовый импульс для различных значений U

Различные этапы обработки осциллограмм показаны на рис. 4. Из рисунка, в частности, видно, что огибающая переходного процесса представляет собой не просто экспоненциальную функцию, а экспоненту, промодулированную затухающей синусоидой. Частота этой синусоиды (3 - 4 кГц) даёт основания предположить, что форма огибающей обусловлена затухающими поперечными колебаниями ЧЭ с частотой поперечного резонанса. Результаты обработки осциллограмм (табл. 1 - 3) показывают, что использование метода наименьших квадратов для получения параметров экспоненциальной огибающей Q и ф достаточно эффективно исключает влияние синусоидальной составляющей.

Рис. 4. Этапы обработки осциллограммы: а - модуль фрагмента переходного процесса; б - точки экстремумов и результат аппроксимации

Таблица 1

Из табл. 1 следует, что регистрируемая частота свободных колебаний f0 для всех рассмотренных значений напряжения равна 9162,13 Гц с относительной случайной погрешностью ±0,2 % при доверительной вероятности 0,95. Отсюда можно сделать вывод, что регистрируемая частота f0 не зависит от величины тестового воздействия U в рассмотренном диапазоне напряжений.

Таблица 2

Из табл. 2 следует, что измеренная постоянная времени затухания переходного процесса ф для всех рассмотренных значений напряжения равна 1,488 мс с относительной случайной погрешностью ±2,4 % при доверительной вероятности 0,95. Таким образом, постоянная времени затухания переходного процесса также не зависит от величины тестового воздействия U в рассмотренном диапазоне напряжений.

Таблица 3

Из табл. 3 очевидна зависимость амплитуды переходного процесса Q от напряжения тестового импульса U. Поскольку в [1] обоснован линейный характер этой зависимости, методом наименьших квадратов были получены коэффициенты a и b полинома Q=aU+b, с помощью которых затем были вычислены аппроксимированные значения QA (строка «Лин. аппрокс.»). Расчёты показывают, что для любого из рассмотренных значений напряжения U отклонение фактического значения Q от ожидаемого QA не превышает 0,3 % (строка «Откл.,%»). Следовательно, можно считать, что значение амплитуды переходного процесса Q действительно линейно зависит от напряжения тестового импульса U в рассмотренном диапазоне.

Таким образом, результаты исследований не противоречат теоретическим выводам, сделанным в [1], и подтверждают справедливость предположений, лежащих в основе предложенного метода определения КП ПА, в части независимости параметров f0, ф и линейной зависимости параметра Q от напряжения тестового импульса U. Кроме того, выполненные исследования показывают хорошую повторяемость результатов измерений всех параметров переходного процесса.

На следующем этапе эксперимента авторами исследовалась зависимость между КП ПА и параметрами переходного процесса. При этом ПА подвергался воздействию различных температур в диапазоне 20…140 °С, а текущее значение КП ПА определялось как по методике, предложенной авторами в [1], так и с помощью непосредственных измерений (путём воздействия на ПА вибрацией с известными параметрами и измерения значений заряда на выходе ПА). Анализ результатов измерений и вычислений позволяет сделать следующие выводы:

1. Значения КП ПА при различных значениях температуры Ki, полученные путём непосредственного измерения, существенно зависят от температуры: в диапазоне от 20 до 140 C изменение достигает 33 %. Этого же значения достигает дополнительная температурная погрешность измерения среднеквадратичного значения (СКЗ) виброускорения без применения способов компенсации температурной зависимости КП ПА (рис. 5а).

Рис. 5. Дополнительная температурная погрешность измерительного канала: а - без коррекции; б - с коррекцией путём использования разработанного метода; 1-4 - кривые для различных экземпляров ПА

2. Значения КП ПА, вычисленные по предложенной методике повышения точности ИДВ [1] при различных температурах, отличаются от значений, полученных путём непосредственного измерения, не более чем на 1,5 %, причём для трёх из четырёх исследованных ПА отличие не превысило 1 %.

3. Использование вычисленного по предложенной методике значения КП ПА для компенсации температурной зависимости коэффициента передачи ИДВ позволяет существенно уменьшить дополнительную температурную погрешность измерительных каналов системы вибромониторинга [2; 3]. Для исследованных образцов ПА она не превысила ±1,5 %, причём для трёх из четырёх составила не более ±1 % (рис. 5б).

4. Характер зависимости частоты УР f0 и постоянной времени затухания переходного процесса ф от температуры различается у разных экземпляров ПА и не позволяет сделать вывод о наличии взаимосвязи полученных значений и текущей величины КП ПА. Факторы, влияющие на эти параметры, могут служить предметом дальнейших исследований.

Список литературы

1. Плотников, Д.А. Повышение точности интеллектуального датчика вибрации / Д.А. Плотников // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. (г.Новочеркасск, 30 нояб. 2010г.) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. - С. 19_22.

2. Плотников, Д.А. Система вибрационного контроля турбоагрегатов / Д.А. Плотников // Изв. вузов. Электромеханика. - 2000. - № 3. - С. 96.

3. Лачин, В.И. Многоуровневая распределенная система мониторинга вибрационного состояния и защиты турбоагрегатов / В.И. Лачин, А.К. Малина, Д.А. Плотников // Информационные технологии и управление: юбилейн. сб. науч. тр. фак. информ. технологий и упр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Ред. журн. «Изв. вузов. Электромеханика», 2001. - С. 69_74.

Размещено на Allbest.ru