Краткие основы виброизмерения

1. Основные термины и определения принятые при электрорадиоизмерениях.

Измерение - процесс нахождения значения физической величины опытным путем. Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерения.

Методика измерения - детально разработанный план размещения и включения средств измерений, порядок снятия показаний и обработки результатов измерения. Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Диапазон частот - область рабочих частот средства измерения, в пределах которой нормированы допускаемые погрешности.

Точность средства измерений - качество средства измерений, характеризующее близость к нулю его погрешности.

Погрешность измерения - некоторая величина, на которую отличается результат измерения от истинного значения физической величины.

Погрешность метода измерений - составляющая погрешности измерений происходящая от несовершенства метода измерений и приемов использования средств измерений. Инструментальная погрешность измерений - составляющая погрешности, зависящая от погрешности применяемых средств измерений.

Систематические погрешности - составляющие погрешности измерения, остающиеся постоянными или закономерно изменяющимися при повторных измерениях одной и той же величины и тем же измерительным прибором.

Случайная погрешность измерений - составляющие погрешности измерения, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Литература: Лозицкий Б.И,Мельниченко И.И. Электрорадиоизмерения. М., Энергия 1976

 2. Основные термины и определения принятые при виброизмерениях.

Виброметр - средство измерения физических величин линейной вибрации,состоящее из первичного вибропреобразователя и вторичного измерительного прибора (аппаратуры). Виброизмерительный преобразователь (вибропреобразователь, датчик вибрации) - измерительный преобразователь, предназначенный для выработки сигнала измерительной информации о значениях измеряемых параметров вибрации.

Пьезоэлектрический виброизмерительный преобразователь - виброизмерительный преобразователь, в котором под действием вибрации в пьезоэлементе возникает заряд.

Рабочий диапазон (диапазон измерений) виброметра - область значений измеряемого параметра вибрации, для которой нормированы допускаемые погрешности виброметра. Рабочий диапазон частот - область значений частот, в пределах которой нормирована погрешность средства измерения.

Основная погрешность в рабочем диапазоне амплитуд - некоторая величина, на которую отличается результат измерения параметра вибрации (виброскорость, виброускорение, виброперемещение) от истинного значения, определенная в середине диапазона рабочих частот (на базовой частоте).

Основная погрешность в рабочем диапазоне частот(неравномерность амплитудно-частотной характеристики) - то же, определенное при постоянном значении амплитуды вибрации и частотах в рабочем диапазоне.

Основная погрешность в рабочем диапазоне частот и амплитуд - погрешность виброметра, определяется вычислением в соответствии с МИ 1873-88 или ГОСТ Р 8.669-2009.

3. Обоснование использования аппаратуры виброконтроля

Одной из основных проблем Российских промышленных предприятий, особенно малого и среднего бизнеса, является сохранение работоспособности устаревшего оборудования и увеличение срока эксплуатации нового. На промышленных предприятиях применяется большое количество электрических машин, вентиляторов, компрессоров, турбин и др.

При эксплуатации этого, и аналогичного, оборудования, служба главного механика с достаточной точностью должна определить момент, когда проведение текущего или капитального ремонта технически и, главное, экономически обосновано. Отсутствие контроля за уровнем вибрации вращающихся узлов ведет к дополнительным и необоснованным затратам материальных средств на ремонт оборудования, а так же к тяжелым неисправностям, а иногда и авариям.

Сократить затраты на ремонт и устранение аварий, при наиболее неблагоприятных случаях, возможно, если при эксплуатации оборудования проводить постоянный контроль уровня вибрации (мониторинг виброактивности оборудования).

Осуществляя контроль вибрации работающего оборудования, удается вовремя обнаружить:

  • износ подшипников
  • разбалансировку ротора
  • несоосность передач
  • увеличение зазоров в кинематических парах
  • несимметричность питания электрических машин и многие другие отклонения и неисправности.

Наиболее эффективно использование виброизмерительной контрольно-сигнальной аппаратуры (аппаратуры виброконтроля). Установленная на оборудовании, аппаратура виброконтроля выдает сигналы предупреждения при повышенных уровнях вибрации, а при превышении опасного (аварийного) уровня вибрации - отключает оборудование.

На рисунке 1 изображен график изменения уровня вибрации при эксплуатации оборудования.

График изменения уровня вибрации при эксплуатации оборудования

Рисунок 1

При начальной эксплуатации происходит прирабатывание узлов оборудования, уровень вибрации понижается.

По начальному уровню вибрации и характеру его изменения в начальный период эксплуатации возможно:

  • сделать вывод о качестве изготовления и проведения пуско-наладочных работ
  • провести замену неисправных подшипников
  • выполнить балансировку ротора и др.

При нормальной эксплуатации оборудования уровень вибрации медленно повышается, иногда уровень вибрации может уменьшаться. Контроль вибрации при нормальной эксплуатации позволяет вовремя обнаружить наступление предаварийного состояния оборудования и его узлов.

Предаварийная эксплуатация характеризуется быстрым ростом уровня вибрации, иногда уровень вибрации повышается скачкообразно. Если оборудование в это время не вывести из эксплуатации, возможна авария. Аппаратура виброконтроля (которая состоит из датчика вибрации и вторичного прибора) предоставляет возможность вовремя обнаружить нарушения в работе оборудования и произвести отключение.

Опыт эксплуатации аппаратуры виброконтроля на промышленных предприятиях, которые ее эксплуатируют, позволяет утверждать о ее высокой технико-экономической эффективности.

4. Рекомендации по использованию датчиков вибрации

При эксплуатации в промышленных условиях на датчик вибрации и виброизмерительную аппаратуру воздействуют различные электрические и магнитные поля, акустические шумы, механические деформации и др.

Датчики вибрации в основу принципа работы которых положен пьезоэффект (пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи) малочувствительны к перечисленным выше влияниям, но в некоторых случаях они могут оказаться существенным.

Между объектом, на котором установлен датчик вибрации, и  местом заземления вторичной аппаратуры могут появиться значительные электрические напряжения (паразитная наводка). Для исключения влияния паразитной наводки на результат измерения необходимо предпринять меры по исключению соединения электрической цепи датчика вибрации с заземлением  более чем в одном месте.

Далее приведены варианты соединения датчиков вибрации с вторичной аппаратурой.

Варианты соединения датчиков вибрации с вторичной аппаратурой

На рисунке 2 изображена схема при использовании датчика вибрации 1 с изолированной от корпуса выходной электрической цепью (изолированный выход) и неизолированными от корпуса и контакта замемления входными цепями (неизолированный вход) вторичной аппаратуры.

Из рисунка очевидно, что напряжение помехи не воздействует на входные цепи вторичной аппаратуры 3, т.к. объект 2 в точке установки датчика вибрации не имеет электрического контакта с входной цепью  вторичной аппаратуры. Этот вариант наиболее предпочтителен, однако в нём должен быть применён датчик вибрации имеющий наиболее сложную, а значит дорогостоящую конструкцию.

На рисунке 3 изображена схема при использовании датчика вибрации с неизолированным выходом и вторичную аппаратуру с изолированным входом. По качеству противодействия паразитной наводке эта схема эквивалентна предыдущей, однако в ней применёт менее дорогостоящий датчик вибрации. Усложнение конструкции вторичной аппаратуры, при этом, незначительное.

На рисунке 4 изображена схема при использовании датчика вибрации и  вторичной аппаратуры с неизолированным выходом и входом, соответственно. Для исключения воздействия на вход вторичной аппаратуры паразитной помехи, датчик вибрации установлен на объект через изоляционную прокладку 5.

Прокладка должна удовлетворять некоторым специальным требованиям, для исключения влияния на результат измерения.   На рисунке 5 изображена схема при использовании датчика вибрации и вторичной аппаратуры с неизолированными выходом  и входом, соответственно. Схема недопустима к использованию, т.к в ней отсутствует какое либо противодействие влиянию паразитной помехе.

При измерении вибрации электрических машин датчики вибрации могут подвергаться воздействию переменных магнитных полей напряжённостью до десятков тысяч ампер на метр.

Влияние переменного магнитного поля обусловлено:

  • наведением электромагнитной ЭДС на провода и токоведушие элементы
  • явлением магнитострикции
  • возникновением вихревых токов.

Чувствительность пьезоэлектрических датчиков вибрации к переменному магнитному полю носит нелинейный характер, в связи с этим напряжение помехи вызванной этим воздействием содержит гармонические составляющие. Чувствительность датчика вибрации к механическим деформациям проявляется при установке их на тонких стенках объектов.

Механические деформации приводят к изменению коэффициента преобразования датчика вибрации. Датчики вибрации с пьезоэлементом работающим на изгиб менее чувствительны к механической деформации. При изменении температуры (окружающего воздуха, объекта) основные характеристики  датчика вибрации значительно изменяются.

Это происходит из-за влияния температуры на пьезомодуль и диэлектрическую постоянную пьезоэлемента. Температурную погрешность возможно снизить, если перед установкой пьезоэлемент предварительно состарить. Вибрация некоторых объектов сопровождается интенсивным акустическим шумом, который тоже может оказать влияние на погрешность измерения вибрации.

Особое влияние на погрешность оказывают акустические шумы имеющие в своём частотном спектре составляющие с частотами вблизи частоты установочного резонанса. От качества вибрационного контакта поверхностей датчика вибрации (рабочей поверхностью) и объекта зависит частота установочного резонанса, а от неё, в свою очередь, зависит верхняя граница рабочего диапазона частот датчика вибрации. Верхняя граница рабочего диапазона частот равна 0,3 fуст (где fуст - фактическая частота установочного резонанса), при погрешности в диапазоне рабочих частот менее 10%.

Наибольшее качество контакта датчика вибрации и объекта обеспечивается при плотном резьбовом соединении, при этом частота установочного резонанса уменьшается не более чем на (25...30)% от собственного датчика вибрации.

Две АЧХ, зелёного цвета - собственно датчика вибрации, красного цвета датчика вибрации

На рисунке 6 изображены две АЧХ, зелёного цвета - собственно датчика вибрации, красного цвета датчика вибрации установленного на объекте.

1 - допустимая погрешность датчика вибрации в диапазоне рабочих частот;

2 - верхняя граница рабочего диапазона частот до установки датчика вибрации на объекте;

3 - тоже установленного на объекте.

Совершенно недопустима установка датчика вибрации "с упором на торец". В этом случае значительно изменяется коэффициент преобразования и относительный коэффициент поперечного преобразования. Изменение крутящего момента крепления приводит, при этом, к изменению коэффициента преобразования  на (15...20)%.

Относительный коэффициент поперечного преобразования - возрастает на (3...20)%. При установке датчиков вибрации "с опорой на буртик"- получаются значительно более лучщие результаты. Но даже этом коэффициент преобразования может измениться более чем на 5%, при увеличении момента крепления от 4 до 40 Н-м.

При низком качестве изготовления элементов крепления относительный коэффициент поперечного преобразования возрастает в 2 — 3 раза. Установка датчиков вибрации через промежуточные шайбы  не приводит к заметному изменению его характеристик.

При использовании датчиков вибрации с установочным резонансом до 5 — 8 кГц качество крепежной резьбы, крутящий момент крепления (20 — 30 Н-м) и неперпендикулярность оси крепежной резьбы (до 2°) не изменяют существенно характеристик датчиков вибрации.

Недопустимым является установка датчиков вибрации с помощью струбцины или планки, прижимающей его корпус к объекту. При этом изменяется коэффициент преобразования и относительный коэффициент поперечного преобразования.

Литература:

  • Под ред.В.В.Клюева, Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара, М, "Машиностроение", 1978;

  • Брох Е.Т., Применение измерительных систем фирмы "Брюль и Къер" для измерения механических колебаний и ударов, 1973.

 Автор статьи: инж. Калиненко В.В, http://vibroac.ru