Способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации

Способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для периодической поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя без демонтажа его с места установки.

Для определения метрологической пригодности и возможности дальнейшей эксплуатации любого измерительного средства предусмотрена его периодическая поверка. Процедура поверки пьезоэлектрических вибропреобразователей (далее - вибропреобразователь) регламентирована ГОСТ Р 8.669 - 2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки».

Процедура первичной и периодической поверок вибропреобразователей, согласно ГОСТ Р 8.669 - 2009, предусматривает обязательный демонтаж его с места эксплуатации, последующую его установку на вибровозбудитель эталонной виброустановки и определение ряда метрологических характеристик, в т.ч.

- действительного значения коэффициента преобразования,

- емкости вибропреобразователя,

- неравномерности частотной характеристики в рабочем диапазоне частот,

- частоты установочного резонанса (первая резонансная частота закрепленного вибропреобразователя).

Определение действительного значения коэффициента преобразования вибропреобразователя осуществляют в рабочей полосе на фиксированных частотах третьоктавного ряда. По результатам определения коэффициента преобразования в рабочей полосе частот определяют неравномерность частотной характеристики вибропреобразователя (относительное отклонение коэффициента преобразования в рабочей полосе частот от значения, определенного на частоте, выбранной в качестве базовой, например, 160 Гц). При периодической поверке допускается определение коэффициента преобразования только на базовой частоте, а неравномерность может определяться с помощью значения частоты установочного резонанса, определенного методом, рекомендованным ГОСТ Р 8.669-2009. В этом случае при известном значении частоты установочного резонанса неравномерность частотной характеристики γ определяют по формуле, %

где f_p - максимальное значение частоты рабочего диапазона частот вибропреобразователя;

f_уp - значение частоты установочного резонанса.

На практике же часто для поверки вибропреобразователя демонтаж его с места эксплуатации нежелателен из-за условий эксплуатации, а в некоторых случаях просто невозможен.

Известен способ, реализованный в устройстве (US 4467271, G01R 29/22, 1984-08-21), позволяющий без демонтажа с места эксплуатации определить текущее состояние пьезоэлектрических вибропреобразователей и их пригодность для дальнейшей эксплуатации.

По известному способу на электроды вибропреобразователя, установленного на месте эксплуатации, от генератора переменного тока подают электрический сигнал и принудительно возбуждают механические колебания. По суммарному сигналу с выхода вибропреобразователя тестируется целостность и неизменность его отдельных характеристик.

В процессе эксплуатации при воздействии на вибропреобразователь внешней вибрации или изменения других каких-либо внешних факторов сигнал с выхода вибропреобразователя усиливается, измеряется и подвергается последующему анализу, при этом сигнал возбуждения вибропреобразователя от генератора компенсируется с помощью блока вычитания, например дифференциального усилителя. Операция тестирования может проводиться постоянно в процессе эксплуатации, что повышает достоверность получаемой с выхода вибропреобразователя измерительной информации.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что при возбуждении вибропреобразователя электрическим сигналом его поведение аналогично поведению емкостного сопротивления, при этом не может быть решена задача определения действительного значения коэффициента преобразования, поскольку определяется только относительная, а не абсолютная частотная характеристика вибропреобразователя.

В процессе старения пьезокерамики или воздействия электрических или магнитных полей и повышенных температур коэффициент преобразования вибропреобразователя может измениться без изменения его емкости, поэтому последующие результаты измерения вибрации будут осуществляться с первоначально установленным коэффициентом преобразования и не соответствовать действительным.

Известен «Способ дистанционного периодического контроля коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра» (RU 2176396, G01P 21/00, 2001.11.27).

Известный способ может быть использован для поверки без демонтажа с места эсплуатации вибропреобразователя, прошедшего первичную поверку в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009 и имеющего информацию о первичном действительном значении коэффициента преобразования.

По известному способу вибропреобразователь на месте эксплуатации предварительно заряжают от источника постоянного напряжения с последующим отключением от источника и кратковременным замыканием его выводов. Возникающий в пьезоэлементе вибропреобразователя затухающий процесс в виде осциллограммы запоминают с помощью запоминающего осциллографа. По кратковременным размахам затухающего переходного процесса в вибропреобразователе, отображенным на осциллограммах, измеряют параметр Q₀, пропорциональный текущему действительному значению коэффициента преобразования вибропреобразователя.

При периодической поверке через межповерочный интервал процедуру возбуждения в вибропреобразователе кратковременных затухающих колебаний повторяют и определяют текущее значение параметра Q_n., считая, что изменение параметра Q_n. пропорционально изменению коэффициента преобразования вибропреобразователя, определяют текущее действительное значение коэффициента преобразования.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что измерение параметра Q_n,_. а следовательно, и текущего действительного значения коэффициента преобразования производят по осциллограмме на экране запоминающего осциллографа. Следовательно, точность определения как параметра Q₀ при первичной поверке, так и параметров Q_n., а следовательно, и

коэффициента преобразования S_n при периодических поверках существенно снижается.

Известен «Способ контроля качества пьезоэлектрических преобразователей» (SU 1394169, G01R 29/22, 1988.05.07) при выпуске из производства однотипных вибропреобразователей.

Известный способ может быть использован для определения коэффициента преобразования выпускаемых вибропреобразователей без размещения каждого на эталонной виброустановке в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009.

По известному способу определяют коэффициент преобразования одного из выпускаемых вибропреобразователей на эталонной виброустановке в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009, затем электрическим возбуждением с помощью радиоимпульса, заполненного синусоидальным сигналом, частота которого равна частоте механического резонанса вибропреобразователя, измеряют параметры переходного процесса, определяют и запоминают конструктивный коэффициент этого вибропреобразователя, который зависит от соотношения массы основания и инерционной массы вибропреобразователя.

При выпуске из производства однотипных вибропреобразователей определение действительного значения коэффициента преобразования каждого осуществляют не на эталонной виброустановке, а с помощью электрического возбуждения вибропреобразователя радиоимпульсом, заполненным синусоидальным сигналом, частота которого равна частоте механического резонанса вибропреобразователя, измеряют параметры переходного процесса с помощью конструктивного коэффициента и определяют коэффициент преобразования по соответствующей формуле. При этом конструктивный коэффициент считают и принимают постоянным на всю партию выпускаемых из производства однотипных вибропреобразователей. Процедура поверки упрощается и снижается время поверки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что даже у однотипных вибропреобразователей значения инерционных масс могут отличаться друг от друга, т.к. реальные применяемые в вибропреобразователе пьезопластины имеют отличные друг от друга пьезомодули и компенсировать это отличие для получения значения коэффициента преобразования, регламентированного технической документацией на вибропреобразователь, можно только изменением значения инерционной массы. Т.е. даже у однотипных вибропреобразователей конструктивные коэффициенты, зависящие от соотношения массы основания и инерционной массы, отличаются. Следовательно, применение одного и того же значения конструктивного коэффициента для всей партии однотипных вибропреобразователей снижает точность определения коэффициента преобразования каждого из выпускаемых вибропреобразователей.

Известен способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации (RU 2358244, G01H 11/08, 10.06.2009), который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемому способу.

Известный способ может быть использован для поверки без демонтажа с места эсплуатации вибропреобразователя, прошедшего, в соответствии с ГОСТ Р 8.669-2009, первичную поверку на эталонной виброустановке и имеющего информацию о первичном действительном значении коэффициента преобразования и величине напряжения замещения механического возбуждения вибропреобразователя электрическим сигналом с заданными частотой и ускорением.

В известном способе напряжение замещения подбирается таким образом, чтобы напряжение на выходе согласующего усилителя было равно напряжению, полученному в процессе первичной поверки в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009 при воздействии на вибропреобразователь нормированным известным значением виброускорения. Напряжение замещения определяют после установки на место эксплуатации, запоминают и определяют так называемый коэффициент замещения, как отношение напряжения замещения к известному значению виброускорения. При периодической поверке на месте эксплуатации в вибропреобразователе принудительно возбуждают механические колебания путем подачи на его электроды электрического гармонического синус-сигнала, имеющего сохраненное значение напряжения замещения, и затем определяют коэффициент замещения и установочный резонанс. Неизменность коэффициента замещения при неизменности подаваемого на вибропреобразователь напряжения замещения служит критерием метрологической годности вибропреобразователя. Неравномерность частотной характеристики

вибропреобразователя рассчитывают с помощью коэффициента замещения, определенного на различных частотах в рабочей полосе частот вибропреобразователя, или с помощью значения частоты установочного резонанса по формуле (1).

Операция периодической поверки не требует проведения демонтажа вибропреобразователя с места установки, она упрощается, время периодической поверки и ее себестоимость снижаются.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится неизменность определяемого при периодической поверке коэффициента замещения при неизменности подаваемого на вибропребразователь напряжения замещения, который служит критерием метрологической годности вибропребразователя.

Действительно, при возбуждении вибропреобразователя электрическим сигналом его поведение аналогично поведению емкостного сопротивления, а неизменность коэффициента преобразования вибропреобразователя оценивается по неизменности коэффициента замещения. При возможном изменении коэффициента преобразования в процессе эксплуатации (например, изменение характеристик пьезомодуля в процессе старения пьезокерамики, воздействие на вибропреобразователь электрических или магнитных полей, механических ударов и т.д.) емкость вибропреобразователя может и не измениться, в этом случае коэффициент замещения также не изменяется, а последующие измерения параметров вибрации, действующей на вибропреобразователь, будут осуществляться с первоначально установленным коэффициентом преобразования, следовательно, точность измерений уменьшится. При существенном изменении коэффициента преобразования вибропреобразователя за межповерочный интервал (например, в результате сильного удара по корпусу вибропреобразователя и его деформации) результаты измерений параметров будут недостоверными.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и достоверности результатов поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя без его демонтажа с места эксплуатации.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении и использовании ранее не учитываемых параметров поверяемого пьезоэлектрического вибропреобразователя, характеризующих его техническое состояние на дату поверки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявляемом способе бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации, включающем определение первичного действительного значения коэффициента преобразования, принудительное возбуждение в вибропреобразователе механических колебаний путем подачи на его электроды электрического гармонического сигнала, определение и фиксация значения частоты установочного резонанса вибропреобразователя и неравномерности его частотной характеристики в рабочем диапазоне частот, в отличие от известного способа предварительно непосредственно после установки вибропреобразователя на место эксплуатации определяют и запоминают значения его конструктивного коэффициента и емкости с кабелем, при периодической поверке принудительные механические колебания возбуждают электрическим сигналом переменной частоты, после достижения значения частоты установочного резонанса увеличивают частоту сигнала до реализации состояния антирезонанса в вибропреобразователе и фиксируют значение этой частоты сигнала, до или после возбуждения принудительных механических колебаний измеряют и фиксируют текущее значение емкости вибропреобразователя с соединительным кабелем, определяют действительное значение коэффициента преобразования поверяемого вибропреобразователя по формуле

k В И П П П = 1 k 0 П П ⋅ 1 ( ω у р П П ) 2 ⋅ [ ( ω а П П ) 2 ( ω а П П ) 2 − 1 ] ,   ( 2 )

где k 0 П П = k 0 ⋅ C 0 0 + C К б 0 С 0 П П + С К б П П - конструктивный коэффициент вибропреобразователя, скорректированный за счет изменения его емкости за время эксплуатации между поверками;

k₀ - конструктивньш коэффициент вибропреобразователя, определенный непосредственно после установки на место эксплуатации;

C 0 0 , C К б 0 - емкость вибропреобразователя и кабеля непосредственно после установки на место эксплуатации;

С 0 П П , С К б П П - емкость вибропреобразователя и кабеля при периодической поверке;

ω у р П П = 2 ⋅ π ⋅ f у р П П - значение круговой частоты установочного резонанса;

ω а П П = 2 ⋅ π ⋅ f а П П - значение круговой частоты антирезонанса;

f у р П П и f а П П - значения частот установочного резонанса и антирезонанса при периодической поверке,

и текущее значение неравномерности частотной характеристики вибропреобразователя в рабочем диапазоне частот по формуле

γ = ( f p f у р ) 2 1 − ( f p f у р ) 2 ⋅ 100 ,

а метрологическую пригодность поверяемого вибропреобразователя и возможность его дальнейшей эксплуатации определяют по сравнению вновь полученных текущих значений коэффициента преобразования и неравномерности его частотной характеристики с первичными его значениями, полученными при первичной поверке.

Из уровня техники заявленное решение заявителю неизвестно. Заявленный способ содержит новую совокупность существенных признаков, не вытекающих очевидным образом из уровня техники и может быть реализован промышленным путем с использованием известных технических средств.

На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит пьезоэлектрический вибропреобразователь, состоящий из корпуса 1, инерционной массы 2 и пакета пьезопластин 3, один выходной контакт пакета пьезопластин 3 соединен непосредственно с входом согласующего усилителя 4, а второй - соединен с выходом генератора электрического сигнала переменной частоты 5 и баластным сопротивлением 6, которое соединено с входом согласующего усилителя 4. Выход согласующего усилителя 4 соединен с входами вольтметра 7 и измерителя разности фаз 8, второй вход которого соединен с выходом генератора электрического сигнала переменной частоты 5. Поверяемый вибропреобразователь установлен на место эксплуатации - блок 9.

Предлагаемый способ бездемонтажной поверки пьезоэлектрического вибропреобразователя на месте эксплуатации осуществляется следующим образом.

При первичной поверке в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009 с помощью эталонной виброустановки определяются все требуемые метрологические характеристики вибропреобразователя, в т.ч. и действительное значение коэффициента преобразования. Сразу же, непосредственно после установки вибропреобразователя на место эксплуатации, измеряют его емкость с соединительным кабелем и собирают схему устройства (фиг.1). С помощью генератора 5 возбуждают пакет пьезопластин вибропреобразователя 3 электрическим напряжением переменной частоты, измеряют амплитуду (или среднее квадратическое значение) и фазу напряжения на выходе согласующего усилителя 4 с помощью вольтметра 7 и измерителя разности фаз 8.

Изменяя частоту генератора 5, определяют значения частот установочного резонанса и антирезонанса. Рассчитывают конструктивный коэффициент по формуле

k 0 = 1 k В И П 2 ⋅ 1 ω у р 2 ⋅ ( ω а 2 ω у р 2 − 1 )   ( 3 )

где k_ВИП - действительное значение коэффициента преобразования вибропреобразователя, определенное при первичной поверке с помощью эталонной виброустановки;

ω_ур=2·π·f_ур - значение круговой частоты установочного резонанса;

ω_а=2·π·f_a - значение круговой частоты антирезонанса;

f_yp и f_a - значения частот установочного резонанса и антирезонанса, определенные после установки вибропреобразователя на место эксплуатации.

Измеренные и рассчитанные значения емкости вибропреобразователя с кабелем и конструктивного коэффициента запоминают.

При периодической поверке осуществляют измерение емкости вибропреобразователя с соединительным кабелем и возбуждают его пакет пьезопластин 3 через балластное сопротивление 6 от генератора 5 электрическим напряжением переменной частоты, измеряют амплитуду (или среднее квадратическое значение) и фазу напряжения на выходе согласующего усилителя 4 с помощью вольтметра 7 и измерителя разности фаз 8. Изменяя частоту генератора 5 в диапазоне выше максимального значения рабочего диапазона частот вибропреобразователя, определяют значения частот установочного резонанса и антирезонанса при периодической поверке. Рассчитывают новое значение коэффициента преобразования по формуле (2) и неравномерность частотной характеристики по формуле (1).

Изложенная процедура определения коэффициента преобразования вибропреобразователя при периодической поверке обосновывается следующим образом.

Известно, что коэффициент преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя зависит как от конструктивных особенностей самого вибропреобразователя, так и от параметров применяемой пьезокерамики. Так, например, в области низких частот коэффициент преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя может быть определен по формуле

k В И П = h 33 ω у р 2   ( 4 )

где h₃₃ - пьезоэлектрическая константа деформации,

(см., например, Ю.И. Иориш. Виброметрия, ГНТИ Машиностроительной литературы, М., 1963, с. 507-519).

Конструктивные особенности вибропреобразователя оказывают влияние на частоту установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя. Они зависят от вида применяемой деформации пьезоэлемента (компрессионная деформация, сдвиговая и т.д.), соотношения инерционной массы и массы корпуса с основанием, количества применяемых пьезопластин, контактной площади основания, способа крепления и т.д.

Кроме параметра h₃₃ - пьезоэлектрической константы деформации - на частотные свойства пьезоэлектрических вибропреобразователей с компрессионной деформацией пьезоэлемента оказывают влияние параметр β 33 S - диэлектрическая непроницаемость «зажатого» пьезоэлектрика (при постоянной деформации) и C 33 D - постоянная упругости пьезоэлектрика (при постоянной напряженности электрического поля) (см., например, Пьезокерамические преобразователи. Методы измерения и расчет параметров. Справочник. Под ред. С.И. Пугачева. Л., «Судостроение», 1984 г., с. 50-65).

Таким образом, для определения трех параметров пьезокерамики необходимо провести, как минимум, три измерения, чтобы оценить их неизменность (или определить степень их изменения).

Параметр β 33 S определяется с помощью емкости пьезоэлектрического вибропреобразователя, т.к.

β 33 S = S l ⋅ 1 C 0 ,   ( 5 )

где S, l, C₀ - площадь, толщина и емкость пьезокерамической пластины.

Параметры h₃₃ и C 33 D входят в функциональную зависимость от частоты коэффициента преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя. При возбуждении пьезоэлектрического вибропреобразователя электрическим гармоническим сигналом в зависимости от частоты изменяется его комплексное сопротивление (импеданс). На частоте установочного резонанса он имеет минимальное значение (ток, проходящий через пьезоэлектрический вибропреобразователь, максимальный), а на антирезонансной частоте - импеданс максимальный, а ток минимальный. В упрощенном виде частота установочного резонанса может быть определена по формуле

ω у р = C 33 D ⋅ S m ⋅ l ,   ( 6 )

а антирезонансная -

ω a 2 = ω у р 2 + h 33 2 ⋅ S β 22 S ⋅ m ⋅ l .   ( 7 )

С помощью последнего выражения и формулы (4) может быть получено приведенное в формуле изобретения выражение для коэффициента преобразования вибропреобразователя, т.к.

ω а 2 ω у р 4 = 1 ω у р 2 + k В И П 2 ⋅ S β 33 S ⋅ m ⋅ l .   ( 8 )

Если определить значение параметра β 33 S с помощью емкости пьезоэлектрического вибропреобразователя, а также значения частот установочного резонанса и антирезонанса, то в последнем выражении неизвестным остается только конструктивный коэффициент, зависящий от размеров и диэлектрических свойств пьезокерамики, а также инерционной массы m

k 0 = S m l β 33 S = C 0 m = 1 k В И П 2 ⋅ 1 ω у р 2 ⋅ ( ω а 2 ω у р 2 − 1 )   ( 9 )

Этот коэффициент является индивидуальным параметром для каждого отдельного пьезоэлектрического вибропреобразователя, т.к. при регулировке коэффициента преобразования во время сборки для удовлетворения требований технических условий из-за разброса параметров применяемой пьезокерамики (в частности, параметра h₃₃) изменяют, в первую очередь, инерционную массу. По этой причине конструктивный коэффициент может быть определен только по результатам поверки после установки пьезоэлектрического вибропреобразователя на место эксплуатации. При периодической поверке при изменении емкости вибропреобразователя с соединительным кабелем конструктивный коэффициент уточняется.

Таким образом, определив значения ранее не учитываемых параметров поверяемого пьезоэлектрического вибропреобразователя, характеризующих его техническое состояние на дату поверки (емкость с кабелем, значения частот установочного резонанса и антирезонанса), значение коэффициента преобразования рассчитывают по формуле (2)

k В И П П П = 1 k 0 П П ⋅ 1 ( ω у р П П ) 2 ⋅ [ ( ω а П П ) 2 ( ω а П П ) 2 − 1 ] ,

где k 0 П П = k 0 ⋅ C 0 0 + C К б 0 С 0 П П + С К б П П - конструктивный коэффициент вибропреобразователя, скорректированный за счет изменения его емкости за время эксплуатации между поверками;

k₀ - конструктивный коэффициент вибропреобразователя, определенный непосредственно после установки на место эксплуатации;

C 0 0 , C К б 0 - емкость вибропреобразователя и кабеля непосредственно после установки на место эксплуатации;

С 0 П П , С К б П П - емкость вибропреобразователя и кабеля при периодической поверке;

ω у р П П = 2 ⋅ π ⋅ f у р П П - значение круговой частоты установочного резонанса;

ω а П П = 2 ⋅ π ⋅ f а П П - значение круговой частоты антирезонанса;

f у р П П и f а П П - значения частот установочного резонанса и антирезонанса при периодической поверке.

Сравнивая вновь полученное текущее значение коэффициента преобразования с его значением, полученным при первичной поверке, и после вычисления значения неравномерности его частотной характеристики в рабочем диапазоне частот по формуле (1) определяют метрологическую пригодность поверяемого вибропреобразователя и возможность его дальнейшей эксплуатации.

На нашем предприятии предлагаемый способ был проверен экспериментально на примере вибропреобразователей модели MB -43-25. В процессе экспериментов после проведения первичной поверки каждого вибропреобразователя в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009, собиралась схема, приведенная на фиг.1, измерялась и запоминалась его емкость с соединительным кабелем, измерялись значения частот установочного резонанса и антирезонанса, рассчитывался и запоминался конструктивный коэффициент k₀. Одновременно был реализован способ бездемонтажной поверки, являющийся прототипом данного предложения. Полученные значения коэффициента замещения k_зам для каждого вибропреобразователя запоминались. После этого искусственно изменялся коэффициент преобразования вибропреобразователя (внешним воздействием электрического поля, тепловым полем, ударным воздействием). После внешнего воздействия повторно в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.669-2009 определялось действительное значение коэффициента преобразования вибропреобразователя на эталонной виброустановке k в и п э в , собиралась схема, приведенная на фиг.1, измерялась емкость подвергнутого воздействию вибропреобразователя с кабелем, измерялись новые значения частот установочного резонанса и антирезонанса и в соответствии с предлагаемым способом рассчитывалось новое действительное значение коэффициента преобразования вибропреобразователя. Одновременно рассчитывался коэффициент замещения по являющемуся прототипом способу бездемонтажной поверки k ′ з а м . Пропорционально изменению коэффициента замещения k ′ з а м изменялся предполагаемый коэффициент преобразования k ′ в и п . Рассчитанные значения коэффициентов преобразования k В И П П П и k ′ в и п сравнивались с 7 ЭВ коэффициентами преобразования, полученными на эталонной виброустановке k в и п э в . Результаты экспериментов до искусственного изменения коэффициента преобразования вибропреобразователя представлены в таблицах 1 и 2, а после искусственного изменения коэффициента преобразования вибропреобразователя - в таблицах 3 и 4.

Из таблиц 3 и 4 следует, что после внешнего воз