Для измерений вибраций используются специализированные приборы-виброметры либо измерительные тракты, составленные из отдельных функциональных блоков: измерительного ВИП,, предусилителя, измерительного усилителя, регистрирующего прибора, анализирующего устройства и других блоков в зависимости от той конкретной задачи, которая ставится при измерении вибрации электрических машин.
Устройство виброметра рассмотрим на типовой структурной схеме виброметра рис. 7.10. На вход предусилителя (ПУ) (усилитель напряжения или заряда) подается сигнал с пьезоэлектрического ВИЛ, устанавливаемого на испытуемую ЭМ. Предусилитель предназначен для согласования высокого выходного полного сопротивления преобразователя со сравнительно низким входным полным сопротивлением последующих каскадов. Каскад электронных интеграторов (И) обеспечивает как измерение ускорения, так и скорости, и смещения механических колебаний. Предусмотренные в приборе регулируемые фильтры верхних и нижних частот (ФВЧ и ФНЧ) позволяют устанавливать частотный диапазон прибора согласно требованиям к измеряемой полосе частот или в соответствии с рабочим частотным диапазоном ВИП. Эти фильтры можно также использовать для подавления высокочастотных или низкочастотных помех. С выходом усилительного каскада (У2) соединен блок детекторов (БД), с которого постоянное напряжение, пропорциональное измеряемой величине, после преобразования в каскаде линейно-логарифмического преобразователя (ЛЛП) поступает на измерительный прибор (/277) с логарифмической шкалой, перекрывающей две декады, БД определяет вреднее или СКЗ, или двойную амплитуду, подлежащего измерению сигнала. В составе блока может быть предусмотрено запоминающее устройство, хранящее максимальное значение сигнала.
В виброметре имеется встроенный генератор эталонной частоты (ГК), выдающий электрический сигнал определенной величины, необходимый для калибровки электрического тракта виброметра.
Вместе с виброметром можно применять внешние фильтры, обеспечивающие частотный анализ исследуемых механических колебаний. Виброметр имеет выходы переменного и постоянного напряжений, предусмотренные для подключения осциллографов, измерительных магнитофонов и регистрирующих приборов, например самописца уровня.
Виброизмерительные преобразователи.
Используемые при измерении вибрации пьезоэлектрические ВИП широко применяются благодаря своей малой чувствительности к внешним электромагнитным полям, высокой надежности, широкому частотному и динамическому диапазону. Они имеют небольшие размеры и массу, легко размещаются в труднодоступных местах, позволяют работать при высоких и низких температурах [7.1],
Принцип действия пьезоэлектрического ВИП заключается в прямом пьезоэффекте, при котором происходит преобразование механической энергии в электрическую. ВИП состоит из чувствительного элемента, расположенного в корпусе, который крепится к основанию, и соединительного кабеля. Различают три варианта конструкции ВИП. В первом варианте используют деформацию сжатия—растяжения, во втором — деформацию сдвигов и в третьем — деформацию изгиба. На выходе ВЙП генерируется электрический сигнал, пропорциональный колебательному ускорению.
Качество ВИП определяют следующие метрологические и эксплуатационные характеристики:
коэффициент преобразования по заряду или по напряжению;
рабочий диапазон частот;
динамический диапазон;
собственная емкость и емкость кабеля;
рабочий диапазон температур;
масса ВИП, его габаритные размеры и свободный объем для установки;
требования к посадочным местам на объекте измерения; момент крепления (кроме приклеиваемых ВИП); коэффициент поперечного преобразования; длина кабеля; ресурс работоспособности.
Промышленностью выпускаются различные виды ВИП, которые можно классифицировать по применению. Небольшая группа ВИП общего назначения удовлетворяет требованиям большинства нормальных областей измерения и анализа механических колебаний, другие ВИП разработаны с учетом получения оптимальных характеристик в определенных областях применения, например малогабаритные и легкие ВИП — для измерения механических колебаний с большими амплитудами и высокими частотами, двух- и трехкомпонентные ВИП — для одновременного измерения в двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях; ВИП для работы при высоких температурах, измерения больших ускорений; образцовые — для калибровки методом сравнения и другие.
Основные технические характеристики пьезоэлектрических ВИП отечественного и зарубежного производства, применяемые для измерения вибрации электрических машин, приведены в [7.1, 7.13, 7.21, 7.22].
Пьезоэлектрические ВИП являются датчиками с большим полным сопротивлением, на выходе которых электрический сигнал имеет относительно малую амплитуду и мощность. Следовательно, при измерениях необходимы согласующие усилители (СУ), входы и выходы которых соединяются соответственно с выходом ВИП и входом измерительной, анализирующей или регистрирующей аппаратуры. Основными функциями СУ являются: преобразование высокого полного сопротивления ВИП в более низкий, усиление электрических сигналов ВИП по мощности и по напряжению. С ВИП используются следующие согласующие усилители: усилитель напряжения и усилитель заряда. В [7.1, 7.13, 7.21, 7.22] приведены характеристики СУ различных типов.
Усилители напряжения применяются тогда, когда входное полное сопротивление СУ должно быть как можно выше и иметь неемкостный характер, для того чтобы уменьшить до минимума электрическую нагрузку ВИП. Однако в этом случае длина кабеля, соединяющего СУ с ВИП, должна быть стандартной, так как емкость кабеля оказывает существенное влияние на чувствительность ВИП, значительно понижая ее.
Усилитель заряда применяют тогда, когда необходимо при измерениях использовать длинные кабели, так как сильная внутренняя емкостная обратная связь в СУ создает очень большую входную емкость и подсоединение параллельно большой емкости длинных соединительных кабелей почти не снижает общей чувствительности системы, содержащей ВИП и СУ, и не сужает ее частотный диапазон в области низких частот.
Общие уровни вибрации определяются с помощью виброметра, а уровни вибрации в полосах частот — с помощью частотных анализаторов. Основным требованием к приборам, предназначенным для измерения вибрации электрических машин, является малая чувствительность к внешним электромагнитным полям. Этим требованиям удовлетворяют только приборы с пьезоэлектрическими ВИП.
Рис. 7.11. Схема системы для измерения вибраций:
ВИЛ - виброизмерительный преобразователь; УС - усилитель согласующий; УИ - измерительный усилитель; ФП - полосовой фильтр; СУ - самописец уровня
В приборостроении существует тенденция по разработке комплексов средств измерения вибрации, представляющих собой совокупность функционально законченных измерительных устройств, характеризующихся метрологической, информационной, конструктивной и эксплуатационной совместимостью, осуществляющих измерения, обработку и регистрацию результатов измерения. Устройства, предназначенные для работы в системе, могут использоваться и в качестве самостоятельных приборов. Приведем пример построения простейшей системы для измерения вибрации электрических машин. Такая система будет состоять из следующих устройств: пьезоэлектрического ВИП, согласующего усилителя, измерительного усилителя, самописца уровня и полосового фильтра (рис. 7.11).
Наиболее широко применяются для контроля и исследования вибраций ЭМ агрегатный комплекс средств измерения вибрации (АСИВ), разработанный отечественной промышленностью, приборы объединения RFT, ГДР, и фирмы "Брюль и Къер" , Дания [1.1, 7.21, 7.22].
Принципы построения виброизмерительных систем, их технические характеристики и рекомендации по применению широко освещены в литературе [7.13, 7.20].
В табл. П2, ПЗ, П4, П5 и П6 приложения приведены данные некоторых отечественных и зарубежных виброметров, пьезоэлектрических ВИП, согласующих и измерительных усилителей, частотных фильтров и спектрометров, применяемых в системах для измерения вибрации электрических машин.
Поверка виброметров или виброизмерительных трактов с пьезоэлектрическими ВИП проводится в соответствии с ГОСТ 8.246-77, а с индукционными преобразователями — в соответствии с ГОСТ 8.245-77. Поверку проводят органы государственной или ведомственной метрологической службы. При поверке приборов проводят их градуировку, сравнивают результаты градуировки, в частности частотную характеристику, коэффициент преобразования, с характеристиками, приведенными в технической документации на приборы. При положительных результатах поверки выдается свидетельство о поверке. Периодичность поверки виброизмерительной аппаратуры — раз в один год.
