Gerät zur Fernüberwachung des Zustands piezoelektrischer Sensoren

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Sicherheitseinrichtungen und Objektsignalisierung

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Die Gefahr von Unfallfolgen macht erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Messkanals und vor allem des Sensors erforderlich, da dieser unter den schwierigsten Bedingungen dieser Anlage betrieben wird. Es besteht die Notwendigkeit, seine Eigenschaften als Messmittel häufiger zu kontrollieren, als dies bei einer regelmäßigen (normalerweise einmal im Jahr) Überprüfung der Fall ist. Da der Sensor oft an einer schwer zugänglichen Stelle (z. B. unter dem Gehäuse des Geräts) installiert ist, muss die Steuerung aus der Ferne erfolgen.

Das in der beschriebenen Vorrichtung implementierte und ermöglichende Regelverfahren [1] beruht darauf, dass der piezoelektrische Wandler des Sensors reversibel ist, bei mechanischer Beaufschlagung ein elektrisches Signal erzeugt und bei elektrischer Beaufschlagung eine mechanische Verformung erfährt Spannung anliegt. In beiden Fällen wird der Grad der Reaktion auf den Aufprall durch denselben Koeffizienten bestimmt, der als Piezomodul bezeichnet wird.

Die Trägheit des Sensors als mechanisches System wird durch die Frequenz seiner freien Schwingungen bestimmt, die in erster Linie von den Eigenschaften des Sensors selbst, aber auch von den mechanischen Eigenschaften des den Sensor berührenden Teils des Objekts abhängt. Sie wird als Frequenz der Anlagenresonanz (UR) bezeichnet. Die elektrische Trägheit steht in keinem Zusammenhang mit der mechanischen und wird in erster Näherung durch das Produkt aus der Kapazität des Sensors mit dem Kabel und dem Wirkwiderstand seiner Last bestimmt. Das Frequenzspektrum der vom Sensor gemessenen Schwingung liegt immer unterhalb der Frequenz des SD (sonst ist das Messergebnis unzuverlässig) und nimmt in der Regel den Bereich von Null bis 0,2...0,3 seines Wertes ein.

Zum Anschließen an das beschriebene Steuergerät wird der Sensor von der Ausrüstung getrennt, mit der er arbeitet. An ihn wird eine konstante Spannung angelegt, die seine Kapazität auflädt und das piezoelektrische Element verformt. Die Dauer dieses Vorgangs sollte so sein, dass alle vorübergehenden mechanischen und elektrischen Prozesse Zeit zum Ende haben. Danach wird die Spannungsquelle vom Sensor getrennt und ein kleiner aktiver Widerstand für eine Zeit (normalerweise mehrere zehn Mikrosekunden) an die Anschlüsse des letzteren angeschlossen, die für eine fast vollständige Entladung der Sensorkapazität ausreicht. Die mechanische Verformung des Piezoelements kann sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit ändern, seine Rückkehr in den Ausgangszustand erfolgt in Form von gedämpften Schwingungen mit der Frequenz SD. Das piezoelektrische Element wandelt diese Schwingungen in ein elektrisches Signal um, das beispielsweise von einem Speicheroszilloskop aufgezeichnet wird. Ein Zeichen für den Normalzustand des Sensors ist die Unveränderlichkeit von Form und Pegel des Signals bei wiederholter Überwachung.

Die Hauptknoten des Steuergeräts sind zwei Einzelrüttler, die die Dauer der Schließ- und Registrierungsintervalle einstellen, und zwei Schalter. Die Anregung von Schwingungen durch das Abklingen des Impulses bei stabiler Dauer der Schaltung ermöglicht eine gute Wiederholbarkeit der Höhe und Form des elektrischen Signals, die für messtechnische Operationen erforderlich ist.

Die beschriebene Version des Geräts ist etwas komplizierter. Da das Speicheroszilloskop ein teures und relativ seltenes Gerät ist, wird der Regelvorgang zyklisch ausgeführt, wodurch es möglich wurde, ein herkömmliches Oszilloskop zu verwenden. Für eine größere Zuverlässigkeit bei der Bestimmung der SD-Frequenz wird ein Filter eingeführt, der hochfrequente Störungen unterdrückt. Es gibt eine autonome Niederspannungsversorgung und einen UR-Frequenzmesser mit LED-Anzeige.

Fig. 1

Das Schema des Geräts ist in Abb. 1. Der Multivibrator an den Elementen DD1.1 und DD1.2 erzeugt Rechteckimpulse. Vom Ausgang des Elements DD1.2 wird dem Steuereingang des Schalters DA1.3 ein Impuls der Dauer t zugeführt. Während des Betriebs wird eine Ladespannung von +1 V über einen geschlossenen Schalter an den Eingang des Sensors geliefert, der über die Schaltung R14R15HL3 mit dem Anschluss X12 verbunden ist (Kurve U3 in Abb. 2).

Fig. 2

Auf diese Spannung wird die Kapazität des Sensors aufgeladen. Die HL3-LED dient zur Signalisierung eines Kurzschlusses im Sensorkreis.

Der bezüglich des betrachteten inverse Impuls kommt vom Ausgang des Elements DD1.1 über die differenzierende (C2R6) und integrierende (C4R11) Schaltung zu den Eingängen des Elements DD1.3. An seinem Ausgang wird ein Impuls mit niedrigem Logikpegel gebildet, der sich in der Pause zwischen den Ladeimpulsen befindet, aber eine Dauer t2 hat, die kürzer als die Pause ist. Durch die Differenzierschaltung C6R18 startet die abfallende Flanke dieses Impulses einen einzelnen Vibrator am DA6-Zeitgeber, dessen Impuls mit einer durch die Parameter der R21C7-Schaltung (Intervall t3 in Fig. 2) bestimmten Dauer dem zugeführt wird Steuereingang des unteren (je nach Schaltung) Schalters der DA2-Mikroschaltung. In diesem Fall wird der Sensorausgang (Pin 3 von Stecker X1) über den Schalter und den Widerstand R12 mit einer gemeinsamen Leitung verbunden, wodurch die Sensorkapazität entladen wird. Die Spannung am Sensor (Kurve U in Abb. 2) sinkt auf Null.

Die abfallende Flanke des Zeitgeberimpulses startet einen einzelnen Vibrator an den Elementen DD6.1 und DD6.3, wodurch ein Impuls der Dauer t4 (bestimmt durch die Parameter der Schaltung C13R31R53) erzeugt wird, der nun oszillatorischer Natur ist und durch die Differenzierschaltung C6.2R2 gespeist wird an den Eingang des Verstärkers des Operationsverstärkers DA5, an dessen Ausgang der Schalter SA16 über den Widerstand R4 entweder den Kondensator C25 (Modus "Anzeige") oder den Widerstand R3 (Modus "Diagnose") verbindet. Im ersten Fall wird ein Glättungsfilter gebildet, im zweiten ein frequenzunabhängiger Spannungsteiler. Als nächstes geht das Signal zum X8-Anschluss, an den ein Oszilloskop oder ein anderer Rekorder angeschlossen ist. An denselben Anschluss wird ein Synchronisationsimpuls ausgegeben, der zeitlich mit dem Beginn des Intervalls t27 zusammenfällt.

Die restlichen Knoten des Geräts bilden den UR-Frequenzmesser. Das Sensorsignal wird mit Hilfe des Verstärkers DA3 und des Spannungskomparators DA5 in eine Reihe von Impulsen mit Standardamplitude umgewandelt. Die Verstärkung (10 oder 20) wird durch den Schalter SA2 ausgewählt, dessen Zustand durch die LEDs HL1 und HL2 angezeigt wird.

Das Zählen der Impulse vom Ausgang des Komparators für 1 ms würde den Wert der Frequenz des SD in Kilohertz ergeben. Dieses Verfahren erwies sich jedoch als nicht akzeptabel, da die Eigenschwingungen moderner piezoelektrischer Sensoren viel schneller abklingen. Daher war es notwendig, die Impulse für mehrere kürzere Intervalle mit einer Gesamtdauer von 1 ms zu zählen. Das Experiment zeigte, dass zwei Intervalle von 500 μs völlig ausreichend sind.

Die Rechnung läuft wie folgt ab. Nach Drücken der Taste SB2 „Set. 0“ wird der Zähler DD2.1 in den Zustand der Zählbereitschaft gesetzt, angezeigt durch die LED „Ready“ HL4, und die Zähler DD4 und DD5 werden auf Null gesetzt. Ein langer Druck auf die "Start"-Taste von SB1 öffnet den Schalter DA1.1, und die Taktimpulse vom Ausgang des Elements DD1.2 passieren den geöffneten Schalter DA1.2 zum Zähler DD2.1. Die beiden Eingänge der Signale des Elements DD3.2 kommen von den Ausgängen 2 und 4 des Zählers und sein dritter Eingang - vom Ausgang des Elements DD6.2. Dadurch liegt ein High-Pegel am Ausgang des DD3.3-Elements nur während der Arbeitszyklen nach dem sechsten und siebten Ladeimpuls (gezählt ab dem Drücken der SB1-Taste) an. Der achte Impuls setzt am Ausgang 8 des Zählers DD2.1 einen High-Pegel, der den Schalter DA3.1 über den Inverter DD1.2 schließt. Der Impulsfluss zum Eingang des Zählers DD2.1 stoppt und die HL4-LED erlischt. Jetzt kann die SB1-Taste losgelassen werden.

Der Ausgang des Elements DD3.3 ist mit dem Steuereingang des Schalters DA1.4 verbunden, der zwischen den Ausgang des Komparators DA5 und den Eingang des Zählers DD4 geschaltet ist. Die Anzeige des Status der Zähler DD4 und DD5 ist nicht ganz üblich - mit zwei zehntägigen LED-Linien HL5-HL24. Dies wurde getan, um den Stromverbrauch zu reduzieren: Der Gesamtverbrauch aller dieser LEDs überschreitet in keinem Fall 8 mA. Noch sparsamere LCDs sind aufgrund des zu geringen Betriebstemperaturbereichs leider nicht geeignet. Dioden VD1-VD3 eingeführt, um das Übersprechen zu reduzieren.

Alle Kondensatoren im Gerät sind Keramik, und C7 und C13 müssen einen kleinen TKE haben, sie können unterschiedlich sein, zum Beispiel Glimmer. Thermostabil (z. B. C2-31) sollten auch die Widerstände R21 und R31 sein. Schalter - Schiebe kleiner B1561. Statt SA3 ist es jedoch besser, einen Taster mit Schaltkontakten zu verwenden, zum Beispiel PS580N. Die Position der Kontakte beim Loslassen der Taste muss mit der im Diagramm in Abb. eines.

Die Art des Steckers X1 hängt davon ab, welche Sensoren am häufigsten überprüft werden sollen. Der Autor verwendete einen Blockstecker RS-4TV, da der Großteil der inländischen industriellen Vibrationssensoren piezoelektrische Beschleunigungsmesser ABC und ANS mit Kabelbuchsen RS-4TV sind, deren Kontaktbelegung der im Diagramm in Abb. 1. Da in diesem Fall keine Vibrationsfestigkeit von einer lösbaren Verbindung gefordert wird, empfiehlt es sich, das Außengewinde am Steckerkörper vorsichtig zu entfernen, was das An- und Abstecken von Sensoren erleichtert und beschleunigt. Sensoren anderer Art können über entsprechende Adapter an das Gerät angeschlossen werden. Stecker X2 kann beliebig sein, z. B. ONTS-VG-2-3/16-p. Die Signalleitung im daran angeschlossenen Kabel muss abgeschirmt sein, die Taktsignalleitung benötigt keine Abschirmung.

Fig. 3

Das Gerät wird von einer Batterie mit fünf bis sechs galvanischen Zellen der Größe AA gespeist, deren Spannung mithilfe eines TMR12-Konverters [0522], der gemäß der in Abb. 2. Wenn die GB3-Batteriespannung 1 V beträgt, beträgt der von ihr verbrauchte Strom 7,5 bzw. 130 mA in den Modi „Diagnose“ und „Anzeige“.

Das Gerät ist auf zwei Platinen übereinander aufgebaut und durch Flachbandkabel verbunden. Bedienelemente und LEDs sind auf der oberen Platte montiert, und die restlichen Elemente sind auf der unteren Platte montiert, mit Ausnahme der Anschlüsse, die sich auf einer separaten Eckplatte befinden. Der Körper ist fertig ausgewählt.

Da die meisten aktiven Elemente Logikgatter und Operationsverstärker ohne externe Korrektur sind, erfordert die Einrichtung eines richtig verdrahteten Geräts keinen großen Aufwand. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass der Multivibrator an den Elementen DD1.1, DD1.2 symmetrische Rechteckimpulse mit einer Wiederholrate von 30 ± 5 Hz erzeugt, müssen Sie die Position und Form der Impulse am Ausgang des Elements DD1.3 überprüfen .

Fig. 4

In Ermangelung eines Zweistrahloszilloskops können Sie dazu den einfachsten Addierer verwenden, dessen Schaltung in Abb. vier.

Das Oszillogramm des Signals an seinem Ausgang sollte die in Abb. 5, wobei t1 und t2 die gleichen Intervalle wie in Abb. 2. Wählen Sie die Widerstände R6 und R11, stellen Sie sicher, dass das Intervall t2 nach 0,3 ... 1 ms nach dem Ende des Ladeimpulses beginnt. Seine Dauer sollte 5 ... 10 ms betragen, der genaue Wert ist nicht wichtig. Der vom DA6-Timer erzeugte Impuls muss eine Dauer im Bereich von 20 ... 30 μs haben. Die Impulsdauer am Ausgang des DD6.2-Elements muss jedoch mit einem Abstimmwiderstand R53 auf 500 μs mit größtmöglicher Genauigkeit eingestellt werden. Dies wirkt sich direkt auf den Messfehler der SD-Frequenz aus.

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

Zur weiteren Einstellung ist ein piezoelektrischer Sensor (Beschleunigungsmesser) erforderlich, vorzugsweise mit einem Umwandlungskoeffizienten in der Größenordnung von Millivolt pro Meter pro Sekunde pro Sekunde und einer freien Schwingungsfrequenz (sie ist höher als die SD-Frequenz) von mehr als 10 kHz. Durch Anschluss des Sensors an Anschluss X1 erzielen die Bedienelemente des an Anschluss X2 angeschlossenen Oszilloskops ein stabiles Bild auf dem Bildschirm, ähnlich dem in Abb. 6-8. Sie zeigen Oszillogramme, die die Abhängigkeit des Signals vom Zustand des Sensors veranschaulichen: lose (Abb. 6); Installation in strikter Übereinstimmung mit der Bedienungsanleitung (Abb. 7); installiert, aber mit loser Befestigung an der kontrollierten Struktur (Abb. 8). Die Skalierung der Oszillogramme entlang der vertikalen und horizontalen Achse beträgt jeweils 50 mV/div. und 50 µs/div.

Die Wiederholbarkeit der angeregten Schwingungen wird durch die Ergebnisse der Positionsmessung der charakteristischen Punkte der Oszillogramme bei zehnfacher Wiederholung der Anregung charakterisiert. Die Streuung überschritt 1,5 % nicht und deckte sich praktisch mit dem Fehler des verwendeten Speicheroszilloskops S9-8.

Es ist wünschenswert sicherzustellen, dass am Ausgang des Operationsverstärkers DA3 keine Signalverzerrung auftritt. In der Praxis ist es unwahrscheinlich, dass der Bereich der gedämpften Schwingungen von Sensoren verschiedener Typen geringfügig variiert und mehrere hundert Millivolt nicht überschreitet. Wenn Sie den Betrieb des Schmitt-Triggers am Komparator DA5 überprüfen, sollten Sie die Anzahl der Perioden des Signals an seinem Eingang und die Impulse am Ausgang vergleichen. Die Auslöseschwellen werden durch eine Auswahl von Widerständen R19 und R23 eingestellt.

Die erste Kontrolle des Sensors, der speziell für die Arbeit an einem Objekt mit Langzeit- und Dauerbetrieb ausgelegt ist, sollte sofort nach seiner Installation durchgeführt werden. In diesem Fall wird sofort ersichtlich, ob alle Anforderungen erfüllt sind (zulässige Unebenheit und Rauheit der Sitzfläche, Anzugsmoment des Gewindes, Verschmutzungsfreiheit etc.). Ihre Verletzung kann die Frequenz der SD so stark reduzieren, dass das Sensorsignal die Art der Vibration nicht korrekt widerspiegelt. Als Ergebnis ist es möglich, einen falschen Befehl für einen Notstopp des Objekts zu erzeugen.

Das erhaltene Ergebnis (Zählung der Frequenz des SD und der Position des Schalters SA2) wird aufgezeichnet, es dient als Grundlage für die Beurteilung des Zustands des Sensors während nachfolgender Steuerzyklen. Die beobachtete Abweichung dient als Grundlage für eine detailliertere Untersuchung des Zustands des Sensors und eine Entscheidung über die Notwendigkeit einer Reparatur oder eines Austauschs.

Dies impliziert, dass die Steuerung an einer gestoppten Einheit durchgeführt wird. Seine Temperatur ist nicht unbedingt konstant, und der verwendete Effekt reagiert empfindlich auf seine Änderung. Wie oben erwähnt, werden die Reaktionen auf den Aufprall in beiden Phasen der Schwingungsanregung durch den Wert des piezoelektrischen Moduls bestimmt - die Eigenschaften des Wandlermaterials, die vom Ordnungsgrad seiner Mikrostruktur abhängen, die abnimmt mit steigender Temperatur. Die Amplitude des elektrischen Signals ist dabei proportional zum Quadrat des Piezomoduls und entsprechend stärker temperaturabhängig. Gemäß dem Experiment hatte das Signal des Sensors mit einer maximalen Betriebstemperatur von 250 °C während der Steuerung bei Temperaturen bis zu 120 °C eine Instabilität innerhalb von ±6 %. Daher ist es wünschenswert, dass in allen Regelzyklen die Temperaturspreizung 20 °C nicht überschreitet. Insofern ist es besser, das Gerät in Verbindung mit einem Gerät zu betreiben, mit dem Sie die Temperatur des Sensors messen können.

Die Möglichkeit, eine Steuerung an der Bedieneinheit vorzunehmen, hängt von einer Reihe von Umständen ab. Wir können sofort sagen, dass, wenn der vom Sensor während des normalen Betriebs des Objekts aufgezeichnete Vibrationspegel nahe an der Grenze für den Sensor liegt, die obere Grenze des Vibrationsspektrums sich der Frequenz des SD oder schließlich der Temperatur des annähert Sensor nahe am maximal zulässigen Wert ist, ist eine Steuerung nicht möglich. Sie müssen es während geplanter Abschaltungen des Geräts durchführen, aber selbst in diesem Fall spart der Einsatz des Geräts Zeit und beseitigt mechanische Arbeiten. Wenn die oben aufgeführten Umstände nicht so offensichtlich sind, sollte die Kontrolle vor der Inbetriebnahme und während des Betriebs der Anlage durchgeführt werden. Durch den Vergleich der Ergebnisse können Sie eine fundierte Entscheidung treffen. Es ist zu beachten, dass die Steuerung nur über die eingebauten Anzeigen des beschriebenen Gerätes nur einen Teil der Möglichkeiten umsetzt. Die Analyse des Spektrums oder anderer Eigenschaften der Eigenschwingungen des Sensors ermöglicht nicht nur eine genauere Beurteilung seines Zustands, sondern auch den Erhalt zusätzlicher Informationen über den Zustand des Knotens des Objekts, an dem der Sensor installiert ist.

Tatsache ist, dass die obere Grenze des Spektrums des Sensorsignals, das während seines normalen Betriebs erhalten wird, meistens 1000 Hz nicht überschreitet und manchmal sogar niedriger ist. Kleine Fehler am Objekt haben wenig Einfluss auf die Beschaffenheit des Schwingungsspektrums. Und da das Spektrum bei der Regelung ungleich breiter ist, lassen sich durch dessen Analyse natürlich auch kleine Veränderungen der Situation am Objekt feststellen, wenn sie in der Nähe des Sensors auftreten. Der Spektrumanalysator wird anstelle des Oszilloskops (oder zusammen mit ihm) an den X2-Anschluss angeschlossen und der SA3-Schalter wird in die Position „Diagnose“ gebracht.

Das Gerät ermöglicht es, nicht nur die Tatsache einer Änderung des Sensorumwandlungskoeffizienten zu erkennen, die durch eine Änderung des piezoelektrischen Moduls verursacht wird, sondern auch seinen neuen Wert zu berechnen. Die einfachste Technik besteht darin, die Signale während einer doppelten Kontrolle zu vergleichen: zuerst unmittelbar nach der Installation des Sensors, wenn die Daten seiner letzten Überprüfung gültig sind, und dann nach der Zeit, für die Änderungen in den Parametern des Sensors zu erwarten sind. Auf beiden Aufzeichnungen müssen Sie N Schwingungsperioden auf die gleiche Weise auswählen, in jeder den Signalbereich (die Differenz zwischen den Höchst- und Mindestwerten) bestimmen und die erhaltenen Werte summieren.

Wenn während der anfänglichen Kontrolle die Summe V1 erhalten wurde und während der wiederholten Kontrolle - V2, ist der Umwandlungskoeffizient zum Zeitpunkt der wiederholten Kontrolle gleich

wobei S1 der Wert des Umrechnungskoeffizienten ist, der während der Überprüfung [3] erhalten wurde. Es kann bei der Analyse von Messergebnissen bis zur nächsten Standardverifizierung verwendet werden.

Eine weitere Anwendung des Geräts findet sich in der Herstellung von piezoelektrischen Sensoren in den Phasen der Montage und Regulierung von Parametern. Auf dem Oszilloskop-Bildschirm können Sie die Reaktion des Sensors auf den laufenden Betrieb so deutlich beobachten wie beim Einstellen von Filtern mit einem Sweeper. Dabei können nicht nur Informationen über die Resonanzfrequenz, sondern teilweise auch über den Wert des Konversionskoeffizienten gewonnen werden. Wir fügen hinzu, dass neben Vibrationssensoren teilweise auch piezoelektrische Druckpulsationssensoren angesteuert werden können, die Ansteuerung jedoch nur qualitativ erfolgt: nach dem „Gut-Ausfall“-Prinzip.

Literatur

1. Subbotin M. Verfahren zur elektrischen Anregung resonanter Schwingungen eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers und ein Gerät zu seiner Umsetzung. RF-Patent Nr. 2150708. - Bulletin of Inventions, 2000, Nr. 16.
2. DC/DC-Wandler der TMR-Serie. - dsb.trBCopower.com/upload/DSBUSerFile/CPN_TracoPower/0_tmr.pdf.
3. Subbotin M. Verfahren zur periodischen Fernsteuerung des Umwandlungskoeffizienten eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers. Patent der Russischen Föderation Nr. 2176396. - Bulletin of Inventions, 2001, Nr. 33.

Autor: M. Subbotin, Moskau; Veröffentlichung: radioradar.net

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