Вимірювальний канал віброзміщення з ємнісним сенсором

Abstract

The article considers the importance of using vibration monitoring as an effective means of diagnosing the condition of electromechanical systems and complexes in a production environment. The features that arise during monitoring of electromechanical systems operating at low speeds are presented, namely, low vibration frequency, weak signal amplitude and the influence of external noise. The significant disadvantages of low-frequency vibration displacement sensors are analyzed, among which it is worth noting — low reliability and low accuracy in the infra-low frequency band, installation complexity, high cost. The use of accelerometers, the main measurement parameter of which is vibration acceleration, leads to significant errors. Since vibration displacement is the most effective vibration measurement parameter for machines with low rotational speed, this paper considers the use of a capacitive sensor for measuring vibration displacement conversion into a time interval as the main measurement tool. The conversion equation, structural diagram and timing diagrams of its operation are shown. Microprocessor circuit of a vibration displacement measuring channel with a capacitive sensor of time-pulse conversion, operating under the control of a microcontroller, is proposed. The principle of operation of a digital vibration displacement measuring channel in binary code is described, the conversion equation is given. The static characteristics (graphical representation of the conversion equation) of this vibration displacement measuring channel (in the range: a = 20·10–6…120·10–6 m) with a capacitive sensor are estimated. Since as a result of quantization of the analog value of the time interval tа, which has an infinite number of values, is replaced by a limited number of pulses N (periods) T0, such a metrological procedure leads to the appearance of a quantization error. Therefore, the equation of the relative quantization error for a vibration displacement measuring device with a capacitive sensor and the graphical dependence of the change in the relative quantization error on the measured vibration displacement value are given. It was established that at small values of vibration displacement the quantization error is small, at large values — this error increases. Based on the theory of measurement information, the choice of the bitness n of the binary counter is justified, which allows at the stage of developing the technical task to estimate the lower limit of measurement. It was established that the upper limit of measurement of the upper limit of vibration displacement measurement is limited by the normalized value of the quantization error, and the lower limit — by the bitness of the binary counter. The corresponding graphical dependencies are presented.

Розглянуто важливість застосування вібромоніторингу як ефективного засобу діагностування стану електромеханічних систем і комплексів у виробничому середовищі. Наведено особливості діагностування, що виникають під час моніторингу електромеханічних систем які працюють на низьких обертах, а саме низька частота вібрацій, слабка амплітуда сигналів та вплив зовнішніх шумів. Проаналізовано істотні недоліки сенсорів низькочастотних вібро зміщень, серед яких варто відзначити низьку надійність і не високу точність в смузі інфранизьких частот, складність монтажу, високу вартість. А застосування акселерометрів, основним параметром вимірювання яких є віброприско-рення, призводить до виникнення значних похибок.Оскільки віброзміщення є найефективнішим параметром вимірювання вібрації для машин з низь-кою частотою обертання, в цій роботі розглянуто застосування ємнісного сенсора вимірювального перетворення віброзміщення в часовий інтервал як основного інструмента вимірювання. Показано рівняння перетворення, структурну схему та часові діаграми його роботи.Запропоновано мікропроцесорну схему вимірювального каналу віброзміщення з ємнісним сенсором час-імпульсного перетворення, що працює під керуванням мікроконтролера. Описано принцип дії цифрового вимірювального каналу віброзміщення в двійковий код, наведено рівняння перетворення. Оцінено статичні характеристики (графічне подання рівняння перетворення) цього вимірювального каналу віброзміщення (в діапазоні: a = 20·10–6 ... 120·10–6м) з ємнісним сенсором. Оскільки врезультаті квантування аналогової величини часового інтервалу𝜏𝜏а, що має нескінченну кількість значень, відбувається заміна обмеженою кількістю імпульсів N (періодів) Т0, тотака метрологічна процедура викликає появу похибки квантування. Тому наведено рівняння відносної похибки квантування для засобу вимірювання віброзміщення з ємнісним сенсором та графічну залежність зміни відносної похибки квантування від виміряного значення віброзміщення. Встановлено, що замалих значень віброзміщення похибка квантування мала, завеликих значень — ця похибка зростає. На основі теорії вимірювальної інформації обґрунтовано вибір розрядності n двійкового лічильника, що дозволяє на стадії розробки технічного завдання оцінити нижню межу вимірювання. Встановлено, що верхня межа вимірювання віброзміщення обмежена нормованим значенням похибки квантування, а нижня межа — розрядністю двійкового лічильника.Показано відповідні графічні залежності.