Dispositivo para monitoramento remoto da saúde de sensores piezoelétricos

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O perigo das consequências de um acidente torna necessário impor requisitos acrescidos à fiabilidade do canal de medição e, sobretudo, do sensor, uma vez que é operado nas condições mais difíceis que existem nesta instalação. Há uma necessidade de controlar suas propriedades como meio de medição com mais frequência do que é feito com verificação periódica (geralmente uma vez por ano). Como o sensor geralmente é instalado em um local de difícil acesso (por exemplo, sob a caixa da unidade), o controle deve ser realizado remotamente.

O método de controle [1], implementado no dispositivo descrito e tornando-o possível, baseia-se no fato de que o transdutor piezoelétrico do sensor é reversível, gera um sinal elétrico quando é acionado mecanicamente e sofre deformação mecânica quando um tensão é aplicada. Em ambos os casos, o nível de resposta ao impacto é determinado pelo mesmo coeficiente, denominado piezo-módulo.

A inércia do sensor como sistema mecânico é determinada pela frequência de suas oscilações livres, que depende principalmente das propriedades do próprio sensor, mas também das propriedades mecânicas da parte do objeto em contato com o sensor. É chamada de frequência da ressonância de instalação (UR). A inércia elétrica não está relacionada à mecânica e é determinada em primeira aproximação pelo produto da capacitância do sensor com o cabo e a resistência ativa de sua carga. O espectro de frequência da vibração medida pelo sensor sempre fica abaixo da frequência do SD (caso contrário o resultado da medição não será confiável), ocupando, via de regra, a área de zero a 0,2...0,3 de seu valor.

Para conectar ao dispositivo de controle descrito, o sensor é desconectado do equipamento com o qual trabalha. Uma tensão constante é aplicada a ele, carregando sua capacitância e deformando o elemento piezoelétrico. A duração desta operação deve ser tal que todos os processos mecânicos e elétricos transitórios tenham tempo para terminar. Depois disso, a fonte de tensão é desconectada do sensor e uma pequena resistência ativa é conectada aos terminais deste último por um tempo (geralmente várias dezenas de microssegundos) suficiente para a descarga quase completa da capacitância do sensor. A deformação mecânica do elemento piezoelétrico não pode mudar na mesma taxa, seu retorno ao estado inicial ocorre na forma de oscilações amortecidas com a frequência SD. O elemento piezoelétrico converte essas oscilações em um sinal elétrico, que é registrado, por exemplo, por um osciloscópio de armazenamento. Um sinal do estado normal do sensor é a invariabilidade da forma e do nível do sinal durante o monitoramento repetido.

Os principais nós do dispositivo de controle são dois vibradores únicos, que definem a duração dos intervalos de fechamento e registro, e dois interruptores. A excitação das oscilações pelo decaimento do pulso com uma duração estável do circuito permite obter uma boa repetibilidade do nível e da forma do sinal elétrico, o que é necessário para as operações metrológicas.

A versão descrita do dispositivo é um pouco mais complicada. Como o osciloscópio de armazenamento é um dispositivo caro e relativamente raro, o processo de controle é cíclico, o que possibilitou o uso de um osciloscópio convencional. Para maior confiabilidade na determinação da frequência de SD, é introduzido um filtro que suprime a interferência de alta frequência. Há uma fonte de alimentação autônoma de baixa tensão e um medidor de frequência UR com um indicador LED.

Fig. 1

O esquema do dispositivo é mostrado na fig. 1. O multivibrador nos elementos DD1.1 e DD1.2 gera pulsos retangulares. Da saída do elemento DD1.2, um pulso de duração t é alimentado na entrada de controle da chave DA1.3. Durante sua operação, uma tensão de carga de +1 V é fornecida através de uma chave fechada para a entrada do sensor conectado ao conector X14 através do circuito R15R3HL12 (curva U3 na Fig. 2).

Fig. 2

A capacitância do sensor é carregada até esta tensão. O LED HL3 foi projetado para sinalizar um curto-circuito no circuito do sensor.

O pulso, inverso ao considerado, vem da saída do elemento DD1.1 através dos circuitos diferenciador (C2R6) e integrador (C4R11) às entradas do elemento DD1.3. Na sua saída, é formado um pulso de baixo nível lógico, localizado na pausa entre os pulsos de carga, mas com duração t2 menor que a pausa. Através do circuito diferenciador C6R18, a borda descendente deste pulso inicia um único vibrador no temporizador DA6, cujo pulso, com duração determinada pelos parâmetros do circuito R21C7 (intervalo t3 na Fig. 2), é alimentado ao entrada de controle do interruptor inferior (de acordo com o circuito) do microcircuito DA2. Neste caso, a saída do sensor (pino 3 do conector X1) é conectada a um fio comum através da chave e resistor R12, descarregando a capacitância do sensor. A tensão através do sensor (curva U na Fig. 2) diminui para zero.

A borda descendente do pulso do temporizador inicia um único vibrador nos elementos DD6.1 e DD6.3, gerando um pulso de duração t4 (determinado pelos parâmetros do circuito C13R31R53) agora de natureza oscilatória, através do circuito diferenciador C6.2R2 é alimentado à entrada do amplificador no amplificador operacional DA5, cuja saída, através do resistor R16, a chave SA4 conecta o capacitor C25 (modo "Indicação") ou o resistor R3 (modo "diagnóstico"). No primeiro caso, um filtro de suavização é formado, no segundo - um divisor de tensão independente da frequência. Em seguida, o sinal vai para o conector X8, ao qual está conectado um osciloscópio ou outro gravador. Um pulso de sincronização é emitido para o mesmo conector, coincidindo no tempo com o início do intervalo t27.

Os nós restantes do dispositivo formam o medidor de frequência UR. O sinal do sensor com a ajuda do amplificador DA3 e do comparador de tensão DA5 é convertido em uma série de pulsos de amplitude padrão. O ganho (10 ou 20) é selecionado pela chave SA2, cujo estado é indicado pelos LEDs HL1 e HL2.

Contar os pulsos da saída do comparador por 1 ms daria o valor da frequência do SD em kilohertz. No entanto, esse método acabou sendo inaceitável, pois as oscilações naturais dos sensores piezoelétricos modernos decaem muito mais rapidamente. Portanto, foi necessário contar os pulsos por vários intervalos mais curtos com duração total de 1 ms. O experimento mostrou que dois intervalos de 500 μs são suficientes.

A conta procede da seguinte forma. Após pressionar o botão SB2 "Set. 0", o contador DD2.1 é colocado no estado de prontidão para contagem, indicado pelo LED HL4 "Ready", e os contadores DD4 e DD5 são zerados. Uma pressão longa no botão SB1 "Start" abre a chave DA1.1, e os pulsos de clock da saída do elemento DD1.2 passam pela chave aberta DA1.2 para o contador DD2.1. As duas entradas dos sinais do elemento DD3.2 vêm das saídas 2 e 4 do contador, e sua terceira entrada - da saída do elemento DD6.2. Como resultado, um nível alto na saída do elemento DD3.3 existe apenas durante os ciclos de operação após o sexto e sétimo pulsos de carga (contados a partir do momento em que o botão SB1 é pressionado). O oitavo pulso estabelece um nível alto na saída 8 do contador DD2.1, que fecha a chave DA3.1 através do inversor DD1.2. O fluxo de pulsos para a entrada do contador DD2.1 é interrompido e o LED HL4 se apaga. Agora o botão SB1 pode ser liberado.

A saída do elemento DD3.3 é conectada à entrada de controle da chave DA1.4, conectada entre a saída do comparador DA5 e a entrada do contador DD4. A indicação do status dos contadores DD4 e DD5 não é muito usual - utilizando duas linhas de dez dias de LEDs HL5-HL24. Isso foi feito para reduzir o consumo de corrente: o consumo total de todos esses LEDs em nenhum caso excede 8 mA. Infelizmente, LCDs ainda mais econômicos não são adequados devido à faixa de temperatura operacional insuficiente. Diodos VD1-VD3 introduzidos para reduzir a diafonia.

Todos os capacitores do dispositivo são cerâmicos, e C7 e C13 devem ter um TKE pequeno, podem ser diferentes, por exemplo, mica. Termoestáveis ​​(por exemplo, C2-31) também devem ser resistores R21 e R31. Interruptores - B1561 deslizante de pequeno porte. No entanto, em vez de SA3, é melhor usar um botão com contatos de comutação, por exemplo, PS580N. A posição dos contatos ao soltar o botão deve corresponder à indicada no diagrama da Fig. 1.

O tipo de conector X1 depende de quais sensores devem ser verificados com mais frequência. O autor usou o plugue de bloco RS-4TV, uma vez que a maior parte dos sensores de vibração industriais domésticos são acelerômetros piezoelétricos ABC e ANS com soquetes de cabo RS-4TV, cuja finalidade dos contatos corresponde ao mostrado no diagrama da Fig. 1. Como não é necessária resistência à vibração de uma conexão destacável neste caso, é aconselhável remover cuidadosamente a rosca externa no corpo do plugue, o que facilitará e agilizará o processo de conexão e desconexão dos sensores. Sensores de outros tipos podem ser conectados ao dispositivo por meio de adaptadores apropriados. O conector X2 pode ser qualquer um, por exemplo, ONTS-VG-2-3/16-r. O fio de sinal no cabo conectado a ele deve ser blindado, o fio de sinal do relógio não requer blindagem.

Fig. 3

O dispositivo é alimentado por uma bateria de cinco a seis células galvânicas de tamanho AA, cuja tensão é convertida em +/-12 V estabilizado bipolar usando um conversor TMR0522 [2], conectado de acordo com o circuito mostrado na fig. 3. Quando a tensão da bateria GB1 é de 7,5 V, a corrente consumida é de 130 e 145 mA, respectivamente, nos modos "Diagnóstico" e "Indicação".

O dispositivo é montado em duas placas, uma acima da outra e conectadas por cabos de fita. Os controles e LEDs são montados na placa superior e o restante dos elementos é montado na placa inferior, exceto os conectores, localizados em um painel de canto separado. O corpo está selecionado pronto.

Como a maioria dos elementos ativos são portas lógicas e amplificadores operacionais sem correção externa, a configuração de um dispositivo conectado corretamente não requer muito esforço. Depois de certificar-se de que o multivibrador nos elementos DD1.1, DD1.2 gera pulsos retangulares simétricos com taxa de repetição de 30 ± 5 Hz, é necessário verificar a posição e a forma dos pulsos na saída do elemento DD1.3 .

Fig. 4

Na ausência de um osciloscópio de dois feixes, você pode usar o somador mais simples, cujo circuito é mostrado na Fig. quatro.

O oscilograma do sinal em sua saída deve ter a forma mostrada na Fig. 5, onde t1 e t2 são os mesmos intervalos que na fig. 2. Selecionando os resistores R6 e R11, certifique-se de que o intervalo t2 comece após 0,3 ... 1 ms após o término do pulso de carga. Sua duração deve ser de 5 ... 10 ms, o valor exato não é importante. O pulso gerado pelo temporizador DA6 deve ter uma duração na faixa de 20 ... 30 μs. Mas a duração do pulso na saída do elemento DD6.2 deve ser ajustada com um resistor de ajuste R53 igual a 500 μs com a maior precisão possível. Isso afeta diretamente o erro de medição da frequência SD.

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

Para ajustes adicionais, é necessário um sensor piezoelétrico (acelerômetro), preferencialmente com um coeficiente de conversão da ordem de milivolts por metro por segundo por segundo e uma frequência de oscilação livre (é maior que a frequência SD) de mais de 10 kHz. Ao conectar o sensor ao conector X1, os controles do osciloscópio conectado ao conector X2 obtêm uma imagem estável na tela, semelhante à mostrada na Fig. 6-8. Apresentam oscilogramas que ilustram a dependência do sinal em relação ao estado do sensor: solto (Fig. 6); instalado em estrita conformidade com o manual de instruções (Fig. 7); instalado, mas com fixação solta à estrutura controlada (Fig. 8). A escala dos oscilogramas ao longo dos eixos vertical e horizontal é de 50 mV/div, respectivamente. e 50 µs/div.

A repetibilidade das oscilações excitadas é caracterizada pelos resultados da medição da posição dos pontos característicos dos oscilogramas com uma repetição de dez vezes da excitação. O spread não ultrapassou 1,5% e praticamente coincidiu com o erro do osciloscópio de armazenamento S9-8 utilizado.

É desejável certificar-se de que não há distorção de sinal na saída do amplificador operacional DA3. Na prática, eles são improváveis, a faixa de oscilações amortecidas de sensores de diferentes tipos varia ligeiramente e não excede várias centenas de milivolts. Ao verificar o funcionamento do gatilho Schmitt no comparador DA5, deve-se comparar o número de períodos do sinal em sua entrada e pulsos na saída. Os limites de disparo são definidos por uma seleção de resistores R19 e R23.

O primeiro controle do sensor, especialmente projetado para trabalhar em um objeto de operação ininterrupta e de longa duração, deve ser realizado imediatamente após sua instalação. Neste caso, ficará imediatamente claro se todos os requisitos são atendidos (não planicidade e rugosidade permitidas da superfície de assentamento, torque de aperto da rosca, ausência de contaminação, etc.). Sua violação pode reduzir tanto a frequência do SD que o sinal do sensor não refletirá corretamente a natureza da vibração. Como resultado, é possível gerar um comando falso para uma parada de emergência do objeto.

O resultado obtido (contando a frequência do SD e a posição da chave SA2) é registrado, ele servirá de base para avaliar o estado do sensor durante os ciclos de controle subsequentes. O desvio observado servirá de base para um estudo mais detalhado da condição do sensor e uma decisão sobre a necessidade de reparo ou substituição.

Isto implica que o controle é realizado em uma unidade parada. Sua temperatura não é necessariamente constante, e o efeito utilizado é sensível à sua mudança. Como mencionado acima, em ambas as etapas do processo de excitação das oscilações, as reações à ação são determinadas pelo valor do módulo piezoelétrico - as características do material do transdutor, que dependem do grau de ordem de sua microestrutura, que diminui com o aumento da temperatura. Neste caso, a amplitude do sinal elétrico é proporcional ao quadrado do módulo piezoelétrico e sua dependência da temperatura é correspondentemente mais forte. De acordo com o experimento, o sinal do sensor com temperatura máxima de operação de 250°C durante o controle em temperaturas de até 120°C apresentou instabilidade dentro de ±6%. Portanto, é desejável que em todos os ciclos de controle a variação de temperatura não exceda 20°C. Nesse sentido, é melhor operar o dispositivo em conjunto com um dispositivo que permita medir a temperatura do sensor.

A possibilidade de realizar o controle na unidade de operação depende de várias circunstâncias. Podemos dizer imediatamente que se o nível de vibração registrado pelo sensor durante a operação normal do objeto estiver próximo do limite do sensor, o limite superior do espectro de vibração se aproxima da frequência do SD, ou, finalmente, da temperatura do sensor. sensor está próximo do máximo permitido, o controle é impossível. Você terá que realizá-lo durante os desligamentos planejados da unidade, mas mesmo neste caso, o uso do dispositivo economizará tempo e eliminará o trabalho mecânico. Se as circunstâncias listadas acima não forem tão óbvias, o controle deve ser realizado antes da partida e durante a operação da instalação. Ao comparar os resultados, você pode tomar uma decisão informada. Deve-se ter em mente que o controle usando apenas os indicadores integrados do dispositivo descrito implementa apenas parte das possibilidades. Uma análise do espectro ou outras características das vibrações naturais do sensor permitirá não apenas avaliar com mais precisão sua condição, mas também obter informações adicionais sobre a saúde do nó do objeto no qual o sensor está instalado.

O fato é que o limite superior do espectro do sinal do sensor obtido durante sua operação normal, na maioria das vezes, não excede 1000 Hz e às vezes até mais baixo. Pequenas falhas no objeto têm pouco efeito sobre a natureza do espectro de vibração. E como o espectro é incomparavelmente mais amplo durante o controle, analisando-o, é possível notar até pequenas mudanças na situação do objeto, é claro, se ocorrerem perto do sensor. O analisador de espectro é conectado ao conector X2 em vez do osciloscópio (ou junto com ele) e a chave SA3 é colocada na posição "Diagnóstico".

O dispositivo permite não só detectar o fato de uma mudança no coeficiente de conversão do sensor causada por uma mudança no módulo piezoelétrico, mas também calcular seu novo valor. A técnica mais simples é comparar os sinais durante o duplo controle: primeiro, imediatamente após a instalação do sensor, quando os dados de sua verificação recente são válidos, e depois após o tempo em que se pode esperar mudanças nos parâmetros do sensor. Em ambos os registros, você precisa selecionar N períodos de oscilação da mesma forma, em cada um deles determinar a faixa do sinal (a diferença entre os valores máximo e mínimo) e somar os valores obtidos.

Se durante o controle inicial foi obtida a soma V1, e durante o controle repetido - V2, o coeficiente de conversão no momento do controle repetido é igual a

onde S1 é o valor do coeficiente de conversão obtido durante a verificação [3]. Ele pode ser usado na análise de resultados de medição até a próxima verificação padrão.

Outra aplicação do dispositivo pode ser encontrada na fabricação de sensores piezoelétricos nas etapas de montagem e regulação de parâmetros. Na tela do osciloscópio, você pode observar a resposta do sensor às operações em andamento tão claramente quanto ao ajustar os filtros com uma vassoura. Nesse caso, é possível obter informações não apenas sobre a frequência de ressonância, mas em certa medida também sobre o valor do coeficiente de conversão. Acrescentamos que, além dos sensores de vibração, é possível em alguns casos controlar os sensores de pulsação de pressão piezoelétrica, no entanto, o controle será apenas qualitativo: de acordo com o princípio "bom-falha".

Literatura

1. Subbotin M. Método de excitação elétrica de oscilações ressonantes de um acelerômetro piezoelétrico e dispositivo para sua implementação. Patente RF nº 2150708. - Boletim de Invenções, 2000, nº 16.
2. Conversores DC/DC série TMR. - dsb.trBCopower.com/upload/DSBUserFile/CPN_TracoPower/0_tmr.pdf.
3. Subbotin M. Método para controle periódico remoto do coeficiente de conversão de um acelerômetro piezoelétrico. Patente da Federação Russa Nº 2176396. - Boletim de Invenções, 2001, Nº 33.

Autor: M. Subbotin, Moscou; Publicação: radioradar.net

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