Особенности поверки сейсмоприемников

В настоящее время все больше возрастает интерес к сейсмоприёмникам — высокочувствительным виброизмерительным преобразователям, имеющим равномерную амплитудно-частотную характеристику в области низких частот. Они используются при построении сейсмических локаторов для осуществления охранной деятельности на территориях больших периметров, для мониторинга сейсмической активности, для защиты нефтегазовых коммуникаций, для проведения траекторных испытаний. Также сейсмоприёмники нашли свое применение в системах диагностики и мониторинга технического состояния конструкций, зданий, сооружений и мостов.

Применение сейсмоприёмников в диагностических комплексах, обеспечивающих безопасность состояния трубопроводов, мостов, зданий и сооружений, а также в системах мониторинга сейсмической активности предъявляет высокие требования к достоверности показаний этих датчиков, поскольку от этого зависит надежность систем в целом.

Для чего нужна поверка

Любой первичный преобразователь только тогда может использоваться в измерительных системах, когда прослеживается связь между результатами исследований, полученных с его помощью, с абсолютными эталонами единиц соответствующих физических величин. Эта связь устанавливается в процессе поверки датчика. При этом определяется степень точности, воспроизводимости и достоверности результатов измерений поверяемого преобразователя, а также устанавливаются пределы измерительных диапазонов. [1] Обязательной поверке подлежать средства измерения внесенный госреестр

Измеряемые параметры

Для сейсмоприёмников основными параметрами, определяемыми при поверке, являются действительное значение коэффициента преобразования на базовой частоте, неравномерность АЧХ и нелинейность АХ. При определении неравномерности АЧХ проводят измерение коэффициента преобразования датчика в нескольких точках частотного диапазона, при определении нелинейности АХ — в нескольких точках амплитудного диапазона. Таким образом, основным действием при поверке является определение коэффициента преобразования, который рассчитывается как отношение напряжения на выходе сейсмоприёмника к воздействующему на него ускорению (1):

K=U/A (1)

где K — коэффициент преобразования сейсмоприёмника [мВ/(м·с-2)], U — напряжение на выходе сейсмоприёмника [мВ], А — ускорение, воздействующее на сейсмоприёмник [м/с2].

Таким образом, точность определения коэффициента преобразования складывается из точности измерения параметров вибрации и соответствующего напряжения на выходе сейсмоприёмника.

Выбор метода измерений

Поскольку сейсмоприёмники являются виброизмерительными преобразователями, определение их характеристик осуществляется с помощью вибростендов. Сейсмоприёмник устанавливается на вибростенд, который воспроизводит колебания заданной частоты и амплитуды. Параметры колебаний контролируются образцовым датчиком, по показаниям которого определяется воспроизводимое виброускорение А.

При определении параметров виброизмерительных преобразователей, как правило, применяется относительный метод измерений, при котором в качестве образцового датчика используется акселерометр, устанавливаемый соосно с поверяемым датчиком. Таким образом, на датчики воздействует идентичное ускорение, и показания образцового акселерометра используются для определения коэффициента преобразования поверяемого датчика по формуле (1).

Рекомендуемый уровень виброускорения при проведении виброиспытаний относительным методом согласно ГОСТ Р 8.669-2009 должен составлять не менее 10 м/с2 [2]. В таблице 1 приведены значения перемещений, которые обеспечивают виброускорение 10 м/с2 на различных частотах. Большинство вибростендов среднего класса имеют рабочую амплитуду виброперемещений 1÷2 мм. Из таблицы видно, что такие вибростенды не позволяют проводить испытания на частотах ниже 10 Гц.

Таблица 1 — Зависимость виброускорения от перемещения на различных частотах

Ускорение Частота, Гц Перемещение, мм
10 1000 0,000253
10 100 0,0253
10 10 2,53
10 1 253,30
10 0,1 25330,0

Поэтому для решения задачи определения параметров вибрации целесообразно использовать другие методы измерений.

Абсолютный метод измерений

Для определения параметров вибрации можно использовать датчики перемещения, которые обеспечивают гораздо большую точность измерений в области низких частот по сравнению с виброизмерительными преобразователями. На рисунке 1 приведены осциллограммы сигналов вибродатчика (образцовый акселерометр B&K 8305) и датчика перемещений (оптический датчик перемещений RF 603) на частоте 1 Гц. Невооруженным глазом видно, что сигнал с вибродатчика соизмерим с уровнем электронных шумов измерительной аппаратуры, использовавшейся при испытаниях. При этом с датчика перемещений регистрируется «уверенный» сигнал той же аппаратурой в тех же условиях.

Датчики перемещения измеряют параметры вибрации непосредственно поверяемого сейсмоприёмника, поэтому метод измерения с их использованием называется абсолютным.


Рисунок 1 — Осциллограммы сигналов акселерометра и датчика перемещений на частоте 1 Гц. Используемая аппаратура и ПО: вибростенд ВС 133, анализатор спектра ZET 017, программа «Многоканальный осциллограф» ZETLab

Выбор датчика перемещения

Современный рынок предлагает большое разнообразие датчиков перемещения различных принципов действия, конструктивного исполнения, метрологических характеристик:

  • энкодеры,
  • LVDT-датчики,
  • ультразвуковые датчики,
  • индуктивные (вихретоковые) датчики,
  • лазерные (оптические) датчики.

Механические датчики, такие как энкодеры и LVDT-датчики, хоть и соответствуют требуемым точностным характеристикам, при проведении виброиспытаний не используются, поскольку обладают высокой инерциальностью из-за механического контакта с контролируемой поверхностью, и больше подходят для статических измерений.

Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешение до 0,2 мм. При проведении виброиспытаний требуется большая точность измерений. Также ограничением в использовании ультразвуковых датчиков для измерения параметров сейсмоприёмников является рабочий диапазон частот данных преобразователей.

Таким образом, для определения вибрации перемещения при проведении виброиспытаний в области низких частот остается выбор между оптическими и вихретоковыми датчиками перемещения.

На рисунке 2 показан принцип работы оптического датчика перемещений. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая преобразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал. [3]

Принцип работы оптического датчика перемещений
Рисунок 2 — Принцип работы оптического датчика перемещений

Чувствительным элементом вихретоковых датчиков является катушка индуктивности, которая заключена в торце диэлектрического наконечника (Рисунок 3). Датчик подключается к драйверу, который обеспечивает возбуждение электромагнитных колебаний в катушке, в результате чего возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с материалом контролируемого объекта. Если материал обладает электропроводностью, на его поверхности наводятся вихревые токи, которые, в свою очередь, изменяют параметры катушки — ее активное и индуктивное сопротивление. Параметры меняются при изменении зазора между контролируемым объектом и торцом датчика. Драйвер преобразует эти изменения в электрический сигнал, осуществляет его линеаризацию и масштабирование. [4]

Принцип работы вихретокового датчика перемещений
Рисунок 3 — Принцип работы вихретокового датчика перемещений

Лазерный датчик требует фокусировки перед каждым измерением, но обладает очень высокой повторяемостью, поскольку основой измерений является дискретная величина — длина волны лазерного излучателя.

Вихретоковые датчики работают в диапазоне амплитуд порядка нескольких миллиметров без настройки и проще в изготовлении, что делает их дешевле оптических датчиков, но они требуют более частой поверки, поскольку в основе измерений лежит время затухания колебаний, зависящее от многих факторов помимо измеряемого расстояния.

К общим преимуществам датчиков перемещения можно отнести высокую точность измерения параметров вибрации на низких частотах и простоту калибровки, которую можно проводить путем перемещения датчика на известную величину.

Влияние внешних факторов

Все более возрастающий интерес к сейсмоприёмникам объясняется их высокой чувствительностью в области низких частот, что позволяет применять их в системах безопасности нефтегазовых коммуникаций, для диагностики мостов изданий, при проведении траекторных испытаний и во многих других приложениях измерений.

Достоверность показаний любых датчиков определяется при их поверке. Поверка виброизмерительных преобразователей обычно проводится на виброустановках, большинство из которых позволяет воспроизводить перемещения порядка 1÷2 мм, что обеспечивает высокое качество сигнала на частотах выше 20 Гц, но на более низких частотах уровень сигнала с датчика соизмерим со значением электронных шумов и помех, вызванных окружающей средой. Это предъявляет высокие требования к условиям, в которых проводятся испытания, для минимизации влияния на показания внешних факторов.

На низких частотах из-за малого уровня сигнала с датчика в результирующий сигнал гораздо больший вклад, по сравнению с измерениями на высоких частотах, вносят различные помехи:

  • тепловые воздействия,
  • импульсные помехи,
  • электронные шумы,
  • магнитные воздействия,
  • вибрационные помехи.

Это связано с тем, что на низких частотах при малых перемещениях, воспроизводимых большинством вибростендов, на поверяемый датчик воздействует виброускорение низкого уровня, при этом, сигнал, отдаваемый датчиком, соизмерим с уровнем помех. Поэтому для получения достоверных результатов измерений следует провести ряд мероприятий для минимизации влияния внешних факторов.

Прежде всего, следует исключить импульсные помехи от силовых установок вблизи испытательного комплекса, поскольку на низких частотах уровень сигнала с датчика соизмерим с уровнем электронных шумов, а импульсные помехи всегда превышают уровень электронных шумов (см. рисунок 1). Таким образом, в условиях импульсных помех наблюдаются скачки показаний, и результат измерений многократно превышает значение реально измеряемого виброускорения. Также следует максимально уменьшить влияние внешних магнитных полей на испытательный комплекс.

Импульсные помехи
Рисунок 1 — Осциллограмма сигнала в условиях импульсных помех

При измерении параметров высокочувствительных датчиков в области низких частот следует учесть динамическое воздействие окружающей температуры (см. рисунок 2). Это когда быстрое изменение окружающей температуры приводит к механическим деформациям корпуса вибродатчика, которое передается непосредственно на пьезоэлемент. При медленных изменениях температуры подобные процессы не наблюдаются. Таким образом, следует также исключить движение воздушных потоков вблизи измерительной установки.

Температурные воздействия
Рисунок 2 — Осциллограмма сигнала в условиях температурных воздействий

Значительный вклад в результаты измерений низкочастотных сигналов также могут вносить механические помехи (см. рисунок 3). Поэтому для проведения измерений параметров виброизмерительных преобразователей в области низких частот требуются специализированные помещения, обладающие хорошей звукоизоляцией и теплоизоляцией. Здание должно быть установлено на специальном фундаменте и расположено вдали от транспортных коммуникаций: автомобильных магистралей, железных дорог и аэропортов.

Механические помехи
Рисунок 3 — Осциллограмма сигнала в условиях механических помех

Кроме того, для выделения полезного сигнала из показаний сейсмоприемников рекомендуется использовать узкополосный спектральный анализ, который позволяет получать результаты на несущей частоте сигнала. Таким образом высокочастотные составляющие, например, импульсные помехи, не влияют на полученные данные.

Соблюдение указанных рекомендаций позволит свести к минимуму влияние внешних факторов на результаты измерений сейсмоприёмников и проводить качественную поверку виброизмерительных преобразователей в области низких частот.

Примечание: осциллограммы сигналов, используемые в данной статье, получены с помощью программы «Многоканальный осциллограф» при поверке сейсмоприемников ВС1313 в условиях воздействия различных помех, обработка сигналов осуществлялась анализатором спектра ZET017.

Выбор метода анализа сигналов

В связи с тем, что на низких частотах сигнал с датчика соизмерим с величиной шумов измерительной электроники, особое внимание следует уделить выделению полезного сигнала. Для этого используется узкополосный спектральный анализ. В основе данного типа анализа лежит принцип разложения временной реализации сигнала в частотный спектр с равномерным шагом по частоте с помощью преобразования Фурье. [5]

Для оптимизации длительности проведении испытаний необходимо учесть взаимозависимость ширины полосы спектра и времени накопления сигнала. На рисунках 4 и 5 приведены спектры синусоидального сигнала частотой 1 Гц с полосой анализа 0,1 и 0,02 Гц, на рисунках 6 и 7 — соответствующие им проходные характеристики анализируемых сигналов. Проходная характеристика отображает зависимость уровня сигнала от времени на определенной частоте, иллюстрируя процесс накопления сигнала при проведении узкополосного спектрального анализа. Чем уже полоса анализа, тем дольше производятся измерения. Из рисунков 4-7 видно, что увеличение полосы анализа в 5 раз уменьшает длительность измерений также в 5 раз. Наиболее оптимальным решением является анализ сигнала с полосой 0,1·f, где f — частота сигнала, что соответствует времени накопления сигнала 10·T, где Т — период сигнала.


Рис. 4 — Спектр сигнала с полосой анализа 0,02 Гц

Рис. 5 — Спектр сигнала с полосой анализа 0,1 Гц

Рис. 6 — Спектр сигнала с полосой анализа 0,02 Гц

Рис. 7 — Спектр сигнала с полосой анализа 0,02 Гц
Для получения графиков использовался анализатор спектра ZET 017 и виртуальные приборы ZETLab: программа «Генератор сигналов различной формы» для воспроизведения сигнала и программа «Узкополосный спектр» с дополнительным окном «Проходная» для анализа сигнала. При этом проводился параллельный анализ сигнала двумя экземплярами программы с абсолютно идентичными настройками, кроме полосы анализа.

Применение узкополосного спектрального анализа позволяет исключить из результатов измерений влияние вибраций от промышленных установок, от колебаний зданий, погодных и температурных воздействий.

Система для проведения поверки

Схема измерения параметров сейсмоприёмников с помощью датчика перемещений приведена на рисунке 8. Сейсмоприёмник устанавливается на вибростенд и на вибростенде воспроизводятся колебания заданной частоты и амплитуды. Датчик перемещений устанавливается таким образом, чтобы измерительная ось была параллельна направлению вибрации, например, лазерный луч оптического датчика перемещений должен перпендикулярно падать на крышку поверяемого сейсмоприемника. Управление вибростендом осуществляется генератором синусоидального сигнала, подключаемого через усилитель мощности. Датчики подключаются к регистрирующей аппаратуре, осуществляющей измерения параметров сигнала.


Рисунок 8 — Общая схема поверки сейсмоприёмников с помощью датчика перемещений.

Использование многоканальных анализаторов спектра со встроенным генератором позволяют сократить количество приборов, используемых при поверке — один анализатор спектра заменяет генератор и два вольтметра (см. рисунок 8 и рисунок 9). Кроме того, применение анализаторов спектра делает возможным организацию обратной связи на программном уровне, поскольку для управления вибростендом и измерения параметров вибрации используется один и тот же прибор. Таким образом создаются автоматизированные системы поверки.


Рисунок 9 — Схема поверки сейсмоприёмников с помощью датчика перемещений на базе многоканального анализатора спектра со встроенным генератором.

Автоматизация поверки

Измерения в области низких частот занимают длительное время. Например, период сигнала частотой 1 Гц составляет 1 секунду, частотой 0,1 Гц — 10 секунд. Повторяемость результатов обеспечивается при измерении с усреднением сигнала не менее чем за 10 периодов. Таким образом, снятие показаний с датчика на частоте 1 Гц занимает от 10 секунд, на частоте 0,1 — от 100 секунд (почти 2 минуты!). Кроме того, при каждом измерении требуется неоднократная коррекция сигнала генератора, управляющего вибростендом, для воспроизведения необходимого уровня вибрации. А, значит, проведение измерений занимает в 2-3 раза больше указанного времени. Данные расчёты отражают минимальное время, требуемое для измерений аппаратурой, и не учитывают время, затрачиваемое поверителем на съём показаний измерительного оборудования и обработку результатов измерений, в том числе расчёт ускорения из значений перемещения для каждой частоты.

Таким образом, при проведении измерений в области низких частот особенно актуальной становится задача автоматизации.

Современные средства измерения позволяют преобразовывать показания датчиков перемещения в виброускорение «на лету» и, разделив на него показание поверяемого датчика, отображать на экране конечный результат — коэффициент преобразования. При необходимости может рассчитываться виброскорость, таким образом, автоматизированные системы позволяют поверять сейсмоприёмники как с выходом по ускорению, так и с выходом по скорости (велосиметры) и перемещению.

При разработке автоматизированных систем закладывается алгоритм изменения параметров измерения для каждой частоты. Поскольку длительность измерений зависит от ширины полосы спектрального анализа, подбор данного значения для каждой частоты обеспечивает, с одной стороны, требуемую точность поверки, а с другой стороны — минимально возможное время измерений.

Кроме того, автоматическая коррекция сигнала генератора, управляющего вибростендом, также занимает гораздо меньше времени, чем при проведении измерений вручную, поскольку в автоматическом режиме по показаниям образцового датчика, значению поданного напряжения и требуемым параметрам вибрации производится расчёт поправки, на которую необходимо изменить напряжение, подаваемое на вибростенд. Высокая точность расчёта позволяет производить коррекцию напряжения генератора с первого раза, в то время как при проведении измерений в обычном режиме это задача решается за несколько итераций даже опытным поверителем.

Программы для поверки сейсмоприёмников в автоматическом режиме могут быть написаны на языке программирования или построены в среде графического проектирования типа SCADA (SCADA — аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных [6]). Использование графических сред проектирования позволяет пользователю вносить изменения в программу, не обладая навыками программиста, поскольку SCADA-проекты реализуются в виде интуитивно понятной мнемосхемы (Рисунок 10). При этом внешний вид программы настраивается с помощью окон параметров, а не программным кодом, что упрощает процесс адаптации системы под стандарты предприятия.

Рисунок 10 — Схемы управления генератором и узкополосного спектрального анализа в SCADA ZETView (интерфейс проектирования)

Автоматизированная система поверки сейсмоприёмников на базе анализатора спектра ZET017 и SCADA ZETView

На рисунке 11 приведен пример программы для поверки виброизмерительных преобразователей в области низких частот в автоматическом режиме, реализованной в SCADA ZETView. Программа предназначения для управления анализатором спектра ZET 017 и произведению расчетов по показаниям датчика перемещений. В программе реализован выбор полосы спектра для каждой частоты, коррекция уровня генератора, расчет всех параметров в режиме реального времени.

Данная программа позволяет определять коэффициент преобразования датчиков с выходом по ускорению, по скорости и по перемещению, а также получать амплитудно-частотную характеристику поверяемого датчика. В процессе измерений на экране отображаются осциллограммы сигналов, а также показания поверяемого сейсмоприёмника и датчика перемещения и параметры вибрации, рассчитываемые по показаниям датчика перемещения — скорость и ускорение. От оператора требуется лишь задать начальную и конечную частоту, амплитуду виброперемещений и нажать кнопку «СТАРТ».


Рисунок 11 — Программа поверки датчиков в области низких частот, реализованная в SCADA ZETView (интерфейс оператора)

Одним из преимуществ программы поверки датчиков, реализованной в SCADA ZETView, является сохранение результатов в файл по адаптируемому под требования заказчика шаблону. В отчет могут вноситься значения измеряемых параметров и условий проверки, таблицы, графики, а также заключение о результатах.

Заключение

При поверке сейсмоприёмников возникает ряд трудностей, как в определении параметров воздействующей вибрации, так и в выделении полезного сигнала сейсмоприёмника. Проведение измерений в области низких частот требует обеспечения определенных условий для минимизации влияния внешних факторов на показания приборов. Для определения параметров вибрации рекомендуется использовать бесконтактные датчики перемещения, а сигнал с сейсмоприёмника анализировать узкополосным спектром. Автоматизация поверки позволяет в значительной мере снизить время и трудозатраты на данный процесс и существенно увеличить производительность предприятий. Такой комплекс мероприятий позволяет проводить поверку сейсмоприёмников во всем рабочем диапазоне частот с высокой точностью.

Рассмотренная система поверки виброизмерительных преобразователей в области низких частот на базе анализатора спектра ZET 017 и программы, реализованной в SCADA ZETView, отвечает всем рекомендациям и с успехом может быть применена для поверки сейсмоприёмников в автоматическом режиме. Состав системы приведен в разделе «Система поверки сейсмоприёмников».

Статья опубликована в журнале «Датчики и системы» № 2 2012

Авторы: Ивлев Л.Е., Коновалова Т.Н.

Список литературы:
1. «Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям» Марк Серридж, Торбен Р. Лихт
2. ГОСТ Р 8.669-2009 «ГСИ. Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. МП»
3. «Аналоговые датчики расстояния». Brian Duval. Перевод: Алексей Журав. //www.sensor.ru/articles/299/element_300.html
4. «Виброизмерительная аппаратура». Каталог ООО «ГлобалТест» 2005,
5. «Руководство оператора ZETLab», ООО «ЭТМС».
6. Википедия — свободная энциклопедия //ru.wikipedia.org/wiki/SCADA