Особенности применения векторных виброакселерометров

Описан векторный (трехкомпонентный с одним чувствительным элементом) виброакселерометр. Приведены результаты испытаний датчика на промышленных объектах: на авиационном двигателе АИ-9В (ВИА им. проф. Н.Е.Жуковского), на опорах турбоагрегата Т-250/300-240 (ТЭЦ-23 Мосэнерго), а также при балансировке ротора газотурбинной энергетической установки ГТ-100-3 мощностью 100 МВт (ГРЭС-3 Мосэнерго).

Для определения режимов вибрации различных машин и механизмов в настоящее время используют пьезоэлектрические однокомпонентные виброакселерометры (рис. 1).

С помощью этих датчиков можно измерить лишь проекцию вектора виброускорения на ось датчика. Но одна эта проекция не позволяет определить ни величину, ни направление вектора виброускорения a. Для решения этой проблемы требуется не однокомпонентный, а трехкомпонентный датчик. И тогда по трем проекциям вектора a можно получить его величину и направление в заданной системе координат. Однако, все известные трехкомпонентные виброакселерометры представляют собой сочетание трех однокомпонентных датчиков в одном корпусе. Так как при этом чувствительные элементы датчиков неизбежно располагаются в трех различных точках пространства, т.е. имеются три измерительные точки с несовпадающими координатами, законы физики запрещают рассматривать их показания в качестве проекций вектора виброускорения. Тем не менее это обстоятельство игнорируется, что, естественно, искажает информацию об уровне вибрации самолетов, вертолетов, турбин электростанций и т.д. в точках контроля.

Принципиальное отличие предлагаемого датчика заключается в том, что в нем используется лишь один чувствительный элемент (т.е. имеется лишь одна измерительная точка) в виде прямоугольного параллелепипеда, изготовленного из пьезокристалла определенной симметрии и ориентации 1.2.

Принцип работы датчика показан на рис.2.

Если вектор виброускорения а направлен вдоль оси Z, то заряды возникают лишь на гранях, перпендикулярных оси Z; если вектор а направлен вдоль оси Y, то заряды возникают лишь на гранях, перпендикулярных оси Y. И, наконец, если вектор а направлен вдоль оси X, то заряды возникают лишь на гранях, перпендикулярных оси X. В каждом из этих трех случаев на остальных четырех гранях зарядов вообще не будет, что следует из теории симметрии и тензорного анализа. Таким образом, теоретически поперечная чувствительность датчика должна быть равна нулю, что можно представить в виде матрицы:

		вибрация
		X	Y	Z	%
Выходной сигнал	X	100	0	0
	Y	0	100	0
	Z	0	0	100

Практически это укладывается в общие требования (<5%). Качество предлагаемых датчиков зависит от качества пьезоэлемента, кабеля, клея, разъемов и конструкции. Но даже при использовании отечественных комплектующих получены характеристики, превосходящие аналогичные у датчиков фирмы «Брюль и Къер», тип 4506 и фирмы «Эндевко», тип 2228С (см. таблицу).

Технические характеристики	Векторный акселерометр тип ВТК3	«Брюль и Къер» тип 4506 «Эндевко» тип 2228С	«Эндевко» тип 2228С
Количество измеряемых осей	3	3	3
Количество пьезоэлементов	1	1	3
Основная чувствительность (датчик+усилитель), мВ/g	100	100	—
Максимальная поперечная чувствительность, %	5	5	5
Частота резонанса вдоль оси Z, кГц	58	10	21
Частотный диапазон (5%), Гц	5…15000
Частотный диапазон (±5%), Гц			20…4000
Частотный диапазон (±10%), Гц		1…2000
Температурный диапазон, °С	—60…+250	—54…+121	—55…+175
Температурный коэффициент чувствительности	0,05%/°С	1м•c-2/°С	0,2%/°С
Размеры, мм	O22×26	17×17×14,5	—
Масса без кабеля, г	27	15	15

Но главное отличие векторного датчика от известных аналогов заключается не в том, что одни параметры лучше, а другие хуже, а в том, что только он имеет единую измерительную точку, что позволяет по трем проекциям получить величину и направление вектора виброускорения в этой точке. Следовательно, только датчик нового поколения позволяет получить достоверную информацию о режимах вибрации различных машин и механизмов. При использовании любых других датчиков связь между параметрами механических вибраций и электрическими сигналами виброизмерительной системы весьма сомнительна.

Датчик работает в комплекте с трехканальным усилителем заряда, имеющим симметричный (дифференциальный) высокоомный вход и несимметричный низкоомный выход. К усилителю прилагается блок питания постоянного тока + 15 В.

Проведены сравнительные испытания штатного однокомпонентного датчика (тип АВС-117, № 81182604, изготовитель з-д «Биофизприбор», г. Львов) и трехкомпонентного датчика (тип ВТК3, № 002, изготовитель «РЭМ-вибро», г. Ногинск М.О.) в реальных условиях на авиационном двигателе (тип АИ-9В).

Ниже, на рис.3, приведены результаты виброиспытаний на одном из многих режимов двигателя (диапазон частот 10 — 600 Гц)

Проекции вибрации (виброускорение м/с², СКЗ) направление X (датчик 002), направление Y (датчик 002), направление Z (датчики 002 и АВС-117) Рис. 3

Однокомпонентный датчик был установлен на двигателе параллельно оси Z трехкомпонентного датчика, и их показания совпали (1,5g). Однако вдоль оси X трехкомпонентного датчика ускорение составило 5g, а вдоль оси Y — 5,5g. Таким образом, измеренная с помощью векторного датчика истинная величина виброускорения составила 7,6g. И это при одновременном показании штатного датчика 1,5g, т.е. штатный датчик, в данном конкретном эксперименте, выдал показания в 5 раз меньше по сравнению с истинной величиной.

Таким образом, виброиспытания на авиационном двигателе подтвердили тот факт, что использование однокомпонентных датчиков приводит к заниженным показаниям значений величины истинного вектора виброускорения.

При проведении работ по измерению параметров вибрации опор турбоагрегата Т-250/300-240 использовались векторные датчики (№ 002 и № 008), а также однокомпонентные датчики ( № 09,10,11,15 фирмы «Кодис», г. Воронеж). Измерения параметров вибрации проводились с целью определения контурных характеристик конструкций и форм колебаний в штатных точках контроля абсолютной вибрации опор и др. точках, по программе испытаний.

По результатам испытаний определялись следующие вибрационные характеристики:

• Суммарная виброскорость, СКЗ (в мм/с);
• Амплитуда оборотной гармоники (эффективное значение виброскорости в мм/с и размах виброперемещения в мкм);
• Фаза оборотной гармоники (в градусах);
• Спектральные характеристики вибрации в диапазоне от 10 до 1000Гц (виброскорость в мм/с).

Схемы расположения датчиков приведены на рисунках 4а,б,в,г.

Впервые на практике получено пространственное распределение вектора смещения в зависимости от фазовых соотношений пространственной вибрации, измеренное в трехмерной системе координат, рис. 5.

Номер точки	Трехмерная траектория движения с проекциями, мкм	Номер точки	Трехмерная траектория движения с проекциями, мкм
1		4
2		5
3		6

в точках 1-3 «по вертикали» (цикл № 3) в точках 4-6 «по горизонтали» (цикл № 4) Рис. 5

На основании результатов испытаний, подробно изложенных в 3, сделаны следующие выводы:

1. Показания однокомпонентных и векторных датчиков вдоль соответствующих осей совпадают с высокой степенью точности. При этом, значения составляющих пространственного вектора виброускорения по другим осям существенно изменяют представление о величине и направлении вектора.

2. Единый чувствительный элемент векторных датчиков исключает фазовые искажения по трем осям. Этот факт позволяет по-новому подойти к методике балансировочных работ, особенно в тех случаях, где требуется высокая степень сбалансированности. Применение векторных датчиков открывает возможность увеличить в три раза число используемых плоскостей коррекции и существенно улучшить точность балансировки, обеспечить более равномерное распределение корректирующих масс вдоль оси ротора. Применение векторных датчиков в энергетике позволяет оценивать реальные вибросостояния энергетических конструкций, помогает выявить причины повышенных вибраций (отрывы опор, резонансы и повышенные податливости опорных элементов, ослабление креплений…).

3. Применение векторных датчиков предоставляет возможность получения достоверных «вибропортретов» исследуемых агрегатов и конструкций и открывает качественно новый уровень вибромониторинга и диагностики подверженных вибрационному разрушению объектов.

Выполнена балансировка шестиопорного валопровода энергетической газотурбинной установки ГТ-100-3 с использованием двух плоскостей коррекции дисбаланса. Эта операция включает в себя определение суммарных динамических коэффициентов влияния и их использование при расчетах корректирующих масс. В результате балансировки за одну итерацию исходная вибрация опор по всем направлениям измерения была снижена в 2,5 раза, до уровня существенно ниже допускаемого ПТЭ и ГОСТ 25364-98 для длительной эксплуатации, что исключило необходимость в корректировочных пусках. По информации специалистов каждый корректировочный пуск оценивается ориентировочно в 500-800 тысяч рублей.

РЕЗЮМЕ:

• Использование однокомпонентных вибродатчиков дает занижение в 3-5 раз против истинного значения параметров вибрации.
• Использование трехкомпонентных датчиков значительно сужает диапазон рабочих частот (не выше 2-4 кГц).
• Лишь использование векторных датчиков приводит к возможности получения точного значения величины и направления вектора виброускорения.
• Только использование векторных датчиков может приводить к обоснованному продлению сроков безаварийной эксплуатации энергетического оборудования в различных областях промышленности.
• Только использование векторных датчиков может приводить к своевременному предотвращению техногенных катастроф.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Патент РФ № 2061242, Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом.

2. И.Б.Кобяков, Трехкомпонентный виброакселерометр для систем вибрационной диагностики технических систем, «Контроль. Диагностика», № 10(40) 2001г., стр. 17-18.

3. А.И.Куменко, С.В.Калинин, И.Б.Кобяков, Вибрационные испытания опор турбоагрегата с использованием трехкомпонентных виброакселерометров нового поколения, «Теплоэнергетика», № 6 2003года, стр. 36-43.

Технические характеристики датчиков и усилителей.

Векторный виброакселерометр тип ВТК 1

в комплекте с трехканальным усилителем заряда УТК 2

№	Технические характеристики	ОСИ
		X	Y	Z
1.	Диапазон измерения виброускорений (СКЗ), мс-2	0.5 … 1400	0.5 … 1400	0.5 … 1400
2.	Диапазон частот (5 %), Гц	5 … 5000	5 … 5000	5 … 10000
3.	Номинальное значение коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, пКл / мс-2 мВ / мс-2	0,3 0,7	0,3 0,7	1,0 2,0
4.	Действительное значение коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, мВ/мс-2	1,0 …… 10,0	1,0 …… 10,0	1,0 …… 10,0
5.	Погрешность определения действительного коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, % не более	±5	±5	±5
6.	Максимальное значение неразрушающего удара, g	2000
7.	Максимальный относительный коэффициент поперечного преобразования на базовой частоте 40 Гц, %	5,0	5,0	5,0
8.	Уровень собственных шумов, мкВ, не более	20	20	20
9.	Резонансная частота закрепленного датчика, кГц	27	34	38
10.	Нелинейность амплитудной характеристики на базовой частоте 40 Гц, %	1	1	1
11.	Диапазон рабочих температур, 0C акселерометр усилитель	— 60+ 250 -20+ 70	— 60+ 250 -20+ 70	— 60+ 250 -20+ 70
12.	Дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды %/0C, не более	0.1	0.1	0.1
13.	Коэффициент влияния деформации на 10-6 единиц относительной деформации, м/с2, не более	0.03	0.03	0.03
14.	Емкость датчика, пФ	410	410	530
15.	Сопротивление изоляции при 20 0C, Ом	1013	1013	1013
16.	Габаритные размеры, мм	O22×25
17.	Масса датчика (без кабеля), г	27
18.	Пьезоэлектрический материал	тип 850, APC
19.	Материал корпуса	Титан
20.	Вид крепления	4 шпильки М5

Векторный виброакселерометр тип ВТК 3

в комплекте с трехканальным усилителем заряда УТК 2

№	Технические характеристики	ОСИ
		X	Y	Z
1.	Диапазон измерения виброускорений (СКЗ), мс-2	0.5 … 1400	0.5 … 1400	0.5 … 1400
2.	Диапазон частот (5 %), Гц	5 … 7000	5 … 7000	5 … 20000
3.	Номинальное значение коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, пКл / мс-2 мВ / мс-2	0,3 0,7	0,3 0,7	1,0 2,0
4.	Действительное значение коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, мВ/мс-2	1,0 …… 10,0	1,0 …… 10,0	1,0 …… 10,0
5.	Погрешность определения действительного коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, % не более	±5	±5	±5
6.	Максимальное значение неразрушающего удара, g	2000
7.	Максимальный относительный коэффициент поперечного преобразования на базовой частоте 40 Гц, %	5,0	5,0	5,0
8.	Уровень собственных шумов, мкВ, не более	20	20	20
9.	Резонансная частота закрепленного датчика, кГц	20	20	52
10.	Нелинейность амплитудной характеристики на базовой частоте 40 Гц, %	1	1	1
11.	Диапазон рабочих температур, 0C акселерометр усилитель	— 60+ 250 -20+ 70	— 60+ 250 -20+ 70	— 60+ 250 -20+ 70
12.	Дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды %/0C, не более	0.1	0.1	0.1
13.	Коэффициент влияния деформации на 10-6 единиц относительной деформации, м/с2, не более	0.03	0.03	0.03
14.	Емкость датчика, пФ	410	410	530
15.	Сопротивление изоляции при 20 0C, Ом	1013	1013	1013
16.	Габаритные размеры, мм	O22×26
17.	Масса датчика (без кабеля), г	27
18.	Пьезоэлектрический материал	тип 850, APC
19.	Материал корпуса	Титан
20.	Вид крепления	Шпилька М5

Векторный виброакселерометр тип ВТК 7

в комплекте с трехканальным усилителем заряда УТК 2
—
5 … 20000 — 31.3

№	Технические характеристики	ОСИ
		X	Y	Z
1.	Диапазон измерения виброускорений (СКЗ), мс-2	0.5 … 1400	0.5 … 1400	0.5 … 1400
2.	Диапазон частот (5 %), Гц	—
3.	Номинальное значение коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, пКл / мс-2 мВ / мс-2	0,3 0,7	0,3 0,7	1,0 2,0
4.	Действительное значение коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, мВ/мс-2	1,0 …… 10,0	1,0 …… 10,0	1,0 …… 10,0
5.	Погрешность определения действительного коэффициента преобразования на базовой частоте 40 Гц, % не более	±5	±5	±5
6.	Максимальное значение неразрушающего удара, g	2000
7.	Максимальный относительный коэффициент поперечного преобразования на базовой частоте 40 Гц, %	5,0	5,0	5,0
8.	Уровень собственных шумов, мкВ, не более	20	20	20
9.	Резонансная частота закрепленного датчика, кГц	—
10.	Нелинейность амплитудной характеристики на базовой частоте 40 Гц, %	1	1	1
11.	Диапазон рабочих температур, 0C акселерометр усилитель	— 60+ 250 -20+ 70	— 60+ 250 -20+ 70	— 60+ 250 -20+ 70
12.	Дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды %/0C, не более	0.1	0.1	0.1
13.	Коэффициент влияния деформации на 10-6 единиц относительной деформации, м/с2, не более	0.03	0.03	0.03
14.	Емкость датчика, пФ	380	380	500
15.	Сопротивление изоляции при 20 0C, Ом	1013	1013	1013
16.	Габаритные размеры, мм	O38×28
17.	Масса датчика (без кабеля), г	39
18.	Пьезоэлектрический материал	Pz 27
19.	Материал корпуса	Титан
20.	Вид крепления	Три винта М4

Источник: www.vsvm.ru