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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Dispositif de surveillance à distance de l'état de santé des capteurs piézoélectriques
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Dispositifs de sécurité et signalisation d'objets Le danger des conséquences d'un accident oblige à imposer des exigences accrues sur la fiabilité de la voie de mesure et surtout du capteur, car il est exploité dans les conditions les plus difficiles qui existent sur cette installation. Il est nécessaire de contrôler ses propriétés comme moyen de mesure plus souvent qu'avec une vérification périodique (généralement une fois par an). Étant donné que le capteur est souvent installé dans un endroit difficile d'accès (par exemple, sous le boîtier de l'unité), le contrôle doit être effectué à distance. Le procédé de commande [1], mis en oeuvre dans le dispositif décrit et le permettant, est basé sur le fait que le transducteur piézoélectrique du capteur est réversible, il génère un signal électrique lorsqu'il est sollicité mécaniquement et subit une déformation mécanique lorsqu'un transducteur électrique tension est appliquée. Dans les deux cas, le niveau de réponse à l'impact est déterminé par le même coefficient, appelé piézo-module. L'inertie du capteur en tant que système mécanique est déterminée par la fréquence de ses oscillations libres, qui dépend principalement des propriétés du capteur lui-même, mais aussi des propriétés mécaniques de la partie de l'objet en contact avec le capteur. C'est ce qu'on appelle la fréquence de résonance de l'installation (UR). L'inertie électrique n'est pas liée à l'inertie mécanique et est déterminée en première approximation par le produit de la capacité du capteur avec le câble et la résistance active de sa charge. Le spectre de fréquence de la vibration mesurée par le capteur se situe toujours en dessous de la fréquence du SD (sinon le résultat de la mesure ne sera pas fiable), occupant, en règle générale, la zone de zéro à 0,2...0,3 de sa valeur. Pour se connecter au dispositif de contrôle décrit, le capteur est déconnecté de l'équipement avec lequel il fonctionne. Une tension constante lui est appliquée, chargeant sa capacité et déformant l'élément piézoélectrique. La durée de cette opération doit être telle que tous les processus mécaniques et électriques transitoires aient le temps de se terminer. Après cela, la source de tension est déconnectée du capteur et une petite résistance active est connectée aux bornes de ce dernier pendant un temps (généralement plusieurs dizaines de microsecondes) suffisant pour décharger presque complètement la capacité du capteur. La déformation mécanique de l'élément piézoélectrique ne peut pas évoluer au même rythme, son retour à l'état initial se fait sous forme d'oscillations amorties à la fréquence SD. L'élément piézoélectrique convertit ces oscillations en un signal électrique, qui est enregistré, par exemple, par un oscilloscope à mémoire. Un signe de l'état normal du capteur est l'invariabilité de la forme et du niveau du signal lors d'une surveillance répétée. Les nœuds principaux du dispositif de contrôle sont deux vibrateurs simples, qui définissent la durée des intervalles de fermeture et d'enregistrement, et deux commutateurs. L'excitation des oscillations par la décroissance de l'impulsion avec une durée stable du circuit permet d'obtenir une bonne répétabilité du niveau et de la forme du signal électrique, nécessaire aux opérations métrologiques. La version décrite de l'appareil est un peu plus compliquée. L'oscilloscope à mémoire étant un appareil coûteux et relativement rare, le processus de commande est rendu cyclique, ce qui a permis d'utiliser un oscilloscope classique. Pour une plus grande fiabilité dans la détermination de la fréquence de SD, un filtre est introduit qui supprime les interférences à haute fréquence. Il y a une alimentation autonome basse tension et un fréquencemètre UR avec un indicateur LED.
Le schéma de l'appareil est illustré à la fig. 1. Le multivibrateur sur les éléments DD1.1 et DD1.2 génère des impulsions rectangulaires. A partir de la sortie de l'élément DD1.2, une impulsion de durée t est envoyée à l'entrée de commande du commutateur DA1.3. Pendant son fonctionnement, une tension de charge de +1 V est fournie par un interrupteur fermé à l'entrée du capteur relié au connecteur X14 via le circuit R15R3HL12 (courbe U3 sur la Fig. 2).
La capacité du capteur est chargée jusqu'à cette tension. La LED HL3 est conçue pour signaler un court-circuit dans le circuit du capteur. L'impulsion, inverse par rapport à celle considérée, provient de la sortie de l'élément DD1.1 à travers les circuits différentiateur (C2R6) et intégrateur (C4R11) jusqu'aux entrées de l'élément DD1.3. A sa sortie, une impulsion de niveau logique bas est formée, située dans la pause entre les impulsions de charge, mais ayant une durée t2 plus courte que la pause. A travers le circuit différenciateur C6R18, le front descendant de cette impulsion déclenche un vibreur unique sur le temporisateur DA6, dont l'impulsion, d'une durée déterminée par les paramètres du circuit R21C7 (intervalle t3 sur la Fig. 2), est envoyée au entrée de commande de l'interrupteur inférieur (selon le circuit) du microcircuit DA2. Dans ce cas, la sortie du capteur (broche 3 du connecteur X1) est connectée à un fil commun via l'interrupteur et la résistance R12, déchargeant la capacité du capteur. La tension aux bornes du capteur (courbe U sur la Fig. 2) diminue jusqu'à zéro. Le front descendant de l'impulsion de temporisation déclenche un seul vibreur sur les éléments DD6.1 et DD6.3, générant une impulsion de durée t4 (déterminée par les paramètres du circuit C13R31R53) maintenant de nature oscillatoire, à travers le circuit différenciateur C6.2R2 est alimenté à l'entrée de l'amplificateur sur l'ampli-op DA5, à la sortie duquel, à travers la résistance R16, le commutateur SA4 connecte soit le condensateur C25 (mode "Indication"), soit la résistance R3 (mode "Diagnostic"). Dans le premier cas, un filtre de lissage est formé, dans le second - un diviseur de tension indépendant de la fréquence. Ensuite, le signal va au connecteur X8, auquel un oscilloscope ou un autre enregistreur est connecté. Une impulsion de synchronisation est émise vers le même connecteur, coïncidant dans le temps avec le début de l'intervalle t27. Les nœuds restants de l'appareil forment le fréquencemètre UR. Le signal du capteur à l'aide de l'amplificateur DA3 et du comparateur de tension DA5 est converti en une série d'impulsions d'amplitude standard. Le gain (10 ou 20) est sélectionné par le commutateur SA2 dont l'état est indiqué par les LED HL1 et HL2. Compter les impulsions de la sortie du comparateur pendant 1 ms donnerait la valeur de la fréquence du SD en kilohertz. Cependant, cette méthode s'est avérée inacceptable, car les oscillations naturelles des capteurs piézoélectriques modernes se dégradent beaucoup plus rapidement. Par conséquent, il était nécessaire de compter les impulsions pendant plusieurs intervalles plus courts d'une durée totale de 1 ms. L'expérience a montré que deux intervalles de 500 μs sont tout à fait suffisants. Le compte se déroule comme suit. Après avoir appuyé sur le bouton SB2 "Set. 0", le compteur DD2.1 est mis à l'état de préparation pour le comptage, indiqué par la LED HL4 "Ready", et les compteurs DD4 et DD5 sont mis à zéro. Un appui long sur le bouton SB1 "Start" ouvre l'interrupteur DA1.1, et les impulsions d'horloge de la sortie de l'élément DD1.2 passent par l'interrupteur ouvert DA1.2 vers le compteur DD2.1. Les deux entrées des signaux de l'élément DD3.2 proviennent des sorties 2 et 4 du compteur, et sa troisième entrée - de la sortie de l'élément DD6.2. De ce fait, un niveau haut en sortie de l'élément DD3.3 n'existe que pendant les cycles de fonctionnement suivant les sixième et septième impulsions de charge (à compter de l'appui sur le bouton SB1). La huitième impulsion fixe un niveau haut à la sortie 8 du compteur DD2.1, ce qui ferme l'interrupteur DA3.1 à travers l'inverseur DD1.2. Le flux d'impulsions à l'entrée du compteur DD2.1 s'arrête et la LED HL4 s'éteint. Maintenant, le bouton SB1 peut être relâché. La sortie de l'élément DD3.3 est reliée à l'entrée de commande de l'interrupteur DA1.4, connecté entre la sortie du comparateur DA5 et l'entrée du compteur DD4. L'indication de l'état des compteurs DD4 et DD5 n'est pas tout à fait habituelle - en utilisant deux lignes de dix jours de LED HL5-HL24. Cela a été fait pour réduire la consommation de courant : la consommation totale de toutes ces LED ne dépasse en aucun cas 8 mA. Malheureusement, les écrans LCD encore plus économiques ne conviennent pas en raison de la plage de température de fonctionnement insuffisante. Diodes VD1-VD3 introduites pour réduire la diaphonie. Tous les condensateurs de l'appareil sont en céramique, et C7 et C13 doivent avoir un petit TKE, ils peuvent être différents, par exemple, le mica. Thermostable (par exemple, C2-31) devrait également être les résistances R21 et R31. Interrupteurs - coulissants de petite taille B1561. Cependant, au lieu de SA3, il est préférable d'utiliser un bouton avec des contacts de commutation, par exemple PS580N. La position des contacts lorsque le bouton est relâché doit correspondre à celle indiquée sur le schéma de la Fig. une. Le type de connecteur X1 dépend des capteurs qui doivent être vérifiés le plus souvent. L'auteur a utilisé une prise de bloc RS-4TV, car la majeure partie des capteurs de vibrations industriels domestiques sont des accéléromètres piézoélectriques ABC et ANS avec prises de câble RS-4TV, dont l'affectation des contacts correspond à celle illustrée dans le schéma de la Fig. 1. Étant donné que la résistance aux vibrations n'est pas requise d'une connexion détachable dans ce cas, il est conseillé de retirer soigneusement le filetage externe sur le corps de la fiche, ce qui facilitera et accélérera le processus de connexion et de déconnexion des capteurs. Des capteurs d'autres types peuvent être connectés à l'appareil via des adaptateurs appropriés. Le connecteur X2 peut être n'importe lequel, par exemple, ONTS-VG-2-3/16-r. Le fil de signal dans le câble qui y est connecté doit être blindé, le fil de signal d'horloge ne nécessite pas de blindage.
L'appareil est alimenté par une batterie de cinq à six cellules galvaniques de taille AA, dont la tension est convertie en un bipolaire stabilisé +/-12 V à l'aide d'un convertisseur TMR0522 [2], connecté selon le circuit illustré à la fig. 3. Lorsque la tension de la batterie GB1 est de 7,5 V, le courant qu'elle consomme est de 130 et 145 mA, respectivement, dans les modes "Diagnostic" et "Indication". L'appareil est monté sur deux cartes, l'une au-dessus de l'autre et reliées par des nappes. Les commandes et les LED sont montées sur la carte supérieure, et le reste des éléments est monté sur la carte inférieure, à l'exception des connecteurs, qui sont situés sur un panneau d'angle séparé. Le corps est sélectionné prêt. Étant donné que la plupart des éléments actifs sont des portes logiques et des amplis op sans correction externe, la configuration d'un appareil correctement câblé ne nécessite pas beaucoup d'efforts. Après vous être assuré que le multivibrateur sur les éléments DD1.1, DD1.2 génère des impulsions rectangulaires symétriques avec un taux de répétition de 30 ± 5 Hz, vous devez vérifier la position et la forme des impulsions à la sortie de l'élément DD1.3 .
En l'absence d'oscilloscope à deux faisceaux, vous pouvez utiliser pour cela l'additionneur le plus simple, dont le circuit est illustré à la Fig. quatre.
L'oscillogramme du signal à sa sortie doit avoir la forme représentée sur la Fig. 5, où t1 et t2 sont les mêmes intervalles que sur la fig. 2. En sélectionnant les résistances R6 et R11, assurez-vous que l'intervalle t2 commence après 0,3 ... 1 ms après la fin de l'impulsion de charge. Sa durée doit être de 5 ... 10 ms, la valeur exacte n'a pas d'importance. L'impulsion générée par le temporisateur DA6 doit avoir une durée comprise entre 20 et 30 μs. Mais la durée d'impulsion en sortie de l'élément DD6.2 doit être réglée avec une résistance d'ajustement R53 égale à 500 μs avec la plus grande précision possible. Cela affecte directement l'erreur de mesure de la fréquence SD.
Pour un réglage plus poussé, un capteur piézoélectrique (accéléromètre) est nécessaire, de préférence avec un coefficient de conversion de l'ordre du millivolt par mètre par seconde par seconde et une fréquence d'oscillation libre (elle est supérieure à la fréquence SD) supérieure à 10 kHz. En connectant le capteur au connecteur X1, les commandes de l'oscilloscope connecté au connecteur X2 obtiennent une image stable sur l'écran, similaire à celle illustrée à la Fig. 6-8. Ils montrent des oscillogrammes illustrant la dépendance du signal à l'état du capteur : lâche (Fig. 6) ; installé en stricte conformité avec le manuel d'instructions (Fig. 7); installé, mais avec une fixation lâche à la structure contrôlée (Fig. 8). L'échelle des oscillogrammes le long des axes vertical et horizontal est de 50 mV/div, respectivement. et 50 µs/div. La répétabilité des oscillations excitées est caractérisée par les résultats de la mesure de la position des points caractéristiques des oscillogrammes avec une répétition décuplée de l'excitation. L'écart n'a pas dépassé 1,5 % et a pratiquement coïncidé avec l'erreur de l'oscilloscope à mémoire S9-8 utilisé. Il est souhaitable de s'assurer qu'il n'y a pas de distorsion du signal à la sortie de l'ampli-op DA3. En pratique, elles sont peu probables, la plage d'oscillations amorties des capteurs de types différents varie légèrement et ne dépasse pas plusieurs centaines de millivolts. Lors de la vérification du fonctionnement du déclencheur de Schmitt sur le comparateur DA5, vous devez comparer le nombre de périodes du signal à son entrée et d'impulsions à la sortie. Les seuils de déclenchement sont fixés par une sélection de résistances R19 et R23. Le premier contrôle du capteur, spécialement conçu pour travailler sur un objet de fonctionnement à long terme et non-stop, est souhaitable d'effectuer immédiatement après son installation. Dans ce cas, il apparaîtra immédiatement si toutes les exigences sont remplies (non-planéité et rugosité admissibles de la surface d'appui, couple de serrage du filetage, absence de contamination, etc.). Leur violation peut tellement réduire la fréquence du SD que le signal du capteur ne reflétera pas correctement la nature de la vibration. De ce fait, il est possible de générer une fausse commande d'arrêt d'urgence de l'objet. Le résultat obtenu (comptage de la fréquence du SD et de la position de l'interrupteur SA2) est enregistré, il servira de base pour évaluer l'état du capteur lors des cycles de contrôle ultérieurs. L'écart observé servira de base à une étude plus détaillée de l'état du capteur et à une décision sur la nécessité de le réparer ou de le remplacer. Cela implique que le contrôle est effectué sur une unité à l'arrêt. Sa température n'est pas nécessairement constante, et l'effet utilisé est sensible à son évolution. Comme mentionné ci-dessus, aux deux étapes du processus d'excitation des oscillations, les réactions à l'impact sont déterminées par la valeur du module piézoélectrique - les caractéristiques du matériau du transducteur, qui dépendent du degré d'ordre de sa microstructure, qui diminue avec une température croissante. Dans ce cas, l'amplitude du signal électrique est proportionnelle au carré du module piézoélectrique et sa dépendance à la température est d'autant plus forte. Selon l'expérience, le signal du capteur avec une température de fonctionnement maximale de 250 ° C pendant le contrôle à des températures allant jusqu'à 120 ° C présentait une instabilité de ± 6%. Par conséquent, il est souhaitable que dans tous les cycles de contrôle, l'écart de température ne dépasse pas 20 °C. À cet égard, il est préférable d'utiliser l'appareil en conjonction avec un appareil permettant de mesurer la température du capteur. La possibilité d'effectuer une commande sur l'unité de commande dépend d'un certain nombre de circonstances. On peut immédiatement dire que si le niveau de vibration enregistré par le capteur lors du fonctionnement normal de l'objet est proche de la limite pour le capteur, la limite supérieure du spectre de vibration se rapproche de la fréquence du SD, ou, enfin, de la température du capteur est proche du maximum autorisé, le contrôle est impossible. Vous devrez l'effectuer lors des arrêts planifiés de l'unité, mais même dans ce cas, l'utilisation de l'appareil permettra de gagner du temps et de vous débarrasser des travaux mécaniques. Si les circonstances énumérées ci-dessus ne sont pas si évidentes, un contrôle doit être effectué avant le démarrage et pendant le fonctionnement de l'installation. En comparant les résultats, vous pouvez prendre une décision éclairée. Il faut garder à l'esprit que le contrôle utilisant uniquement les indicateurs intégrés de l'appareil décrit ne met en œuvre qu'une partie des possibilités. L'analyse du spectre ou d'autres caractéristiques des vibrations naturelles du capteur permettra non seulement d'évaluer plus précisément son état, mais également d'obtenir des informations supplémentaires sur la santé du nœud de l'objet sur lequel le capteur est installé. Le fait est que la limite supérieure du spectre du signal du capteur obtenu lors de son fonctionnement normal, ne dépasse le plus souvent pas 1000 Hz, et parfois même plus bas. De petits défauts sur l'objet ont peu d'effet sur la nature du spectre de vibration. Et comme le spectre est incomparablement plus large lors du contrôle, alors, en l'analysant, il est possible de remarquer même de petits changements dans la situation sur l'objet, bien sûr, s'ils se produisent à proximité du capteur. L'analyseur de spectre est connecté au connecteur X2 à la place de l'oscilloscope (ou avec lui) et le commutateur SA3 est réglé sur la position "Diagnostics". Le dispositif permet non seulement de détecter le fait d'un changement du coefficient de conversion du capteur provoqué par un changement du module piézoélectrique, mais aussi de calculer sa nouvelle valeur. La technique la plus simple consiste à comparer les signaux lors d'un double contrôle : d'abord, immédiatement après l'installation du capteur, lorsque les données de sa récente vérification sont valides, puis après le temps pendant lequel on peut s'attendre à des changements dans les paramètres du capteur. Sur les deux enregistrements, vous devez sélectionner N périodes d'oscillation de la même manière, dans chacune d'elles déterminer la plage du signal (la différence entre les valeurs maximale et minimale) et additionner les valeurs obtenues. Si lors du contrôle initial la somme V1 a été obtenue, et lors du contrôle répété - V2, le coefficient de conversion au moment du contrôle répété est égal à
où S1 est la valeur du coefficient de conversion obtenue lors de la vérification [3]. Il peut être utilisé dans l'analyse des résultats de mesure jusqu'à la prochaine vérification standard. Une autre application du dispositif peut être trouvée dans la fabrication de capteurs piézoélectriques aux étapes d'assemblage et de réglage des paramètres. Sur l'écran de l'oscilloscope, vous pouvez observer la réponse du capteur aux opérations en cours aussi clairement que lors du réglage des filtres avec une balayeuse. Dans ce cas, il est possible d'obtenir des informations non seulement sur la fréquence de résonance, mais aussi dans une certaine mesure sur la valeur du coefficient de conversion. Nous ajoutons qu'en plus des capteurs de vibration, il est possible dans certains cas de piloter des capteurs piézoélectriques de pulsation de pression, cependant le contrôle ne sera que qualitatif : selon le principe du "bon-défectueux". littérature 1. Subbotin M. Méthode d'excitation électrique des oscillations résonantes d'un accéléromètre piézoélectrique et dispositif pour sa mise en œuvre. Brevet RF n° 2150708. - Bulletin des inventions, 2000, n° 16.
Auteur : M. Subbotin, Moscou ; Publication : radioradar.net
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