ytgf6785f86rf  
Главная
Продукция
Партнеры
Статьи
О нас

Контакты

Ссылки


 

Назначение и область использования датчика



Проблемная ситуация
К области обыденных и привычных знаний, отражающих всеобщие свойства окружающего нас мира, относится понятие прочность. Свойство прочности присуще любому объекту материального мира, как природного, так и техногенного происхождения. Прочность является важнейшим критерием качества среды обитания, поскольку от нее зависит не только здоровье, комфортность, уверенность и успешность жизнедеятельности, но, прежде всего - возможность и безопасность самого существования жизни. Понятие прочности настолько вошло в повседневные привычки, что ощущается как некое само-собой разумеющееся свойство бытия. К сожалению, это далеко не так. Современное общество регулярно переживает потрясения от чрезвычайных ситуаций на объектах жизнеобеспечения и массового присутствия людей. Многочисленные аварии и катастрофы, лишая людей условий нормального существования и унося многие человеческие жизни, наносят невосполнимый моральный, материальный и экологический ущерб. Участившиеся в мире трагедии являются свидетельством того, что общество не располагает эффективными инструментами наблюдения, предвидения и предотвращения критических состояний промышленных, природно-технических и общественных объектов повышенной техногенной опасности.
В то же время параметры, определяющие прочность, достаточно корректно формализованы. Известно, что прочность обеспечивается тогда, когда физико-механические свойства любого материала, предмета или устройства находятся в пределах области упруго-пластических деформаций. Упругие деформации проявляются как свойство материала конструкции сопротивляться возмущающим факторам, как внешним, так и внутренним. При исчезновении возмущений свойство упругости возвращает зону объектного воздействия в прежнее, исходное, состояние. Пластические деформации проявляются как неспособность сохранения упругих свойств, в результате чего, после прекращения возмущающих воздействий, объект не возвращается в прежнее, исходное состояние. Прочностные свойства характеризуют физические параметры - модули упругости и деформации. Граница упругих и пластических деформаций, зависящая от множества физико-механических свойств и совокупности внешних факторов, определяет пределы прочности материалов и, в конечном счете, безопасности среды обитания. По механизму реакции на воздействия возмущающих свойств и факторов можно выделить два принципиально разных класса природных, технических и иных объектов и систем, представляющих опасность для жизнедеятельности человека: 1) – силовые динамические агрегаты и механизмы, преобразующие энергию в движение и наоборот, и 2) –силовые статические конструкции, предназначенные для преодоления пространственно-временных статических и динамических природно-технических воздействий.
К первой группе относятся машины и механизмы, всё движущееся и вращающееся, изобретенное человеком - от колеса и транспортных средств до турбоагрегатов и космических аппаратов. В их числе двигатели, турбины, компрессоры, генераторы, насосы и иные силовые агрегаты в авиации, транспортировке топлива, энергетике, на транспорте, в тяжелом машиностроении. Интегральным прочностным показателем этой группы являются вибрационно-диагностические деформационные характеристики агрегатов. Ко второй группе относятся все промышленное, гражданское, транспортное, военное и общественное строительство и природные сейсмоопасные объекты. В их числе несущие нагруженные конструкции зданий и сооружений, фундаменты, опоры, мосты, причалы, вантовые конструкции, метро, монорельсовые и скоростные магистрали, трубопроводы, тоннели и другие техносферные компоненты транспортных природно-технических систем. Интегральным прочностным показателем этой группы являются характеристики напряженно-деформированных состояний конструкций.

Об адекватном измерении параметров напряженно-деформированных состояний
Одним из наиболее информативных показателей, характеризующих напряженно-деформированные состояния (НДС), является количество механической энергии, излучаемой конструкциями или механизмами в окружающее пространство. Как показывает мировой опыт, для оценки этой энергии обычно применяют пьезоэлектрические вибрационные преобразователи, имеющих ряд преимуществ перед другими типами средств измерений. Поскольку вибрация является пространственным процессом и её направление может изменяться во времени, то естественно предположить, что наиболее достоверные измерения НДС должны производиться средством измерения пространственной вибрации. Основным техническим параметром, характеризующим процесс вибрации, является вектор ускорения (скорости, перемещения), отражающий динамическое (вибрационное) состояние объекта. Измерения производятся в наиболее информативных с точки зрения вероятной угрозы разрушения местах. Однако, используемые во всем мире датчики вибрации не позволяют успешно решать задачи вибромониторинга, и, в результате, общество достаточно часто испытывает проблемы и потрясения. Причина состоит в том, что абсолютное большинство используемых в мировой практике вибродатчиков представляют собой пьезоэлектрические однокомпонентные виброакселерометры, способные измерить лишь проекцию вектора виброускорения на измерительную ось датчика, которая, в общем случае, меньше величины вектора. В то же время, предельно допустимые аварийные значения нагрузки и уровни вибрации (отраслевые нормативы вибрации) предполагают использование достоверных измерений, соответствующих фактическому вибрационному состоянию объекта. Оценка вибрации по одной из проекций вектора приводит к ошибочным представлениям о динамическом состоянии объекта, не позволяющим предвидеть усталостные, резонансные и другие критические ситуации. На устранение последствий катастроф и эксплуатационно-восстановительный ремонт тратятся значительные средства, которые можно существенно сэкономить путем создания объективной системы вибрационного контроля. Понимание проблемы привело к тому, что для особо ответственных случаев, когда требуется точное знание волновых параметров механических колебаний, наиболее продвинутые на мировом рынке фирмы разработали и производят «трехкомпонентные» вибропреобразователи, представляющие собой конструкцию из трех ортогонально ориентированных однокомпонентных датчиков в общем корпусе. При таком инженерном решении проблемы чувствительные элементы датчиков, строго говоря, пространственно, физически и электрически разнесены и их измерения, как следствие, имеют фазовые рассогласования. С целью устранения указанного недостатка подобные конструкции принято оснащать разнообразными, в том числе встраиваемыми, электронными корректорами-кондиционерами электрических сигналов, что, естественно, снижает достоверность информации. Актуальность проблемы объективного мониторинга вибрации подтверждается мировой тенденцией реконструкции «вибропортретов», целью создания которых и является максимальное обеспечение достоверной информацией о НДС этапов разработки, производства, эксплуатации и ремонта.
Один из ведущих мировых производителей виброизмерительной техники датская фирма «Brüel & Kjær» впервые осуществила попытку создания прибора для измерения всех трех компонент вектора на одном кристалле, в единой измерительной точке. Разработчики столкнулись с рядом проблем, центральной из которых оказалась известная проблема поперечной чувствительности. Многолетние исследования и эксперименты мирового лидера привели к созданию трехкомпонентной модели 4506 B&K на основе пьезокристалла цилиндрической формы, но с поперечной чувствительностью, соизмеримой с полезным сигналом. К сожалению, измерения такого датчика нельзя отождествлять с проекциями вектора виброускорения. Известной швейцарской фирмой KISTLER, со слов её российского представителя, создается однокристаллический трехкомпонентный вибропреобразователь, инновационный принцип которого реализуется на сложном композитном кристалле. Попытка результатов не принесла. Приведенные и другие факты подтверждают стремление международного метрологического сообщества к созданию датчиков пространственной вибрации с одним чувствительным элементом.
В России исследования по созданию векторных (трехкомпонентных с одним чувствительным элементом) вибропреобразователей велись инициативно учеными-кристаллографами Академии наук более 40 лет. Зарегистрированы авторские свидетельства №129351 «Пьезоэлектрический трехкомпонентный датчик виброускорений» и №504940 «Пьезоэлектрический виброакселерометр». Первые практические результаты подтвердили принципиальную возможность измерения компонент пространственного вектора вибрации одним пьезокерамическим элементом специальной конструкции. Зарегистрированы патенты РФ №2061242, №2229136 «Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом» и Международный патент PCT/RU2003 /000006 (с переводом в национальную стадию в Японии и США). На основе фундаментальных научных исследований Института кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН Научно-производственным предприятием «РЭМ-вибро» впервые в мировой практике решены проблемы поперечной чувствительности и синфазности компонент вектора виброускорения, измеряемых в декартовой системе координат. Создан, испытан и сертифицирован принципиально новый тип средств измерений – волновой 3D-фазочувствительный векторный вибропреобразователь (ВВ). Совет по проблеме «Акустика» Академии наук РФ признал правомерными физические основы, заложенные в создание конструкции пьезоэлектрического трехкомпонентного виброакселерометра с одним чувствительным элементом. Суть изобретения состоит в том, что при изготовлении пьезопакетника производится прецизионная пространственная операция нормализации зарядообразующей функции пьезоэлемента. При совпадении любой измерительной оси такого кристалла с направлением вектора вибрации на паре ортогональных плоскостей пьезокристалла образуется заряд, пропорциональный величине виброускорения, на остальных четырех гранях заряды отсутствуют вовсе, что следует из теории симметрии и тензорного анализа. В общем случае, пространственный вектор виброускорения проектируется одновременно на три ортогональные измерительные оси в соответствии с передаточными функциями (пьезомодулями, коэффициентами преобразования) пьезопакетника ВВ.
В настоящее время серийно производятся векторные вибропреобразователи четырех типов для применения в авиации, энергетике, транспортировке топлива и строительстве. По мнению ФГУП «ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева» - ведущей в области виброметрии федеральной организации Ростехрегулирования, «… создание такого преобразователя нового поколения является актуальной научной и технической задачей». В связи с отсутствием в России адекватных методик, векторный датчик сертифицирован Госстандартом с учетом метрологических испытаний у ведущих мировых производителей виброиспытательного оборудования - фирмы «Bruel & Kjær» (Дания) и фирмы «Vibro-Meter» (Швейцария), которые подтвердили полное соответствие отечественных векторных датчиков заявленным авторами характеристикам, превосходящим лучшие мировые однокомпонентные «аналоги».
Принципиальным отличием прорывной отечественной инновации от любых комбинаций однокомпонентных вибропреобразователей является полная адекватность тензорных представлений свойств пьезоэлемента ВВ деформационным критериям прочности на основе обобщенных инвариантов тензора напряжений, определяющих реальные свойства материала (конструкции). Объемные экспериментальные исследования с применением ВВ со всей очевидностью показали высокий уровень обоснованности и достоверности прямого способа измерения параметров абсолютной пространственной вибрации. При этом реализован принцип физического подобия вибрационно-диагностических деформационных характеристик средства измерения интегральным прочностным характеристикам напряженно-деформированных состояний объектов исследований в измерительных точках.