Диагностика строительных машин / Датчики средств диагностирования строительных машин / Глава 5.2

Рекомендации по рациональному использованию датчиков при разработке средств диагностирования

В настоящее время отечественной промышленностью выпускается значительное число датчиков, разнообразных по принципу действия и техническим параметрам.

Ниже приведены основные принципы и критерии выбора рациональных типов датчиков для диагностирования сложных машин. Принципы выбора датчиков разработаны по результатам анализа особенностей протекания физических процессов в различных объектах диагностирования, методов и алгоритмов диагностирования с учетом допускаемых значений погрешностей измерений и эксплуатационных факторов, влияющих на работу датчиков, а также в соответствии с выбранными критериями сравнительной оценки различных по принципу действия и конструктивным особенностям датчиков.

При диагностировании машин нет единого универсального метода измерения диагностических параметров ввиду недостаточной изученности как самих физических процессов объекта, так и отсутствия необходимых аппаратурных возможностей. Контролируемые параметры, принятые в качестве диагностических, разнообразны по своей физической природе и технические требования, предъявляемые к датчикам, крайне жесткие и часто противоречивые (см. гл. 3). В каждом конкретном случае необходимо выбрать наиболее важные требования к конкретным типам датчиков и методу измерения.

Ввиду того, что на одних и тех же объектах диагностирования для измерения однотипных контрольно-диагностических параметров можно использовать датчики, различные по принципу действия и конструктивным особенностям, а также по метрологическим и информационным характеристикам, то для их правильного выбора необходимо проводить сравнительный анализ, направленно выбирая лучшие из них. Действительно, как показывают исследования, способ преобразования входного сигнала в выходной не имеет принципиального значения для процесса измерения параметра, он должен лишь обеспечивать необходимую статическую и динамическую точность, помехоустойчивость и ряд других характеристик.

Рассмотрим общую постановку задачи выбора рациональных типов датчиков. Информативный сигнал на входе датчика Хтф определяется одним из параметров контролируемой среды, а все другие ее параметры определяют «помехи» на входе датчика. Параметры объекта, окружающей среды и эксплуатационных факторов определяют «помехи» как на входе датчика, так и на его выходе. Обычно входная функция Х(1) представляет собой сумму полезного сигнала А,ИНф() и помехи Х|(г).

В общем случае выходной сигнал У() является результатом некоторой операции Ь над полезным сигналом, где Ь- заданный оператор датчика.

Действительным выходным сигналом из-за наличия «помех» будет некоторая случайная функция Уд(), представляющая собой результат преобразования данным датчиком входного сигнала: Уд(0 =АХ(1), где А - действительный оператор датчика.

Отличие действительного выходного сигнала Уд(0 от требуемого У (7) состоит в том, что Уд(0 всегда представляет собой результат преобразования полной входной функции состоящей из полезного сигнала и «помехи», в то время как требуемый выходной сигнал У(0 является результатом преобразования одного полезного сигнала. Поэтому действительная выходная переменная всегда содержит «помеху», от которой принципиально невозможно . полностью избавиться. Погрешность датчика при этом

На основании изложенного основная задача определения рациональных типов датчиков в общем виде заключается в нахождении такого датчика, который, получая на входе сигнал в виде случайных функций X(t), воспроизводит на выходе с максимально возможной точностью другую случайную функцию Y(t). Математически эта задача сводится к нахождению оптимального оператора А, обеспечивающего наилучшее воспроизведение требуемого выходного сигнала Y(t). Но для диагностических средств эта задача тесно переплетается с экономической и в результате должен выбираться датчик не с максимальной, а оптимальной точностью при ограничении по стоимости.

С этой целью предложены критерии сравнительной оценки различных типов датчиков (с учетом вторичной аппаратуры): комплекс частных критериев - для предварительного сравнительного анализа и обобщенный критерий, позволяющий однозначно решить задачу на оптимум по выбору датчика. В качестве частных критериев сравнительной оценки с учетом конкретных условий эксплуатации приняты следующие характеристики:

Суммарная инструментальная погрешность датчика в условиях эксплуатации Д, включающая суммы систематических погрешностей нуля и чувствительности, вызванных воздействием влияющих факторов; суммы случайных погрешностей, определяемые выбранными значениями доверительных вероятностей РД, числом измерений п и средними квадратичными погрешностями нуля и чувствительности, а также погрешности, характеризующие разброс соответственно амплитудно-частотной, амплитудно-фазовой и переходной характеристик (в зависимости от конкретного типа датчика).

Помехоустойчивость датчика - способность выполнять свои функции в заданных ТУ пределах при воздействии эксплуатационных факторов (помех). Количественно она оценивается суммарной дополнительной погрешностью датчика Яд = ттДД2 от температуры Дт, вибраций Дв, влажности Двл, нестабильности напряжения питания Дн.п, электрических помех Дэ.п, неинформативного параметра Ди на входе датчика и линии связи.

Коэффициент готовности (комплексный показатель надежности)

Время измерения параметра технического состояния машины, включающее время на монтаж и демонтаж датчика на объекте диагностирования, время на подготовку, прогрев и регулировку датчика в составе измерительного канала средства диагностирования и время на измерение и регистрацию результата диагноза измерительным каналом.

Стоимость датчика в серийном производстве с учетом удельных капитальных затрат на освоение его в производстве.

В основу обобщенного критерия положена связь между точностью получаемой измерительной информации о параметре технического состояния (структурном параметре) машины и стоимостью диагностирования. В качестве обобщенного принят технико-экономический критерий, представляющий собой минимум удельных, издержек на диагностирование с определенной средней квадратической погрешностью измерения параметра технического состояния и дополнительных издержек, связанных с ремонтом и техническим обслуживанием диагностируемого объекта, вызванных ток же погрешностью измерения параметра состояния.

Целевая функция удельных издержек в зависимости от средней квадратической погрешности измерения параметра состояния диагностируемого элемента (узла, агрегата) имеет вид, диагностическим средством при одном и том же методе диагностирования со средней квадратической погрешностью измерения дополнительные издержки на ремонт и техническое обслуживание диагностируемого элемента в зависимости от средней квадратической погрешности о за межконтрольный период; т - число возможных диагностических средств измерений (датчиков).

Рациональные типы датчиков для контроля параметров состояния при диагностировании машин предлагается выбирать по результатам сравнительного технико-экономического анализа с учетом комплексной оценки в следующем порядке:

Провести анализ физических процессов, протекающих в объекте диагностирования, и характера изменения во времени параметров, принятых в качестве диагностических.

Выбрать в соответствии с поставленной задачей по измерению конкретного параметра шифр датчика согласно классификационной схеме (с учетом всех четырех классификационных признаков). Из справочных таблиц систематизированных материалов и классификационной схемы датчиков выбирают все соответствующие этому шифру типы датчиков. В классификационной схеме основных типов датчиков признаки I, II и III включают требования, в соответствии с которыми выбирают датчики, а признак IV - отражает характеристики выбранного типа датчика.

Провести предварительный анализ выбранных типов датчиков с учетом требуемой к ним вторичной аппаратуры и их отличительных особенностей. С учетом конкретной задачи измерения диагностического параметра состояния выбрать из всей номенклатуры только те датчики, у которых чувствительность (разрешающая способность) и частотный диапазон достаточны для регистрации исследуемого процесса с погрешностью, не превышающей допустимую.

В соответствии с частными критериями провести сравнительную оценку предварительно выбранных датчиков.

С помощью обобщенного технико-экономического критерия окончательно выбрать рациональный (оптимальный) тип датчика. Этой оценке подлежат датчики как одинаковые по принципу действия, но различные по метрологическим, конструктивным и эксплуатационным характеристикам, так и различные по принципу действия.

При анализе контролируемых параметров следует особое внимание обратить на следующее:

• датчики, предназначенные для работы в условиях изменяющихся температур, должны обладать малой чувствительностью к изменению температуры окружающей среды и независимостью от теплового удара, т. е. от скачкообразного изменения температуры измеряемой среды, либо иметь теплоизолирующие устройства;

• датчики, предназначенные для измерения динамических процессов, должны обладать высокой частотой собственных колебаний упругих элементов, исключающей появление частотных (динамических) погрешностей. Обычно частота собственных колебаний упругой системы преобразователя должна превышать частоту контролируемого процесса в 8-10 раз;

• датчики для регистрации быстропротекающих процессов должны обладать малой инерционностью, чтобы зарегистрировать контролируемый процесс без искажений;

• в датчиках пульсирующих давлений жидкости или газа должны отсутствовать перед чувствительным элементом полости значительной длины (обычно не более 2-3 мм), так как при определенных размерах полости в ней могут возникнуть резонансные колебания, близкие к частоте собственных колебаний упругого элемента или частоте исследуемого процесса, что приведет к искажению результата измерений;

• датчик должен быть согласован по частотному диапазону измерений с преобразовательно усиливающей и регистрирующей аппаратурой с целью снижения динамических погрешностей измерительной системы в целом. Весьма важное значение имеет согласование частоты собственных колебаний датчика и несущей частоты усилительно-преобразующей аппаратуры с частотным диапазоном контролируемых процессов;

• датчики, предназначенные для измерения установившихся процессов, сопровождаемых высокочастотной пульсацией, должны обладать низкой собственной частотой упругого элемента и большой степенью успокоения;

• датчики могут снабжаться демпфирующими и амортизирующими устройствами с целью снижения «помех» от воздействия вибрационных нагрузок или пульсирующих процессов.

При воздействии вибрационных нагрузок или наличии пульсирующих процессов особо опасно явление резонанса (совпадение частоты собственных колебаний чувствительного элемента датчика с частотой вибраций объекта диагностирования или пульсаций измеряемой среды).

Пульсации измеряемой среды (например, высокочастотные колебания давления в топливопроводе высокого давления дизельного двигателя) вызывают высокочастотные вибрации подвижной системы. Это явление может не только снизить ресурс работы датчика, но и довольно быстро разрушить его, так как знакопеременные нагрузки при вибрации вызывают усталостные явления в мембране, сильфоне или других подвижных деталях. В случае потенциометрических датчиков, например, типа ДМП-А, МДД, МТД и др. вибрации вызывают более быстрый износ токосъемного элемента и обмотки потенциометра. Поэтому потенциометрические датчики давления обязательно должны защищаться демпфером от воздействия высокочастотных колебаний измеряемой среды.

Для исследовательских целей в лабораторных условиях измерение быстропротекающих динамических давлений жидкости наиболее рационально производить пьезоэлектрическими датчиками давления (например, ЛХ-604, ЛХ-608 и др.). Однако при малых скоростях изменения давлений в связи с малой статической точностью пьезоэлектрических датчиков возможны искажения выходного сигнала датчика. Поэтому для измерения динамических давлений, имеющих малую скорость изменения во времени, следует применять тензорезисторные датчики давления (например, ЛХ-412, ЛХ-415, ИПД-1, ИПД-2) или индуктивные (например, ДД-10, ДИ, ИКД-бТДа и др.).

Помимо этого следует учитывать условия монтажа датчика и требования к присоединительным устройствам. Дополнительные погрешности Дт, Дв, Двл обязательно должны рассматриваться с учетом способа подсоединения датчика к объекту и реальных условий эксплуатации, так как имеется ряд путей снижения этих погрешностей. Так Дт и Дв могут быть снижены по сравнению с паспортными данными за счет рационального подсоединения датчика к объекту (применение теплоизолирующих и вибропоглощающих прокладок и т.д.) и путем применения компенсационных схем в согласующих устройствах датчика со вторичной аппаратурой.

Дополнительные погрешности Днп, Дэп, Дп могут быть снижены различными способами только после выявления причин, их вызывающих.

При выборе датчиков следует анализировать их отличительные особенности и область применения.

Датчики по условиям монтажа должны обеспечивать возможность быстрой и удобной их установки на объекте диагностирования, обеспечивать полную взаимозаменяемость, минимальные габариты и массу с целью возможности их установки в труднодоступных местах объекта.

При монтаже датчика на объекте диагностирования следует учитывать следующие особенности:

1. В месте установки датчика температура объекта, рабочей и внешней среды не должна превышать допустимых значений. При наличии повышенной температуры следует предусматривать тепловую изоляцию или применять специальные температуростойкие датчики.

2. Загрязненность и агрессивность рабочей и окружающей среды, а также акустические шумы, атмосферные осадки и солнечная радиация, воздействующие на датчик в месте его установки, не должны превышать допустимых значений.

3. В случае подсоединения датчика к объекту диагностирования с помощью присоединительных устройств (трубопроводы, переходные устройства и т. п.) следует исключить возможность передачи виброускорений через них на датчик, превышающих допустимые значения, применяя специальные амортизирующие устройства и оптимально выбирая положение датчика по отношению к направлению силы ускорения.

4. При выборе присоединительных устройств следует учитывать характер информативного и неинформативного параметров,, иначе можно получить искаженную измерительную информацию о параметре технического состояния машины. Так, датчики пульсирующих или быстроменяющихся давлений жидкости не должны иметь перед чувствительным элементом (например, мембраной) полости значительной длины (обычно не более 2-3 мм), так как: при определенных размерах полости в ней могут возникнуть резонансные колебания, близкие к частоте собственных колебаний упругого элемента или к частоте контролируемого процесса, что приведет к искажению измерительной информации.

5. Длина соединительного канала (трубопровода) и общий объем полости перед чувствительным элементом датчика выбирают с учетом заполняющей среды и допускаемых динамических характеристик и погрешностей системы (приемная полость перед датчиком и канал).

6. В случае воздействия на датчик неинформативного параметра контролируемого процесса (например, воздействие пульсаций давления масла в главной магистрали дизеля при измерении постоянной составляющей давления), которое приводит к «размыву» результатов регистрации параметра, а иногда даже к разрушению датчика, целесообразно датчик применять в комплекте с демпфером (демпфирующим устройством).

7. Неинформативный параметр, например, в случае измерения пульсирующего давления жидкости представляет собой ложные пульсации, появляющиеся в результате воздействия вибраций на рабочую (контролируемую) среду. При совпадении продольной оси канала (трубопровода) с направлением воздействия вибраций может иметь место наибольшая амплитуда «ложных» пульсаций, а в случае резонанса (совпадение частоты вибраций объекта с частотой собственных колебаний комплекса элементов датчика, канала (трубопровода), среды) амплитуда «ложных» пульсаций может в несколько раз превысить среднее значение давления и вызвать разрушение датчика. Действительное значение «ложной» пульсации обычно определяют экспериментально. Правильным выбором демпфера и амортизаторов можно значительно снизить воздействие «ложных» пульсаций на датчик.

8. При монтаже датчика на объекте диагностирования не допускается сверление дополнительных отверстий в корпусе объекта, снятие или конструктивное нарушение деталей объекта. Допускается при монтаже датчика разъединение трубопроводов, снятие заглушек с технологических отверстий, контрольных и маслозаправочных пробок, различных крышек.

Данные рекомендации по рациональному выбору и использованию датчиков реализованы на практике при разработке ряда электронных средств диагностирования: установки КИ-13940, устройства ИПД-ЗМ и др. Например, для измерения давлений в системе топливоподачи (низкого и высокого давления), в системе смазки, в системе газообеспечения автотракторного двигателя, а также статических и импульсных давлений в гидросистемах сельхозмашин наиболее рационально использовать тензорезисторные датчики ИПД 2 (унифицированный ряд с пределами измерений от -0,04 до 40 МПа), а также датчики ЛХ-412 и ЛХ-415. При этом датчики давлений при диагностировании дизельной топливной аппаратуры устанавливают в разрыве топливопровода у форсунки или секции насоса; при диагностировании механизма газораспределения - вместо технологической заглушки впускного трубопровода; цилиндропоршневой группы - вместо крышки маслозаливного патрубка картера; системы смазки двигателя и коробки перемены передач трактора - вместо рабочих датчиков давления; гидронавесной системы - в разрыве трубопровода между распределителем и цилиндром и т. п.

Для измерения температуры воды в системе охлаждения и масла в системе смазки двигателя и гидросистемах трактора наилучшие результаты диагноза можно получить, применив датчики ТСМ-6097, а для измерения перепада температур на входе и выходе водяного и масляного радиатора целесообразно использовать накладные (поверхностные) датчики ТСП-309М или ТСМ-0979.

При реализации виброакустического метода диагностирования целесообразно применять вибропреобразователи Д14 или ПДУ2.

Для измерения частоты вращения и угловых ускорений коленчатого вала двигателя, а также получения отметки верхней мертвой точки широко используют индукционный датчик (например, датчик прибора ИМД-2М).

При измерении параметров линейных перемещений (определение зазоров в кривошипно-шатунном механизме) хорошие результаты дает тензорезисторный датчик серии ДПТ, а угловых перемещений - потенциометрический датчик ПТП-21.

---

---