Диагностика строительных машин / Средства и технологии диагностирования строительных машин / Глава 2.2
Первичные преобразователи
К числу наиболее распространенных типов электрических первичных преобразователей, получивших применение в средствах диагностирования строительных машин, относят: преобразователи сопротивления, емкостные, электромагнитные, пьезоэлектрические термоэлектрические преобразователи и преобразователи электрических величин (шунты, делители напряжения и измерительные трансформаторы).
Принцип действия этих преобразователей описан в литературе по электрическим измерениям неэлектрических величин. Рассмотрим особенности (преимущества и недостатки) наиболее распространенных типов первичных электрических преобразователей в приложении к задачам диагностирования строительных машин, а также рекомендации по их применению в датчиках. Необходимо заметить, что промышленность выпускает серийно только ограниченный ассортимент датчиков, которые могут быть использованы для диагностирования строительных машин. Большинство датчиков специально проектируют и изготовляют с учетом специфики конструкций строительных машин, часто используя серийные первичные электрические преобразователи.
Преобразователи сопротивления изменяют активное сопротивление измерительной цепи под действием входной измеряемой механической величины. К числу преобразователей сопротивления, применяемых при диагностировании строительных машин, относятся контактные и потенциометрические преобразователи и тензорезисторы.
Преимущества. Главное преимущество контактных и потенциометрических преобразователей возможность получения сравнительно с другими типами преобразователей большой мощности на выходе, что позволяет использовать их с низкочувствительными приборами без промежуточного усиления, а контактные преобразователи и без промежуточного преобразования сигнала.
Дискретность функции
Дискретность функции преобразования контактных преобразователей в ряде случаев является важным преимуществом (например, при использовании в допусковых приборах и.сигнальных устройствах для получения информации о выходе объекта диагностирования на определенный режим).
У потенциометрических преобразователей легко получить уравнения преобразования различного вида. При помощи потенциометрических преобразователей очень просто реализуют схемы аналогового умножения и сложения сигналов.
Преимущества теизорезисторов как первичных преобразователей состоят в возможности измерения с высокой точностью относительных деформаций в широком диапазоне (относительных единиц) и в очень широком диапазоне частот. Тензорезисторы отличаются высокой стабильностью во времени и позволяют вести измерения в широком диапазоне температур. Универсальность теизорезисторов, в частности возможность установк их на упругие чувствительные элементы для измерения самых различных механических величин, предопределяет высокую степень унификации промежуточных преобразователей и приборов, что немаловажно при создании средств диагностирования, которые предназначены для измерения различных механических величии при помощи одного измерительного прибора.
Недостатки. Контактным и потенциометрическим преобразователям свойственны все недостатки устройств, содержащих замыкающиеся и скользящие контакты. Контактные преобразователи отличаются обычно наличием заметного гистерезиса.
К числу недостатков потенциометрических преобразователей относится сравнительно узкий диапазон измерений за счет большого значения нижнего предела измерений. Нижний предел измерения у этих преобразователей определяется конечностью размеров подвижного контакта, а также дискретностью многовитковых потенциометров.
Применение
Необходимость применения для повышения чувствительности специальных рычажных передач, вносящих инерционность, а также «дребезг» контактов ограничивает частотный диапазон контактных и потенциометрических преобразователей десятками герц.
Проволочным и фольговым тензорезисторам свойственна довольно низкая чувствительность, обычно выходные сигналы измерительных схем теизорезисторов не превышают нескольких милливольт (при выходном сопротивлении). Однако этот недостаток не является существенной помехой для их широкого применения, поскольку разработаны достаточно стабильные усилители и другие виды преобразователей малых сигналов.
Применение. Контактные преобразователи применяют в основном в тех средствах, где требуется однопредельная индикация изменения какого-либо параметра, в частности выхода объекта диагностирования на определенный режим. Контактные преобразователи применяют также, для автоматизации включения различных счетчиков продолжительности перемещения рабочих органов машин циклического действия. На основе контактных преобразователей выполняют средства измерения частот вращения (при сравнительно низких частотах). При совмещении контактных преобразователей с различными чувствительными элементами можно измерять не только перемещение, но и другие величины; давление, силу, ускорение и температуру. В ряде случаев контактные преобразователи кладут в основу встроенных средств диагностирования, например, индикаторов предельных износов.
Потенциометрические преобразователи широко используют для измерения перемещений, например регулировочных реек топливных систем дизелей, штоков гидроцилиндров, рычагов и педалей управления машинами и т. д.
Потенциометрические преобразователи
Потенциометрические преобразователи используют вместе с упругими чувствительными элементами для измерения давления в гидро и пневмосистемах и измерения сил.
Тензорезисторы при диагностировании строительных машин используют в качестве первичных электрических преобразователей, устанавливаемых на упругих чувствительных элементах, для измерения различных механических величин, сил и давлений в широком диапазоне, перемещений относительно небольшой величины (до 50 мм), ускорений и виброперемещений при сравнительно низких (до нескольких сот герц) частотах изменения этих параметров. Перспективно применение тензорезисторов в качестве прижимных преобразователей давления, которые во время диагностирования прижимают к трубопроводам и рукавам гидросистемы для получения качественной картины пульсаций давления или для определения временных характеристик различных переходных процессов. В связи с низкой стоимостью и высокой надежностью тензорезисторы применяют для наклейки непосредственно на сборочные единицы машин при создании встроенных средств диагностирования. Тензорезисторы могут быть также применены на упругих чувствительных элементах, постоянно установленных на сборочных единицах машин.
Полупроводниковые тензорезисторы целесообразно использовать в тех случаях, когда измерения нужно проводить без применения усилителей; при измерении малых деформаций на небольших базах, а также для установки на чувствительные элементы миниатюрных преобразователей механических величин.
Емкостные преобразователи представляют собой конденсаторы, у которых под действием измеряемой механической величины меняется один из параметров (площадь пластин, расстояние между ними или диэлектрическая проницаемость), определяющих их емкость. В соответствии с меняющимися параметрами емкостные преобразователи могут быть с изменением действующей площади пластин, с меняющейся толщиной диэлектрика и имеющие диэлектрики с меняющейся диэлектрической проницаемостью.
Преимущества емкостных преобразователей
Преимущества емкостных преобразователей в том, что многие из них могут работать без механического соединения с объектом диагностирования. Емкостные преобразователи отличаются очень малым обратным воздействием на объект диагностирования (за счет электростатических сил притяжения). Емкостные преобразователи могут работать в широком диапазоне температур и помехоустойчивы в отношении сильных магнитных полей. Емкостные преобразователи механических величин обычно просты по конструкции.
Недостатки. К числу недостатков емкостных преобразователей относится чрезвычайно большое значение выходного сопротивления при сравнительно небольших абсолютных значениях емкости, что предъявляет жесткие требования к изоляции электродов преобразователя, их экранировке, к изоляции и экранировке соединительных проводов. На погрешность емкостных преобразователей оказывают влияние изменения влажности и температуры окружающей среды, а также попадание между пластинами воды или масла. Одним из осложнений в применении емкостных преобразователей являются ограничения в длине и емкости соединительных проводов, но в связи с разработкой нулевых транзисторов и микромодульных операционных усилителей стало возможным делать промежуточные преобразователи с весьма большим входным сопротивлением, очень малого объема. Это в свою очередь открыло возможность создания датчиков с емкостными преобразователями, совмещенных в одном корпусе с промежуточным преобразователем. При использовании таких промежуточных преобразователей отпадают необходимость применения специальных измерительных кабелей и ограничения в длине кабеля. Такие датчики могут быть установлены в нескольких десятках метров от измерительного прибора. Хотя температурный диапазон измерения ограничен возможностями элементов промежуточного преобразователя, но достаточен для большинства задач диагностирования строительных машин в условиях эксплуатации.
Электромагнитные преобразователи
Применение. Емкостные преобразователи с воздушным диэлектриком применяют для измерения малых линейных и угловых перемещений, виброперемещений, виброускорений, давлений крутящих моментов (по углу закручивания), в качестве чувствительных элементов измерительных микрофонов при измерениях уровней шума генерируемых объектами диагностирования, в качестве источников стробирующих импульсов от вращающихся и перемещающихся сборочных единиц машин и для измерения частот вращения.
Преобразователи с различной диэлектрической проницаемостью применяют для определения изменения уровня топлива в топливных системах ДВС, для измерения расходов рабочих жидкостей гидросистем объемным методом, а также для измерении крутящих моментов при выполнении подвижной пластины преобразователя из диэлектрика.
Электромагнитные преобразователи основаны на изменении характеристики магнитной цепи преобразователя (магнитного сопротивления, магнитной ироницасмости, магнитного потока) под действием измеряемой механической величины. К числу электромагнитных преобразователей относят: индуктивные, трансформаторные, индукционные и магнитоупругие.
Преимущества. Практически все электромагнитные преобразователи отличаются высокой чувствительностью и возможностью рассеяния на преобразователе мощности, превышающей во много раз мощность, потребляемую магнитоэлектрическим прибором средней чувствительности, включенным на выходе преобразователя. Эта особенность позволяет непосредственно соединять датчики на основе электромагнитных преобразователей с относительно низкочувствительными измерительными приборами.
Магнитоупругие преобразователи
Индукционные преобразователи относятся к генераторным и работают без источников питания, а выходной сигнал их обычно достаточен для работы без согласующих усилителей с серийными аналоговыми и цифровыми частотомерами.
Магнитоупругие преобразователи отличают простота конструкции, большая механическая прочность и жесткость, возможность работы в тяжелых эксплуатационных условиях. Некоторые типы магнитоупругих и индуктивных преобразователей могут работать при питании напряжением сетевой частоты 50 Гц, что не требует применения в измерительных схемах специальных генераторов.
Недостатки. К числу недостатков электромагнитных преобразователей относится малая помехоустойчивость в отношении магнитных помех, что часто исключает их применение при установке в непосредственной близости к электрическим машинам.
Индуктивные и индукционные преобразователи отличаются существенной для некоторых объектов диагностирования величиной обратной реакции на объект измерения.
Применение. Электромагнитные преобразователи нашли широкое применение при диагностировании строительных машин. Индуктивные и трансформаторные преобразователи с поперечным перемещением сердечника используют для измерений малых перемещений от нескольких микрометров, например при оценке величин люфтов в сопряжениях машин. Преобразователи с поперечным перемещением сердечника находят также широкое применение для измерения в комплексе с упругими чувствительными элементами давлений жидкости и сжатого воздуха.
Преобразователи с продольным перемещением якоря применяют для измерения перемещений относительно больших величин, например игл форсунок в дизельных двигателях. Индуктивные преобразователи специальных конструкций применяют для измерения потери сечения стальных канатов от износа.
Пьезоэлектрические преобразователи
Индукционные преобразователи наиболее широко применяют для определения частот вращения посредством измерения числа импульсов от шлицов или специально установленных на вращающихся валах штифтов. Кроме измерения частоты вращения такие устройства используют для получения стробирующих импульсов при необходимости выделения отдельных фаз, измеряемых при диагностировании процессов.
Индукционные преобразователи положены в основу некоторых конструкций датчиков виброскоростей.
На основе индукционных преобразователей построены индукционные тахогенераторы, которые широко используют при диагностировании для аналогового измерения частоты вращения различных приводных устройств. Индукционные импульсные преобразователи применяют в качество электрических чувствительных элементов турбинно-тахометрических расходомеров рабочих жидкостей. Индукционные преобразователи положены в основу датчиков для определения числа оборванных проволок в стальных канатах. Магнитоупругие преобразователи используют для измерения сил, крутящих моментов и для измерения параметров вибраций.
Пьезоэлектрические преобразователи относятся к подгруппе генераторных и основаны на пьезоэлектрическом эффекте - способности некоторых материалов образовывать при механическом нагружении электрические заряды.
Преимущества. Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются широким частотным диапазоном, большой вибрационной прочностью, малой чувствительностью к магнитным полям, простотой конструкции, пьезоэлектрические датчики отличаются малыми размерами и массой.
Недостатки
Недостатки. К числу недостатков пьезо преобразователей (так же, как и емкостных) относится большое внутреннее сопротивление, что предъявляет весьма жесткие требования к измерительным схемам и к измерительным кабелям (при отсутствии встроенных согласующих усилителей). Повсеместное применение пьезо преобразователей ограничивается также невозможностью измерения статических составляющих динамических процессов, что очень часто необходимо при диагностировании, так как статическая составляющая процесса часто характеризует общий режим работы объекта диагностирования. Этот же недостаток исключает применение для датчиков на основе пьезо преобразователей статических способов градуировки, что в свою очередь требует применения специальных, более сложных устройств для градуировки датчиков в динамическом режиме.
Применение. В средствах диагностирования строительных машин пьезо преобразователи прежде всего используют в датчиках параметров вибраций, а также в датчиках давлений и сил, когда недостаточна информация только о переменных составляющих этих параметров. Пьезо преобразователи могут быть использованы в ультразвуковых расходомерах рабочих жидкостей.
Пьезо преобразователи используют также в измерительных микрофонах для измерения уровней шума от объектов диагностирования. Пьезопреобразователи могут быть использованы в качестве встроенных датчиков давления (пульсирующей составляющей) и вибраций.
Фотоэлектрические преобразователи выполняют преобразование фотонов света в электрический сигнал и подразделяются на преобразователи с внешним и внутренним фотоэффектом. К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся электровакуумные фотоэлементы и фотоумножители. К преобразователям с внутренним фотоэффектом, который свойствен полупроводникам, относятся фоторезисторы, преобразователи с обеденным слоем и фотоэлектромагнитные преобразователи.
Преобразователи температуры
Преимущества. На основе фотоэлектрических преобразователей выполняют датчики для измерения параметров движения с практически полным отсутствием тормозного действия. Фотоэлектрические преобразователи могут быть использованы в бесконтактных датчиках угловых и линейных перемещений, основанных на методе отражения, при установке которых достаточно только нанесение меток краской или липкой лентой на перемещающихся объектах диагностирования. Фотоэлектрические преобразователи имеют существенные преимущества в устройствах синхронизации, поскольку крутизна и амплитуда генерируемых импульсов мало зависит от частоты вращения объекта диагностирования. На фотоэлектрические преобразователи очень малое влияние оказывают электрические и магнитные поля, что делает их незаменимыми для установки вблизи электрических машин.
Недостатки. К числу недостатков фотоэлектрических преобразователей, применяемых для измерения параметров движения, относят необходимость в дополнительном источнике питания осветителя, необходимость защиты оптической системы от загрязнения, а иногда и от постороннего света. Фотоэлектрические преобразователи не могут быть использованы в тех случаях, когда по конструктивным соображениям сложно обеспечить прозрачность корпуса первичного преобразователя, например в турбинно-тахометрических расходомерах жидкости, рассчитанных на высокие давления.
Применение. Фотоэлектрические преобразователи в основном используют для измерения частот вращения и для анализа загрязнений масел рабочих жидкостей, а также анализа состава отработавших (выхлопных) газов двигателей внутреннего сгорания.
Преобразователи температуры. Для измерения температур при диагностировании используют термопары, терморезисторы или полупроводниковые термисторы.
Преимущества
Преимущества. Термонары отличают простота конструкции, высокая надежность, в ряде случаев низкая стоимость, локальность измерения и возможность размещения непосредственно в потоках рабочих жидкостей, находящихся под давлением.
Проводниковые терморезисторы также сравнительно просты по конструкции и дешевы, для усиления сигналов от проводниковых терморезисторов могут быть использованы унифицированные с тснзорезисторами промежуточные преобразователи, что важно при создании интегральных средств диагностирования.
Термопары и проводниковые терморезисторы имеют достаточно линейные функции преобразования и хорошую воспроизводимость градуировочных характеристик, что позволяет использовать их для измерения разностей температур на объектах диагностирования.
Полупроводниковые термисторы позволяют создавать датчики температуры малых размеров со значительно более высокой чувствительностью, чем датчики на основе проводниковых терморезисторов. Средний диапазон рабочих температур термисторов в большинстве случаев удовлетворяет требованиям к.средствам диагностирования всех сборочных единиц строительных машин.
Измерительные схемы с термисторами могут быть очень просто согласованы с магнитоэлектрическими стрелочными приборами без промежуточного усиления.
Недостатки. Основной недостаток термопар состоит в необходимости (за исключением дифференциальных схем включения) термостатирования холодного спая или введения специальных схем термокомпенсации (при измерении абсолютных значений температур). Эта необходимость проявляется особенно в диапазоне температур, при которых работают большинство объектов диагностирования в строительных машинах. Термостатирование или компенсация в свою очередь заметно усложняет схемы приборов.
Металлические термометры
Электродвижущая сила (ЭДС), развиваемая термопарами, мала, поскольку большинство объектов диагностирования работает при температурах, не превышающих 100° С. При измерениях малых перепадов температур ЭДС еще ниже, поэтому необходимо применять специальные чувствительные усилители постоянного тока или чувствительные электронные приборы.
Металлические термометры сопротивления тоже нуждаются в усилении сигнала, хотя и не требуют термостатирования. Если сравнивать конструктивную сложность термопрсобразователей на базе термопар и проводниковых термометров сопротивления, то преимущества имеют первые.
Недостатки полупроводниковых термисторов, существенно ограничивающие их применение, состоят в нелинейности функции преобразования и значительном разбросе от образца к образцу как номинального значения сопротивления, так и чувствительности. Например, промышленные типы термисторов выпускают с допуском по номинальному сопротивлению по чувствительности. Эти особенности усложняют получение линейных шкал, требуя введения в приборы специальных схем коррекции для унификации шкал. Также усложняется взаимозаменяемость термометров при производстве и ремонтах приборов. Эти же особенности практически исключают возможность применения термисторов в дифференциальных схемах измерения температур, особенно малых.
Применение. В средствах диагностирования используют все три вида термо преобразователей. Термопары наиболее пригодны для локального измерения температур, особенно в стационарных средствах диагностирования, а также для измерения разностей температур на отдельных участках объектов диагностирования.