|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Dispositivo para monitoreo remoto de la salud de sensores piezoeléctricos
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Dispositivos de seguridad y señalización de objetos. La peligrosidad de las consecuencias de un accidente hace necesario imponer mayores exigencias a la fiabilidad del canal de medida y, sobre todo, del sensor, ya que se opera en las condiciones más difíciles que existen en esta instalación. Existe la necesidad de controlar sus propiedades como medio de medición con más frecuencia de lo que se hace con la verificación periódica (generalmente una vez al año). Dado que el sensor suele instalarse en un lugar de difícil acceso (por ejemplo, debajo de la carcasa de la unidad), el control debe realizarse de forma remota. El método de control [1], implementado en el dispositivo descrito y que lo hace posible, se basa en que el transductor piezoeléctrico del sensor es reversible, genera una señal eléctrica cuando se le actúa mecánicamente y experimenta una deformación mecánica cuando se le aplica una corriente eléctrica. se aplica voltaje. En ambos casos, el nivel de respuesta al impacto está determinado por el mismo coeficiente, llamado módulo piezoeléctrico. La inercia del sensor como sistema mecánico está determinada por la frecuencia de sus oscilaciones libres, que depende principalmente de las propiedades del propio sensor, pero también de las propiedades mecánicas de la parte del objeto en contacto con el sensor. Se denomina frecuencia de resonancia de la instalación (UR). La inercia eléctrica no tiene relación con la mecánica y está determinada en primera aproximación por el producto de la capacitancia del sensor con el cable y la resistencia activa de su carga. El espectro de frecuencia de la vibración medido por el sensor siempre se encuentra por debajo de la frecuencia del SD (de lo contrario, el resultado de la medición no será fiable), ocupando, por regla general, el área de cero a 0,2...0,3 de su valor. Para conectarse al dispositivo de control descrito, el sensor se desconecta del equipo con el que trabaja. Se le aplica un voltaje constante, cargando su capacitancia y deformando el elemento piezoeléctrico. La duración de esta operación debe ser tal que todos los procesos mecánicos y eléctricos transitorios tengan tiempo de terminar. Después de eso, se desconecta la fuente de tensión del sensor y se conecta una pequeña resistencia activa a los terminales de este último durante un tiempo (normalmente varias decenas de microsegundos) suficiente para que la capacidad del sensor se descargue casi por completo. La deformación mecánica del elemento piezoeléctrico no puede cambiar al mismo ritmo, su retorno al estado inicial se produce en forma de oscilaciones amortiguadas con la frecuencia SD. El elemento piezoeléctrico convierte estas oscilaciones en una señal eléctrica, que es registrada, por ejemplo, por un osciloscopio de almacenamiento. Una señal del estado normal del sensor es la invariabilidad de la forma y el nivel de la señal durante el monitoreo repetido. Los nodos principales del dispositivo de control son dos vibradores individuales, que establecen la duración de los intervalos de cierre y registro, y dos interruptores. La excitación de oscilaciones por la caída del pulso con una duración estable del cierre permite lograr una buena repetibilidad del nivel y forma de la señal eléctrica, que es necesaria para las operaciones metrológicas. La versión descrita del dispositivo es algo más complicada. Dado que el osciloscopio de almacenamiento es un dispositivo costoso y relativamente raro, el proceso de control se hace cíclico, lo que hizo posible utilizar un osciloscopio convencional. Para una mayor fiabilidad en la determinación de la frecuencia de SD, se introduce un filtro que suprime las interferencias de alta frecuencia. Hay una fuente de alimentación autónoma de bajo voltaje y un medidor de frecuencia UR con un indicador LED.
El esquema del dispositivo se muestra en la fig. 1. El multivibrador de los elementos DD1.1 y DD1.2 genera pulsos rectangulares. Desde la salida del elemento DD1.2, se alimenta un pulso de duración t a la entrada de control del interruptor DA1.3. Durante su funcionamiento, se suministra una tensión de carga de +1 V a través de un interruptor cerrado a la entrada del sensor conectado al conector X14 a través del circuito R15R3HL12 (curva U3 en la Fig. 2).
La capacitancia del sensor se carga hasta este voltaje. El LED HL3 está diseñado para señalar un cortocircuito en el circuito del sensor. El pulso, inverso al considerado, proviene de la salida del elemento DD1.1 a través de los circuitos diferenciador (C2R6) e integrador (C4R11) a las entradas del elemento DD1.3. A su salida se forma un pulso de bajo nivel lógico, situado en la pausa entre pulsos de carga, pero que tiene una duración t2 más corta que la pausa. A través del circuito diferenciador C6R18, el flanco descendente de este pulso activa un único vibrador en el temporizador DA6, cuyo pulso, con una duración determinada por los parámetros del circuito R21C7 (intervalo t3 en la Fig. 2), se alimenta al entrada de control del interruptor inferior (según el circuito) del microcircuito DA2. En este caso, la salida del sensor (pin 3 del conector X1) se conecta a un cable común a través del interruptor y la resistencia R12, descargando la capacitancia del sensor. El voltaje a través del sensor (curva U en la Fig. 2) disminuye a cero. El flanco descendente del pulso del temporizador inicia un solo vibrador en los elementos DD6.1 y DD6.3, generando un pulso de duración t4 (determinado por los parámetros del circuito C13R31R53) ahora de naturaleza oscilatoria, a través del circuito diferenciador C6.2R2 es alimentado a la entrada del amplificador en el amplificador operacional DA5, a cuya salida, a través de la resistencia R16, el interruptor SA4 conecta el condensador C25 (modo "Indicación") o la resistencia R3 (modo "Diagnóstico"). En el primer caso, se forma un filtro de suavizado, en el segundo, un divisor de voltaje independiente de la frecuencia. A continuación, la señal va al conector X8, al que se conecta un osciloscopio u otro registrador. Por el mismo conector sale un pulso de sincronización, coincidiendo en el tiempo con el inicio del intervalo t27. Los nodos restantes del dispositivo forman el medidor de frecuencia UR. La señal del sensor con la ayuda del amplificador DA3 y el comparador de voltaje DA5 se convierte en una serie de pulsos de amplitud estándar. La ganancia (10 o 20) se selecciona mediante el interruptor SA2, cuyo estado se indica mediante los LED HL1 y HL2. Contar los pulsos de la salida del comparador durante 1 ms daría el valor de la frecuencia de la SD en kilohercios. Sin embargo, este método resultó ser inaceptable, ya que las oscilaciones naturales de los sensores piezoeléctricos modernos decaen mucho más rápido. Por lo tanto, fue necesario contar los pulsos durante varios intervalos más cortos con una duración total de 1 ms. El experimento mostró que dos intervalos de 500 μs son suficientes. La cuenta procede de la siguiente manera. Después de presionar el botón SB2 "Set. 0", el contador DD2.1 se establece en el estado de preparación para el conteo, indicado por el LED HL4 "Ready", y los contadores DD4 y DD5 se establecen en cero. Una pulsación larga en el botón "Inicio" de SB1 abre el interruptor DA1.1, y los pulsos de reloj desde la salida del elemento DD1.2 pasan a través del interruptor abierto DA1.2 al contador DD2.1. Las dos entradas de las señales del elemento DD3.2 provienen de las salidas 2 y 4 del contador, y su tercera entrada, de la salida del elemento DD6.2. Como resultado, existe un nivel alto en la salida del elemento DD3.3 solo durante los ciclos de operación que siguen al sexto y séptimo pulsos de carga (contando desde el momento en que se presiona el botón SB1). El octavo pulso establece un nivel alto en la salida 8 del contador DD2.1, que cierra el interruptor DA3.1 a través del inversor DD1.2. El flujo de pulsos a la entrada del contador DD2.1 se detiene y el LED HL4 se apaga. Ahora se puede soltar el botón SB1. La salida del elemento DD3.3 está conectada a la entrada de control del interruptor DA1.4, conectado entre la salida del comparador DA5 y la entrada del contador DD4. La indicación del estado de los contadores DD4 y DD5 no es muy habitual: se utilizan dos líneas LED de diez días HL5-HL24. Esto se hizo para reducir el consumo de corriente: el consumo total de todos estos LED en cualquier caso no supera los 8 mA. Desafortunadamente, incluso los LCD más económicos no son adecuados debido al rango de temperatura de funcionamiento insuficiente. Diodos VD1-VD3 introducidos para reducir la diafonía. Todos los condensadores del dispositivo son cerámicos, y C7 y C13 deben tener un TKE pequeño, pueden ser diferentes, por ejemplo, mica. Las resistencias R2 y R31 también deben ser termoestables (por ejemplo, C21-31). Interruptores - deslizantes de tamaño pequeño B1561. Sin embargo, en lugar de SA3, es mejor usar un botón con contactos de conmutación, por ejemplo, PS580N. La posición de los contactos cuando se suelta el botón debe coincidir con la que se muestra en el diagrama de la Fig. una. El tipo de conector X1 depende de qué sensores se supone que deben revisarse con más frecuencia. El autor utilizó un enchufe de bloque RS-4TV, ya que la mayor parte de los sensores de vibración industriales domésticos son acelerómetros piezoeléctricos ABC y ANS con tomas de cable RS-4TV, cuyo propósito de los contactos corresponde al que se muestra en el diagrama de la Fig. 1. Dado que en este caso no se requiere resistencia a la vibración de una conexión desmontable, se recomienda quitar con cuidado la rosca externa del cuerpo del enchufe, lo que facilitará y acelerará el proceso de conexión y desconexión de los sensores. Los sensores de otros tipos se pueden conectar al dispositivo a través de los adaptadores apropiados. El conector X2 puede ser cualquiera, por ejemplo, ONTS-VG-2-3/16-p. El cable de señal en el cable conectado debe estar blindado, el cable de señal del reloj no requiere blindaje.
El dispositivo es alimentado por una batería de cinco a seis celdas galvánicas de tamaño AA, cuyo voltaje es convertido a bipolar estabilizado +/-12 V usando un convertidor TMR0522 [2], conectado según el circuito que se muestra en la fig. 3. Cuando el voltaje de la batería GB1 es de 7,5 V, la corriente consumida es de 130 y 145 mA, respectivamente, en los modos "Diagnóstico" e "Indicación". El dispositivo está ensamblado en dos placas, una encima de la otra y conectadas por cables planos. Los controles y los LED están montados en el tablero superior, y el resto de los elementos están montados en el tablero inferior, excepto los conectores, que están ubicados en un panel de esquina separado. El cuerpo se selecciona listo. Dado que la mayoría de los elementos activos son puertas lógicas y amplificadores operacionales sin corrección externa, configurar un dispositivo correctamente cableado no requiere mucho esfuerzo. Después de asegurarse de que el multivibrador en los elementos DD1.1, DD1.2 genera pulsos rectangulares simétricos con una tasa de repetición de 30 ± 5 Hz, debe verificar la posición y la forma de los pulsos en la salida del elemento DD1.3 .
En ausencia de un osciloscopio de dos haces, para esto puede usar el sumador más simple, cuyo circuito se muestra en la Fig. cuatro
El oscilograma de la señal en su salida debe tener la forma que se muestra en la Fig. 5, donde t1 y t2 son los mismos intervalos que en la fig. 2. Al seleccionar las resistencias R6 y R11, asegúrese de que el intervalo t2 comience después de 0,3 ... 1 ms después del final del pulso de carga. Su duración debe ser de 5 ... 10 ms, el valor exacto no es importante. El pulso generado por el temporizador DA6 debe tener una duración en el rango de 20 ... 30 μs. Pero la duración del pulso en la salida del elemento DD6.2 debe configurarse con una resistencia de corte R53 igual a 500 μs con la mayor precisión posible. Esto afecta directamente el error de medición de la frecuencia SD.
Para un mayor ajuste, se requiere un sensor piezoeléctrico (acelerómetro), preferiblemente con un coeficiente de conversión del orden de milivoltios por metro por segundo por segundo y una frecuencia de oscilación libre (es superior a la frecuencia SD) de más de 10 kHz. Al conectar el sensor al conector X1, los controles del osciloscopio conectado al conector X2 logran una imagen estable en la pantalla, similar a la que se muestra en la Fig. 6-8. Muestran oscilogramas que ilustran la dependencia de la señal del estado del sensor: suelto (Fig. 6); instalado en estricta conformidad con el manual de instrucciones (Fig. 7); instalado, pero con sujeción floja a la estructura controlada (Fig. 8). La escala de los oscilogramas a lo largo de los ejes vertical y horizontal es de 50 mV/div, respectivamente. y 50 µs/div. La repetibilidad de las oscilaciones excitadas se caracteriza por los resultados de medir la posición de los puntos característicos de los oscilogramas con una repetición diez veces mayor de la excitación. El spread no superó el 1,5% y prácticamente coincidió con el error del osciloscopio de almacenamiento S9-8 utilizado. Es deseable asegurarse de que no haya distorsión de la señal en la salida del amplificador operacional DA3. En la práctica, son poco probables, el rango de oscilaciones amortiguadas de sensores de diferentes tipos varía ligeramente y no supera varios cientos de milivoltios. Al verificar el funcionamiento del disparador Schmitt en el comparador DA5, debe comparar la cantidad de períodos de la señal en su entrada y los pulsos en la salida. Los umbrales de activación se establecen mediante una selección de resistencias R19 y R23. Es deseable realizar el primer control del sensor, especialmente diseñado para trabajar en un objeto operativo continuo y de larga duración, inmediatamente después de su instalación. En este caso, quedará claro de inmediato si se cumplen todos los requisitos (falta de planitud y rugosidad permitidas de la superficie de asiento, par de apriete de la rosca, ausencia de contaminación, etc.). Su violación puede reducir tanto la frecuencia del SD que la señal del sensor no reflejará correctamente la naturaleza de la vibración. Como resultado, es posible generar un comando falso para una parada de emergencia del objeto. Se registra el resultado obtenido (contando la frecuencia de la SD y la posición del interruptor SA2), que servirá de base para evaluar el estado del sensor durante los ciclos de control posteriores. La desviación observada servirá como base para un estudio más detallado del estado del sensor y una decisión sobre la necesidad de repararlo o reemplazarlo. Esto implica que el control se realiza sobre una unidad parada. Su temperatura no es necesariamente constante, y el efecto utilizado es sensible a su cambio. Como se mencionó anteriormente, en ambas etapas del proceso de excitación de las oscilaciones, las reacciones al impacto están determinadas por el valor del módulo piezoeléctrico, las características del material del transductor, que depende del grado de orden de su microestructura, que disminuye con el aumento de la temperatura. En este caso, la amplitud de la señal eléctrica es proporcional al cuadrado del módulo piezoeléctrico y su dependencia de la temperatura es correspondientemente más fuerte. De acuerdo con el experimento, la señal del sensor con una temperatura máxima de operación de 250 °C durante el control a temperaturas de hasta 120 °C tuvo inestabilidad dentro de ±6%. Por lo tanto, es deseable que en todos los ciclos de control el diferencial de temperatura no supere los 20 °C. En este sentido, es mejor operar el dispositivo junto con un dispositivo que le permita medir la temperatura del sensor. La posibilidad de llevar a cabo el control de la unidad operativa depende de una serie de circunstancias. Inmediatamente podemos decir que si el nivel de vibración registrado por el sensor durante el funcionamiento normal del objeto está cerca del límite para el sensor, el límite superior del espectro de vibración se acerca a la frecuencia del SD o, finalmente, la temperatura del sensor está cerca del máximo permitido, el control es imposible. Deberá realizarlo durante las paradas planificadas de la unidad, pero incluso en este caso, el uso del dispositivo ahorrará tiempo y eliminará el trabajo mecánico. Si las circunstancias enumeradas anteriormente no son tan evidentes, el control debe realizarse antes de la puesta en marcha y durante la operación de la instalación. Al comparar los resultados, puede tomar una decisión informada. Debe tenerse en cuenta que el control que utiliza solo los indicadores incorporados del dispositivo descrito implementa solo una parte de las posibilidades. Un análisis del espectro u otras características de las vibraciones naturales del sensor permitirá no solo evaluar con mayor precisión su estado, sino también obtener información adicional sobre la salud del nodo del objeto en el que está instalado el sensor. El hecho es que el límite superior del espectro de la señal del sensor obtenido durante su funcionamiento normal, la mayoría de las veces no supera los 1000 Hz y, a veces, incluso menos. Las pequeñas fallas en el objeto tienen poco efecto sobre la naturaleza del espectro de vibración. Y dado que el espectro es incomparablemente más amplio durante el control, al analizarlo, es posible notar incluso pequeños cambios en la situación del objeto, por supuesto, si ocurren cerca del sensor. El analizador de espectro se conecta al conector X2 en lugar del osciloscopio (o junto con él) y el interruptor SA3 se coloca en la posición "Diagnóstico". El dispositivo permite no solo detectar el hecho de un cambio en el coeficiente de conversión del sensor provocado por un cambio en el módulo piezoeléctrico, sino también calcular su nuevo valor. La técnica más simple es comparar las señales durante el doble control: primero, inmediatamente después de la instalación del sensor, cuando los datos de su verificación reciente son válidos, y luego después del tiempo durante el cual se pueden esperar cambios en los parámetros del sensor. En ambos registros, debe seleccionar N períodos de oscilación de la misma manera, en cada uno de ellos determine el rango de la señal (la diferencia entre los valores máximo y mínimo) y sume los valores obtenidos. Si durante el control inicial se obtuvo la suma V1, y durante el control repetido - V2, el coeficiente de conversión en el momento del control repetido es igual a
donde S1 es el valor del coeficiente de conversión obtenido durante la verificación [3]. Se puede utilizar en el análisis de los resultados de medición hasta la próxima verificación estándar. Otra aplicación del dispositivo se puede encontrar en la fabricación de sensores piezoeléctricos en las etapas de montaje y regulación de parámetros. En la pantalla del osciloscopio, puede observar la respuesta del sensor a las operaciones en curso tan claramente como cuando ajusta los filtros con una barredora. En este caso, es posible obtener información no solo sobre la frecuencia de resonancia, sino también en cierta medida sobre el valor del coeficiente de conversión. Agregamos que además de los sensores de vibración, es posible en algunos casos controlar sensores de pulsación de presión piezoeléctricos, sin embargo, el control será solo cualitativo: según el principio de "bueno-fallo". Literatura 1. Subbotin M. Método de excitación eléctrica de oscilaciones resonantes de un acelerómetro piezoeléctrico y un dispositivo para su implementación. Patente de la Federación Rusa No. 2150708. - Boletín de Invenciones, 2000, No. 16.
Autor: M. Subbotin, Moscú; Publicación: radioradar.net
Cuero artificial para emulación táctil.
15.04.2024 Arena para gatos Petgugu Global
15.04.2024 El atractivo de los hombres cariñosos.
14.04.2024
▪ Módulo en miniatura para recibir emisiones de radio digital ▪ Monitoreo de punto ciego en camiones Mercedes-Benz ▪ Un dispositivo que imita el funcionamiento del cerebro ▪ Cortacésped contra el crimen
▪ sección del sitio Cargadores, acumuladores, baterías. Selección de artículos ▪ Artículo Planeta Neptuno. Historia y esencia del descubrimiento científico. ▪ artículo ¿Quiénes son los neandertales? Respuesta detallada
Hogar | Biblioteca | Artículos | Mapa del sitio | Revisiones del sitio
www.diagrama.com.ua |
Ver otros artículos sección 
Últimas noticias de ciencia y tecnología, nueva electrónica:
Todos los idiomas de esta página