Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

И в данном случае мы получили огромное преимущество для визуальной оценки спектра, так как вся совокупность пиков и их соотношения теперь стала видимой. Другими словами, если мы будем теперь сравнивать логарифмические спектры вибраций машины, у которой подшипники испытывают износ, то мы увидим рост уровней только у подшипниковых тонов, тогда как уровни других компонент будут оставаться неизменными. Форма спектра сразу изменится, что можно будет обнаружить невооруженным глазом.

Рис. 5.36 — Амплитуда, выраженная в децибелах

.

На рисунке 5.36. приведен спектр, где по вертикальной оси отложены децибелы. Это особый тип логарифмической шкалы, который очень важен для вибрационного анализа.

Децибел. Удобной разновидностью логарифмического представления является децибел, или дБ. По существу, он представляет собой относительную единицу измерения, в которой используется отношение амплитуды к некоторому опорному уровню. Децибел (дБ) определяется по следующей формуле:

где Lv — уровень сигнала в дБ; U — уровень вибрации в обычных единицах ускорения, скорости или смещения; Uo — опорный уровень, соответствующий 0 дБ.

Понятие децибела было впервые введено в практику компанией Bell Telephone Labs еще в 20-е годы. Первоначально оно применялось для измерений относительных потерь мощности и отношения «сигнал

— шум» в телефонных сетях. Вскоре децибел стал использоваться в качестве меры уровня звукового давления. Будем обозначать уровень виброскорости в дБ как VдБ (от слова Velocity — скорость) и определим его следующим образом:

Опорный уровень в 10–9 м/с2 достаточен для того, чтобы все измерения вибраций машины в децибелах были бы положительными. Указанный стандартизованный опорный уровень соответствует Международной системе СИ, однако он не признается в качестве стандарта в США и других странах. Например, в ВМС США и многих американских отраслях промышленности в качестве опорного берется значение 10–8 м/с. Это приводит к тому, что американские показания для той же виброскорости будут на 20 дБ ниже, чем в СИ. (В российском стандарте используется опорный уровень виброскорости 5∙10–8 м/с, поэтому российские показания Lv еще на 14 дБ ниже американских).

Таким образом, децибел — это логарифмическая относительная единица амплитуды колебаний, которая позволяет легко проводить сравнительные измерения. Любое увеличение уровня на 6 дБ соответствует удвоению амплитуды, независимо от исходного значения. Аналогично, любое изменение уровня на 20 дБ означает рост амплитуды в десять раз. То есть при постоянном соотношении амплитуд их уровни в децибелах будут различаться на постоянное число, независимо от их абсолютных значений. Такое свойство очень удобно при отслеживании развития вибрации (трендов): рост на 6 дБ всегда указывает на удвоение ее величины.

ДБ и соотношения амплитуд. В приведенной ниже таблице показана взаимосвязь между изменениями уровня в дБ и соответствующими отношениями амплитуд.

Обычно рекомендуются использовать в качестве единиц измерения амплитуды вибрации именно децибелы, так как в этом случае становится доступно гораздо больше информации по сравнению с линейными единицами. Кроме того, логарифмическая шкала в дБ значительно нагляднее, чем логарифмическая шкала с линейными единицами.

Таблица 5.1 — Взаимосвязь между изменениями уровня и отношениями амплитуд

Преобразование единиц измерений. Виброускорение и вибро-

смещение могут также выражаться в децибелах. Чтобы различать между ними, будем обозначать децибелы ускорения — АдБ (от Acceleration — ускорение), децибелы скорости — VдБ (от Velocity — скорость), а децибелы смещения — DдБ (от Displacement — смещение). Шкала АдБ является одной из наиболее распространенных. В качестве опорного уровня ускорения обычно используют значение 1 мкg (в России стандартный опорный уровень виброускорения — 1 мкм/с2, что почти в 10 раз ниже. Это означает, что значение La в АдБ, взятое в соответствии с российским стандартом, будет на 20 дБ выше американского).

Оказывается, что при 3,16 Гц уровни виброскорости в VдБ и виброускорения в АдБ совпадают (в американской системе это имеет место на частоте 159,2 Гц). Приведенные ниже формулы определяют взаимосвязи между уровнями виброускорения, скорости и смещения

Примечание: Заметим, что для временных реализаций во временной области всегда используются линейные единицы измерения

амплитуды: мгновенное значение сигнала может быть и отрицательным, и поэтому его невозможно логарифмировать.

5.2. Средства измерения вибрации

Для измерения вибрации и дополнительной оценки уровня шума применяются специализированные виброметры, виброскопы и универсальные шумовиброметры.

При измерении вибраций всегда участвуют три элемента: вибрирующее звено, исходное звено и устройство для измерения движения вибрирующего звена относительно невибрирующего. Средство измерения параметров вибраций носит название виброметр (рис. 5.37, а).

Обычно исходное (невибрирующее) звено создается с помощью массы, которая может перемещаться вдоль (или вокруг) оси вибраций.

Масса 1 связывается с основанием прибора 4 с помощью пружины 2 и демпфера 3. Преобразователь 5 выдает сигнал смещения корпуса относительно массы 1, в зависимости от параметров мас-

сы 1, пружины 2 и демпфера 3. Сигнал может быть пропорциональным относительному перемещению массы 1 и основания прибора 4, относительной скорости или ускорению. Масса 1 виброметра носит название сейсмического элемента, а система, образующаяся из массы 1, пружины 2 и демпфера 3, — сейсмической системы.

Рассмотрим конструктивные схемы некоторых типов виброметров.

Применяемые в настоящее время виброметры имеют электрический выход. В качестве преобразователей перемещения в электрический сигнал используют резисторные, индуктивные, емкостные, электромагнитные и др.

На рисунке 5.37, б представлена конструкция электромагнитного линейного виброметра с направляющей опорой для сейсмического элемента. Сейсмический элемент 8 установлен на опорном стержне 4 в вязкой жидкости 3. Направляющий диск 1 втулки 5 с малым трением позволяет перемещаться сейсмическому элементу вдоль оси чувствительности 2. Величина перемещения (вибрации) определяется наведением токов в обмотке 7, постоянным магнитом 6, закрепленным в сейсмическом элементе 8.

Рис. 5.37 — Средства измерения вибраций:

а — конструкция виброметра (1 — масса; 2 — пружина; 3 — демпфер; 4 — основание прибора; 5 — преобразователь);б — конструкция электромаг-

нитного линейного виброметра (1 — направляющий диск; 2 — ось чувствительности; 3 — жидкость; 4 — опорный стержень; 5 — втулка; 6 — постоянный магнит; 7 — обмотка; 8 — сейсмический элемент; 9 — каркас катушки; 10 — паз; 11 — воздушный зазор; 12 — пружинный мост; 13 — корпус прибора);в — конструкция виброметра с индуктивным мостом (1 — опорный стержень; 2 — входная ось; 3 и 9 — немагнитная втулка; 4 — пружина;

5 — катушки; 6 — лента; 7 — сейсмический элемент; 8 — пластинчатая пружина; 10 — паз; 11 — жидкость; 12 — якорь; 13 — корпус; 14 — шток)

Виброметр этого типа при объеме 90 см3 и весе 450 г обладает собственной частотой 10 Гц, чувствительностью 0,03 В/(см×с–2) и диапазоном входных смещений ±0,5 см.

Виброметр с индуктивным мостом (рис. 5.37, в). Сейсмический элемент 7, представляющий собой цилиндр из магнитного материала с малым гистерезисом, выполняет функции якоря 12 и перемещается между двумя катушками 5 в свободном пространстве, заполненном вязкой жидкостью 11. Сейсмический элемент 7 установлен на опор-