Диагностика строительных машин / Датчики средств диагностирования строительных машин / Глава 4.16
Согласование датчиков с усилительно-преобразующей аппаратурой
Согласуемость датчика с измерительным трактом средства диагностирования - одно из основных требований к датчикам, как элементам средства диагностирования. Согласуемость характеризуется в первую очередь соответствием параметров выходного электрического сигнала датчика (вид, форма, пределы изменения) входным параметрам измерительного тракта. Для средств диагностирования следует использовать датчики с унифицированным выходным сигналом.
При наличии полного согласования датчика с измерительным трактом достигается оптимальная точность измерений при экономически и технически оправданной сложности аппаратуры.
При диагностировании машин на работу датчика оказывает влияние ряд факторов электрического характера со стороны питающей и усилительно-преобразующей аппаратуры: нестабильность напряжения и частоты источника питания; электрические помехи при возникновении неисправностей вторичной аппаратуры и линии связи (изменение емкости между проводами, уменьшение сопротивления изоляции и т. д.); нестабильность сопротивления линии связи, вызванная применением соединительных кабелей развой длины и т. д.
Влияние этих факторов обусловливает ряд основных требований, предъявляемых к датчику: стабильность выходного сигнала ври изменении характеристик питающей аппаратуры (напряжения питания и его частоты) и при изменении сопротивления линии связи; защищенность от электрических помех при возникновении неисправностей измерительного канала (вторичная аппаратура - линии связи).
Эти требования накладываются на все типы датчиков без исключения. Количественно они выражаются величиной допускаемых дополнительных погрешностей.
Параметры питания датчика: напряжение, сила тока, колебания напряжения, частота переменного тока (согласно СТ СЭВ 768-77) для вновь разрабатываемых преобразователей должны быть: напряжение постоянного тока-12; 24; 48; ПО В; напряжение переменного тока -36; 220 В; колебание напряжения от плюс 10 до минус 15 % от номинального значения; частота питания переменного тока 50± 1 Гц.
Линия связи, в основном обусловленная конструктивными особенностями средства диагностирования, должна выбираться в зависимости от влияния параметров самой линии на характеристики датчика (сопротивления жил кабеля и изоляции; для сигналов; переменного тока - рабочей емкости между парами проводов, а также проводом и экраном). Сопротивление провода (жилы кабеля) обычно равно 20-25 Омкм, сопротивление изоляции - 40 МОмкм, а рабочая емкость - около 0,125 мкФкм.
Помимо этих основных требований со стороны вторичной аппаратуры на датчик накладывается еще ряд условий:
- низкое выходное электрическое сопротивление. Величина сопротивления и допускаемое отклонение его устанавливаются в технической документации на отдельные типы датчиков;
- высокое сопротивление изоляции цепей датчика относительно, корпуса и между собой. Требования к электрической изоляции регламентированы СТ СЭВ 768-77.
Низкая потребляемая мощность и высокий КПД (отношение мощности выходного сигнала к общей потребляемой мощности) должны быть обязательно выполнимым требованием при разработке датчика, предназначенного для работы в переносных диагностических измерительных устройствах с автономным блоком питания..
К датчикам, предназначенным для работы в составе автоматизированных средств диагностирования, предъявляется целый: комплекс требований по их согласованию с измерительным трактом диагностического средства.
Универсальность - это способность при определенных условиях измерять максимальное число диагностических параметров на большом числе родственных объектов диагностирования (например, дизельные двигатели тракторов, комбайнов и грузовых автомобилей), с возможностью подключения к одному измерительному тракту. При этом возможные конструктивные отличия объектов-диагностирования не должны влиять на исполнение датчика, & должны учитываться только при разработке способа крепления; их на объекте с помощью присоединительных устройств.
Для диагностических средств очень важно иметь небольшой комплект датчиков, идентичных как по выходному сигналу, так: и принципу взаимодействия с объектом, которые обеспечивали бы; регистрацию, если не всех возможных параметров, то во всяком случае имеющих наибольшую частоту применения.
Помимо этого применение универсальных датчиков резко сокращает сроки и стоимость разработок средств диагностирования. Требование универсальности должно учитываться при разработке технических требований и технического задания на датчики.
Унификация по параметрам питания и выходного сигнала. Удовлетворение этого требования обеспечивает конструктивное упрощение и удешевление диагностических средств в целом. Унификация датчика по параметрам напряжения питания значительно упрощает конструкцию устройства питания диагностического средства. Параметры напряжения питания для вновь разрабатываемых датчиков регламентированы СТ СЭВ 768--77.
Выходные сигналы датчиков можно подразделить на два вида: унифицированный выходной сигнал ГСП - это сигнал с унифицированными параметрами, обеспечивающими взаимозаменяемость датчиков; нормированный выходной сигнал, который в силу имеющихся в датчике физических и конструктивных возможностей не доводится до унифицированного без специального преобразования и параметры которого регламентированы стандартами или техническими условиями.
При разработке новых датчиков следует назначить унифицированный выходной сигнал ГСП согласно СТ СЭВ 768-77.
Допускается применение и нормированных выходных сигналов. Однако в этом случае обычно разрабатывают специальную вторичную аппаратуру (например, для системы универсальных механотронных датчиков применяют специальный блок питания типа БВ-3040, а для системы универсальных измерительных преобразователей динамических давлений типа ДД-10-аппаратуру ИД-2И).
Взаимозаменяемость - это способность к замене одного датчика другим того же типа в составе измерительного устройства или диагностического средства с сохранением всех параметров объекта и вторичной аппаратуры. Взаимозаменяемость одного датчика другим считается полной, когда не требуется никакой подрегулировки вторичной аппаратуры, и неполной, когда подрегулировка необходима (например, регулировка нуля после замены датчика). Полная взаимозаменяемость целесообразна в случае автоматизированных диагностических измерительных систем, а неполная - в отдельных измерительных устройствах.
Помехоустойчивость - это комплексный показатель, характеризующий способность датчика выполнять свои функции в заданных пределах при воздействии ряда помех. Все помехи, наблюдаемые в процессе диагностирования, можно разделить на три группы: электрические (колебания напряжения питания и его частоты, сопротивления линий связи, наличие внешних электрических и магнитных полей, возникновение неисправностей измерительного тракта и т. п.); механические (вибрационные и ударные нагрузки, линейные и угловые ускорения и т. п.); температурные. Количественным выражением помехоустойчивости может быть допускаемая дополнительная погрешность датчика, устанавливаемая стандартами или техническими условиями на датчик.
Дополнительная погрешность датчика по входу (выходу) - есть увеличение его погрешности по входу (выходу), вызванное отклонением одного или нескольких воздействующих эксплуатационных факторов (температура и влажность окружающего воздуха, вибрации и температура объекта и т. п.) от их нормального значения, установленного техническими условиями на данный тип датчика. Дополнительные погрешности датчика вызываются воздействием на него одного или нескольких эксплуатационных факторов со стороны объекта диагностирования и окружающей среды, со стороны вторичной аппаратуры (нестабильность напряжения и частоты питания, внешние электрические и магнитные поля и т. п.), а также при неполной согласованности датчика со вторичной аппаратурой.
Допускаемая дополнительная погрешность Ддоп оценивается значением допускаемого изменения выходного сигнала датчика в долях основной допускаемой погрешности Д и устанавливается в соответствии с техническими требованиями на отдельные типы датчиков.
Наиболее часто устанавливаемые значения Ддоп при изменении температуры на каждые 10°С, или при отклонении напряжения питания более чем на +10-.-15%, или при отклонении частоты питания переменного тока более чем на ±1 Гц; ДДОП0,5Д.
Указанная зависимость сохраняется при влиянии вибраций до lOg в диапазоне частот 10-300 Гц с учетом того, что значения амплитуд не превышают 1,5 мм (максимальные вибрационные нагрузки, действующие на датчик, установленные на дизельном двигателе) при самом неблагоприятном рабочем положении датчика, а также при влиянии внешнего переменного магнитного поля напряженностью 400 Ам с частотой 50 Гц при самом неблагоприятном направлении поля.
Высокая информативность - это требование становится наиболее актуальным при решении задач технического диагностирования с применением автоматизированных средств диагностирования, так как информацию о параметре технического состояния машины, преобразованную и переданную системой (датчик - измерительный канал - регистрирующая аппаратура) трудно, а зачастую и невозможно перепроверить. Информативность датчика объединяет следующие характеристики: высокую избирательность, т. е. датчик должен реагировать только на изменение того контролируемого параметра, для измерения которого он предназначен; достоверность измерительной информации; стабильность измерительной информации во времени.
Характеристики информативности должны устанавливаться в технической документации на отдельные типы датчиков в зависимости от их назначения.
Градуировочная характеристика в рабочем диапазоне измерений (зависимость между входной величиной и выходным сигналом) датчика должна быть линейной и однотипной по виду выходного сигнала. В некоторых случаях допускается применение датчика с нелинейной характеристикой, но в этом случае чаще всего линеаризация характеристики осуществляется измерительной схемой. Например, выходной сигнал потенциометрического датчика может нелинейно зависеть от входной величины, но с целью получения постоянной чувствительности его на всем диапазоне измерений, обеспечения условий взаимозаменяемости и т. п. принимают меры по линеаризации характеристики с помощью измерительного тракта системы.
Однотипность градуировочной характеристики датчика значительно упрощает конструкцию СТД, так как не требует наличия индивидуальных (групповых) измерительных трактов или специальных подстроечных устройств.
Однозначность оценки основной погрешности датчиков. До сего времени основную погрешность оценивают для разных типов датчика по-разному (в основном применяют три метода оценки: предельную или максимально допускаемую погрешность; среднюю квадратическую погрешность; доверительную погрешность).
Возможность осуществления компенсации дополнительной погрешности в самом датчике (например, осуществление температурной компенсации в тензорезисторном датчике за счет применения «полного моста»);
- возможность получения унифицированного выходного сигнала датчика значительного по величине и не требующего дальнейшего усиления. Это достигается за счет конструктивного исполнения датчика в виде моноблока со встроенной электронной схемой (например, датчик давления типа ИКД6ТДФ);
- возможность осуществления периодической переградуировки датчика и калибровки измерительного тракта системы в полевых условиях, так как это значительно упростит обслуживание диагностического средства и не потребует применения сложного специального градуировочного и калибровочного оборудования;
- возможность многократного применения датчика требует повышенной механической прочности его конструкции при частом монтаже и демонтаже на объекте и со вторичной аппаратурой.
Часть выпускаемых промышленностью датчиков имеет стандартизированные выходные сигналы, определяемые стандартами (например, термометры сопротивления, термопары и др.). Но большинство их имеет не унифицированные выходные сигналы.
Одним из важных вопросов является задача согласования датчиков с измерительным трактом диагностического средства. Здесь мы сталкиваемся с противоречием между многообразием типов преобразователей и требованием унификации входных сигналов диагностического средства. Поэтому при обосновании и выборе типов датчиков для средств диагностирования целесообразно поставить три основных требования: метрологическая совместимость датчиков со вторичной (питающей и усилительно-преобразующей) аппаратурой - свойство, обеспечивающее единство и сопоставимость результатов измерений, возможность оценки погрешности результата измерений; информационная совместимость датчиков и вторичной аппаратуры - свойство, обеспечивающее согласование входных и выходных сигналов по видам, номенклатуре, уровням и информационным параметрам; эксплуатационная совместимость- свойство, обеспечивающее согласование характеристик датчиков и вторичной аппаратуры с учетом влияющих эксплуатационных факторов в рабочих условиях.