振動(dòng)變送器測(cè)試方法研究

劉陸燕 袁雪松

摘 要：振動(dòng)變送器測(cè)試需求隨著其應(yīng)用的增加而不斷增多，為了解決振動(dòng)變送器針對(duì)性測(cè)試方法缺乏的問題，開展對(duì)其測(cè)試方法的研究。給出常用振動(dòng)變送器的安裝方式，重點(diǎn)介紹其測(cè)試方法及數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。按照文中給出的方法，通過測(cè)試多個(gè)廠家不同型號(hào)的振動(dòng)變送器得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并分析給出振動(dòng)變送器的誤差判別方法，該方法能較好地滿足振動(dòng)變送器測(cè)試需求。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)變送器;測(cè)試方法;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì);安裝方式;誤差分析;信號(hào)調(diào)理

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-02

0 引 言

在生產(chǎn)過程的自動(dòng)檢測(cè)和控制中，隨著計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（DCS）的普及和工藝自動(dòng)化程度的提高，振動(dòng)變送器的應(yīng)用越來越廣泛。智能振動(dòng)變送器在動(dòng)力機(jī)械運(yùn)行狀況的在線檢測(cè)、振動(dòng)對(duì)象的振動(dòng)特性研究或振動(dòng)模式判定等方面都有著非常廣泛的應(yīng)用前景[1]。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，測(cè)量和控制始終貫穿于試驗(yàn)、開發(fā)和生產(chǎn)的全過程。各種參數(shù)的測(cè)量結(jié)果是判斷生產(chǎn)是否正常、質(zhì)量是否可靠的科學(xué)依據(jù)[2]。但振動(dòng)變送器目前還沒有專門的測(cè)量依據(jù)，因此開展對(duì)振動(dòng)變送器測(cè)量方法的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 振動(dòng)變送器

GB/T7665—2005傳感器通用術(shù)語中對(duì)傳感器、變送器、振動(dòng)傳感器都做了相應(yīng)的定義。其中傳感器[3]是能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換單元組成。當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。振動(dòng)傳感器是能感受機(jī)械運(yùn)動(dòng)振動(dòng)參量（機(jī)械振動(dòng)速度、頻率、加速度等）并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。因此，振動(dòng)變送器是一種將機(jī)械運(yùn)動(dòng)振動(dòng)參量（機(jī)械振動(dòng)速度、頻率、加速度等）轉(zhuǎn)換成規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)的器件或裝置。

振動(dòng)變送器通常由兩部分組成：振動(dòng)傳感器和信號(hào)調(diào)理單元。振動(dòng)傳感器主要是由振動(dòng)敏感單元組成;信號(hào)調(diào)理單元主要由測(cè)量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成，有些振動(dòng)變送器具備顯示單元。振動(dòng)變送器原理框圖如圖1所示。

2 測(cè)試方法

對(duì)振動(dòng)變送器的測(cè)試項(xiàng)目主要包括頻率響應(yīng)、幅值非線性度、安全性能（絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度），并且應(yīng)該約定測(cè)試環(huán)境條件、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)裝置精度、安裝方式等。由于在工業(yè)過程控制應(yīng)用中，最常見的振動(dòng)變送器為壓電式、磁電式和電渦流式，本節(jié)重點(diǎn)介紹這三種振動(dòng)變送器的安裝方式及關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量誤差判定。

2.1 安裝

安裝方式的好壞直接影響測(cè)量結(jié)果的精度，壓電式、磁電式的振動(dòng)變送器因?yàn)閭鞲衅骱妥兯推鞣庋b在一起，可以采用螺釘加油脂[4]的方式與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)背靠背地安裝在振動(dòng)臺(tái)面中心。電渦流式的振動(dòng)變送器動(dòng)態(tài)測(cè)量安裝相對(duì)復(fù)雜，主要步驟為：

（1）選擇與被測(cè)工況相同的金屬感應(yīng)盤，并確保兩者材料（45鋼、鈦合金等）相同，確保感應(yīng)盤的直徑大于

3.5倍變送器探頭直徑，厚度大于0.2 mm，并安裝到振動(dòng)臺(tái)面中心[5];

（2）選擇合適的夾具固定變送器探頭，使之保持與感應(yīng)盤相垂直，通過監(jiān)測(cè)前置器輸出電壓，調(diào)節(jié)變送器探頭與感應(yīng)盤之間的間隙，找到線段中點(diǎn);

（3）安裝應(yīng)確保傳感器線圈周圍，除被測(cè)感應(yīng)盤外應(yīng)盡可能避開其他導(dǎo)體，否則將降低靈敏度和縮小線性范圍。

變送器安裝完成后，線纜應(yīng)盡可能固定，以減小振動(dòng)、彎曲等原因所造成的分布電容的變化。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量誤差判定

2.2.1 誤差測(cè)量方法

安裝完成后，采用符合JJG 298—2015[6]技術(shù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，參考JJG 676—2000、JJG 134—2003、JJG 233—2008[7-9]采用比較法對(duì)振動(dòng)變送器進(jìn)行測(cè)量。

（1）頻率響應(yīng)誤差

在振動(dòng)變送器工作頻率范圍內(nèi)，均勻地或按倍頻程選取至少7個(gè)頻率值（其中包含參考點(diǎn)，推薦80 Hz或40 Hz），由振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置給出適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)幅值，分別測(cè)量各頻率點(diǎn)的輸出值。振動(dòng)變送器頻率按式（1）計(jì)算其測(cè)量誤差。

式中：Ai為振動(dòng)變送器各測(cè)量點(diǎn)實(shí)際輸出值，單位為mA或V;Ar為振動(dòng)變送器在參考點(diǎn)實(shí)際輸出值，單位為mA或V。

（2）幅值非線性度

以振動(dòng)變送器工作頻率范圍內(nèi)的某一頻率點(diǎn)（推薦80 Hz或40 Hz），在其測(cè)量范圍內(nèi)均勻選取包括上限值、下限值在內(nèi)不少于6個(gè)測(cè)量點(diǎn)。選取某一頻率點(diǎn)，在該頻率不變的情況下，由振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置給出適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)幅值，分別測(cè)量振動(dòng)變送器在不同幅值下的輸出值，振動(dòng)變送器幅值非線性度按式（2）計(jì)算其測(cè)量誤差。

式中：Ai為振動(dòng)變送器各測(cè)量點(diǎn)實(shí)際輸出值，單位為mA或V;Aj為振動(dòng)變送器各測(cè)量點(diǎn)理論輸出值，單位為mA或V。

2.2.2 結(jié)果驗(yàn)證

取一只揚(yáng)州巨豐科技生產(chǎn)的型號(hào)為JF-SD-20振動(dòng)變送器，測(cè)量范圍為0～20 mm/s，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)4～20 mA。采用無錫市計(jì)量測(cè)試院振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置按上述方法進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，得到結(jié)果見表1、表2。

通過上述測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合振動(dòng)速度變送器靈敏度測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[10]中給出的擴(kuò)展不確定度Urel=2.3% （k=2）以及振動(dòng)測(cè)量的特殊性，可以得到此振動(dòng)變送器符合±5%測(cè)量誤差要求。參考JJG 676—2000《工作測(cè)振儀檢定規(guī)程》中對(duì)計(jì)量性能的要求，認(rèn)為振動(dòng)變送器的最大允許誤差按傳感器工作原理劃分，應(yīng)符合表3規(guī)定。

3 結(jié) 語

本文提出一種振動(dòng)變送器的測(cè)量方法，給出常用振動(dòng)變送器的安裝方式，重點(diǎn)介紹其測(cè)試方法及數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。按照文中給出的方法，通過測(cè)試多個(gè)廠家不同型號(hào)的振動(dòng)變送器得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并分析給出振動(dòng)變送器的誤差判別方法。通過測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法可行，對(duì)振動(dòng)變送器的測(cè)量具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]賀升平，李愛國(guó)，張?chǎng)?智能振動(dòng)變送器系統(tǒng)研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2013，32（4）：120-122.

[2]張軍.基于EPA工業(yè)以太網(wǎng)的智能變送器研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).傳感器通用術(shù)語：GB/T 7665—2005[S].北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2005.

[4]于雪蓮.加速度傳感器安裝方式對(duì)靈敏度的影響[J].中國(guó)計(jì)量，2017（2）：114-116.

[5]李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[6]中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)檢定規(guī)程：JJG 298—2015[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2015.

[7]中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院.工作測(cè)振儀檢定規(guī)程：JJG 676—2000[S].北京：中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，2000.

[8]北京市計(jì)量科學(xué)研究院.磁電式速度傳感器檢定規(guī)程：JJG 134—2003[S].北京：北京市計(jì)量科學(xué)研究院，2003.

[9]中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程：JJG 233—2008[S].北京：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，2008.

[10]賈小冬.振動(dòng)速度變送器靈敏度測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016（1）：41-42.