Поверка и калибровка акселерометров с помощью оборудования ВИСОМ

    Поверка и калибровка вибропреобразователей

    Нормативные документы

Поверка вибропреобразователей регламентируется ГОСТ Р 8.669-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. ВИБРОМЕТРЫ С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ, ИНДУКЦИОННЫМИ И ВИХРЕТОКОВЫМИ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ. Методика поверки»[l].

Поверка может быть первичной или периодической. Эти две поверки различаются набором операций.

Таблица 1 - Операции, выполняемые при поверке вибропреобразователя по ГОСТ Р 8.669-2009


Наименование операции Пункт ГОСТ Обязательность проведения операции при поверке
Первичной

Периодической

Внешний осмотр 10.1 Да

Да

Проверка электрического сопротивления изоляции пьезоэлектрического вибропреобразователя 10.3 Да

Да

Опробование 10.4 Да

Да

Определение электрической емкости пьезоэлектрического вибропреобразователя 10.8 Да

Да

Определение действительного значения коэффициента преобразования вибропреобразователя 10.11 Да

Да

Определение относительного коэффициента поперечного преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя 10.12 Да

Нет

Определение неравномерности частотной характеристики вибропреобразователя 10.13 Да

Да

Определение нелинейности амплитудной характеристики вибропреобразователя 10.14 Да

Нет

Определение частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя 10.15 Да

Нет

Определение основной относительной погрешности вибропреобразователя 10.17 Да

Да


Рассмотрим операции поверки подробнее.

Операции внешнего осмотра предполагает отбраковку вибропреобразователя по внешним признакам, а именно по повреждениям резьбы, кабеля и т.д.

Операции из пунктов 10.3 и 10.8 ГОСТ предполагают определение электрических параметров пьезоэлектрического вибропреобразователя, а именно сопротивления изоляции и ёмкости преобразователя. Эти параметры определяются потому, что от них зависит коэффициент преобразования датчика и устойчивость его к внешним помехам.

Перечисленные выше операции проводятся без подключения датчика к какой-либо вибрационной установке.

Далее следуют операции опробования и определения действительного значения коэффициента преобразования. При опробовании датчик подключается к вибростенду и с помощью системы управления задается вибрация и проверяется наличие на выходе преобразователя сигнала соответствующей формы. Определения действительного коэффициента преобразования имеет цель определить соответствие коэффициента преобразования датчика на базовой частоте паспортному значению.

Далее определяется коэффициент поперечного преобразования – чувствительность датчика к вибрации, действующей не по оси вибропреобразователя, неравномерность частотной характеристики – величина, определяющая точность измерений вибропреобразователя в рабочем диапазоне частот, нелинейность амплитудной характеристики – характеристика, определяющая точность измерений в рабочем диапазоне амплитуд.

Также при поверке определяются частота установочного резонанса вибропреобразователя и рассчитывается его основная относительная погрешность.

Калибровка вибропреобразователей регламентируется набором ГОСТ ИСО 16063, являющимся переводом соответствующих международных стандартов. В этот набор входят:

  • ГОСТ ISO 16063-1-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 1. Основные положения [3];

  • ГОСТ ISO 16063-11-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 11. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии[4];

  • ГОСТ ISO 16063-12-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 12. Первичная вибрационная калибровка на основе принципа взаимности [5];

  • ГОСТ ISO 16063-21-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 21. Вибрационная калибровка сравнением с эталонным преобразователем [2];

  • ГОСТ ISO 16063-31-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 31. Определение коэффициента поперечного преобразования[6].

Как видно из названий стандартов, они описывают практически те же самые операции, что и ГОСТ Р 8.669-2009.

Отличия отечественного стандарта от международных заключаются, в основном, в выборе набора используемых частот и амплитуд.

Рассмотрим проведение первичной и периодической поверок вибропреобразователя с помощью систем ВС-321 и ВС-421.


      Состав поверочной установки

В состав вибрационной поверочной установки обычно включаются:

  • эталонный вибропреобразователь или (набор эталонных вибропреобразователей);

  • вибростенд с усилителем мощности (или набор вибростендов);

  • контроллер с высокоточными ЦАП и АЦП;

  • ПК со специализированным программным обеспечением.

Наличие набора вибропреобразователей и вибростендов позволяет получить больший рабочий диапазон частот и амплитуд, нежели чем при наличии одного стенда и вибропреобразователя.


      Операции поверки

Рассмотрим каждую из перечисленных выше операций подробнее.

При определении действительного коэффициента преобразования вибропреобразователь крепят на вибростенд и задают вибрацию с базовой частотой и ускорением, обычно не менее 10 м/с2.

При этом собирается схема, приведенная на рисунке ниже.


Рисунок 1.1 - Схема определения действительного коэффициента преобразования

и неравномерности ЧХ с использованием поверочной установки ВС-321


Коэффициент преобразования определяют по формуле:


(1)


где – действительное значение коэффициента преобразования поверяемого вибропреобразователя, мВ/м·с-2;

– виброускорение, задаваемое поверочной виброустановкой, т.е. показания эталонного вибропреобразователя, м/с2;

– показания вольтметра, измеряющего напряжение на выходе поверяемого вибропреобразователя, мВ.

При определении неравномерности частотной характеристики эту же операцию повторяют на наборе частот в рабочем диапазоне частот.

В качестве частот берется либо третьоктавный ряд (пункт 10.5.3 ГОСТ Р 8.669-2009), либо 6 частот равномерно распределенных по рабочему диапазону, при этом обязательно должны быть использованы начальная и конечная частоты (пункт 5.1 ГОСТ ИСО 16063-21-2013).

Для каждой из частот значение коэффициента определяется по формуле, приведенной выше.

Конечная неравномерность вычисляется по формуле:


(2)

где

– неравномерность АЧХ, %

– коэффициент преобразования на базовой частоте;

– коэффициент преобразования на i-той частоте.

Схема с последовательным вычислением коэффициента преобразования для каждой из частот описана в ГОСТ Р 8.669-2009 и применяется повсеместно. Недостатком описанного подхода является необходимость при определении ЧХ вибропреобразователей последовательно подавать все частоты третьоктавного ряда, что приводит к достаточно большим временным затратам. Использование автоматизированных систем не устраняет данный недостаток – и в данном случае подстройка амплитуды и измерения происходят на всех частотах. В свою же очередь использование широкополосного сигнала возбуждения регламентировано ГОСТ ISO 16063-21-2013[2].

Для решения этой проблемы в системах ВС-321 и ВС-421 был разработан метод поверки вибропреобразователей с использованием широкополосного случайного сигнала.

При использовании этого инновационного подхода измерения на всех частотах проводятся одновременно, что позволяет значительно сократить время измерения ЧХ поверяемого преобразователя.

Апробация метода прошла в ФГБУ ГНМЦ Минобороны РФ[ 7 ]. В процессе практической апробации метода было проведено 10 измерений коэффициента преобразования (градуировок) акселерометра пьезоэлектрического 4371 на центральных частотах 1/3 – октавного ряда в диапазоне частот от 10 до 12500 Гц с помощью системы измерительной виброакустической ВС-321. Далее проведено сравнение с градуировкой на синусоидальном сигнале, используя ту же систему ВС-321, и градуировкой на государственном первичном специальном эталоне единиц длины, скорости и ускорения при колебательном движении твердого тела в диапазоне частот 3·10-1 - 1·104 Гц ГЭТ 58-84.

Результаты апробации показаны ниже.


Рисунок 1.2 - Результаты апробации алгоритма калибровки. ЧХ акселерометра 4371


По оси абсцисс отложены центральные частоты 1/3 – октавного ряда в Гц, по оси ординат отложены значения коэффициента преобразования акселерометра в пКл.

Как видно из результатов апробации, относительная разница градуировок на ШСВ и синусе составила 0,63 %, в то же время на ШСВ и ГЭТ 58-84 минус 1,13 %. При этом максимальное значение относительного СКО по результатам 10 измерений во всем диапазоне частот от 10 до 12500 Гц составило 0,097 %. Таким образом, результаты апробации доказывают, что применение широкополосного случайного сигнала для определения ЧХ вибропреобразователей возможно в поверочных установках второго разряда[2].

Второй инновацией, реализованной в системах фирмы ВИСОМ является использование для определения ЧХ метода замещения.

При использовании метода замещения измерения частотной характеристики проходят в два этапа:

  • сначала на вибростенд крепятся эталонный акселерометр и так называемый рабочий акселерометр;

  • производится вычисление ЧХ рабочего акселерометра по эталону;

  • эталонный датчик снимается, вместо него крепится поверяемый датчик;

  • вычисляется ЧХ поверяемого датчика по рабочему;

  • вычисленные ЧХ перемножаются, при этом получается ЧХ поверяемого датчика по эталону.


Рисунок 1.3 - Схема определения ЧХ акселерометра с использованием метода замещения


Таким образом,

(3)

 где

– значение коэффициента преобразования поверяемого датчика на i-той частоте;

– значение коэффициента преобразования рабочего датчика на i-той частоте;

– значение коэффициента преобразования эталонного датчика на i-той частоте;

– значение АЧХ канала, к которому подключаются поверяемый и эталонный датчики i-той частоте;

– значение АЧХ канала, к которому подключен рабочий датчик на i-той частоте;

При вычислениях, описанных выше, сокращается неидентичность входных каналов, кроме того, согласно зарубежным исследованиям проведение расчета ЧХ с использованием метода замещения уменьшает неопределенность измерений в 5 раз по сравнению с классической схемой([9,10]).

При этом, для экономии времени результаты вычисления характеристики рабочий/эталонный датчик могут быть сохранены в файл и использованы в дальнейшем.

При определении нелинейности амплитудной характеристики вибропреобразователя на стенде задают базовую частоту и вычисляют действительный коэффициент преобразования по формуле (1) не менее чем при пяти амплитудах, одна из которых должна быть минимальной, а вторая – максимальной.

Затем для всех коэффициентов вычисляю среднее значение и нелинейность АХ датчика:


(4)
(5)

Для определения относительного коэффициента поперечного преобразования вибропреобразователя акселерометр устанавливают на вибростол поверочной виброустановки с помощью специального устройства таким образом, чтобы главная ось его чувствительности была перпендикулярна к направлению колебаний.

Пример такого приспособления приведен в ГОСТ ИСО 16063-31-2013 и показан на рисунке ниже. Подобное механическое приспособление поставляется к системам ВС-321 и ВС-421 по отдельному заказу.



Рисунок 1.4 - приспособление для определения относительного коэффициента поперечного преобразования.


На рисунке выше: 1 - винт для изменения положения восьмиугольного приспособления для крепления калибруемого преобразователя; 2 - калибруемый преобразователь; 3 - приспособление для крепления калибруемого преобразователя; 4 - эталонный преобразователь; 5 - стол вибровозбудителя (вибростол).

Датчик устанавливают с шагом в 30 градусов и доля каждого значения вычисляют коэффициент преобразования. Процедуру повторяют три раза и для каждого положения вычисляют среднее значение коэффициента преобразования - .

(6)

Затем по формулам вычисляют значение относительного коэффициента поперечного преобразования.


(7)
(8)

Для определения частоты установочного резонанса вибропреобразователя ГОСТ Р 8.669-2009 предлагает использовать три схемы:

  • с использованием высокочастотного вибростенда и эталонного датчика;

  • с использованием пьезовозбудителя;

  • ударный метод с использованием стальных шаров.

Такие же три схемы описаны и в зарубежных стандартах, например в BS 6955-22: Calibration of vibration and shock pick-ups — Part 22: Acceleration resonance testing[ 11].

Первых два подхода имеют существенные недостатки.

Первый способ в настоящее время этот не реализуем, так как большинство вибропреобразователей имеют частоту резонанса от 20 кГц, а некоторые - до 70 или 90 кГц.

Например, один из наиболее распространенных акселерометров – АР2037 имеет частоту установочного резонанса не менее 45 кГц[ 12 ]. А вибростендов, работающих в частотном диапазоне до 50 кГц – существует только один[ 13 ]. Остальные высокочастотные стенды имеют в лучшем случае диапазон до 20 кГц. Второй способ лишен недостатков предыдущего - физических ограничений стенда - однако требует наличия пьезоэлемента, который надо где-то заказывать.

Поэтому в состав системы ВС-421 разрабатывается установка для обнаружения резонанса ударным методом. Внешний вид установки показан на рисунках ниже.


1 - кронштейн; 

2 - падающий шар;

3 - направляющая трубка; 

4 - рабочее тело; 

5 -регистрирующее устройство;

6 -поверяемый вибропреобразователь; 

7 -согласующий усилитель



Рисунок 1.5 -установка для определения установочного резонанса вибропреобразователей ударным методом.



Рисунок 1.6 -установка для обнаружения резонансов ударным методом, смонтировано рабочее тело диаметром 75 мм.



Для определения резонанса на рабочее тело с закреплённым акселерометром сбрасывают шарик, и проводят спектральный анализ сигнала с вибропреобразователя. Точкой резонанса считается максимум СПМ данного сигнала, где фаза приближается к 90°.

При поверка датчика по ГОСТ Р 8.669-2009 также производится расчет основной относительной погрешности вибропреобразователя. Формулы для расчета приведены в пункте 10.17 ГОСТ.



Проведение поверки вибропреобразователя с помощью систем ВС-321 и ВС-421

Настройка измерений


Перед проведением поверки необходимо задать основные параметры системы, выполняющей измерения. Это делается с помощью окна задания метрологических параметров, вызываемого через соответствующую кнопку, расположенную на панели риббона «Конфигурация».



Рисунок 1.7 - Окно задания метрологических параметров


К основным параметрам системы относятся:

  • наименование системы, в т.ч. серийный номер. Эта информация будет отображаться в протоколе о поверке;

  • дата поверки системы;

  • таблица основной относительной погрешности воспроизведения виброускорения при доверительной вероятности 0,95. Эта информация будет использована для расчета основной относительной погрешности вибропреобразователя (пункт 10.17 ГОСТ Р 8.669-2009), и берется из протокола поверки системы.

Далее задаются собственно параметры измерений, а именно параметры поверяемого датчика, эталона и настройки измерений. Эти настройки задаются в окне параметров, показанном на рисунке ниже.



Рисунок 1.8 - Окно настройки параметров поверки вибропреобразователей


Параметры поверяемого датчика выбираются из базы данных, в которой хранятся:

  • наименование датчика и его производитель;

  • начальная и конечная частоты рабочего диапазона, начальная и конечная амплитуды рабочего диапазона;

  • номинальный коэффициент преобразования и базовая частота;

  • пределы неравномерности ЧХ, отклонения коэффициента от номинального значения, относительного коэффициента поперечного преобразования, частоты установочного резонанса и т.д.

Кроме параметров поверяемого преобразователя, необходимо также выбрать стенд/стенды и соответствующие эталоны.



Рисунок 1.9 - Задание настроек эталонного вибропреобразователя


Для эталонного вибропреобразователя в обязательном порядке задается его частотная характеристика по частотам, на которых будет производится поверка. Эти данные будут использованы при определении действительного значения виброускорения на частотах.

Затем задаются основные настройки измерений.


Рисунок 1.10 - Настройки измерений, проводимых при поверке


К ним относятся:

  • Тип поверки – первичная или периодическая. Этот тип определяет набор шагов в мастере;

  • Режим измерений. Данный параметр определяет тип сигнала и алгоритм вычисления ЧХ преобразователя;

  • Настройки расчета фазы поверяемого преобразователя;

  • Используется ли метод замещения или нет;

  • Каналы, к которым подключен датчик и т.д.

Также настраиваются параметры отчета, который автоматически создается после завершения измерений.


Рисунок 1.11 –Настройки отчета



    Проведение измерений


Поверка в зависимости от типа (первичная или периодическая) состоит из одного или четырех шагов.

На первом шаге происходит опробование (пункт 10.4 ГОСТ Р 8.669-2009), определяется действительное значение коэффициента преобразования акселерометра (пункт 10.11 ГОСТ Р 8.669-2009) и его частотная характеристика (пункт 10.13 ГОСТ Р 8.669-2009).


Рисунок 1.12 - Определение частотной характеристики вибропреобразователя с помощью VisprobeSL


При начале измерений показывается окно с инструкциями о том, какие датчики надо установить на стенд и к каким каналам их необходимо закрепить.


Рисунок 1.13 - Пример окна с инструкциями, которые показываются перед запуском измерений


После того, как датчики установлены в соответствии с инструкциями, необходимо нажать кнопку «Продолжить». После этого система начинает измерения.

На втором шаге происходит определение нелинейности амплитудной характеристики (пункт 10.14 ГОСТ Р 8.669-2009).

На третьем шаге происходит определение относительного коэффициента поперечного преобразования (пункт 10.12 ГОСТ Р 8.669-2009). При этом дополнительно показываются сообщения о необходимости повернуть датчик на определенный угол, как на рисунке ниже.


Рисунок 1.14 –сообщение о необходимости повернуть датчик


На четвертом шаге определяется частота установочного резонанса (пункт 10.15 ГОСТ Р 8.669-2009) акселерометра.

По завершении всех шагов автоматически рассчитывается основная относительная погрешность акселерометра (пункт 10.17 ГОСТ Р 8.669-2009) и создается отчет.

Использованная литература

 

1.

ГОСТ Р 8.669-2009 ГСИ. Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки.

2.

ГОСТ ISO 16063-1-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 1. Основные положения.

3.

ГОСТ ISO 16063-11-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 11. Первичная вибрационная калибровка методами лазерной интерферометрии.

4.

ГОСТ ISO 16063-12-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 12. Первичная вибрационная калибровка на основе принципа взаимности.

5.

ГОСТ ISO 16063-21-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 21. Вибрационная калибровка сравнением с эталонным преобразователем.

6.

ГОСТ ISO 16063-31-2013 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 31. Определение коэффициента поперечного преобразования .

7.

Кувыкин Ю.А., Соколов И.Н. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО СЛУЧАЙНОГО СИГНАЛА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ // Вестник Метролога, No. 2, 2018. pp. 8-13.

8.

ГОСТ Р 8.800-2012 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений виброперемещения, виброскорости и виброускорения в диапазоне частот от 1∙10-1 до 2∙104 Гц.

9.

Gatzwiller K. Calibration at Toyota Motor Corporation using Vibration Transducer Calibration System Type 9610.

10.

Licht T.R., Andersen H. Trends in Accelerometer Calibration // Technical Review. 1987. No. 2. pp. 23-42.

11.

BS 6955-22: Calibration of vibration and shock pick-ups — Part 22: Acceleration resonance testing — General methods.

12.

Каталог Глобалтест (http://globaltest.ru/Katalog-produkcii-OOO-GlobalTest.pdf). 2018. 18-19 pp.

13.

SE-09-SPEKTRA URL: https:/​/​www.spektra-dresden.com/​en/​produkte/​details/​calibration-solutions,device-testing/​kalibriererreger-und-komponenten,erreger-und-stimuli/​schwingung/​se-09.html