Автоматизированная ударная градуировка акселерометров методом сравнения с эталоном

Сегодня на производствах непрерывно контролируют параметры технологических циклов, тщательно оценивают готовую продукцию и тем самым сокращают время изготовления, износ станков, планируют заранее ремонт, оптимизируют производственные процессы и снижают количество брака. Соответственно, при автоматизации возрастает роль метрологического оборудования и средств для его поверки, чтобы минимизировать ошибки в результатах измерений.

Как сократить время поверки акселерометров

Акселерометры (вибропреобразователи) широко применяются для проведения различных испытаний на вибрационные и ударные воздействия при производстве в составе виброметров, анализаторов вибрации и удара, измерительных комплексов и систем. Основной метрологической характеристикой акселерометров в ударном режиме в соответствии [1] (ударных акселерометров) является их коэффициент преобразования. В процессе эксплуатации ударных акселерометров используется и периодически определяется при поверке амплитудная характеристика (зависимость коэффициента преобразования от значения ударного ускорения). Такую операцию принято называть градуировкой акселерометра.

Для определения амплитудной характеристики акселерометров применяются поверочные ударные установки и вибростенды, работающие в ударном режиме. Вместе с тем в настоящее время для поверки акселерометров (вибропреобразователей) в вибрационном режиме в соответствии с [2]) используются отечественные система измерительная виброакустическая ВС-321 (рег. № 63090-16) и установка вибрационная измерительная ВС-421 (рег. № 76527-19). Они эксплуатируются в «ГНМЦ» МО РФ, РФЯЦ — ВНИИТФ, концерн Росэнергоатом«, ФБУ «Ростест-Москва» и других организациях.

В сотрудничестве со специалистами ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России в рассматриваемых системах реализован ряд инновационных методов, позволяющих повысить точность и сократить время измерений, например:

1. Использование широкополосной случайной вибрации для определения частотной характеристики — сокращает время поверки до нескольких минут [3].
2. Применение триангуляционных датчиков перемещения для измерений в низких частотах — расширило частотный диапазон измерений и повысило точность измерений в низкочастотном диапазоне [4, 5].

В дополнение к описанным выше методам рассматриваемые установки имеют несколько функциональных возможностей, отсутствующих в других поверочных установках, как, например, определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя [6].

Нормативная база при практической реализации

В связи с увеличением потребности в проведении градуировки ударных акселерометров с применением отечественных поверочных установок следующим этапом расширения функциональных возможностей систем стала практическая реализация автоматизированной ударной градуировки акселерометров методом сравнения с эталонным преобразователем.

В настоящее время отсутствует современная нормативно-техническая документация на поверку ударных акселерометров. При утверждении типа на каждый тип акселерометров разрабатывается своя методика поверки. Поэтому за техническую основу была взята процедуры ударной калибровки по ГОСТ Р ИСО 16063-22-2012 [7], а также поверки по МИ 1826-88 и адаптированы для проведения градуировки в случаях, если необходимо определить амплитудную характеристику акселерометра в диапазоне ускорений, выходящем за пределы рабочего диапазона вибростенда поверочной установки. Данный диапазон в большинстве случаев ограничен 400-600 м/с².

Состав установки для ударной градуировки

Рассмотрим процедуру ударной градуировки подробнее. В большинстве случаев для получения высоких уровней ударного ускорения используется баллистическая установка, показанная на рисунке ниже.

Схема механической части баллистической установки из [7] (а) и внешний вид установки баллистической АР8001 фирмы ООО «ГлобалТест» (б)

Баллистическая установка состоит из жесткой рамы, маятника-молотка и маятника-наковальни. Как правило, рама имеет квадратное основание размерами 500×500 мм и высоту 700 мм при длине маятника около 400 мм. Эталонный и градуируемый преобразователи устанавливают на наковальне.

Упругая прокладка между маятниками передает удар с известной формой импульса от одного маятника другому, при этом твердость прокладки определяет форму и длительность импульса. С использованием шкалы на установке задается необходимый уровень ударного ускорения.

Также для получения ударного импульса могут использоваться ударные механизмы в виде падающего шара, стержень Гопкинсона, калибраторы с пневматическими поршнями [7].

Для реализации автоматизированной ударной градуировки акселерометров методом сравнения с эталонным преобразователем был разработан программный модуль на базе программы VisProbe SL. На рисунке ниже показано главное окно программного модуля VisProbe SL «Ударная градуировка».

Главное окно программного модуля VisProbe SL «Ударная градуировка»

Пошаговый алгоритм реализации ударной градуировки

1. Ударная градуировка проводится на нескольких значениях ударного ускорения, при этом для каждого из значений выполняется несколько ударов. Ускорение на выходе эталонного преобразователя рассчитывается по формуле:

, где

— пиковое значение напряжения (заряда) на выходе эталонного датчика для i-го удара;

— чувствительность эталонного датчика.

2. Для каждого значения ускорения рассчитывается чувствительность градуируемого вибропреобразователя по формуле:

, где

— чувствительность калибруемого вибропреобразователя;

— пиковое значение напряжения (заряда) на выходе калибруемого акслерометра (вибропреобразователя) для i-го удара;

N — количество ударов на заданном значении ускорения.

3. Значения ускорения обычно либо выбираются из ряда: 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10 000 м/с² либо из некоторого ряда произвольно выбранных значений, распределенных от начальной до конечной амплитуды.

Необходимо отметить, что для корректного выбора пикового значения ускорения и напряжения (заряда) установка должна обеспечивать возможность применения аналоговых и цифровых фильтров, подавляющих шумовые составляющие измерительных сигналов. Только правильная настройка фильтров позволяет обеспечить требуемую точность при проведении измерений.

На рисунке ниже приведены настройки фильтрации в программе VisProbe SL для ударов длительностью 10 мс, где заданы параметры КИХ-фильтров (фильтров с конечной импульсной характеристикой) высокой и низкой частот. При этом параметры фильтрации зависят от длительности воспроизводимых ударов и могут быть изменены в ходе измерений. Дополнительно данное окно позволяет изменять количество осреднений и настраивать триггер, а также вносить условия окружающей среды, которые сохраняются автоматически в протоколе поверки.

Параметры фильтрации в программе VisProbe SL

4. После воспроизведения удара на входах фиксируются осциллограммы сигналов калибруемого и эталонного датчиков, которые выводятся на два графика, расположенные в центральной части окна программного модуля. В одном из графиков сигналы пересчитаны в ускорение (g), при этом для калибруемого датчика используется его номинальная чувствительность, на втором графике сигналы выведены в первичных единицах величин (напряжении или заряде), измеренных с выходов преобразователей. Наличие двух графиков позволяет подобрать масштаб, удобный для визуального сравнения сигналов.

Пример графика осциллограмм ударов

5. После вывода осциллограмм на графики программа предлагает либо сохранить результаты измерений для расчета чувствительности, либо повторить измерения снова. После регистрации количества ударов для конкретного значения ускорения программа рассчитывает чувствительность поверяемого акселерометра и выводит её в соответствующую таблицу.

Пример таблицы результатов измерений из программного модуля VisProbe SL

6. По завершении всех измерений программно рассчитывается базовая чувствительность, как среднее значение для всех уровней или как значение на определенном уровне (зависит от применяемой методики поверки), а также рассчитывается нелинейность амплитудной характеристики и создается отчет, где в табличной форме содержатся результаты измерений и расчетов.

Пример таблицы с результатами измерений из создаваемого отчета

Реализация метода ударной градуировки

Для апробации разработанных процедур была проведена сравнительная градуировка вибропреобразователя АР1012 в диапазоне амплитуд от 1000 до 80000 м/с² с применением Государственного первичного специального эталона единицы ускорения при ударном движении ГЭТ 57-84 и механической части баллистической установки АР8001 с системой измерительной виброакустической ВС-321 в качестве регистратора.

На рисунке ниже приведены графики градуировочных характеристик вибропреобразователя АР1012, полученные на ГЭТ 57-84 и с применением АР8001 и ВС-321 при реализации автоматизированной градуировкой.

Графики градуировки вибропреобразователя АР1012 с применением ГЭТ 57-84, АР8001 с ВС-321

В качестве эталонного преобразователя в АР8001 использовался акселерометр типа 8309 фирмы «Брюль и Къер». На рисунке ниже приведен график относительной разности проведенных градуировок.

Графики градуировки вибропреобразователя АР1012 с применением ГЭТ 57-84, АР8001 с ВС-321

Выводы после апробации

Как видно из графиков, максимальная относительная разность градуировок составляет 3,21 % и находится в допускаемых пределах ±4 % для поверочных установок первого разряда по [1].

Таким образом, результаты исследований позволяют рекомендовать применение реализованной автоматизированной ударной градуировки акселерометров с применением отечественных установок с требуемой точностью для рабочих эталонов первого и второго разряда по [1].

Литература

1. Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12.11.2021 г. № 2537 «Об утверждении государственной поверочной схемы для средств измерений ускорения, скорости и силы при ударном движении» [Текст]: Москва, 2021. — 7 с.
2. Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27.12.2018 г. № 2772 «Об утверждении государственной поверочной схемы для средств измерений виброперемещения, виброскорости, виброускорения и углового ускорения» [Текст]: Москва, 2018. — 9 с.
3. Кувыкин Ю.А., Соколов И.Н., Кулак В.А. Исследование метода определения частотной характеристики вибропреобразователей с применением широкополосной случайной вибрации [Текст] // Вестник метролога, 2018, № 2. — С. 8–12.
4. Кувыкин Ю.А., Соколов И.Н., Тумшайс Ф.А. Реализация низкочастотной градуировки вибропреобразователей на широкополосном случайном сигнале возбуждения с применением измерителя лазерного триангуляционного сигнала // Материалы VIII Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Акустика среды обитания», 2023, МГТУ им. Н.Э. Баумана. — С. 167–175.
5. Кувыкин Ю.А., Ольховский А.Н., Супрунюк В.В. Реализация низкочастотной градуировки вибропреобразователей с применением электродинамического вибростенда и измерителя лазерного триангуляционного [Текст] // Вестник метролога, 2023, № 2. — С. 21–26.
6. Кувыкин Ю.А., Соколов И.Н. Исследование метода определения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя с применением механического удара стального шарика / Ю.А. Кувыкин, И.Н. Соколов // Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в РФ: мат. XII Всероссийской НТК. — пос. Поведники, 2018. — С. 97–103.
7. ГОСТ ИСО 16063-22-2012 Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 22. Ударная калибровка сравнением с эталонным преобразователем [Текст]. — М.: Стандартинформ, 2014. — 24 с.

Остались вопросы?

Узнайте больше в отделе продаж предприятия «Висом»:

• +7 (4812) 777-001, доб. 122 и 124
• 89203005818 (Олег), 89303002229 (Татьяна)
• ti@visom.ru, litvinov@visom.ru