книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

1) внутреннее сопротивление гальванометра равно необходимому внешнему сопротивлению для датчика, а внутреннее сопротивление дат­ чика— необходимому внешнему сопротивлению для гальванометра;

2)внутреннее сопротивление гальванометра равно необходимому внешнему сопротивлению для датчика, а внутреннее сопротивление дат­ чика достаточно велико, чтобы не влиять на суммарное затухание галь­ ванометра, которое обеспечивается механическим или каркасным успо­ коением;

3)внутреннее сопротивление датчика равно необходимому внешнему сопротивлению для гальванометра, а внутреннее сопротивление гальва­ нометра достаточно велико, чтобы не влиять на суммарное затухание датчика, которое обеспечивается либо за счет механических потерь и демпфирующей катушки, либо одним механическим устройством;

4)внутренние сопротивления датчика и гальванометра достаточно велики, чтобы не влиять на суммарное затухание друг друга, причем

необходимое затухание каждого из них1обеспечивается другими сред­ ствами.

Если к тому же можно пренебречь влиянием коэффициента связи, но необходимо предусмотреть возможность загрубления измерений в ß раз, то величины сопротивлений загрубителя рассчитываются для пер­ вых трех случаев по очень простым формулам:

1) по схеме рис. 4.1, а

ßß - 1 ;

3)по схеме рис. 4.1, б

a для четвертого случая — по любой из этих схем.

Если Rr в ß, раз меньше или больше R,,, то реализовать Г-образ- ный делитель по схеме рис. 4.1, а при ß< ßi невозможно, и при необ­ ходимости создания загрубителя с таким ß приходится жертвовать точ­ ным соблюдением одного из внешних сопротивлений.

Из всех схем, указанных в табл. 4.1, наиболее широкое распростра­

§ 4.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОГРАФА

Экспериментально-расчетное определение основных параметров виб­ рографа, необходимое для расчета чувствительности и частотных ха­ рактеристик, может быть выполнено согласно приведенным ниже реко­ мендациям.

Собственную частоту вибродатчика (или механического вибро­ графа) fi можно определить по записи его собственных колебаний при малом затухании (£>і^0,1). Если невозможно отключить демпфер и

121

приходится записывать собственные колебания при более высоком Du то для определения /і пользуются соотношением

(4.17)

V l - D ]

где fiD — собственная частота датчика при наличии затухания Di.

При определении собственной частоты индукционного вибродатчика цепь его демпфирующей катушки (если она есть) размыкают, а измери­ тельную катушку соединяют с гальванометром последовательно с сопро­ тивлением, величина которого подбирается так, чтобы удовлетворялись два противоречивых требования:

\

/

/

Рис. 4.7. К определению затухания вибродатчика и гальвано­ метра по записи его собственных колебаний при D <0,6

1)обеспечение необходимой чувствительности;

2)достижение, по возможности, большего внешнего сопротивления датчика, благодаря чему будет снижено затухание за счет измеритель­ ной катушки.

Для возбуждения собственных колебаний низкочастотного вибродат­ чика (ВЭГИК, И-001 и др.) достаточно от руки дать легкий толчок под­ весной системе. Более высокочастотные датчики, имеющие fi= 5 —10 гц и выше, подвешива<от на мягкой пружине или резине (частота собствен­ ных вертикальных колебаний подвеса должна быть меньше 1—1,5 гц) и возбуждают легкими ударами по корпусу, наносимыми твердым пред­ метом в эластичной, например, резиновой оболочке.

для фиксированного значения fi также определяют по записи его собст­ венных колебаний 12*:

где о — отношение последовательных ординарных амплитуд разных зна­ ков (рис. 4.7).

122

Отметим, что с осциллограмм удобнее снимать не амплитуды, а раз­

баний датчика и определяют Dt при нескольких (двух-трех) значениях внешнего сопротивления измерительной катушки R Bи и демпфирующей катушки Ran, после чего из формул (4.18) и (4.20) составляют систему алгебраических уравнений и

Здесь /'і и D'1 — новые значения собственной частоты и затухания.

где Е — наводимая электродвижущая сила;

z — скорость перемещения инерционного элемента относительно кор­

123

где Zi — скорость перемещения центра качаний маятника относительно корпуса прибора (рассматривается случай только малых углов отклонения маятника);

Іо— приведенная длина маятника;

L — плечо силы F относительно оси вращения маятника. Экспериментальное определение КЭМС датчика с осевой подвеской,

а также величины FL/i для датчика с маятниковой подвеской выпол­ няют чаще всего следующим способом. К инерционному элементу дат-

чика прикладывают силу F (а в случае датчика с маятниковой под­ веской—-момент силы FL). Практически это можно сделать, например, устанавливая на инерционный элемент гирьку. В результате подвесная система отклоняется от положения равновесия. Пропуская через индук­ ционную катушку постоянный ток, возвращают подвесную систему в прежнее положение и измеряют силу тока і с помощью миллиампер­ метра класса 0,5 или выше. Отклонения подвесной системы от по­ ложения равновесия при проведении данного эксперимента малы, поэтому для контроля за положением инерционного элемента исполь­ зуют отсчетный микроскоп (например, типа МИР-2), закрепляемый в штативе.

Приведенная длина 10 маятника обычно определяется с достаточно высокой точностью организацией-изготовителем и указывается в пас­ порте прибора. Экспериментальное определение величины /о выполняют

124

в случае отсутствия паспортных данных. Для этого вынимают маятник из прибора, снимают пластинчатые пружины подвески, вместо них за­ крепляют жесткие «ножи» с острыми лезвиями (рис. 4.9) и, установив ножи 2 на две горизонтальные жесткие и неподатливые опоры 3, вешают маятник 1 в вертикальное положение. Ось, проходящая через лезвия ножей, должна совпадать с осью вращения маятника в рабочем положении.

Далее, измеряя секундомером время 100 полных колебаний, опре­ деляют период собственных колебаний £д подвешенного вертикально маятника под действием силы тяжести. Приведенная длина вычисляется по формуле

Специфика определения приведенной длины маятника для вибродатчи­ ков различной конструкции отражена в инструкциях к приборам.

Собственная частота гальванометра f2 определяется обычно по за­ писи его собственных колебаний при возможно меньшем затухании (Z)2^0,1). Для этого собирают схему, показанную на рис. 4.10. Сопро­ тивление R вг выбирают меньше внешнего критического для данного гальванометра, а с помощью сопротивлений R u гі и магазина сопро­ тивлений R устанавливают силу тока, дающую статическое отклонение рамки гальванометра примерно на половину экрана осциллографа, после чего осциллографируют собственные колебания гальванометра, размыкая ключ Т2 (ключ Ті замкнут).

В ряде случаев, однако, уменьшение затухания сопряжено с техни­ ческими трудностями (например, у гальванометров с жидкостным или с магнитоиндукционным каркасным успокоением), тогда значение /2

При определении собственной частоты этим способом выгоднее уста­ навливать гальванометр в магнитную систему с малой магнитной индук­ цией в зазоре магнитного блока, поскольку в этом случае горизонталь­ ный участок характеристики U2(f) сокращается и значение f2 может быть определено более точно.

Затухание гальванометра £>2 можно вычислить по записи его собст­ венных колебаний, причем расчетные зависимости достаточно просты,

если П2 <0,55 или £>2^ 5 .

В первом случае по осциллограмме собственных затухающих коле­ баний можно достаточно точно определить отношение соседних размахов, и значение £>2 вычисляют по формуле (4.19).*

Во втором случае (£>2^ 5) движение первоначально отклоненной рамки гальванометра происходит приблизительно по экспоненциальному

lg (У1/У2)

* При Лг>0,55 затухание происходит очень быстро, и точность определения отношения соседних амплитуд ѵ снижается.

125

При 0,5<£>2<5 затухание удобно определять на основе измерения двух ординат амплитудно-частотной характеристики, с использованием схемы, показанной на рис. 4.11:

^0

D2

2і4рез

где Л0 и Лрез — амплитуды соответственно при нулевой и резонансной

частотах.

Чтобы иметь возможность рассчитать затухание гальванометра

при любом его внешнем сопротивлении Rar, необходимо определить для данной магнитной системы сумму затуханий D'2—D20+D2R и постоян­ ную а2, имеющую размерность в ом и вычисляемую из соотношения

Значение D' 2 в зависимости от его величины определяют при Rar=°°

нечно, если это возможно при данной конструкции гальванометра), чтобы

Искомую величину а2 находят как среднее арифметическое из не­ скольких значений, полученных при разных Rar. Зная D'2 и а2, нетрудно вычислить D2 при любом Rar для данной магнитной системы. Легко найти также внешнее критическое сопротивление Якр (если оно суще­ ствует), определяемое условием, что при Rar —Rat величина D2= l.

Важно не забывать, что при изменении магнитной индукции в за­ зоре (например, при установке гальванометра-вставки в другую магнит­ ную систему) параметры £>2д, а2 (следовательно, и Rvр) изменяются.

126

ходить величину SI, выражаемую в мм/ма. Это делается путем наблюде­ ния за отклонением луча на экране осциллографа при протекании через гальванометр постоянного тока.

При сборке схемы для определения чувствительности гальванометра • (рис. 4.13)* в качестве резисторов Ri, R и г удобно использовать мага­

50ч-100 мм. Для измерения силы тока применяют миллиамперметр класса 0,5 или выше. Силу тока, протекающего через гальванометр, 'определяют расчетом по методу контурных токов. До проведения изме­ рений луч гальванометра устанавливают на экране, по возможности, против гальванометра, предварительно закрыв .зеркальца других галь­ ванометров. Затем, подавальна гальванометр напряжение, измеряют пе-

Рис. 4.13. Схема для определения чувствительности галь­ ванометра

ремещение луча по экрану в обе стороны от нулевого положения, и при отсутствии существенного расхождения в отсчетах берут среднее зна­ чение.

Приведенная проводимость С и коэффициент связи о2 вычисляются по формулам (4.1) и (4.2), для чего необходимо измерить омические сопротивления гальванометра, измерительной индукционной катушки вибродатчика, а также резисторов, входящих в электрическую схему соединения датчика и гальванометра.

Для измерения электрического сопротивления гальванометра-вставки его необходимо вынуть из магнитной системы. В противном случае воз­ можно повреждение гальванометра. Точность экспериментального опре­ деления параметров (в %) должна быть не ниже следующей:

При соблюдении указанной точности вероятная относительная ошибка расчета увеличения вибрографа составит 6—8%.

Здесь уместно отметить, что для параметрических преобразователей

инерционному элементу датчика известное перемещение и наблюдая на экране осциллографа отклонение луча гальванометра. В частности, ста­ тическую чувствительность акселерографов с параметрическими датчи­

127

Для этого ориентированный по вертикали датчик поворачивают на 180°. Отклонение луча гальванометра будет соответствовать изменению уско­ рения на 2g. Если предел измерения акселерометра менее lg, то для определения статической чувствительности его можно отклонять от вер­ тикали на небольшой угол. Разработаны несложные устройства типа по­ воротных платформ, на которых осуществляется статическая градуи­ ровка акселерометров при амплитудах ускорения от 2 -ІО-4 до 0,2 g [135].

§ 4.3. СЕРИЙНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ

В настоящее время не существует одного какого-либо виброизмерительного прибора или комплекта, который мог бы перекрыть всю пока­ занную на рис. 1 область кинематических параметров вибрации соору­ жений или хотя бы одну из четырех показанных на этом рисунке областей параметров, характерных для определенных видов сооружения, и при этом удовлетворял бы ряду других, порой противоположных тре­ бований, вытекающих из задачи и условий проведения измерений. На­ пример, на одном и том же сооружении при одинаковых параметрах виб­ рации может потребоваться в одном случае быстро, с малым расходом

а в другом случае определить формы и спектральный состав колебаний сооружения. В первом случае наиболее подходящим прибором является легкий переносной одноканальный амплитудомер или измеритель уровня со стрелочным отсчетом (виброщуп), а вег втором требуется точная многоканальная аппаратура с регистрацией.

Для дальнейшего рассмотрения приборы разделены на три группы:

1)с регистрацией измеряемой величины;

2)со встроенным стрелочным указателем;.

3)со встроенным стрелочным указателем и выходом на регистра­ цию измеряемой величины.

После определения группы приборов переходят к выбору конкрет­ ного прибора, руководствуясь соображениями об области кинематиче­ ских параметров, которую он должен перекрывать, о виде измеряемого параметра (перемещение, скорость, ускорение, амплитуда гармонического колебания и т. п.), о количестве необходимых каналов, о габаритах и весе,-о возможности дистанционного управления и т. п.

Область возможных кинематических параметров колебаний сооруже­ ния обычно оценивается заранее на основе опыта предыдущих исследо­ ваний или расчетов, а потом уточняется в процессе работы. Считается, что если ординаты амплитудного или энергетического спектра, получен­ ного в результате измерений, становятся пренебрежимо малыми на частотах, отстоящих на 10-ь-20% от границ диапазона, перекрываемого прибором, то вероятность того, что упущена какая-то существенная часть спектра, мала. Однако полную гарантию того, что ничего не упущено, дают лишь прямые измерения на всем диапазоне возможных частот. При отсутствии опыта примерную ориентацию дает рис. 1. Удоб­ но изобразить область ожидаемых параметров на сетке, показанной на этом рисунке,-а потом на нее же нанести области параметров, измеряе­ мых подбираемыми приборами, стремясь таким образом найти прибор или комплект, который один перекрывал бы всю область ожидаемых параметров колебаний данного сооружения.

128

Для каждого прибора могут быть заданы от четырех до восьми па­ раметров, ограничивающих область его применения,— две границы ча­ стотного диапазона и верхние и нижние границы измеряемых перемеще­ ний, скоростей и ускорений. Технические характеристики некоторых при­ боров и комплектов, наиболее широко используемых при измерениях

простейшей схеме, показанной на рис. 2, а, из серийных датчиков и осциллографов, в которые устанавливаются необходимые гальванометры. Датчики, гальванометры и осциллографы подбираются в зависимости от параметров, которые необходимо измерять. При измерениях колебаний сооружений наиболее широко используются многоканальные комплекты для измерения перемещений, составленные из индукционных датчиков типа И001, ВЭГИК, С5С, ВБП-3, соединяемых через Шунтовые коробки с гальванометрами типа М002 или ГБ-ІІІ-3, вставленными в гнезда магнитного блока осциллографа типа Н700, Н004 и т. п. Число кана­ лов при этом зависит от ширины ленты осциллографа и вида регистри­ руемых колебаний. При регистрации периодических колебаний обычно принимают, что на ленте шириной 12 см регистрируются сигналы от шести датчиков. При ширине ленты 20 или 30 см подключается соответ­ ственно 12 или 18 датчиков. При необходимости иметь большее коли­ чество каналов в комплект включают два и более осциллографа, управ­ ление которыми в этом случае осуществляют с общего пульта, обеспе­ чивающего их одновременный запуск и синхронизацию записей [240].

Диапазон измеряемых частот при этом определяется по амлитудно- и фазочастотным характеристикам в зависимости от требуемой точно­ сти измерений. Ориентировочные данные приведены в третьем столбце табл. 4.3. Верхняя граница измеряемых перемещений определяется мак­ симально допустимой амплитудой колебаний датчика, а нижняя — исходя из соображения, что при максимальном увеличении комплекта амплитуда записи на осциллограмме должна быть не менее 1 мм, так как записи с меньшей амплитудой плохо поддаются обработке. Напри­

2 мкм. Эти границы и указаны в четвертом столбце табл. 4.3 и показаны графически на рис. 4.14, где, кроме того, еще учитывалась пятая гра­ ница — максимальное ускорение, допустимое по прочности датчика.

Датчики ВЭГИК, С5С и ВБП-3 могут работать также с гальвано­ метром М002. Однако при этом коэффициент увеличения оказывается в 3—4 раза ниже, соответственно поднимается и нижняя граница из­ меряемых перемещений.

В комплект К001 входит 3 вибродатчика типа И001, 6 гальвано­ метров М002 и трехканальная шунтовая коробка типа Р003 (называе­

Датчики ВЭГИК, С5С, ВБП-3 и СМ-2М соединяются с гальвано­ метром ГБ-Ш-З через шестиканальную шунтовую коробку типа ШК-2, изготовляемую ИФЗ АН СССР и обеспечивающую снижение чувстви­ тельности в 1, 2, 5, 10, 20, 50 и 100 раз по сравнению с увеличением при непосредственном соединении датчика с гальванометром. Габариты коробки 235X110X310 мм, масса 4 кг. В каждом канале предусмотрено переменное сопротивление, позволяющее подгонять до единого, заранее заданного значения внешнее сопротивление на входе шунтовой коробки при соединительных проводах различной длины. Шунтовую коробку не­

129

131

130