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

Быстродействующие самопишущие приборы (БСП) могут конкури­ ровать со светолучевыми осциллографами при необходимости регистра­

циальной обработке регистрационной ленты для обеспечения сохранности записи;

они менее чувствительны к вибрациям основания.

Сравнение со светолучевыми осциллографами выявляет также и слабые стороны БСП (по крайней мере, их современных конструкций):

относительная сложность электрической схемы; больший вес, чем у осциллографа, в том случае, если прибор имеет

несколько измерительных каналов.

Однако наблюдаемое быстрое совершенствование конструкций БСП позволяет предположить, что в ближайшее время эти - регистри­ рующие приборы наряду с магнитографами постепенно будут заменять светолучевые осциллографы в некоторых отраслях измерительной тех­ ники, в частности в виброметрии.

БСП можно классифицировать, аналогично другим автоматическим регистрирующим приборам [202], по способу записи, т. е. по технологи­ ческому приему, с помощью которого на движущемся носителе записи получается видимый след, по способу преобразования электрической величины в движение пишущего устройства (прямое или следящее пре­ образование), а также по системе координат получаемой записи (пря­ моугольная или криволинейная).

В БСП наибольшее применение получили следующие способы за­ писи: чернильный, копировальный, электротермический, плавильный и струйный [202].

При чернильном способе записи чернила специального состава по­ даются к бумаге через капиллярную трубку, закрепленную на жесткой конструкции (пишущем рычаге), соединенной с измерительным меха­ низмом. Чернила поступают в капилляр из чернильницы под действием сил поверхностного натяжения; иногда чернила подают под давлением. Чернильный способ записи возможен при Довольно высоких скоростях движения пера относительно бумаги. Известны конструкции -БСП, в ко­ торых чернильная запись осуществляется при скорости до 12 м/сек. В хорошо отрегулированном пишущем устройстве толщина линии за­ писи не превышает 0,2—0,3 мм. Обладая рядом положительных ка­ честв, чернильная запись имеет, пожалуй, один недостаток: при низкой температуре чернила замерзают.

При копировальном способе записи видимый след на регистрацион­ ной бумажной ленте получается в виде отпечатка от копировальной ленты. В качестве иллюстрации этого способа на рис. 3.8 показана схема транспортировки и взаимодействия регистрационной и копиро­ вальной лент в БСП TSS-101 [206, 252]. Пишущий рычаг 2, совершаю-, щий угловые колебания вокруг оси ОО', прижимает регистрационную бумажную ленту 3 и копировальную ленту 4 к прямолинейному ребру 11, в результате чего на регистрационной ленте остается отпечаток. Дви­ жение лент 3 и 4 на ребре происходит в противоположном направлении, что способствует переносу красящего вещества на регистрационную ленту 3. Для уменьшения погрешностей, обусловленных трением пера

80

цвета, образуя след толщиной ~0,3 мм. Известны БСП, в которых реа­ лизована запись этим способом при скоростях до 11 м/сек.

При плавильном способе записи используется термочувствительная бумага другого типа. У нее поверх бумажной цветной основы нанесен тонкий слой парафина или воска. Инструментом регистрации служит нагреваемое электрическим током перо, которое, двигаясь над теплочув­ ствительной бумагой, оставляет след, проплавляя слой парафина и об­ нажая темную бумажную основу ленты. Этот способ регистрации можно

очень тонкой струи чернил, на­ правляемой на движущуюся бумажную ленту, и приме­ няется в так называемых струйных осциллографах (см. ниже).

В БСП, кроме указанных, применяются также и другие способы записи. При изготов­

устройства БСП можно разде­ лить на две группы. В прибо­

измеряемого сигнала напряжением, снимаемым с электромеханического обратного преобразователя в цепи обратной связи. Перемещение по­ движной части обратного преобразователя, вызывающее изменение урав­ новешивающего напряжения, трансформируется в движение пера.

БСП прямого преобразования более просты по конструкции. Глав­ ной частью'их является измерительный механизм, где происходит пре­ образование электрической энергии сигнала в движение пишущего уст­ ройства. Конструкция измерительного механизма магнитоэлектрической системы во многом сходна с конструкцией гальванометра (рис. 3.9). В радиальном магнитном поле, образуемом постоянным магнитом 5 и керном 2, расположена рамка 1 из провода на легком каркасе. Элек­ трический ток, подведенный к рамке через токопроводы 3 *, создает

Функции токопроводов обычно выполняют упругие элементы.

82

крутящий момент и поворачивает ее на некоторый угол, который зави­ сит от силы тока, индукции магнитного поля в зазоре и противодейст­

пропорциональны колебаниям подводимого напряжения. С рамкой 1 жестко соединен пишущий рычаг 6, на котором закреплен капилляр 8, конец которого соприкасается с бумагой 7 и при движении оставляет на ней чернильный след. В БСП, кроме магнитоэлектрических преобра­ зователей, применяются также измерительные механизмы электромаг­ нитной поляризованной системы с подвижным сердечником [169].

Из рис. 3.9 видно, что кончик пера движется по дуге, благодаря чему запись на ленте получается в криволинейных координатах (коорди­ натная сетка показана на рисунке). Криволинейные координаты создают некоторые неудобства при обработке осциллограмм (для определения величины отклонения необходимо пользоваться специальными палет-

Рис. 3.10. Блок-схема корректирующего усилителя быстро­ действующего самопишущего прибора Н327

ками, возникают трудности при определении фазы колебаний и т. д.), по­ этому в современных БСП стремятся вести запись в прямоугольных ко­ ординатах.

Рис. 3.8 иллюстрирует один из возможных способов получения за­ писи в прямоугольных координатах при вращательном движении изме­ рительного механизма, так называемый способ записи «на ребре». Пи­

ную ленту 4 к прямолинейному ребру, расположенному перпендикулярно направлению движения ленты. Благодаря этому, хотя пишущий рычаг совершает вращательные движения, след от соприкосновения рычага с неподвижной бумагой лежит на прямой линии. Таким образом, запись на ленте получается в прямоугольных координатах (рис. 3.8, А).

Современные БСП прямого преобразования снабжаются усилите­ лями постоянного тока с нелинейной амплитудно-частотной характери­ стикой в рабочем диапазоне частот — корректирующими усилителями [126, 241, 242], позволяющими резко повысить чувствительность и рас­ ширить частотный диапазон.

Коэффициент усиления такого усилителя зависит от частоты, при­ чем его амплитудно-частотная характеристика подбирается так, чтобы компенсировать неравномерности АЧХ измерительного механизма в зоне его собственной частоты и несколько выше. Формирование АЧХ произ­ водится за счет корректирующих частотно-зависимых звеньев в цепи отрицательной обратной связи по току. Настройка усилителя выпол­ няется индивидуально для каждого измерительного механизма, что ис­ ключает в дальнейшем замену усилителей при эксплуатации. В каче­ стве примера на рис. 3.10 приведена упрощенная блок-схема корректи­

рующего усилителя БСП Н327 [126, 169], общий вид которого показан

на рис. 3.11.

В модуляторе 2 входной сигнал модулирует амплитуду импульсов, поступающих с генератора 6. В демодуляторе 4 выделяется усиленный

Рис. 3.11. Быстродействующий самопишущий прибор Н327-1 (крышка измери­ тельного механизма снята)

ной связи 7, кроме обеспечения стабильной работы всего усилителя, вы­ полняет также функции устройства частотной коррекции: оно компенси­ рует неравномерность АЧХ измерительного механизма на частотах от 60—70 до 100 гц. Таким образом, хотя собственная частота измеритель-

84

лого механизма данного прибора равна 60 гц, тем не менее прибор в це­ лом по сквозному тракту, включающему усилитель и измерительный меха­ низм, имеет рабочий диапазон частот от 0 до 100 гц (рис. 3.12).

Хотя БСП прямого преобразования с корректирующими усилителями обеспечивают достаточно широкий частотный диапазон (от 0 до 100— 150 гц), тем не менее им присущи определенные недостатки: трудность обеспечения стабильности характеристик усилителя, некоторая неравно­ мерность АЧХ.

осциллографами. Они характеризуются сравнительно широким частотным диапазоном (0—1000 гц). В качестве инструмента регистрации вместо светового луча в них используется тонкая струя жидкости. Принцип ра­ боты струйного осциллографа поясняется рис. 3.13 на примере прибора «Осцилломинк» фирмы «Сименс» в ФРГ [252].

На средней части тонкого стеклянного капилляра 4 закреплен цилин­ дрический постоянный магнит 5, имеющий поперечную намагниченность. На верхней части капилляра расположено сопло 8 с отверстием диаметром 10 мкм. Нижняя часть капилляра закреплена в фильтре 3. Чернила из чернильницы 1 поступают в насос 2, а оттуда под давлением 10—35 ат— в фильтр 3 и далее в капилляр 4. Из сопла тонкая струя чернил 9 па­ дает на движущуюся бумажную диаграмму 10. Для сушки чернил слу­ жит валик 11 с промокательным слоем. Магнит 5 находится в зазоре

85

сердечника 6 с обмоткой 7. После прохождения через аттенюатор 14 и корректирующий усилитель мощности 13 сигнал поступает на обмотку 7, в результате чего возникают колебания напряженности магнитного поля

взазоре. Под влиянием этих колебаний магнит 5 вместе со скрепленным

сним капилляром испытывает крутильные колебания.

Восстанавливающий момент обеспечивается за счет упругости стенок капилляра. Хотя собственная частота крутильных колебаний капилляра с магнитом равна 650 гц, тем не менее за счет корректирующего усили­ теля обеспечивается диапазон частот от 0 до 1000 гц при высокой чув­ ствительности. Чтобы обеспечить четкую запись жидкой струей при раз­ личных частотах регистрируемого сигнала, в приборе предусмотрена ре­ гулировка давления чернил и расстояния от сопла до ленты.

БСП следящего преобразования более сложны по конструкции [127, 206, 260]. Блок-схема на рис. 3.14 иллюстрирует принцип их работы.

Рис. 3.14. Блок-схема быстродействующего самопишущего прибора сле­ дящего преобразования

нальный скорости движения подвижной части исполнительного меха­ низма; 9 — пишущее устройство

В блоке 3 мгновенное значение сигнала, прошедшего через аттенюатор 1 и предусилитель 2, сравнивается с выходной величиной обратного пре­ образователя 7. В случае равенства этих величин напряжение на выходе блока 3 равно нулю, а в случае неравенства возникает сигнал некомпен­ сации, который после усиления приводит в движение исполнительный механизм 6. Исполнительный механизм БСП следящего преобразования близок по конструкции к измерительному механизму БСП прямого пре­ образования (рис. 39), однако, в отличие от последнего, он не имеет упругого элемента, создающего противодействующий момент.

К исполнительному механизму подводится большая мощность, кото­ рая обусловливает значительный вращающий момент и, как следствие, высокое быстродействие. Подвижная часть исполнительного механизма жестко соединена с пишущим устройством 9 и с подвижной частью об­ ратного преобразователя 7. В последнем перемещение подвижной части вызывает изменение электрического сигнала на его выходе. В простейшем случае обратный преобразователь представляет собой реохорд со сколь­ зящим контактом, который приспособлен Для работы в циклическом ре­ жиме и имеет ограниченный срок службы. В более совершенных прибо­ рах используются бесконтактные электромеханические преобразователи.

Управление обратным преобразователем 7 происходит таким образом, чтобы уменьшить некомпенсацию в схеме сравнения 3. Этот процесс происходит при каждом изменении входного сигнала, приводя к соответ­ ствующему перемещению пишущего устройства. Поскольку вращающий момент на исполнительном механизме велик, одних пассивных элементов (например, электромагнитных демпферов) оказывается недостаточно для обеспечения оптимального затухания. Поэтому, чтобы получить необ­

86

ходимое успокоение следящей системы, прибегают к устройству отрица­ тельной обратной связи по скорости движения исполнительного механизма

x(t). Электрический сигнал, пропорциональный x(t) , который может быть получен в самом исполнительном механизме, например, с помощью ка­ тушки, движущейся в поле постоянного магнита, поступает с блока 8 на вход блока 3 и вызывает, аналогично демпферу вязкого трения, тор­ можение подвижной части исполнительного механизма.

Из рассмотрения блок-схемы на рис. 3.14 следует, что усилители 4 и 5 работают вблизи нулевых значений входного напряжения, вследствие чего эти усилители практически не вносят погрешностей. Поэтому БСП

Рис. 3.15. Быстродействующий самопишущий прибор TSS101

следящего преобразования в меньшей степени зависят от нестабильности параметров усилителей, чем приборы прямого преобразования. На рис. 3.15 показан общий вид БСП следящего преобразования TSS-101, выпускае­ мого в ГДР; на рис. 3.12 приведена его АЧХ, определенная экспери­

ментально.

В табл. 3.6 даны основные технические характеристики некоторых БСП: трех — прямого преобразования (в том числе одного струйного

осциллографа) и двух — следящего.

Благодаря своей высокой чувствительности БСП могут использо­ ваться непосредственно с индукционными и другими датчиками. При этом, поскольку АЧХ БСП в рабочем диапазоне частот горизонтальна, система «низкочастотный индукционный датчик — БСП» образует велосиграф, т. е. регистрируется скорость колебательного движения. Для ре­ гистрации перемещения можно, используя запас чувствительности уси­ лителя, применить интегрирующий контур, включаемый между датчиком и усилителем. На рис. 3.16 приведена АЧХ вибродатчика СМ-2М (табл. 2.1). совместно с БСП Н326, усилителем Ф301 и интегрирующим контуром. График показывает, что АЧХ такого вибрографа в диапазоне частот от 1 до 28 гц имеет неравномерность до 10% при максимальном коэффициенте увеличения /С= 15 000. С помощью аттенюатора усилителя

87

88

89