分油機故障診斷實驗的數據采集處理電路設計

胡以懷 ,常 勇 ,丘 燁

(上海海事大學商船學院,上海200135)

1 引言

由于船舶分油機工作是處于高速運轉狀態的,假如分離筒內的沉淀物在轉鼓內積聚不均勻,分離筒內安裝的配件不對,分離筒內分離片的壓緊壓力不夠,立軸或者橫軸的軸承損壞,油機立軸頸軸承彈簧老化或損壞都會對分油機的旋轉軸產生不對中、振動,甚至造成裂紋,從而導致分油機工作異常。因此對船舶分油機實施振動檢測和故障診斷是十分有必要的。

2 電路硬件設計

本文是以分油機故障診斷為背景,對其診斷系統的數據采集以及輸入單元做出電路設計和硬件采購,其主要環節如圖1。

圖1 診斷系統環節

2.1 磁電式速度傳感器

磁電式速度傳感器利用電磁感應原理,將輸入運動速度變換成感應電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源,就能把被測對象的機械能轉換成易于測量的電信號,是一種有源傳感器。磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器,它只適合進行動態測量。由于它有較大的輸出功率,故配用電路較簡單,零位及性能穩定,工作頻帶一般為10～1 000Hz。其安裝在分油機筒體內部來感受分油機的振動,進而采集分油機的信息。

2.2 運算放大電路

運算放大器是一種級間直接耦合的多級高增益放大器。它有2個輸入端好輸出端,其中“+”為同相輸入端,“-”代表反向輸入端。為了解決抑制共模輸入電壓與增益調節和阻抗匹配之間的互相牽連和矛盾,采用放大電路解決這個問題,如圖2為典型的放大電路圖。

圖2 放大電路原理

圖2所示放大器的電路可分兩級來進行分析。A1,A2按理想放大器分析,得到U4=U 1,U 5=U 2,R3上電流為：

I=(U1-U 2)/R3.

進一步可得：

U 3=U 1+(U 1-U 2)R1/R3,

U 6=U 2-(U 1-U 2)R2/R3.

假設Udif=U1-U2,則：

U 3-U 6=U dif[1+(R1+R2)/R3].

進而得出：

U 0=U dif[1+(R1+R2)/R3]R5+R4.

令R1=R2,R5=R4,則可得出：

U 0=U dif(1+2R1/R3).

由此可見,調節R3即可方便地調節電路的增益。以上的電路采用的運放是采用美芯公司的LM 348N運算放大器,四運放,供電電壓為±18V,如圖3。

圖3 LM 348N運算放大器

2.3 低通濾波器

讓某一頻率以下的信號分量通過,而對該頻率以上的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置,其電路圖如圖4。

圖4 二階壓控電壓源低通濾波電路

它是由兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成,其中同相比例放大電路實際上就是所謂的壓控電壓源,其特點是,輸入阻抗高,輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益,即：

A0=AVF=1+Rf/R1.

考慮到集成運放的同相輸入端電壓為：

而VP(s)與VA(s)的關系為：

對于節點A,應用KCL可得：

上面式子聯合求解,可得電路的傳遞函數為：

2.4 A/D轉換

要使計算機或數字儀表能識別,處理這些信號,必須首先將這些模擬信號轉換成數字信號,這樣,就需要一種能在模擬信號與數字信號之間起橋梁作用的電路——模數轉換器,簡稱為A/D轉換器。A/D轉換器采用現有的AD574A轉換器,AD574A是常見的逐次逼近式12位轉換器,其轉換時間為25μs,轉換誤差為1LSB,可采用5V、12V、15V電源供電。可以與8位或16位微控制器直接相連。

通過分析看出,取樣信號S(t)的頻率越高,所取得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。合理的取樣頻率由取樣定理確定。將取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間,為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定值,每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間,見圖5。

圖5 取樣——保持電路

電路由輸入放大器A 1,輸出放大器A 2,保持電容C和開關驅動電路組成。電路中要求A具有很高的輸入阻抗,以減小輸入信號源的影響。為保持階段C上所存電荷不易泄放,A 2也應具有較高輸入阻抗,A 2還應具有低的輸出阻抗,這樣可以提高電路的帶負能力,一般還要求電路中A1?A2=1。

3 結語

對于分油機故障診斷的資料可以說是少之又少,再加上分油機的工作轉速高,做起實驗來有一定的難度和危險性。筆者通過查閱大量的書籍以及參考眾多電路軟件的設計,以尋求比較合適的方案去探索。分油機振動故障有可能是多方面的,因此需要模擬更多的故障來和正常的狀態相比較。

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