分油机故障诊断实验的数据采集处理电路设计

胡以怀 ,常 勇 ,丘 烨

(上海海事大学商船学院,上海200135)

1 引言

由于船舶分油机工作是处于高速运转状态的,假如分离筒内的沉淀物在转鼓内积聚不均匀,分离筒内安装的配件不对,分离筒内分离片的压紧压力不够,立轴或者横轴的轴承损坏,油机立轴颈轴承弹簧老化或损坏都会对分油机的旋转轴产生不对中、振动,甚至造成裂纹,从而导致分油机工作异常。因此对船舶分油机实施振动检测和故障诊断是十分有必要的。

2 电路硬件设计

本文是以分油机故障诊断为背景,对其诊断系统的数据采集以及输入单元做出电路设计和硬件采购,其主要环节如图1。

图1 诊断系统环节

2.1 磁电式速度传感器

磁电式速度传感器利用电磁感应原理,将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源,就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号,是一种有源传感器。磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器,它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率,故配用电路较简单,零位及性能稳定,工作频带一般为10～1 000Hz。其安装在分油机筒体内部来感受分油机的振动,进而采集分油机的信息。

2.2 运算放大电路

运算放大器是一种级间直接耦合的多级高增益放大器。它有2个输入端好输出端,其中“+”为同相输入端,“-”代表反向输入端。为了解决抑制共模输入电压与增益调节和阻抗匹配之间的互相牵连和矛盾,采用放大电路解决这个问题,如图2为典型的放大电路图。

图2 放大电路原理

图2所示放大器的电路可分两级来进行分析。A1,A2按理想放大器分析,得到U4=U 1,U 5=U 2,R3上电流为：

I=(U1-U 2)/R3.

进一步可得：

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

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

假设Udif=U1-U2,则：

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

进而得出：

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

令R1=R2,R5=R4,则可得出：

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

由此可见,调节R3即可方便地调节电路的增益。以上的电路采用的运放是采用美芯公司的LM 348N运算放大器,四运放,供电电压为±18V,如图3。

图3 LM 348N运算放大器

2.3 低通滤波器

让某一频率以下的信号分量通过,而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置,其电路图如图4。

图4 二阶压控电压源低通滤波电路

它是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成,其中同相比例放大电路实际上就是所谓的压控电压源,其特点是,输入阻抗高,输出阻抗低。同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益,即：

A0=AVF=1+Rf/R1.

考虑到集成运放的同相输入端电压为：

而VP(s)与VA(s)的关系为：

对于节点A,应用KCL可得：

上面式子联合求解,可得电路的传递函数为：

2.4 A/D转换

要使计算机或数字仪表能识别,处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号,这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换器,简称为A/D转换器。A/D转换器采用现有的AD574A转换器,AD574A是常见的逐次逼近式12位转换器,其转换时间为25μs,转换误差为1LSB,可采用5V、12V、15V电源供电。可以与8位或16位微控制器直接相连。

通过分析看出,取样信号S(t)的频率越高,所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的取样频率由取样定理确定。将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间,为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值,每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间,见图5。

图5 取样——保持电路

电路由输入放大器A 1,输出放大器A 2,保持电容C和开关驱动电路组成。电路中要求A具有很高的输入阻抗,以减小输入信号源的影响。为保持阶段C上所存电荷不易泄放,A 2也应具有较高输入阻抗,A 2还应具有低的输出阻抗,这样可以提高电路的带负能力,一般还要求电路中A1◦A2=1。

3 结语

对于分油机故障诊断的资料可以说是少之又少,再加上分油机的工作转速高,做起实验来有一定的难度和危险性。笔者通过查阅大量的书籍以及参考众多电路软件的设计,以寻求比较合适的方案去探索。分油机振动故障有可能是多方面的,因此需要模拟更多的故障来和正常的状态相比较。

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