ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Вибрация

МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ

И УДАРА

Часть 22

Ударная калибровка сравнением с эталонным преобразователем

ISO 16063-22:2005 Methods for the calibration of vibration and shock transducers —

Part 22: Shock calibration by comparison to a reference transducer

(IDT)

Издание официальное

Предисловие

1    ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» (ФГУП «ВНИИМС») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4. с участием Автономной некоммерческой организации «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (АНО «НИЦ КД»)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 «Вибрация, удар и контроль технического состояния»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 ноября 2012 г. № 1381-ст

4    Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 16063-22:2005 «Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 22. Ударная калибровка сравнением с эталонным преобразователем» (ISO 16063-22:2005 «Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 22: Shock calibration by comparison to a reference transducer»).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ Р 1.5 (пункт 3.5).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случав пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)

© Стандартинформ. 2014

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

ГОСТ Р ИСО 16063-22-2012

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Вибрация

МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ И УДАРА Часть 22

Ударная калибровка сравнением с эталонным преобразователем

Vibration. Methods for the calibration of vibration and shock transducers.

Part 22. Shock calibration by comparison to a reference transducer

Дата введения — 2013—12—01

1    Область применения

Настоящий стандарт устанавливает требования к методам ударной калибровки сравнением преобразователей поступательной вибрации с использованием измерений опорного ускорения, скорости или силы при заданном ударном возбуждении. Данные методы применимы в диапазоне длительности ударных импульсов¹» от 0,05 мс до 8,0 мс и динамическом диапазоне (по пиковому значению) от 100 м/с² до 100 км/с² (в зависимости от длительности удара). Методы позволяют определять коэффициент преобразования по удару (отношение пиковых значений выходного сигнала преобразователя и измеряемого ускорения).

Эти методы не предназначены для калибровки датчиков силы, применяемых в модальном анализе.

Примечание 1 — Цель настоящего стандарта состоит в обеспечении пользователей, выполняющих измерения удара, прослеживаемостью результатов измерений к национальным эталонам, как это предписано (18) и (23).

Примечание 2 — Методы, установленные настоящим стандартом, основаны на измерении зависимости ускорения от времени. Этим данные методы принципиально отличаются от метода, описанного 8 ИСО 16063-1 и основанном на принципе изменения скорости. Следовательно, коэффициент преобразования по удару принципиально отличается от коэффициента преобразования, полученного по ИСО 16063-1. но находится в согласии с определением коэффициента преобразования по [21].

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ИСО 2041 Вибрация, удар и контроль технического состояния. Словарь (ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring — Vocabulary)

ИСО 5347-22 Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 22. Определение частот резонансов акселерометра. Общие методы (ISO 5347-22, Methods for the calibration of vibration and shock pick-ups — Part 22: Accelerometer resonance testing — General methods)

ИСО 16063-1:1998 Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 1. Основные положения (ISO 16063-1:1998, Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 1: Basic concepts)

ИСО 18431-2 Вибрация и удар. Методы обработки сигналов. Часть 2. Временные оконные функции для преобразования Фурье (ISO 18431-2, Mechanical vibration and shock —Signal processing — Part 2: Time domain windows for Fourier Transform analysis)

В отдельных случаях эти методы применимы для более коротких или более длинных длительностей ударного импульса.

Издание официальное

3    Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ИСО 2041, а также следующий термин с соответствующим определением:

3.1 пиковое значение (peak value): Максимальное значение величины или максимальное абсолютное значение ударного импульса.

4    Неопределенность измерения

Предельные значения неопределенности измерения коэффициента преобразования по удару приведены в таблице 1.

Под неопределенностью измерения здесь и далее понимается расширенная относительная неопределенность в соответствии с ИСО 16063-1. При вычислении неопределенности предполагается, что значение коэффициента охвата равно двум, что соответствует вероятности охвата приблизительно 95 %.

Значения неопределенности, указанные в таблице 1, могут быть достигнуты при условии, что в период измерения энергия возбуждения какой-либо моды резонанса преобразователя или ударного механизма мала по сравнению с энергией в диапазоне частот калибровки. Резонансную частоту преобразователя определяют в соответствии с ИСО 5347-22.

Таблица 1 — Неопределенность измерения для предельных условий испытаний

Ударный механизм (метод испытаний) Пиковое значение ускорении* км/с-’ Длительность импульса* ь. мс Максимальная неопределенность измерения. % Маятник 1.5 3 5 Падающий шар 100 0.100 5 Пневматический поршень 100 0.100 5 Стержень Гопкинсона (сравнение по сиг-налу скорости) 100' 0,050е 10 Стержень Гопкинсона (сравнение по сигналу ускорения) 100е 0,050е 6 Разрезной стержень Гопкинсона (сравнение по сипталу силы) 100е 0.05tf 10 * Пиковые значения и длительности импульса могут изменяться в пределах 110 %. ь Длительность импульса определяют на уровне 10 % пикового значения (см. раздел 7). с Методы допускают применение ббльших пиковых значений ускорения и более короткие длительности импульса, но без сопоставления с методами первичной калибровки по (21).

Примечание — При калибровке преобразователей высокой точности (например, эталонных преобразователей). а также в случае, если принимаются соответствующие меры для уменьшения составляющих неопределенности с целью их соответствия заданным требованиям (см. бюджет неопределенности в приложении А), неопределенность измерения может быть меньше указанной в таблице 1. В ходе межлабораторных сличений для испытаний с использованием маятника, падающего шара и пневматического поршня была получена неопределенность измерения 1 % в диапазоне пиковых значений от 200 до 2000 м/с2 (1].

Пиковое значение ускорения может быть выражено в единицах стандартного ускорения свободного падения д_п (1 д_п - 9,80665 м/с²; 1.5 км/с² г 150д_л).

При оценке неопределенности измерения, а также поспедствий воздействия удара на преобразо-ватель (его повреждения или разрушения) следует рассматривать удары наименьшей длительности в соответствии с техническими условиями изготовителя.

5 Требования к испытательному оборудованию и средствам измерений

5.1 Общие положения

Поверхности, на которые крепятся преобразователи (эталонный и испытуемый), должны быть полированными, плоскими и чистыми. Шероховатость поверхности Ra (среднее арифметическое отклонение профиля) должна быть менее 1 мкм. Отклонение от плоскостности монтажной поверхности должно

ГОСТ Р ИСО 16063-22-2012

быть не более 5 мкм. Отклонение от перпендикулярности продольной оси резьбового отверстия для монтажа преобразователя должно быть не более 10 мкм на интервале, равному глубине отверстия. Резьбу и момент затяжки выбирают в зависимости от материала монтажной поверхности с учетом рекомендаций изготовителя.

5.2 Калибраторы с наковальней (калибровка в диапазоне от 100 м/с² до 100 км/с²)

5.2.1 Общие положения

Если ударным механизмом калибратора с наковальней является падающий шар или пневматический поршень, то калибруемый преобразователь рекомендуется устанавливать на верхнюю монтажную поверхность эталонного преобразователя (способ установки «спина к спине»), как показано на рисунке 1. Такой способ установки не рекомендуется для калибраторов с ударным механизмом в виде маятника (см. 5.2.2 и рисунок 3). Масса и размеры калибруемого преобразователя вместе с приспособлениями для установки не должны существенно превышать массу и размеры эталонного преобразователя. поскольку на его коэффициент преобразования и на зависимость коэффициента преобразования от частоты влияют присоединенные массы. Период собственных колебаний калибруемого преобразователя должен быть менее 0,2 длительности приложенного лолусинусоидального импульса, чтобы не допустить перегрузки и «звона» сигнала преобразователя на резонансе.

5.2.2 Ударный механизм в виде маятника

Калибратор удара с маятниковым механизмом позволяет определять коэффициент преобразования по удару и линейность по амплитуде в широком диапазоне нагрузок.

Калибровку сравнением выполняют при ускорениях от 100 до 1500 м/с² (от 10 до 150д„) при длительностях полусинусоидальных импульсов (на уровне 10 % пикового значения) от 3 до 8 мс. Схематичное изображение калибратора удара с маятниковым механизмом показано на рисунке 2. Длительность ударного импульса Т зависит от пикового значения ускорения, например 3 мс при 1500 м/с² и 8 мс при 100 м/с². Линейность по амплитуде может быть измерена по 4—7 ударам маятниковой системы или с использованием ряда одиночных ударов с разными ускорениями.

Калибратор удара с маятниковым механизмом состоит из жесткой рамы, маятника-молотка и маятника-наковальни. Типичная рама имеет квадратное основание размерами 500 х 500 мм и высоту 700 мм. Масса всей конструкции приблизительно равна 60 кг. Длина маятника приблизительно 400 мм. Отклонение молотка на желаемый угол с последующим отпусканием приводит к удару молотка по наковальне. Максимальное изменение скорости во время ударного столкновения — менее 3 м/с. Эталонный и калибруемый преобразователи устанавливают на наковальне, как показано на рисунке 3.

3

ГОСТ Р ИСО 16063-22-2012

1 — шкала с регулируемым упором. 2 — маятник-молоток; 3 — упругая прокладка; 4 — эталонный преобразователь; 5 — калибруемый преобразователь: 6 — маятник-наковальня

1 — измерительная поверхность, использованная при первичной калибровке; 2 — маятник-наковальня: 3 — калибруемый преобразователь; 4 — эталонный преобразователь; 5 — бутадиеновый каучук; б — маятник-молоток

Градусная шкала служит для отсчета углового перемещения. Оба маятника имеют приблизительно одинаковый момент инерции, что обеспечивает серию ударов с уменьшающейся амплитудой. Упругая прокладка между маятниками передает удар с известной формой импульса от одного маятника другому. Твердость прокладки определяет форму и длительность импульса, а также количество ударов. Для создания импульсов полусинусоидальной формы используются бутадиеновые прокладки толщи-

ГОСТ Р ИСО 16063-22-2012

ной 8 мм. Испытуемый и опорный преобразователи располагаются в узловой точке первой осевой моды маятника наковальни для уменьшения искажений измеряемой вибрации. Рекомендуется, чтобы центр тяжести сейсмической массы испытуемого преобразователя был совмещен с осью чувствительности эталонного преобразователя на наковальне маятника при помощи монтажной шпильки или другой монтажной детали [15).

5.2.3 Ударный механизм в виде падающего шара

В калибраторе с падающим шаром эталонный и калибруемый преобразователи устанавливают на наковальне в положении «спина к спине», как показано на рисунке 4.

1 — вакуумный держатель. 2 — стальной шар; 3 — плунжер (необязательный элемент); 4 — магнитным держатель; 5 — наковальня. 6 — преобразователи 7 — улавливающий механизм

При помощи падающего шара можно воспроизвести удар с пиковым значением ускорения от 100 м/с² до 100 км/с² и длительностью от 0,1 до 10 мс. Элементы ударного механизма в сборе размещены внутри трубы. Преобразователи устанавливают на дне наковальни, удерживаемой в начальном положении магнитным полем.

Для позиционирования и высвобождения стального шара используется вакуумный держатель, расположенный в верхней части трубы таким образом, чтобы шар падал в центр наковальни. В результате удара шара по наковальне создается ударный импульс, вызывающий свободное падение наковальни на улавливающий механизм с пенистой резиной, расположенной ниже области магнитного поля. Пиковые значения и длительность ударного импульса могут регулироваться изменением диаметра и массы шара (2), а также изменением демпфирования, обеспечиваемого материалом, который наносят на ударную поверхность наковальни.

Калибратор удара с падающим шаром используют для определения коэффициента преобразования как функции пикового значения ускорения (в единицах д_п) или частоты (3]. В идеальном случае параметры аппаратуры должны быть регулируемыми с целью получения импульсов со значительной спектральной энергией в диапазоне частот от 5 до 10 кГц, независимой от пикового значения. Например, пиковые значения ускорения в диапазоне от 100 до 1000д_л можно получить с помощью наковальни диаметром менее 25 мм. Плунжер предотвращает многократные столкновения шаров с относительно малыми диаметрами с наковальней после начального удара. Использование шаров с наковальней малого размера для создания импульсов имеет два преимущества. Во-первых, уменьшение массы наковальни уменьшает риск повреждения преобразователей, если наковальня сталкивается с улавливающим механизмом. Во-вторых, уменьшение размера наковальни увеличивает собственные частоты ее мод. Второе преимущество является важным при определении пиковых значений во

5

ГОСТ Р ИСО 16063-22-2012

Скорость поршня примерно пропорциональна давлению. Скорость наковальни (площадь под кривой ускорения) зависит от отношения массы наковальни (с преобразователями, дополнительной массой, устройствами крепления) к массе поршня. Чем более упругий материал использован для прокладок, тем больше длительность ударного импульса. При заданной скорости движения поршня после соударения произведение амплитуды ускорения наковальни на длительность импульса является приблизительно постоянной величиной. При тонкой прокладке получаются короткие импульсы с большим пиковым значением. С увеличением толщины прокладки длительность импульса возрастает, а пиковое значение ускорения уменьшается. Площади под кривой ускорения для разных импульсов будут приблизительно одинаковы (4).

5.3 Калибраторы удара со стержнем Гопкинсона

5.3.1    Общие положения

Калибратор удара со стержнем Гопкинсона работает в диапазонах высоких ускорений (пиковые значения от 1 до 2000 км/с²). Настоящий стандарт распространяется на диапазон от 100 м/с² до 100 км/с², что соответствует первичным методам ударной калибровки (см. ИСО 16063-13).

Стержень Гопкинсона обычно представляет собой длинный тонкий стержень с отношением длины к диаметру более 10. Наилучшие результаты для методов, установленных настоящим стандартом, могут быть получены при отношении длины к диаметру порядка 100. Для получения эталонных кривых характеристик удара (скорости, ускорения) калибратор со стержнем Гопкинсона может быть оснащен тензометром или лазерным допплеровским виброметром (LDV). С эталонными кривыми сравнивают результаты измерения удара калибруемым преобразователем. Калибратор с разрезным стержнем Гопкинсона используют для сравнения ускорения, полученного по измерению силы тензометром, с сигналом на выходе калибруемого преобразователя. Калибраторы со стержнем Гопкинсона могут быть использованы для калибровки в диапазоне ускорений до 2000 км/с². Теория распространения волн напряжения в стержне Гопкинсона изложена в (5). (6).

Для обеспечения прослеживаемости к первичным эталонам удара с целью подтверждения неопределенности эталонных кривых, используемых в калибраторах удара со стержнем Гопкинсона. должен использоваться эталонный преобразователь, калиброванный одним из первичных методов.

5.3.2    Калибратор со сравнением по сигналу скорости или ускорения

Калибровка преобразователя может быть осуществлена путем сравнения проинтегрированного выходного сигнала преобразователя с сигналом, полученным с помощью тензометра или лазерного доплеровского виброметра (7), [8). Другим вариантом является калибровка по ускорению, при которой выходной сигнал преобразователя сравнивают с производной выходного сигнала тензометра или лазерного допплеровского виброметра (9]. [10].

Схема калибратора удара со стержнем Гопкинсона показана на рисунке 6.

Подробно калибровка с использованием стержня Гопкинсона и эталона сравнения описана в [9].

5.3.3 Калибратор с разрезным стержнем Гопкинсона и датчиком силы

Работа калибратора удара с разрезным стержнем Гопкинсона основана на сравнении с эталонным сигналом ускорения или с продифференцированным сигналом напряжения. На рисунке 7 показана схема калибратора с алюминиевым разрезным стержнем Гопкинсона с отношением длины входного стержня к его диаметру более 10 (11), [12]. В отличие от схемы, описанной в 5.3.2 (см. также (7—10]), стержень Гопкинсона разрезан надвое, и калибруемый преобразователь установлен на конце выходного стержня. На противоположном конце выходной стержень граничит с датчиком силы, чувствительным элементом которого является диск толщиной 0.254 мм и диаметром 19 мм. полученный х-срезом кристалла кварца.

7

Принимая во внимание, что время прохождения волны напряжения, создаваемой ударником, достаточно велико, а длина стального диска (выходного стержня) мала, отклик выходного стержня (если он изготовлен из стали или вольфрама) может быть представлен как движение твердого тела (11). Ускорение а твердого тела (стального диска) рассчитывают по результату измерения силы Я датчиком силы с помощью второго закона Ньютона по формуле F = та, где т — масса выходного стержня с кварцевым диском и калибруемым преобразователем, после чего расчетное ускорение сравнивают с измеренным калибруемым преобразователем Для достижения плотного контакта датчика силы (кварцевого диска) с входным стержнем используют вакуумную манжету. Подробности аттестации калибратора удара с разрезным стержнем Голкинсона приведены в (13).

5.4    Осциллограф

Для контроля формы выходного сигнала преобразователя должен быть использован осциллограф с двумя и более каналами с рабочим диапазоном частот как минимум от 0 до 1 МГц.

5.5    Регистратор сигнала с компьютерным интерфейсом

Для записи выходных сигналов двух преобразователей используют регистратор сигналов с компьютерным интерфейсом, аналого-цифровым преобразователем и памятью. Допускается в целях хранения выборок временных сигналов использовать компьютер с устройством аналого-цифрового преобразования. Разрешающая способность, частота выборки и объем памяти должны быть достаточными для обеспечения калибровки в заданном диапазоне с неопределенностью измерения, рассчитанной согласно приложению А.

Выходной сигнал преобразователя должен быть записан с разрешением 10 бит и более (предпочтительно 12 бит).

5.6    Компьютер для обработки данных

Для реализации программ обработки данных, полученных в процессе калибровки в соответствии с настоящим стандартом, используют компьютер или соответствующий анализатор.

5.7    Фильтры

Аналоговые фильтры, применяемые для подавления шумов в сигналах ускорения, должны иметь амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики, обеспечивающие установленные требования к неопределенности измерения. Это требование должно выполняться также для цифровых фильтров.

5.8    Другие требования

Для достижения достаточно малой неопределенности измерения преобразователь и предусилитель следует рассматривать и калибровать как единое устройство. То же относится к датчику силы с чувствительным элементом в виде кварцевого диска и его усилителю.

Преобразователь удара должен иметь жесткую конструкцию. Чувствительность преобразователя к деформации основания, коэффициент преобразования в поперечном направлении и стабильность характеристик преобразователя с усилителем должны приниматься во внимание при расчете неопределенности измерения.

Если калибровка преобразователей выполняется в положении «спина к спине», то эталонный преобразователь должен быть предварительно калиброван с имитирующей массой, равной массе калибруемого преобразователя.

6 Условия окружающей среды

Калибровку проводят при следующих условиях окружающей среды:

a)    комнатная температура (23 г 3) ^вС;

b)    относительная влажность не более 75 %.