فهم مقياس السرعة (مستشعر السرعة)
A مقياس السرعة، والمعروف رسمياً بمحوّل السرعة أو مستشعر السرعة، هو نوع من محول الطاقة تستخدم للقياس اهتزاز. سمته المميزة أنه يُنتج إشارة كهربائية تتناسب مباشرةً مع سرعة للسطح المهتز الذي يتصل به. وهذا ما يميزه عن مقياس التسارع، الذي تتناسب إشارته مع تسريع، وعن مسبار القرب، الذي تتناسب إشارته مع النزوح.
1. التعريف: ما هو مقياس السرعة (Velometer)؟
نظراً لأن السرعة هي المعلمة التي تعتمدها معظم المعايير الدولية للحكم على مستوى اهتزاز الآلة، فإن المستشعر الذي يُبلّغ مباشرةً عن السرعة يتمتع بجاذبية مفهومية. يُعدّ مقياس السرعة الكلاسيكي جهازاً مكتفياً بذاته وذاتي التوليد — فهو لا يحتاج إلى مصدر طاقة أو معالجة للإشارة لإنتاج إشارة خرج قابلة للاستخدام. وعلى الرغم من أنه بات أقل شيوعاً من مقياس التسارع في جمع البيانات المحمول الحديث، فإن مقياس السرعة لا يزال يجد تطبيقات حقيقية، ولا سيما في المراقبة الدائمة للآلات متوسطة السرعة وكعضو في العائلة الأوسع من محولات زلزالية التي تقيس الحركة بالنسبة للفضاء الحر لا إلى هيكل ثابت.
2. كيف يعمل مقياس السرعة
تعمل مقاييس السرعة التقليدية كمستشعرات كهروديناميكية. وهي تعتمد على المبدأ ذاته المستخدم في الميكروفون الديناميكي أو بيكاب الغيتار، وفقاً لقانون الحث لفاراداي:
- يوجد داخل الغلاف ملف سلكي معلّق على نوابض ناعمة.
- يُثبَّت مغناطيس دائم بصلابة في الغلاف.
- عند تركيب المستشعر على آلة مُهتزة، يتحرك الغلاف والمغناطيس مع سطح الآلة.
- بسبب قصوره الذاتي، تميل الملفة المعلقة بنابض إلى البقاء ثابتة في الفضاء (وهذا هو المبدأ الزلزالي).
- تُولِّد الحركة النسبية بين المغناطيس المتحرك والملفة شبه الثابتة جهدًا كهربائيًا مستحثًا في الملفة.
- وفقًا لقانون فاراداي، يتناسب هذا الجهد المستحث تناسبًا مباشرًا مع سرعة الحركة النسبية — وهو بالضبط الكمية التي نريد قياسها.
لا يتصرف نظام الكتلة-النابض بهذه الطريقة إلا فوق التردد الطبيعي (غالبًا حول 8–10 Hz)، وهو ما يُحدد حد التردد المنخفض للمستشعر. تُوجد أيضًا “أجهزة قياس السرعة الكهروديناميكية الكهروضغطية” الحديثة: وهي في جوهرها مقاييس تسارع مزودة بدائرة إلكترونية مدمجة الاندماج تحوّل التسارع إلى إشارة سرعة داخل المستشعر نفسه، متجاوزةً الأجزاء المتحركة الهشة في التصميم الكهروديناميكي.
3. مزايا وعيوب أجهزة قياس السرعة
المزايا
- إخراج مباشر للسرعة: تقيس السرعة مباشرةً — المعامل الأكثر استخدامًا لتقييم شدة الاهتزاز على الآلات ذات الأغراض العامة في نطاق يتراوح تقريبًا بين 10 Hz و1,000 Hz (وفقًا لـ ايزو 20816، الخلف الحديث للمعيار ISO 10816). لا يلزم إجراء تكامل في المحلل، مما يُبقي سلسلة الإشارة بسيطة.
- ذاتي التشغيل (سلبي): تُولِّد أجهزة قياس السرعة الكهروديناميكية التقليدية إشارتها الخاصة ولا تحتاج إلى طاقة خارجية، وهو ما يُعد مفيدًا في بعض التركيبات الصناعية والمناطق الخطرة.
- استجابة منخفضة التردد جيدة: فوق ترددها الطبيعي، تتمتع هذه الأجهزة عمومًا بحساسية أعلى عند الترددات المنخفضة مقارنةً بكثير من مقاييس التسارع ذات الأغراض العامة، مما يوفر إشارة قوية ونظيفة حيث تتواجد ظاهرتا عدم الاتزان وعدم المحاذاة.
العيوب
- نطاق تردد محدود: نطاقها الصالح للاستخدام أضيق من نطاق مقياس التسارع. فهي غير مناسبة للصدمات عالية التردد الخاصة بـ عيوب المحمل أو عيوب التروس، التي تقع بارتفاع واضح فوق نقطة تراجع استجابتها.
- Moving parts: قد يُصاب تجميع النابض والملفة الداخلي بالإجهاد أو الانحراف أو العطل الكامل، لا سيما في ظروف الاهتزاز الشديد.
- الحساسية للاتجاه: يجب تركيبها في الاتجاه الذي صُمِّمت من أجله (رأسيًا أو أفقيًا)، لأن الجاذبية تُحمِّل نظام تعليق النابض مسبقًا.
- أكبر حجمًا وأثقل وزنًا: فهي عادةً أكبر حجمًا وأثقل وزنًا بكثير مقارنةً بمقياس التسارع الحديث، الذي قد يُحدث تأثيرًا ثقليًا يُثقل الهياكل الخفيفة الوزن.
- الحساسية للحقول المغناطيسية: إذ إن الحقول الخارجية القوية، كتلك الموجودة بالقرب من المحركات الكبيرة، يمكن أن تتزاوج مع الملف وتُفسد القراءة.
4. مقياس السرعة مقابل مقياس التسارع
لجمع البيانات المحمولة الحديثة و تشخيص الاهتزاز، ال مقياس التسارع هو المستشعر المُفضَّل. إذ يمتلك استجابةً ترددية أوسع نطاقًا وأكثر اتساقًا، فيلتقط مقياس تسارع واحد كلًّا من: الاهتزاز منخفض التردد الناجم عن عدم التوازن، والاهتزاز عالي التردد جدًّا الناجم عن أعطال المحامل والتروس. ثم يقوم محلل الاهتزازات بتكامل إشارة التسارع إلكترونيًّا لعرض السرعة أو الإزاحة عند الطلب — مستشعر واحد متين يغطي كل ما كان يؤديه مقياس السرعة وأكثر من ذلك بكثير. وهذا هو بالضبط كيف يعمل الجهاز المحمول ذو القناتين بالانست-1أ في الميدان: إذ يأخذ إشارة التسارع من مقاييس التسارع لديه، ويجري التكامل للحصول على السرعة لتقييم شدة الاهتزاز وفق درجات ISO، ويستخدم الإشارة ذاتها لقياس سعة الدورة الأولى والطور اللازمَين لموازنة المستوى الواحد والمستويَين. وإن احتجت إلى تحويل القراءات بين أنواع المستشعرات، فإن جهاز محول وحدة الاهتزاز يُجري التحويل بسلاسة بين mm/s وµm وg.
إن مقاييس السرعة (Velometers) باتت توجد الآن في معظمها بوصفها مستشعرات مُركَّبة بصورة دائمة على الآلات متوسطة السرعة — المراوح والمضخات والمحركات — ولا سيما في المنشآت القديمة التي كانت هي محول المراقبة المُحدَّد أصلًا، وما زالت تؤدي عملها بكفاءة عقدًا بعد عقد.
