4. Системи за измерване на балансиращи машини
Повечето любители производители на балансиращи машини, които се свързват с LLC "Kinematics", планират да използват в своите проекти измервателните системи от серията "Balanset", произведени от нашата компания. Има обаче и клиенти, които планират да произвеждат такива измервателни системи самостоятелно. Ето защо има смисъл да обсъдим по-подробно конструирането на измервателна система за балансираща машина. Основното изискване към тези системи е необходимостта да се осигурят високоточни измервания на амплитудата и фазата на ротационната компонента на вибрационния сигнал, който се появява при честотата на въртене на балансирания ротор. Тази цел обикновено се постига чрез използване на комбинация от технически решения, включващи:
4.1. Избор на сензори за вибрации
В измервателните системи на балансиращите машини могат да се използват различни видове вибрационни сензори (преобразуватели), включително:
4.1.1. Сензори за вибрационно ускорение
Сред сензорите за вибрационно ускорение най-широко разпространени са пиезо- и капацитивните (чип) акселерометри, които могат да се използват ефективно в балансиращи машини от типа Soft Bearing. На практика обикновено е допустимо да се използват сензори за вибрационно ускорение с коефициенти на преобразуване (Kpr), вариращи от 10 до 30 mV/(m/s²). При балансиращи машини, които изискват особено висока точност на балансиране, е препоръчително да се използват акселерометри с Kpr, достигащи нива от 100 mV/(m/s²) и повече. Като пример за пиезоакселерометри, които могат да се използват като сензори за вибрации за балансиращи машини, на фигура 4.1 са показани пиезоакселерометри DN3M1 и DN3M1V6, произведени от ООО "Измертел".
Фигура 4.1. Пиезоускорители DN 3M1 и DN 3M1V6
За да се свържат такива сензори към уреди и системи за измерване на вибрации, е необходимо да се използват външни или вградени усилватели на заряд.
Фигура 4.2. Капацитивни акселерометри AD1, произведени от LLC "Kinematics"
Трябва да се отбележи, че тези сензори, сред които са широко използваните на пазара платки с капацитивни акселерометри ADXL 345 (вж. фигура 4.3), имат няколко съществени предимства пред пиезоакселерометри. По-конкретно, те са от 4 до 8 пъти по-евтини при сходни технически характеристики. Освен това те не изискват използването на скъпи и фини усилватели на заряда, необходими за пиезоускорителите.
В случаите, когато в измервателните системи на балансиращите машини се използват и двата вида акселерометри, обикновено се извършва хардуерно интегриране (или двойно интегриране) на сигналите от сензорите.
Фигура 4.2. Капацитивни акселерометри AD 1, сглобени.
Фигура 4.3. Платка с капацитивен акселерометър ADXL 345.
В този случай първоначалният сигнал от сензора, пропорционален на вибрационното ускорение, се трансформира съответно в сигнал, пропорционален на вибрационната скорост или преместване. Процедурата на двойно интегриране на вибрационния сигнал е особено подходяща при използването на акселерометри като част от измервателните системи за нискоскоростни балансиращи машини, при които долният диапазон на честотата на въртене на ротора по време на балансиране може да достигне 120 об/мин и по-малко. Когато се използват капацитивни акселерометри в измервателните системи на балансиращи машини, трябва да се има предвид, че след интегриране техните сигнали могат да съдържат нискочестотни смущения, проявяващи се в честотния диапазон от 0,5 до 3 Hz. Това може да ограничи долния честотен диапазон на балансиране на машините, предназначени за използване на тези сензори.
4.1.2. Сензори за скорост на вибрациите 4.1.2.1. Индуктивни сензори за скорост на вибрациите. Тези сензори включват индуктивна бобина и магнитна сърцевина. Когато намотката вибрира спрямо неподвижната сърцевина (или сърцевината спрямо неподвижната намотка), в намотката се индуцира ЕМП, чието напрежение е пряко пропорционално на скоростта на вибрациите на подвижния елемент на сензора. Коефициентите на преобразуване (Кпр) на индуктивните сензори обикновено са доста високи и достигат няколко десетки или дори стотици mV/mm/sec. По-специално, коефициентът на преобразуване на сензора Schenck, модел T77, е 80 mV/mm/sec, а на сензора IRD Mechanalysis, модел 544M, е 40 mV/mm/sec. В някои случаи (например в балансиращите машини на Schenck) се използват специални високочувствителни индуктивни сензори за скорост на вибрациите с механичен усилвател, при които Кпр може да надхвърли 1000 mV/mm/sec. Ако в измервателните системи на балансиращите машини се използват индуктивни датчици за скорост на вибрациите, може да се извърши и хардуерно интегриране на електрическия сигнал, пропорционален на скоростта на вибрациите, като той се преобразува в сигнал, пропорционален на вибрационното преместване.
Фигура 4.4. Сензор модел 544M от IRD Mechanalysis.
Фигура 4.5. Сензор модел T77 на Schenck Трябва да се отбележи, че поради трудоемкостта на производството им индуктивните сензори за скорост на вибрациите са доста дефицитни и скъпи изделия. Поради това, въпреки очевидните предимства на тези датчици, любителите производители на балансиращи машини ги използват много рядко.
4.1.2.2. Вибрационни сензори за скорост, базирани на пиезоелектрични акселерометри. Сензорът от този тип се различава от стандартния пиезоелектричен акселерометър по това, че има вграден усилвател на заряда и интегратор в корпуса си, което му позволява да излъчва сигнал, пропорционален на скоростта на вибрациите. Например пиезоелектрически сензори за скорост на вибрациите, произведени от местни производители (компанията ZETLAB и LLC "Vibropribor"), са показани на фигури 4.6 и 4.7.
Фигура 4.6. Модел на сензор AV02 от ZETLAB (Русия)
Фигура 4.7. Модел DVST 2 сензор на LLC "Vibropribor" Такива сензори се произвеждат от различни производители (както местни, така и чуждестранни) и понастоящем се използват широко, особено в преносимото виброоборудване. Цената на тези сензори е доста висока и може да достигне 20 000 до 30 000 рубли за всеки, дори от местни производители.
4.1.3. Сензори за преместване В измервателните системи на балансиращите машини могат да се използват и безконтактни сензори за преместване - капацитивни или индуктивни. Тези сензори могат да работят в статичен режим, което позволява регистрирането на вибрационни процеси от 0 Hz. Тяхното използване може да бъде особено ефективно в случай на балансиране на нискоскоростни ротори със скорост на въртене 120 об/мин и по-ниска. Коефициентите на преобразуване на тези сензори могат да достигнат 1000 mV/mm и повече, което осигурява висока точност и разделителна способност при измерване на преместването, дори без допълнително усилване. Очевидно предимство на тези сензори е сравнително ниската им цена, която при някои местни производители не надвишава 1000 рубли. При използването на тези сензори в балансиращи машини е важно да се има предвид, че номиналната работна междина между чувствителния елемент на сензора и повърхността на вибриращия обект е ограничена от диаметъра на намотката на сензора. Например за сензора, показан на фигура 4.8, модел ISAN E41A на "TEKO", определената работна междина обикновено е 3,8 до 4 mm, което позволява измерване на преместването на вибриращия обект в диапазона ±2,5 mm.
Фигура 4.8. Индуктивен сензор за преместване модел ISAN E41A на TEKO (Русия)
4.1.4. Сензори за сила Както вече беше отбелязано, в измервателните системи, инсталирани на машините за балансиране на твърди лагери, се използват сензори за сила. Тези сензори, особено поради простотата на производството им и относително ниската им цена, обикновено са пиезоелектрически сензори за сила. Примери за такива сензори са показани на фигури 4.9 и 4.10.
Фигура 4.9. Сензор за сила SD 1 на Kinematika LLC
Фигура 4.10: Сензор за сила за автомобилни балансиращи машини, продаван от "STO Market" Тензометричните датчици за сила, които се произвеждат от широк кръг местни и чуждестранни производители, могат да се използват и за измерване на относителните деформации в опорите на балансиращите машини с твърди лагери.
4.2. Сензори за фазов ъгъл За синхронизиране на процеса на измерване на вибрациите с ъгъла на завъртане на балансирания ротор се използват сензори за фазов ъгъл, като лазерни (фотоелектрични) или индуктивни сензори. Тези сензори се произвеждат в различни варианти от местни и международни производители. Ценовият диапазон на тези сензори може да варира значително - от около 40 до 200 долара. Пример за такова устройство е сензорът за фазов ъгъл, произвеждан от "Diamex", показан на фигура 4.11.
Фигура 4.11: Сензор за фазов ъгъл от "Diamex"
Като друг пример, фигура 4.12 показва модел, реализиран от LLC "Kinematics", който използва лазерни тахометри от модела DT 2234C, произведени в Китай, като сензори за фазов ъгъл. Очевидните предимства на този сензор включват:
Фигура 4.12: Лазерен тахометър модел DT 2234C
В някои случаи, когато използването на оптични лазерни сензори е нежелателно по някаква причина, те могат да бъдат заменени с индуктивни безконтактни сензори за преместване, като например споменатия по-горе модел ISAN E41A или подобни продукти на други производители.
4.3. Функции за обработка на сигнали в сензорите за вибрации За прецизно измерване на амплитудата и фазата на ротационния компонент на вибрационния сигнал в балансиращото оборудване обикновено се използва комбинация от хардуерни и софтуерни средства за обработка. Тези инструменти позволяват:
4.3.1. Широколентово филтриране на сигнала Тази процедура е от съществено значение за изчистването на сигнала от сензора за вибрации от потенциални смущения, които могат да възникнат както в долната, така и в горната граница на честотния обхват на устройството. Препоръчително е измервателното устройство на балансираща машина да зададе долната граница на лентовия филтър на 2-3 Hz, а горната граница - на 50 (100) Hz. "Долната" филтрация помага за потискане на нискочестотните шумове, които могат да се появят на изхода на различните видове сензорни измервателни усилватели. "Горното" филтриране елиминира възможността за смущения, дължащи се на комбинирани честоти и потенциални резонансни вибрации на отделни механични компоненти на машината.
4.3.2. Усилване на аналоговия сигнал от сензора Ако е необходимо да се увеличи чувствителността на измервателната система на балансиращата машина, сигналите от сензорите за вибрации към входа на измервателния блок могат да бъдат усилени. Могат да се използват както стандартни усилватели с постоянно усилване, така и многостепенни усилватели, чието усилване може да се променя програмно в зависимост от реалното ниво на сигнала от сензора. Пример за програмируем многостъпален усилвател включват усилватели, реализирани в преобразуватели за измерване на напрежение като E154 или E14-140 от LLC "L-Card".
4.3.3. Интеграция Както беше отбелязано по-рано, в измервателните системи на балансиращите машини се препоръчва хардуерно интегриране и/или двойно интегриране на сигналите от сензорите за вибрации. По този начин първоначалният сигнал от акселерометъра, пропорционален на вибрационното ускорение, може да се трансформира в сигнал, пропорционален на вибрационната скорост (интегриране) или на вибрационното преместване (двойно интегриране). По подобен начин сигналът от сензора за виброскорост след интегриране може да се трансформира в сигнал, пропорционален на вибропреместването.
4.3.4. Теснолентово филтриране на аналоговия сигнал с помощта на проследяващ филтър За да се намалят смущенията и да се подобри качеството на обработката на вибрационните сигнали в измервателните системи на балансиращите машини, могат да се използват теснолентови проследяващи филтри. Централната честота на тези филтри се настройва автоматично към честотата на въртене на балансирания ротор, като се използва сигналът от сензора за въртене на ротора. За създаването на такива филтри могат да се използват съвременни интегрални схеми, като MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 на "MAXIM".
4.3.5. Аналогово-цифрово преобразуване на сигнали Аналогово-цифровото преобразуване е важна процедура, която осигурява възможност за подобряване на качеството на обработката на вибрационния сигнал по време на измерването на амплитудата и фазата. Тази процедура се прилага във всички съвременни измервателни системи на балансиращи машини. Пример за ефективно прилагане на такива АЦП включват преобразувателите за измерване на напрежение тип E154 или E14-140 на LLC "L-Card", използвани в няколко измервателни системи на балансиращи машини, произведени от LLC "Kinematics". Освен това LLC "Kinematics" има опит в използването на по-евтини микропроцесорни системи, базирани на контролери "Arduino", микроконтролера PIC18F4620 на "Microchip" и други подобни устройства.
Автор на статията : Фелдман Валерий Давидович
Редактор и превод : Николай Андреевич Шелковенко
Извинявам се за евентуалните грешки в превода.
BG 
EN 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
EL 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UK 
VI