Разбиране на сеизмичните преобразуватели
A сейсмичен преобразувател — наричан още сеизмичен сензор или инерционен преобразувател — е вибрация сензор, който използва вътрешна сеизмична маса ("инерционна маса"), окачена на пружини или еластични опори, като инерционна референция, което му позволява да измерва абсолютното движение на основата на сензора. Когато корпусът вибрира, относителното движение между окачената маса и корпуса се преобразува в електрически сигнал, който представя вибрациите. В зависимост от това къде честотата на измерване се намира спрямо собствена честота, сензорът работи в един от два режима: над резонанса масата има тенденция да остава неподвижна в пространството и относителното движение следва преместването на корпуса (класическият режим на сеизмометъра и виброскоростния датчик), докато под резонанса малкото остатъчно отклонение на масата е пропорционално на ускорението на корпуса (режимът на акселерометъра). Определящата особеност е, че референтната система се носи вътре в сензора, така че не се изисква фиксирана външна отправна точка.
Наименованието „сейсмичен“ произхожда от апаратурата за измерване на земетресения: окачената маса на сейсмометъра остава относително неподвижна, докато земята под нея се раздвижва. При мониторинга на машини и двете датчици за скорост и акселерометри в този смисъл са сеизмични преобразуватели, въпреки че терминът най-често се свързва с класическия датчик за скорост.
1. Принцип на действие
Система маса-пружина-амортисьор
Всеки сеизмичен преобразувател всъщност е малък механичен осцилатор, състоящ се от четири функционални части:
- Seismic mass: калибрирана тежест, окачена вътре в корпуса на датчика.
- Пролет: механични пружини или тънки гъвкави елементи, които поддържат масата.
- Амортизация: въздушно, магнитно (с вихрови токове) или флуидно затихване, което неутрализира резонанса.
- Трансдукция: елементът, който преобразува относителното движение между масата и корпуса в напрежение.
Региони на честотния спектър
Как ще се държи сензорът зависи изцяло от това къде честотата на възбуждане попада спрямо собствената му честота — и двете основни семейства сензори умишлено работят от противоположни страни на резонанса:
- Под собствената честота (режим на акселерометър): масата и корпусът се движат практически заедно, а малкото остатъчно отклонение на масата е пропорционално на ускорение. Пиезоелектричните и MEMS акселерометри работят тук, под своя висок монтиран резонанс.
- При собствена честота: системата влиза в резонанс — изходът се усилва, но е изкривен и ненадежден, затова измерване близо до резонанса се избягва.
- Над собствената честота (режим на сеизмометър): масата ефективно остава на място, докато корпусът вибрира около нея, а относителното движение следва изместване (или скоростта) на корпуса. Датчиците за преместване от сеизмичен тип и виброскоростните датчици с подвижна намотка работят тук, над своята ниска собствена честота.
- Usable ranges: виброскоростен датчик по правило се използва над приблизително 2× собствената му честота, където характеристиката му вече се е установила и е равна; акселерометър се използва значително под монтирания му резонанс — обикновено до около една трета от него за добра точност.
2. Видове сеизмични преобразуватели
Датчици за скорост (с подвижна бобина)
- Магнит е окачен на пружини вътре в неподвижна намотка (или обратното).
- Относителната скорост между магнита и бобината генерира напрежение чрез електромагнитна индукция.
- Собствена честота обикновено 8–15 Hz.
- Подходящ за честоти между приблизително 16 и 30 Hz.
- Измерва скоростта директно, без да се налага интегриране на сигнала.
Акселерометри
- Пиезоелектричен Тези модели използват пиезокристал за измерване на инерционната сила на масата.
- При MEMS-типовете се използва капацитивно или пиезорезистивно измерване върху микромашинно изработен елемент.
- Много по-висока (монтирана) собствена честота, обикновено 10–30 kHz.
- За разлика от виброскоростните датчици, използвани под резонанс: използваем от около 1 Hz до приблизително една трета от честотата на монтирания резонанс.
- Измерва ускорението, което може да се интегрира до скорост или преместване.
3. Сейсмични срещу несейсмични сензори
Серията сеизмични датчици се разбира най-добре в контраст с датчиците, които разчитат на външен еталон.
Сеизмични сензори (инерционна референция)
- Акселерометри и датчици за скорост.
- Измерете абсолютното движение в инерциалното пространство.
- Монтирайте директно върху вибриращата конструкция.
- Да използват собствената си вътрешна маса като еталон.
- Най-често срещаният избор за мониторинг на машини.
Несеизмични сензори (външна референция)
- Сонди за близост (сензори с вихрови токове).
- Измерване на относителното движение между две повърхности.
- Необходима е стационарна точка за закрепване, от която да се наблюдава.
- Обикновено се измерва движението на вала спрямо лагера.
- Стандарт за измерване на вибрациите на валовете на машини с лагери на плъзгащи се лагери.
4. Предимства на сеизмичното проектиране
Самостоятелна препратка
- Не е необходима външна отправна система.
- Сензорът може да се монтира почти навсякъде върху вибрираща конструкция.
- Той отразява истинското абсолютно движение в инерциалното пространство.
Универсалност
- Един тип сензор намира приложение в многобройни области.
- Подходящ както за временни проучвания, така и за постоянни инсталации.
- Лесно се пренася от машина на машина.
Именно тази гъвкавост е причината преносимите уреди да разчитат на тях. Двуканалният Balanset-1A, например, получава данните си от акселерометри, закрепени към лагерните корпуси — самореференциални сеизмични сензори, които не се нуждаят от фиксирана отправна точка, така че инженерът може бързо да се придвижва между измервателните точки и машините, докато се движи по площадката.
5. Ограничения
Ограничения на честотната характеристика
- Виброскоростните датчици не могат да измерват надеждно под приблизително 2× собствената си честота; типовете с подвижна намотка по-специално реагират слабо под 15–20 Hz. Съществува неизбежен компромис: по-ниската собствена честота дава по-добър обхват към ниските честоти, но изисква по-голям и по-тежък сензор.
- Акселерометрите губят точност, когато честотата на измерване се приближава до монтирания им резонанс; практическата горна граница (обикновено около една трета от монтирания резонанс) зависи силно от начина на монтаж (виж ISO 5348).
- В най-ниския край откликът на акселерометъра е ограничен от сензорния елемент и електрониката на усилвателя, а не от сеизмичното окачване — обикновено до около 0.5–1 Hz за стандартни индустриални изпълнения.
Мерки за жилищно настаняване
- Сензорът отчита движението на корпуса на лагера, а не директно на вала.
- Вибрациите на корпуса не са същите като вибрациите на вала — те се филтрират от твърдостта на лагерите и околната конструкция.
- Когато е от значение истинската орбита на вала, вместо това са необходими датчици за близост.
6. Приложения
Мониторинг на състоянието на машините
- Измерване на вибрациите в корпуса на лагера.
- Обща тенденция на вибрациите.
- Bearing-defect detection.
- Обща диагностика на въртящи се машини.
Структурни вибрации
- Проучвания на вибрациите в сгради и фундаменти.
- Сейсмично наблюдение на земетресения.
- Вибрации, предавани по земята от машини.
Модален анализ
- Измерване на реакцията на конструкцията при калибриран удар.
- Determining собствени честоти и модални форми.
- Building the функции на честотната характеристика използвани в модален анализ.
Сеизмичните преобразуватели, използващи вътрешна окачена маса като инерционна референция, са в основата на измерването на вибрации при въртящи се машини. Разбирането на сеизмичния принцип — как окачената маса позволява измерване на абсолютно движение и защо виброскоростните датчици работят над собствената си честота, докато акселерометрите работят под монтирания си резонанс — обяснява както силните страни, така и ограниченията на тези два основни инструмента във всяка индустриална програма за анализ на вибрациите.
