Разбиране на сеизмичните преобразуватели
A сейсмичен преобразувател — наричан още сеизмичен сензор или инерционен преобразувател — е вибрация сензор, който използва вътрешна сеизмична маса (т.нар. „контролна маса“), окачена на пружини или еластични елементи, като инерционна референция, което му позволява да измерва абсолютното движение на основата на сензора. Когато корпусът вибрира, окачената маса се стреми да остане неподвижна в пространството (при условие че честотата е по-висока от тази на системата маса-пружина) собствена честота), а относителното движение между подвижния корпус и почти неподвижната маса се преобразува в електрически сигнал, който отразява вибрацията. Характерната особеност е, че референтната точка се пренася 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
Поведението на датчика зависи изцяло от това къде се намира честотата на възбуждане спрямо собствената му собствена честота:
- Под собствената честота: масата и корпусът се движат едновременно, поради което относителното движение е минимално, а реакцията – слаба.
- При собствена честота: системата резонира — изходният сигнал се усилва, но е изкривен и ненадежден.
- Над собствената честота: масата остава на място, докато корпусът вибрира около нея. Това е подходящата зона за измерване.
- Usable range: обикновено се приема като стойност, надвишаваща приблизително 2 пъти собствената честота, при която откликът се е стабилизирал и е равен.
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 собствена честота, обикновено 10–30 kHz.
- Може да се използва от около 1 Hz нагоре.
- 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 Балансет-1а, 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
- Не е възможно да се извърши надеждно измерване при честота, по-ниска от приблизително 2 пъти естествената честота.
- По-специално, преобразувателите на скорост с подвижна бобина реагират слабо при честоти под 15–20 Hz.
- Тук има присъщ компромис: по-ниската собствена честота осигурява по-добро покритие в ниските честоти, но изисква по-голям и по-тежък сензор.
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. Applications
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 форми на режима.
- Building the функции на честотната характеристика използвани в модален анализ.
Сейсмичните преобразуватели, които използват вътрешна окачена маса като инерционен еталон, съставляват основата на измерването на вибрациите при въртящи се машини. Разбирането на сейсмичния принцип — как окачената маса позволява измерване на абсолютното движение и защо това измерване е валидно само над собствената честота на датчика — обяснява както предимствата, така и ограниченията на акселерометрите и преобразувателите на скорост, които са двете основни стълба на всяка индустриална програма за анализ на вибрациите.
