4. Měřicí systémy pro vyvažovací stroje
Většina amatérských výrobců vyvažovacích strojů, kteří se obracejí na společnost LLC "Kinematics", plánuje ve svých konstrukcích používat měřicí systémy řady "Balanset" vyráběné naší společností. Existují však i zákazníci, kteří plánují výrobu těchto měřicích systémů samostatně. Proto má smysl probrat konstrukci měřicího systému pro vyvažovací stroj podrobněji. Hlavním požadavkem na tyto systémy je potřeba zajistit vysoce přesné měření amplitudy a fáze rotační složky vibračního signálu, která se objevuje při frekvenci otáčení vyvažovaného rotoru. Tohoto cíle se obvykle dosahuje pomocí kombinace technických řešení, k nimž patří např:
4.1. Výběr snímačů vibrací
V měřicích systémech vyvažovacích strojů lze použít různé typy snímačů vibrací (převodníků), včetně:
4.1.1. Snímače zrychlení vibrací
Mezi snímači zrychlení vibrací jsou nejrozšířenější piezoelektrické a kapacitní (čipové) akcelerometry, které lze efektivně použít ve vyvažovacích strojích typu Soft Bearing. V praxi je obecně přípustné používat snímače zrychlení vibrací s převodními koeficienty (Kpr) v rozmezí 10 až 30 mV/(m/s²). U vyvažovacích strojů, které vyžadují obzvláště vysokou přesnost vyvažování, se doporučuje používat snímače zrychlení s Kpr dosahujícími hodnot 100 mV/(m/s²) a vyšších. Jako příklad piezoakcelerometrů, které lze použít jako snímače vibrací pro vyvažovací stroje, jsou na obrázku 4.1 uvedeny piezoakcelerometry DN3M1 a DN3M1V6 vyráběné společností LLC "Izmeritel".
Obrázek 4.1. Piezoakcelerometry DN 3M1 a DN 3M1V6
Pro připojení těchto snímačů k přístrojům a systémům pro měření vibrací je nutné použít externí nebo vestavěné zesilovače náboje.
Obrázek 4.2. Kapacitní akcelerometry AD1 vyráběné společností LLC "Kinematics"
Je třeba poznamenat, že tyto snímače, mezi něž patří i na trhu široce používané desky kapacitních akcelerometrů ADXL 345 (viz obrázek 4.3), mají oproti piezoelektrickým akcelerometrům několik významných výhod. Konkrétně jsou 4 až 8krát levnější při podobných technických vlastnostech. Navíc nevyžadují použití nákladných a náročných nábojových zesilovačů, které jsou potřebné pro piezoakcelerometry.
V případech, kdy se v měřicích systémech vyvažovacích strojů používají oba typy akcelerometrů, se obvykle provádí hardwarová integrace (nebo dvojitá integrace) signálů snímačů.
Obrázek 4.2. Kapacitní akcelerometry AD 1, sestavené.
Obrázek 4.3. Kapacitní akcelerometr ADXL 345.
V tomto případě se původní signál snímače, úměrný vibračnímu zrychlení, odpovídajícím způsobem transformuje na signál úměrný vibrační rychlosti nebo posunu. Postup dvojí integrace vibračního signálu je zvláště důležitý při použití akcelerometrů jako součásti měřicích systémů pro nízkootáčkové vyvažovací stroje, kde dolní rozsah frekvence otáčení rotoru při vyvažování může dosahovat 120 otáček za minutu a méně. Při použití kapacitních akcelerometrů v měřicích systémech vyvažovacích strojů je třeba vzít v úvahu, že po integraci mohou jejich signály obsahovat nízkofrekvenční rušení, které se projevuje ve frekvenčním rozsahu od 0,5 do 3 Hz. To může omezit dolní frekvenční rozsah vyvažování na strojích určených pro použití těchto snímačů.
4.1.2. Snímače rychlosti vibrací 4.1.2.1. Indukční snímače rychlosti vibrací. Tyto snímače obsahují indukční cívku a magnetické jádro. Když cívka vibruje vůči stacionárnímu jádru (nebo jádro vůči stacionární cívce), indukuje se v cívce EMP, jehož napětí je přímo úměrné rychlosti vibrací pohyblivého prvku snímače. Převodní koeficienty (Кпр) indukčních snímačů jsou obvykle poměrně vysoké a dosahují několika desítek nebo dokonce stovek mV/mm/sec. Konkrétně převodní koeficient senzoru Schenck model T77 je 80 mV/mm/sec a u senzoru IRD Mechanalysis model 544M je to 40 mV/mm/sec. V některých případech (např. u vyvažovacích strojů Schenck) se používají speciální vysoce citlivé indukční snímače rychlosti vibrací s mechanickým zesilovačem, kde může Kпр přesáhnout 1000 mV/mm/sec. Jsou-li v měřicích systémech vyvažovacích strojů použity indukční snímače rychlosti vibrací, lze rovněž provést hardwarovou integraci elektrického signálu úměrného rychlosti vibrací a převést jej na signál úměrný posunu vibrací.
Obrázek 4.4. Senzor model 544M od IRD Mechanalysis.
Obrázek 4.5. Senzor model T77 od firmy Schenck Je třeba poznamenat, že indukční snímače rychlosti vibrací jsou vzhledem k pracnosti jejich výroby poměrně vzácným a drahým zbožím. Proto je i přes zjevné výhody těchto snímačů amatérští výrobci vyvažovacích strojů používají jen velmi zřídka.
4.1.2.2. Snímače rychlosti vibrací na bázi piezoelektrických akcelerometrů. Senzor tohoto typu se od standardního piezoelektrického akcelerometru liší tím, že má ve svém pouzdře zabudovaný nábojový zesilovač a integrátor, který mu umožňuje vysílat signál úměrný rychlosti vibrací. Například piezoelektrické snímače rychlosti vibrací vyráběné tuzemskými výrobci (společnost ZETLAB a LLC "Vibropribor") jsou zobrazeny na obrázcích 4.6 a 4.7.
Obrázek 4.6. Senzor AV02 od společnosti ZETLAB (Rusko)
Obrázek 4.7. Senzor DVST 2 od společnosti LLC "Vibropribor" Takové snímače vyrábějí různí výrobci (domácí i zahraniční) a v současné době se hojně používají zejména v přenosných vibračních zařízeních. Cena těchto snímačů je poměrně vysoká a může dosáhnout 20 000 až 30 000 rublů za kus, a to i od domácích výrobců.
4.1.3. Snímače posunutí V měřicích systémech vyvažovacích strojů lze použít také bezkontaktní snímače posunutí - kapacitní nebo indukční. Tyto snímače mohou pracovat ve statickém režimu a umožňují registraci vibračních procesů již od 0 Hz. Jejich použití může být zvláště efektivní v případě vyvažování nízkootáčkových rotorů s rychlostí otáčení 120 ot/min a nižší. Převodní koeficienty těchto snímačů mohou dosahovat hodnoty 1000 mV/mm a vyšší, což zajišťuje vysokou přesnost a rozlišení při měření posunu i bez dodatečného zesílení. Zřejmou výhodou těchto snímačů je jejich relativně nízká cena, která u některých domácích výrobců nepřesahuje 1000 rublů. Při použití těchto snímačů ve vyvažovacích strojích je třeba vzít v úvahu, že jmenovitá pracovní mezera mezi citlivým prvkem snímače a povrchem vibrujícího objektu je omezena průměrem cívky snímače. Například pro snímač zobrazený na obrázku 4.8, model ISAN E41A od společnosti "TEKO", je stanovená pracovní mezera obvykle 3,8 až 4 mm, což umožňuje měřit posunutí vibrujícího objektu v rozsahu ±2,5 mm.
Obrázek 4.8. Indukční snímač posunutí model ISAN E41A od společnosti TEKO (Rusko)
4.1.4. Snímače síly Jak již bylo uvedeno, v měřicích systémech instalovaných na vyvažovacích strojích Hard Bearing se používají snímače síly. Tyto snímače, zejména vzhledem k jejich jednoduché výrobě a relativně nízké ceně, jsou běžně piezoelektrické snímače síly. Příklady takových snímačů jsou uvedeny na obrázcích 4.9 a 4.10.
Obrázek 4.9. Snímač síly SD 1 od společnosti Kinematika LLC
Obrázek 4.10: Snímač síly pro automobilové vyvažovací stroje, prodávané společností "STO Market" Tenzometrické snímače síly, které vyrábí řada domácích i zahraničních výrobců, lze použít také k měření relativních deformací v podpěrách vyvažovacích strojů Hard Bearing.
4.2. Snímače fázového úhlu Pro synchronizaci procesu měření vibrací s úhlem natočení vyváženého rotoru se používají snímače fázového úhlu, jako jsou laserové (fotoelektrické) nebo indukční snímače. Tyto snímače jsou vyráběny v různých provedeních tuzemskými i zahraničními výrobci. Cenové rozpětí těchto snímačů se může značně lišit, přibližně od 40 do 200 dolarů. Příkladem takového zařízení je snímač fázového úhlu vyráběný společností "Diamex", který je znázorněn na obrázku 4.11.
Obrázek 4.11: Snímač fázového úhlu od společnosti Diamex
Jako další příklad je na obrázku 4.12 uveden model realizovaný společností LLC "Kinematics", který jako snímače fázového úhlu používá laserové otáčkoměry modelu DT 2234C čínské výroby. Mezi zřejmé výhody tohoto senzoru patří:
Obrázek 4.12: Laserový tachometr model DT 2234C
V některých případech, kdy je použití optických laserových snímačů z nějakého důvodu nežádoucí, je lze nahradit indukčními bezkontaktními snímači posunutí, jako je například již zmíněný model ISAN E41A nebo podobné výrobky jiných výrobců.
4.3. Funkce zpracování signálu v senzorech vibrací Pro přesné měření amplitudy a fáze rotační složky vibračního signálu ve vyvažovacích zařízeních se obvykle používá kombinace hardwarových a softwarových nástrojů pro zpracování. Tyto nástroje umožňují:
4.3.1. Filtrování širokopásmového signálu Tento postup je nezbytný pro očištění signálu snímače vibrací od možných rušivých vlivů, které se mohou vyskytovat na dolní i horní hranici frekvenčního rozsahu zařízení. U měřicího zařízení vyvažovacího stroje se doporučuje nastavit dolní hranici pásmové propusti na 2 až 3 Hz a horní hranici na 50 (100) Hz. "Dolní" filtrace pomáhá potlačit nízkofrekvenční šumy, které se mohou objevit na výstupu různých typů měřicích zesilovačů snímačů. "Horní" filtrace eliminuje možnost rušení způsobeného kombinovanými frekvencemi a případnými rezonančními vibracemi jednotlivých mechanických součástí stroje.
4.3.2. Zesílení analogového signálu ze snímače Pokud je třeba zvýšit citlivost měřicího systému vyvažovacího stroje, lze signály ze snímačů vibrací na vstupu měřicí jednotky zesílit. Lze použít jak standardní zesilovače s konstantním zesílením, tak vícestupňové zesilovače, jejichž zesílení lze programově měnit v závislosti na skutečné úrovni signálu ze snímače. Příkladem programovatelného vícestupňového zesilovače jsou zesilovače implementované v převodnících pro měření napětí, jako je E154 nebo E14-140 od společnosti LLC "L-Card".
4.3.3. Integrace Jak již bylo uvedeno, v měřicích systémech vyvažovacích strojů se doporučuje hardwarová integrace a/nebo dvojitá integrace signálů snímačů vibrací. Původní signál akcelerometru, úměrný vibračnímu zrychlení, tak může být transformován na signál úměrný vibrační rychlosti (integrace) nebo vibračnímu posunutí (dvojitá integrace). Podobně lze signál snímače vibroakcelerace po integraci transformovat na signál úměrný vibroposunu.
4.3.4. Úzkopásmová filtrace analogového signálu pomocí sledovacího filtru Pro snížení rušení a zlepšení kvality zpracování vibračních signálů v měřicích systémech vyvažovacích strojů lze použít úzkopásmové sledovací filtry. Centrální frekvence těchto filtrů se automaticky nastavuje na frekvenci otáčení vyvažovaného rotoru pomocí signálu snímače otáček rotoru. K vytvoření takových filtrů lze použít moderní integrované obvody, například MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 od společnosti "MAXIM".
4.3.5. Analogově-digitální převod signálů Analogově-digitální převod je zásadní postup, který zajišťuje možnost zlepšení kvality zpracování vibračního signálu při měření amplitudy a fáze. Tento postup je implementován ve všech moderních měřicích systémech vyvažovacích strojů. Příkladem efektivní implementace takových ADC jsou převodníky pro měření napětí typu E154 nebo E14-140 společnosti LLC "L-Card", které se používají v několika měřicích systémech vyvažovacích strojů vyráběných společností LLC "Kinematics". Kromě toho má společnost LLC "Kinematics" zkušenosti s používáním levnějších mikroprocesorových systémů založených na řadičích "Arduino", mikrokontroléru PIC18F4620 od společnosti "Microchip" a podobných zařízení.
Autor článku : Feldman Valery Davidovich
Editor a překlad : Nikolaj Andrejevič Šelkovenko
Omlouvám se za případné chyby v překladu.