4. Målesystemer til afbalanceringsmaskiner
De fleste amatørproducenter af afbalanceringsmaskiner, der kontakter LLC "Kinematics", planlægger at bruge målesystemerne i "Balanset"-serien, der er fremstillet af vores virksomhed, i deres design. Men der er også nogle kunder, som planlægger at fremstille sådanne målesystemer selv. Derfor giver det mening at diskutere konstruktionen af et målesystem til en afbalanceringsmaskine mere detaljeret. Hovedkravet til disse systemer er, at de skal levere højpræcisionsmålinger af amplituden og fasen af rotationskomponenten af vibrationssignalet, som vises ved rotationsfrekvensen for den afbalancerede rotor. Dette mål opnås normalt ved hjælp af en kombination af tekniske løsninger, herunder:
4.1. Valg af vibrationssensorer
I afbalanceringsmaskiners målesystemer kan der anvendes forskellige typer vibrationssensorer (transducere), herunder:
4.1.1. Sensorer til vibrationsacceleration
Blandt vibrationsaccelerationssensorer er piezo- og kapacitive (chip) accelerometre de mest udbredte, og de kan bruges effektivt i afbalanceringsmaskiner af typen Soft Bearing. I praksis er det generelt tilladt at bruge vibrationsaccelerationssensorer med konverteringskoefficienter (Kpr) på mellem 10 og 30 mV/(m/s²). I afbalanceringsmaskiner, der kræver særlig høj afbalanceringsnøjagtighed, anbefales det at bruge accelerometre med Kpr, der når niveauer på 100 mV/(m/s²) og derover. Som et eksempel på piezoaccelerometre, der kan bruges som vibrationssensorer til afbalanceringsmaskiner, viser figur 4.1 piezoaccelerometrene DN3M1 og DN3M1V6, der er fremstillet af LLC "Izmeritel".
Figur 4.1. Piezo-accelerometre DN 3M1 og DN 3M1V6
For at forbinde sådanne sensorer til vibrationsmåleinstrumenter og -systemer er det nødvendigt at bruge eksterne eller indbyggede ladeforstærkere.
Figur 4.2. Kapacitive accelerometre AD1 fremstillet af LLC "Kinematics"
Det skal bemærkes, at disse sensorer, som omfatter de meget udbredte kapacitive accelerometre ADXL 345 (se figur 4.3), har flere væsentlige fordele i forhold til piezoaccelerometre. Specifikt er de 4 til 8 gange billigere med lignende tekniske egenskaber. Desuden kræver de ikke brug af dyre og besværlige ladeforstærkere, som er nødvendige for piezoaccelerometre.
I tilfælde, hvor begge typer accelerometre bruges i afbalanceringsmaskiners målesystemer, udføres der normalt hardwareintegration (eller dobbeltintegration) af sensorsignalerne.
Figur 4.2. Kapacitive accelerometre AD 1, samlet.
Figur 4.3. Kapacitivt accelerometerkort ADXL 345.
I dette tilfælde omdannes det oprindelige sensorsignal, der er proportionalt med vibrationsaccelerationen, til et signal, der er proportionalt med vibrationshastigheden eller forskydningen. Proceduren med dobbelt integration af vibrationssignalet er især relevant, når man bruger accelerometre som en del af målesystemerne til lavhastighedsbalanceringsmaskiner, hvor det nedre rotorrotationsfrekvensområde under afbalancering kan nå 120 o/min og derunder. Når man bruger kapacitive accelerometre i afbalanceringsmaskiners målesystemer, skal man være opmærksom på, at deres signaler efter integration kan indeholde lavfrekvent interferens, der viser sig i frekvensområdet fra 0,5 til 3 Hz. Dette kan begrænse det lavere frekvensområde for afbalancering på maskiner, der er beregnet til at bruge disse sensorer.
4.1.2. Sensorer til måling af vibrationshastighed 4.1.2.1. Induktive vibrationshastighedssensorer. Disse sensorer omfatter en induktiv spole og en magnetisk kerne. Når spolen vibrerer i forhold til en stationær kerne (eller kernen i forhold til en stationær spole), induceres der en EMF i spolen, hvis spænding er direkte proportional med vibrationshastigheden af sensorens bevægelige element. Konverteringskoefficienterne (Кпр) for induktive sensorer er normalt ret høje og når op på flere tiere eller endda hundreder af mV/mm/sek. Specielt er konverteringskoefficienten for Schenck model T77-sensoren 80 mV/mm/sek, og for IRD Mechanalysis model 544M-sensoren er den 40 mV/mm/sek. I nogle tilfælde (f.eks. i Schenck-afbalanceringsmaskiner) anvendes specielle, meget følsomme induktive vibrationshastighedssensorer med en mekanisk forstærker, hvor Кпр kan overstige 1000 mV/mm/sek. Hvis der bruges induktive vibrationshastighedssensorer i afbalanceringsmaskiners målesystemer, kan der også udføres hardwareintegration af det elektriske signal, der er proportionalt med vibrationshastigheden, og omdanne det til et signal, der er proportionalt med vibrationsforskydningen.
Figur 4.4. Model 544M-sensor fra IRD Mechanalysis.
Figur 4.5. Model T77-sensor fra Schenck Det skal bemærkes, at induktive vibrationshastighedssensorer er ret sjældne og dyre på grund af arbejdsintensiteten ved deres produktion. På trods af de åbenlyse fordele ved disse sensorer bruger amatørproducenter af afbalanceringsmaskiner dem derfor meget sjældent.
4.1.2.2. Vibrationshastighedssensorer baseret på piezoelektriske accelerometre. En sensor af denne type adskiller sig fra et standard piezoelektrisk accelerometer ved at have en indbygget ladningsforstærker og integrator i sit hus, som gør det muligt at udsende et signal, der er proportionalt med vibrationshastigheden. For eksempel er piezoelektriske vibrationshastighedssensorer fremstillet af indenlandske producenter (ZETLAB-firmaet og LLC "Vibropribor") vist i figur 4.6 og 4.7.
Figur 4.6. Model AV02-sensor fra ZETLAB (Rusland)
Figur 4.7. Model DVST 2-sensor fra LLC "Vibropribor" Sådanne sensorer fremstilles af forskellige producenter (både indenlandske og udenlandske) og er i øjeblikket meget udbredte, især i bærbart vibrationsudstyr. Prisen for disse sensorer er ret høj og kan nå op på 20.000 til 30.000 rubler stykket, selv fra indenlandske producenter.
4.1.3. Fortrængningssensorer I afbalanceringsmaskiners målesystemer kan der også bruges berøringsfrie forskydningssensorer - kapacitive eller induktive. Disse sensorer kan fungere i statisk tilstand, hvilket gør det muligt at registrere vibrationsprocesser fra 0 Hz. Deres anvendelse kan være særlig effektiv i tilfælde af afbalancering af lavhastighedsrotorer med rotationshastigheder på 120 o/min og derunder. Disse sensorers konverteringskoefficienter kan nå 1000 mV/mm og højere, hvilket giver høj nøjagtighed og opløsning ved måling af forskydning, selv uden yderligere forstærkning. En indlysende fordel ved disse sensorer er deres relativt lave omkostninger, som for nogle indenlandske producenter ikke overstiger 1000 rubler. Når man bruger disse sensorer i afbalanceringsmaskiner, er det vigtigt at overveje, at det nominelle arbejdsgab mellem sensorens følsomme element og overfladen på det vibrerende objekt er begrænset af diameteren på sensorspolen. For eksempel for sensoren vist i figur 4.8, model ISAN E41A fra "TEKO", er den specificerede arbejdsafstand typisk 3,8 til 4 mm, hvilket gør det muligt at måle forskydningen af det vibrerende objekt i området ±2,5 mm.
Figur 4.8. Induktiv forskydningssensor model ISAN E41A fra TEKO (Rusland)
4.1.4. Kraftsensorer Som tidligere nævnt bruges der kraftsensorer i målesystemerne på afbalanceringsmaskiner til hårde lejer. Disse sensorer er, især på grund af deres enkle fremstilling og relativt lave pris, ofte piezoelektriske kraftsensorer. Eksempler på sådanne sensorer er vist i figur 4.9 og 4.10.
Figur 4.9. Kraftsensor SD 1 fra Kinematika LLC
Figur 4.10: Kraftsensor til afbalanceringsmaskiner til biler, solgt af "STO Market" Strain gauge kraftsensorer, som fremstilles af en lang række indenlandske og udenlandske producenter, kan også bruges til at måle relative deformationer i understøtningerne på Hard Bearing afbalanceringsmaskiner.
4.2. Fasevinkelsensorer For at synkronisere vibrationsmålingsprocessen med rotationsvinklen på den afbalancerede rotor, bruges fasevinkelsensorer, såsom laser (fotoelektriske) eller induktive sensorer. Disse sensorer fremstilles i forskellige designs af både indenlandske og internationale producenter. Prisen for disse sensorer kan variere betydeligt, fra cirka 40 til 200 dollars. Et eksempel på en sådan enhed er en fasevinkelsensor fremstillet af "Diamex", som vist i figur 4.11.
Figur 4.11: Fasevinkelsensor fra "Diamex"
Som et andet eksempel viser figur 4.12 en model implementeret af LLC "Kinematics", som bruger lasertachometre af modellen DT 2234C fremstillet i Kina som fasevinkelsensorer. De åbenlyse fordele ved denne sensor omfatter:
Figur 4.12: Laser-tachometer model DT 2234C
I nogle tilfælde, hvor brugen af optiske lasersensorer af en eller anden grund er uønsket, kan de erstattes med induktive kontaktløse forskydningssensorer, såsom den tidligere nævnte ISAN E41A-model eller lignende produkter fra andre producenter.
4.3. Signalbehandlingsfunktioner i vibrationssensorer Til præcis måling af amplitude og fase af vibrationssignalets rotationskomponent i afbalanceringsudstyr bruges der typisk en kombination af hardware- og softwarebehandlingsværktøjer. Disse værktøjer muliggør:
4.3.1. Filtrering af bredbåndssignaler Denne procedure er afgørende for at rense vibrationssensorens signal for potentielle forstyrrelser, der kan forekomme i både den nedre og øvre grænse af enhedens frekvensområde. Det anbefales, at måleenheden på en afbalanceringsmaskine indstiller den nedre grænse for båndpasfilteret til 2-3 Hz og den øvre grænse til 50 (100) Hz. "Nedre" filtrering hjælper med at undertrykke lavfrekvent støj, som kan forekomme ved udgangen af forskellige typer sensormåleforstærkere. "Øvre" filtrering eliminerer muligheden for interferens på grund af kombinationsfrekvenser og potentielle resonansvibrationer fra individuelle mekaniske komponenter i maskinen.
4.3.2. Forstærkning af det analoge signal fra sensoren Hvis der er behov for at øge følsomheden i afbalanceringsmaskinens målesystem, kan signalerne fra vibrationssensorerne til måleenhedens indgang forstærkes. Man kan både bruge standardforstærkere med konstant forstærkning og flertrinsforstærkere, hvis forstærkning kan ændres programmatisk afhængigt af det reelle signalniveau fra sensoren. Et eksempel på en programmerbar flertrinsforstærker er forstærkere, der er implementeret i spændingsmålingsomformere som E154 eller E14-140 fra LLC "L-Card".
4.3.3. Integration Som tidligere nævnt anbefales hardwareintegration og/eller dobbeltintegration af vibrationssensorsignaler i afbalanceringsmaskiners målesystemer. Således kan det oprindelige accelerometersignal, der er proportionalt med vibroaccelerationen, omdannes til et signal, der er proportionalt med vibrohastigheden (integration) eller vibroforskydningen (dobbeltintegration). På samme måde kan vibrohastighedssensorens signal efter integration omdannes til et signal, der er proportionalt med vibroforskydningen.
4.3.4. Smalbåndsfiltrering af det analoge signal ved hjælp af et sporingsfilter For at reducere interferens og forbedre kvaliteten af vibrationssignalbehandlingen i afbalanceringsmaskiners målesystemer kan man bruge smalbåndssporingsfiltre. Centralfrekvensen for disse filtre indstilles automatisk til rotationsfrekvensen for den afbalancerede rotor ved hjælp af rotorens omdrejningssensorsignal. Moderne integrerede kredsløb, såsom MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 fra "MAXIM", kan bruges til at skabe sådanne filtre.
4.3.5. Analog-til-Digital konvertering af signaler Analog-til-digital konvertering er en afgørende procedure, der sikrer muligheden for at forbedre kvaliteten af vibrationssignalbehandlingen under måling af amplitude og fase. Denne procedure er implementeret i alle moderne målesystemer til afbalanceringsmaskiner. Et eksempel på effektiv implementering af sådanne ADC'er omfatter spændingsmåleomformerne type E154 eller E14-140 fra LLC "L-Card", der bruges i flere målesystemer til afbalanceringsmaskiner fremstillet af LLC "Kinematics". Derudover har LLC "Kinematics" erfaring med at bruge billigere mikroprocessorsystemer baseret på "Arduino"-controllere, PIC18F4620-mikrocontrolleren fra "Microchip" og lignende enheder.
Forfatter af artiklen : Feldman Valery Davidovich
Redaktør og oversættelse: Nikolai Andreevich Shelkovenko
Jeg undskylder for eventuelle oversættelsesfejl.