Hvad er et accelerometer? En guide til vibrationsanalyse
En accelerometer er en Transducer (eller sensor), der omdanner mekanisk bevægelse — nærmere bestemt acceleration frembragt af vibrationer eller stød — til et proportionalt elektrisk signal. Det er langt den mest udbredte sensor i prædiktiv vedligeholdelse og tilstandsovervågning. Ved at måle, hvor hurtigt et punkt på en maskine ændrer hastighed, leverer et accelerometer de rådata, der gør det muligt for en analytiker at diagnosticere en lang række mekaniske og elektriske fejl — fra lejefejl til ubalance og fejljustering.
1. Definition: Kernen i vibrationsmåling
Acceleration er den fysiske størrelse, man skal måle på roterende maskiner, fordi de dynamiske kræfter, der beskadiger en maskine – centrifugalkraften fra en ubalance og stød fra en afskallet lejekrans – er direkte afhængige af accelerationen. Et accelerometer reagerer direkte på disse kræfter, og det er derfor, det udgør kernen i næsten alle moderne vibrationsanalysator og Dataindsamler.
En af accelerometerets praktiske fordele er, at dets accelerationssignal kan behandles elektronisk integreret once to give hastighed (mm/s), og to gange for at give forskydning (µm). En enkelt, korrekt monteret sensor dækker derfor alle tre klassiske vibrationsenheder, hvilket giver analytikeren mulighed for at vælge den, der bedst afslører en given fejl.
2. Hvordan fungerer accelerometre? Det piezoelektriske princip
Selvom der findes flere fysiske principper, er langt størstedelen af de accelerometre, der anvendes i industrimaskiner, baseret på piezoelektrisk effekt. Arbejdsgangen er enkel:
- Piezoelektrisk krystal: Inde i sensoren er en lille seismisk masse fastgjort til en piezoelectric element — typisk et keramisk materiale som f.eks. PZT, eller i sensorer af høj kvalitet en præcisionsskåret kvartskrystal.
- Påføring af kraft: Når maskinen vibrerer, bevæger kabinettet sig med. På grund af inerti modstår den indre masse denne bevægelse og udøver en kraft på krystallen — som ifølge Newtons anden lov er lig med massen gange acceleration.
- Generering af et signal: En piezoelektrisk krystal, der udsættes for en kraft, genererer en lille elektrisk ladning, der er direkte proportional med den påførte kraft og dermed med accelerationen.
- Output: Den indbyggede elektronik bearbejder dette signal og sender det via et kabel til en dataindsamler eller et overvågningssystem som en analog gengivelse af acceleration på det pågældende punkt.
Den måde, hvorpå denne ladning behandles, definerer to almindelige grupper. En charge-output sensoren sender den rå ladning til en ekstern ladningsforstærker og tåler meget høje temperaturer. Langt mere almindeligt i industrien er IEPE (or voltage-mode) -typen, hvor forstærkeren er indbygget i sensoren og leverer en spænding med lav impedans, der kan overføres godt via almindelige to-leder-kabler. De mest robuste konstruktioner anvender en shear konstruktion, der beskytter krystallen mod bøjning af bunden og termiske svingninger.
3. Typer af accelerometre
Forskellige anvendelsesformål kræver forskellige sensorer, som hver har sine egne styrker.
Accelerometre til generelle formål
Disse er arbejdshestene inden for industriel overvågning. De tilbyder typisk en følsomhed på 100 mV/g og et frekvensområde, der passer til de mest almindelige maskiner, såsom pumper, motorer og ventilatorer — omtrent 2 Hz til 10 kHz.
MEMS Accelerometre
MEMS-accelerometre (mikroelektromekaniske systemer) er baseret på silicium, meget små, strømbesparende og omkostningseffektive. Selvom de historisk set har været mindre følsomme end piezoelektriske modeller, udvikler moderne MEMS-enheder sig hurtigt og er udbredt i bærbar elektronik, bilsystemer, trådløs overvågning knudepunkter og mere økonomiske anlæg til tilstandsovervågning.
Piezoresistive accelerometre
Disse sensorer, der anvendes til stødtest og lavfrekvent bevægelse, registrerer frekvenser helt ned til 0 Hz (DC-acceleration), hvilket gør dem velegnede til måling af den konstante acceleration i en centrifuge eller et køretøjs langsomme kørsel.
Højfrekvente accelerometre
Disse sensorer er udviklet til at registrere højfrekvente hændelser, såsom begyndende skader på gear og lejer. De er udstyret med en mindre seismisk masse og en højere resonansfrekvens, hvilket muliggør nøjagtige målinger op til 20 kHz eller derover — det frekvensområde, hvor teknikker som envelopeanalyse og den chokimpulsmetoden live.
4. Vigtige specifikationer og valg
Når ingeniører skal vælge et accelerometer, tager de højde for flere parametre:
- Følsomhed (mV/g): En højere følsomhed giver et stærkere signal, hvilket er bedre til at registrere svage vibrationer; 100 mV/g er den almindelige industrielle standard.
- Frekvensgang: Det område, hvor sensoren måler nøjagtigt. Det skal dække det forventede fejlfrekvenser af maskinen, med en god sikkerhedsmargen under sensorens egen egenfrekvens.
- Temperaturområde: Sensoren skal kunne modstå overfladetemperaturen på det sted, hvor den monteres; en temperaturføler er ofte placeret på samme sted for at muliggøre kombineret overvågning.
- Monteringsmetode: Den måde, sensoren fastgøres på – med en bolt, klæbemiddel eller magnet – har stor indflydelse på nøjagtigheden ved høje frekvenser. En boltmontering i henhold til ISO 5348 giver den bedste kobling og den bredeste anvendelige båndbredde; en magnet er praktisk til ruteopgaver, men sænker den øvre frekvensgrænse. Dårlig montering kan medføre en fejl stigende resonans der giver sig ud for at være en maskinfejl.
Du kan beregne båndbreddekonsekvensen af en given fastgørelsesmetode ved hjælp af Accelerometer monteringsresonansberegner inden man beslutter sig for en monteringsløsning.
5. Anvendelser inden for tilstandsovervågning
Accelerometre ligger til grund for næsten alle Vibrationsanalyse opgave, herunder:
- Programmer til forebyggende vedligeholdelse: indsamling af rutinemæssige data om en route for at overvåge maskinernes tilstand og forudsige fejl.
- Fejlfinding: at påvise ubalance, fejljustering, løshed og slid på lejer from the vibrationsspektrum.
- Accepttest: at kontrollere, at nyt eller repareret maskineri overholder vibrationskravene, såsom ISO 20816 (den moderne efterfølger til ISO 10816).
- Modalanalyse: studying the naturlige frekvenser og tilstandsformer af en konstruktion.
Feltbalancering er en af de mest krævende af disse opgaver, fordi den kræver både amplituden og den fase af den vibration, der forekommer én gang pr. omdrejning. Et bærbart tokanalsinstrument såsom Balanset-1A bruger sine to accelerometre og låser dem fast til en omdrejningstæller pulsen og måler 1×-amplituden og -fasen direkte i maskinens egne lejer ved driftshastighed — hvorved det rå accelerometersignal omdannes til påvirkningskoefficienter og korrektionsvægte, der er nødvendige for at afbalancere rotoren på stedet.
