Forståelse af seismiske transducere
A seismisk transducer — også kaldet en seismisk sensor eller en inerti-transducer — er en vibrationer en sensor, der anvender en indbygget seismisk masse (en »proof mass«), der er ophængt i fjedre eller fleksible bøjninger, som inerti-reference, hvilket gør det muligt at måle sensorbasens absolutte bevægelse. Når huset vibrerer, har den ophængte masse en tendens til at forblive i ro i rummet (forudsat at frekvensen ligger over masse-fjeder-systemets naturlig frekvens), og den relative bevægelse mellem det bevægelige hus og den næsten stationære masse omdannes til et elektrisk signal, der afspejler vibrationen. Det afgørende træk er, at referencen bæres inside sensoren, så der er ikke behov for et fast eksternt referencepunkt.
Betegnelsen »seismisk« stammer fra jordskælvsmåling: et seismometers ophængte masse forbliver relativt ubevægelig, mens jorden ryster under den. Ved overvågning af maskiner er det både hastighedstransducere og Accelerometre er i denne forstand seismiske transducere, selvom udtrykket oftest forbindes med den klassiske hastighedsopfangerenhed.
1. Funktionsprincip
Masse-fjeder-dæmpersystem
Enhver seismisk transducer er i bund og grund en lille mekanisk svingningsgenerator med fire funktionelle dele:
- Seismic mass: en kalibreret prøvevægt, der er ophængt inde i sensorhuset.
- Forår: mekaniske fjedre eller tynde bøjninger, der bærer massen.
- Dæmpning: luft-, magnetisk (hvirvelstrøms-) eller væskedæmpning, der dæmper resonansen.
- Transduktion: det element, der omdanner den relative bevægelse mellem masse og hus til en spænding.
Frekvensresponsområder
Hvordan sensoren opfører sig, afhænger helt af, hvor excitationsfrekvensen ligger i forhold til dens egen egenfrekvens:
- Under egenfrekvensen: Masse og hus bevæger sig i takt, så der er kun lidt relativ bevægelse og dårlig respons.
- Ved egenfrekvens: systemet resonerer — udgangssignalet forstærkes, men bliver forvrænget og upålideligt.
- Over egenfrekvensen: Massen forbliver stort set på plads, mens huset vibrerer omkring den. Dette er det gode måleområde.
- Usable range: som sædvanlig anses for at være mere end ca. 2 gange den naturlige frekvens, hvor responsen har stabiliseret sig og er flad.
2. Typer af seismiske transducere
Hastighedstransducere (bevægelige spoler)
- En magnet er ophængt i fjedre inde i en fast spole (eller omvendt).
- Den relative hastighed mellem magneten og spolen genererer en spænding ved hjælp af elektromagnetisk induktion.
- Egenfrekvensen ligger typisk på 8–15 Hz.
- Kan anvendes ved frekvenser på ca. 16–30 Hz.
- Måler hastigheden direkte uden behov for signalintegration.
Accelerometre
- Piezoelektrisk Disse typer bruger en piezokrystal til at registrere massens inerti.
- MEMS-typer anvender kapacitiv eller piezoresistiv måling på et mikromekanisk element.
- En betydeligt højere egenfrekvens, typisk 10–30 kHz.
- Kan bruges fra ca. 1 Hz og opefter.
- Måler acceleration, som kan integreres til hastighed eller forskydning.
3. Seismiske sensorer kontra ikke-seismiske sensorer
Den seismiske familie forstås bedst ved at sammenligne den med sensorer, der er afhængige af en ekstern reference.
Seismiske sensorer (inertiel reference)
- Accelerometre og hastighedssensorer.
- Mål den absolutte bevægelse i det inertiale rum.
- Monteres direkte på den vibrerende konstruktion.
- Brug deres egen indre masse som reference.
- Det mest udbredte valg til overvågning af maskiner.
Ikke-seismiske sensorer (ekstern reference)
- Nærhedssonder (hvirvelstrømssensorer).
- Mål den relative bevægelse mellem to overflader.
- Der skal være et fast monteringspunkt at se ud fra.
- Mål normalt akselens bevægelse i forhold til lejet.
- Standard for måling af akselvibrationer på maskiner med lejetap.
4. Fordelene ved det seismiske design
Selvstændig reference
- Der er ikke behov for et eksternt referenceramme.
- Sensoren kan monteres næsten hvor som helst på en vibrerende konstruktion.
- Den angiver den reelle absolutte bevægelse i det inertiale rum.
Alsidighed
- En enkelt sensortype dækker et meget bredt anvendelsesområde.
- Egnet til både midlertidige opstillinger og faste installationer.
- Kan nemt flyttes fra maskine til maskine.
Det er netop denne alsidighed, der gør, at bærbare instrumenter er afhængige af dem. Den tokanals Balanset-1A, henter for eksempel sine målinger fra accelerometre, der er fastgjort til lejehusene — selvrefererende seismiske sensorer, der ikke kræver et fast referencepunkt, så en ingeniør hurtigt kan skifte mellem målepunkter og maskiner, mens han balancerer på arbejdspladsen.
5. Begrænsninger
Frekvensresponsbegrænsninger
- Der kan ikke foretages pålidelige målinger under ca. 2 gange den naturlige frekvens.
- Især bevægelige spole-hastighedstransducere reagerer dårligt ved frekvenser under 15–20 Hz.
- Der er en naturlig afvejning: En lavere egenfrekvens giver bedre dækning i de lave frekvenser, men kræver en større og tungere sensor.
Foranstaltninger Boligerbevægelse
- Sensoren registrerer bevægelsen i lejehuset, ikke direkte på selve akslen.
- Vibrationer i huset er ikke det samme som vibrationer i akslen — de dæmpes af lejets stivhed og den omgivende konstruktion.
- Når det er den faktiske akselbane, der er afgørende, skal der i stedet anvendes nærhedssensorer.
6. Anvendelser
Overvågning af maskinernes tilstand
- Vibrationsmålinger på lejehus.
- Generel tendens i vibrationerne.
- Bearing-defect detection.
- Generel diagnosticering af roterende maskiner.
Strukturelle vibrationer
- Undersøgelser af vibrationer i bygninger og fundamenter.
- Seismisk overvågning af jordskælv.
- Jordbårne vibrationer, der udgår fra maskiner.
Modalanalyse
- Måling af en konstruktions reaktion på et kalibreret stød.
- Determining naturlige frekvenser og tilstandsformer.
- Building the frekvensresponsfunktioner used in modal analyse.
Seismiske transducere, der anvender en indvendig ophængt masse som inerti-reference, udgør grundlaget for vibrationsmåling på roterende maskiner. En forståelse af det seismiske princip – hvordan en ophængt masse muliggør måling af absolut bevægelse, og hvorfor denne måling kun er gyldig over sensorens egenfrekvens – forklarer både styrkerne og begrænsningerne ved accelerometre og hastighedstransducere, de to vigtigste redskaber i ethvert industrielt vibrationsanalyseprogram.
