4. Messsysteme für Auswuchtmaschinen
Die meisten Amateurhersteller von Auswuchtmaschinen, die sich an LLC "Kinematics" wenden, planen, die von unserem Unternehmen hergestellten Messsysteme der Serie "Balanset" in ihren Konstruktionen zu verwenden. Es gibt aber auch einige Kunden, die solche Messsysteme selbst herstellen wollen. Daher ist es sinnvoll, auf den Aufbau eines Messsystems für eine Auswuchtmaschine näher einzugehen. Die Hauptanforderung an diese Systeme ist die Notwendigkeit, die Amplitude und Phase der Rotationskomponente des Schwingungssignals, das bei der Rotationsfrequenz des ausgewuchteten Rotors auftritt, mit hoher Präzision zu messen. Dieses Ziel wird in der Regel durch eine Kombination von technischen Lösungen erreicht, darunter:
4.1. Auswahl von Schwingungssensoren
In den Messsystemen von Auswuchtmaschinen können verschiedene Arten von Schwingungssensoren (Aufnehmern) verwendet werden, darunter:
4.1.1. Schwingungsbeschleunigungssensoren
Unter den Schwingungsbeschleunigungssensoren sind Piezo- und kapazitive (Chip-)Beschleunigungssensoren am weitesten verbreitet, die in Auswuchtmaschinen mit Weichlager effektiv eingesetzt werden können. In der Praxis ist es im Allgemeinen zulässig, Schwingbeschleunigungssensoren mit Umwandlungskoeffizienten (Kpr) zwischen 10 und 30 mV/(m/s²) zu verwenden. Bei Auswuchtmaschinen, die eine besonders hohe Auswuchtgenauigkeit erfordern, ist es ratsam, Beschleunigungsaufnehmer mit Kpr-Werten von 100 mV/(m/s²) und mehr zu verwenden. Als Beispiel für Piezo-Beschleunigungsaufnehmer, die als Schwingungssensoren für Auswuchtmaschinen verwendet werden können, zeigt Abbildung 4.1 die von LLC "Izmeritel" hergestellten Piezo-Beschleunigungsaufnehmer DN3M1 und DN3M1V6.
Abbildung 4.1. Piezo-Beschleunigungsaufnehmer DN 3M1 und DN 3M1V6
Um solche Sensoren an Schwingungsmessgeräte und -systeme anzuschließen, müssen externe oder eingebaute Ladungsverstärker verwendet werden.
Abbildung 4.2. Kapazitive Beschleunigungsmesser AD1, hergestellt von LLC "Kinematics".
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Sensoren, zu denen auch die auf dem Markt weit verbreiteten kapazitiven Beschleunigungssensoren ADXL 345 (siehe Abbildung 4.3) gehören, gegenüber den Piezo-Beschleunigungssensoren mehrere wesentliche Vorteile aufweisen. Insbesondere sind sie bei ähnlichen technischen Merkmalen 4 bis 8 Mal billiger. Außerdem benötigen sie keine teuren und heiklen Ladungsverstärker, wie sie bei Piezo-Beschleunigungsmessern erforderlich sind.
In Fällen, in denen beide Arten von Beschleunigungsaufnehmern in den Messsystemen von Auswuchtmaschinen verwendet werden, wird in der Regel eine Hardware-Integration (oder Doppelintegration) der Sensorsignale durchgeführt.
Abbildung 4.2. Kapazitive Beschleunigungsaufnehmer AD 1, montiert.
Abbildung 4.3. Kapazitive Beschleunigungsmesserplatine ADXL 345.
In diesem Fall wird das ursprüngliche Sensorsignal, das proportional zur Schwingungsbeschleunigung ist, entsprechend in ein Signal umgewandelt, das proportional zur Schwingungsgeschwindigkeit oder -verschiebung ist. Das Verfahren der doppelten Integration des Vibrationssignals ist besonders relevant bei der Verwendung von Beschleunigungsaufnehmern als Teil von Messsystemen für Auswuchtmaschinen mit niedriger Drehzahl, bei denen der untere Rotordrehfrequenzbereich während des Auswuchtens 120 U/min und weniger erreichen kann. Bei der Verwendung von kapazitiven Beschleunigungsaufnehmern in den Messsystemen von Auswuchtmaschinen ist zu berücksichtigen, dass ihre Signale nach der Integration niederfrequente Störungen enthalten können, die sich im Frequenzbereich von 0,5 bis 3 Hz manifestieren. Dadurch kann der untere Frequenzbereich des Auswuchtens bei Maschinen, die für die Verwendung dieser Sensoren vorgesehen sind, eingeschränkt werden.
4.1.2. Schwinggeschwindigkeits-Sensoren 4.1.2.1. Induktive Schwingungsgeschwindigkeitssensoren. Diese Sensoren bestehen aus einer Induktionsspule und einem Magnetkern. Wenn die Spule relativ zu einem feststehenden Kern (oder der Kern relativ zu einer feststehenden Spule) schwingt, wird in der Spule eine EMK induziert, deren Spannung direkt proportional zur Schwingungsgeschwindigkeit des beweglichen Elements des Sensors ist. Die Umwandlungskoeffizienten (Кпр) von induktiven Sensoren sind in der Regel recht hoch und erreichen mehrere Dutzend oder sogar Hunderte von mV/mm/sec. So beträgt der Umwandlungskoeffizient des Schenck-Sensors Modell T77 80 mV/mm/sec und der des IRD-Mechanalysis-Sensors Modell 544M 40 mV/mm/sec. In einigen Fällen (z. B. in Schenck-Auswuchtmaschinen) werden spezielle hochempfindliche induktive Schwinggeschwindigkeitssensoren mit einem mechanischen Verstärker verwendet, bei denen Кпр 1000 mV/mm/sec überschreiten kann. Werden induktive Schwinggeschwindigkeitssensoren in den Messsystemen von Auswuchtmaschinen verwendet, kann auch eine Hardware-Integration des der Schwinggeschwindigkeit proportionalen elektrischen Signals erfolgen, die es in ein dem Schwingweg proportionales Signal umwandelt.
Abbildung 4.4. Sensor Modell 544M von IRD Mechanalysis.
Abbildung 4.5. Sensor Modell T77 von Schenck Es sei darauf hingewiesen, dass induktive Schwinggeschwindigkeitssensoren aufgrund des hohen Arbeitsaufwands bei ihrer Herstellung recht selten und teuer sind. Daher werden sie trotz der offensichtlichen Vorteile dieser Sensoren von Amateurherstellern von Auswuchtmaschinen nur sehr selten verwendet.
4.1.2.2. Schwinggeschwindigkeitssensoren auf der Basis von piezoelektrischen Beschleunigungssensoren. Ein solcher Sensor unterscheidet sich von einem normalen piezoelektrischen Beschleunigungssensor dadurch, dass in seinem Gehäuse ein Ladungsverstärker und ein Integrator eingebaut sind, so dass er ein zur Schwinggeschwindigkeit proportionales Signal ausgeben kann. Beispiele für piezoelektrische Schwinggeschwindigkeitssensoren, die von inländischen Herstellern (ZETLAB und LLC "Vibropribor") hergestellt werden, sind in den Abbildungen 4.6 und 4.7 dargestellt.
Abbildung 4.6. Sensor Modell AV02 von ZETLAB (Russland)
Abbildung 4.7. Sensor Modell DVST 2 von LLC "Vibropribor" Solche Sensoren werden von verschiedenen Herstellern (sowohl im In- als auch im Ausland) hergestellt und sind derzeit weit verbreitet, insbesondere in tragbaren Vibrationsgeräten. Die Kosten für diese Sensoren sind recht hoch und können 20.000 bis 30.000 Rubel pro Stück erreichen, selbst bei inländischen Herstellern.
4.1.3. Verschiebungssensoren In den Messsystemen von Auswuchtmaschinen können auch berührungslose Wegsensoren - kapazitiv oder induktiv - eingesetzt werden. Diese Sensoren können im statischen Modus arbeiten und erlauben die Erfassung von Schwingungsvorgängen ab 0 Hz. Ihr Einsatz kann insbesondere beim Auswuchten von langsam laufenden Rotoren mit Drehzahlen von 120 U/min und darunter sinnvoll sein. Die Wandlungskoeffizienten dieser Sensoren können 1000 mV/mm und mehr erreichen, was eine hohe Genauigkeit und Auflösung bei der Messung der Verschiebung auch ohne zusätzliche Verstärkung ermöglicht. Ein offensichtlicher Vorteil dieser Sensoren sind ihre relativ niedrigen Kosten, die bei einigen inländischen Herstellern 1000 Rubel nicht überschreiten. Beim Einsatz dieser Sensoren in Auswuchtmaschinen ist zu beachten, dass der nominale Arbeitsspalt zwischen dem empfindlichen Element des Sensors und der Oberfläche des schwingenden Objekts durch den Durchmesser der Sensorspule begrenzt wird. Für den in Abbildung 4.8 gezeigten Sensor, Modell ISAN E41A von "TEKO", beträgt der angegebene Arbeitsspalt beispielsweise typischerweise 3,8 bis 4 mm, was eine Messung der Verschiebung des schwingenden Objekts im Bereich von ±2,5 mm ermöglicht.
Abbildung 4.8. Induktiver Wegsensor Modell ISAN E41A von TEKO (Russland)
4.1.4. Kraft-Sensoren Wie bereits erwähnt, werden in den Messsystemen der Hartlager-Auswuchtmaschinen Kraftsensoren verwendet. Bei diesen Sensoren handelt es sich, insbesondere wegen ihrer einfachen Herstellung und relativ geringen Kosten, in der Regel um piezoelektrische Kraftsensoren. Beispiele für solche Sensoren sind in den Abbildungen 4.9 und 4.10 dargestellt.
Abbildung 4.9. Kraftsensor SD 1 von Kinematika LLC
Abbildung 4.10: Kraftsensor für Automobil-Auswuchtmaschinen, verkauft von "STO Market" Dehnungsmessstreifen-Kraftsensoren, die von einer Vielzahl in- und ausländischer Hersteller produziert werden, können auch zur Messung der relativen Verformungen in den Trägern von Hartlager-Auswuchtmaschinen verwendet werden.
4.2. Phasenwinkelsensoren Zur Synchronisation der Schwingungsmessung mit dem Drehwinkel des ausgewuchteten Rotors werden Phasenwinkelsensoren, wie z. B. Laser- (photoelektrische) oder induktive Sensoren, eingesetzt. Diese Sensoren werden in verschiedenen Ausführungen von in- und ausländischen Herstellern gefertigt. Die Preisspanne für diese Sensoren kann erheblich variieren und liegt zwischen etwa 40 und 200 Dollar. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist der Phasenwinkelsensor des Herstellers "Diamex", der in Abbildung 4.11 dargestellt ist.
Abbildung 4.11: Phasenwinkelsensor von "Diamex"
Als weiteres Beispiel zeigt Abbildung 4.12 ein von der Firma LLC "Kinematics" realisiertes Modell, das Lasertachometer des Modells DT 2234C aus China als Phasenwinkelsensoren verwendet. Zu den offensichtlichen Vorteilen dieses Sensors gehören:
Abbildung 4.12: Laser-Tachometer Modell DT 2234C
In einigen Fällen, in denen der Einsatz von optischen Lasersensoren aus irgendeinem Grund nicht erwünscht ist, können diese durch induktive berührungslose Wegsensoren ersetzt werden, wie z.B. das bereits erwähnte Modell ISAN E41A oder ähnliche Produkte anderer Hersteller.
4.3. Signalverarbeitungsfunktionen in Vibrationssensoren Für die präzise Messung von Amplitude und Phase der Rotationskomponente des Schwingungssignals in Auswuchtmaschinen wird in der Regel eine Kombination aus Hardware- und Software-Verarbeitungswerkzeugen verwendet. Diese Werkzeuge ermöglichen:
4.3.1. Breitbandsignalfilterung Dieses Verfahren ist unerlässlich, um das Signal des Vibrationssensors von möglichen Störungen zu befreien, die sowohl an der unteren als auch an der oberen Grenze des Frequenzbereichs des Geräts auftreten können. Für das Messgerät einer Auswuchtmaschine ist es ratsam, die untere Grenze des Bandpassfilters auf 2-3 Hz und die obere Grenze auf 50 (100) Hz einzustellen. Die "untere" Filterung dient der Unterdrückung von tieffrequenten Geräuschen, die am Ausgang verschiedener Typen von Sensormessverstärkern auftreten können. Die "obere" Filterung eliminiert die Möglichkeit von Störungen durch Kombinationsfrequenzen und mögliche Resonanzschwingungen einzelner mechanischer Komponenten der Maschine.
4.3.2. Verstärkung des analogen Signals vom Sensor Wenn die Empfindlichkeit des Messsystems der Auswuchtmaschine erhöht werden soll, können die Signale der Schwingungssensoren am Eingang der Messeinheit verstärkt werden. Es können sowohl Standardverstärker mit einer konstanten Verstärkung als auch mehrstufige Verstärker verwendet werden, deren Verstärkung in Abhängigkeit vom tatsächlichen Signalpegel des Sensors programmatisch verändert werden kann. Ein Beispiel für einen programmierbaren mehrstufigen Verstärker sind die in Spannungsmessumformern wie E154 oder E14-140 von LLC "L-Card" implementierten Verstärker.
4.3.3. Integration Wie bereits erwähnt, wird in den Messsystemen von Auswuchtmaschinen eine Hardware-Integration und/oder eine Doppelintegration der Schwingungssensorsignale empfohlen. So kann das anfängliche Beschleunigungssignal, das proportional zur Schwingungsbeschleunigung ist, in ein Signal umgewandelt werden, das proportional zur Schwingungsgeschwindigkeit (Integration) oder zur Schwingungsverschiebung (Doppelintegration) ist. Ebenso kann das Signal des Schwinggeschwindigkeitssensors nach der Integration in ein Signal umgewandelt werden, das proportional zur Schwingungsverschiebung ist.
4.3.4. Schmalbandige Filterung des analogen Signals mit einem Nachlauffilter Zur Reduzierung von Störungen und zur Verbesserung der Qualität der Schwingungssignalverarbeitung in den Messsystemen von Auswuchtmaschinen können schmalbandige Nachlauffilter eingesetzt werden. Die Mittenfrequenz dieser Filter wird automatisch auf die Drehfrequenz des ausgewuchteten Rotors abgestimmt, wobei das Signal des Rotordrehgebers verwendet wird. Moderne integrierte Schaltkreise, wie MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 von "MAXIM", können zur Erstellung solcher Filter verwendet werden.
4.3.5. Analog-Digital-Wandlung von Signalen Die Analog-Digital-Wandlung ist ein entscheidendes Verfahren, das die Möglichkeit bietet, die Qualität der Schwingungssignalverarbeitung bei der Messung von Amplitude und Phase zu verbessern. Dieses Verfahren wird in allen modernen Messsystemen von Auswuchtmaschinen eingesetzt. Ein Beispiel für die effektive Implementierung solcher ADCs sind die Spannungsmesswandler des Typs E154 oder E14-140 von LLC "L-Card", die in mehreren Messsystemen von Auswuchtmaschinen der Firma LLC "Kinematics" eingesetzt werden. Darüber hinaus hat LLC "Kinematics" Erfahrung mit preiswerteren Mikroprozessorsystemen auf der Grundlage von "Arduino"-Controllern, dem PIC18F4620-Mikrocontroller von "Microchip" und ähnlichen Geräten.
Autor des Artikels : Feldman Valery Davidovich
Herausgeber und Übersetzung: Nikolai Andreevich Shelkovenko
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