4. Συστήματα μέτρησης για μηχανές εξισορρόπησης
Οι περισσότεροι ερασιτέχνες κατασκευαστές μηχανών εξισορρόπησης, οι οποίοι επικοινωνούν με την LLC "Kinematics", σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν στα σχέδιά τους τα συστήματα μέτρησης της σειράς "Balanset" που κατασκευάζει η εταιρεία μας. Ωστόσο, υπάρχουν επίσης ορισμένοι πελάτες που σχεδιάζουν να κατασκευάσουν ανεξάρτητα τέτοια συστήματα μέτρησης. Ως εκ τούτου, έχει νόημα να συζητήσουμε λεπτομερέστερα την κατασκευή ενός συστήματος μέτρησης για μια μηχανή εξισορρόπησης. Η κύρια απαίτηση για αυτά τα συστήματα είναι η ανάγκη παροχής μετρήσεων υψηλής ακρίβειας του πλάτους και της φάσης της περιστροφικής συνιστώσας του δονητικού σήματος, η οποία εμφανίζεται στη συχνότητα περιστροφής του ζυγοσταθμισμένου ρότορα. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται συνήθως με τη χρήση ενός συνδυασμού τεχνικών λύσεων, μεταξύ των οποίων:
4.1. Επιλογή αισθητήρων κραδασμών
Στα συστήματα μέτρησης των μηχανών ζυγοστάθμισης μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι αισθητήρων δόνησης (μετατροπείς), όπως:
4.1.1. Αισθητήρες επιτάχυνσης κραδασμών
Μεταξύ των αισθητήρων επιτάχυνσης κραδασμών, τα πιεζομετρικά και τα χωρητικά επιταχυνσιόμετρα (τσιπ) είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά σε μηχανές εξισορρόπησης τύπου Soft Bearing. Στην πράξη, είναι γενικά επιτρεπτή η χρήση αισθητήρων επιτάχυνσης κραδασμών με συντελεστές μετατροπής (Kpr) που κυμαίνονται από 10 έως 30 mV/(m/s²). Σε μηχανές ζυγοστάθμισης που απαιτούν ιδιαίτερα υψηλή ακρίβεια ζυγοστάθμισης, συνιστάται η χρήση επιταχυνσιομέτρων με Kpr που φθάνουν σε επίπεδα 100 mV/(m/s²) και άνω. Ως παράδειγμα πιεζο επιταχυνσιόμετρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες κραδασμών για μηχανές ζυγοστάθμισης, στο Σχήμα 4.1 παρουσιάζονται τα πιεζο επιταχυνσιόμετρα DN3M1 και DN3M1V6 που κατασκευάζονται από την LLC "Izmeritel".
Σχήμα 4.1. Επιταχυνσιόμετρα πιεζοκυμάτων DN 3M1 και DN 3M1V6
Για τη σύνδεση τέτοιων αισθητήρων σε όργανα και συστήματα μέτρησης κραδασμών, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν εξωτερικοί ή ενσωματωμένοι ενισχυτές φόρτισης.
Σχήμα 4.2. Επιταχυνσιόμετρα χωρητικότητας AD1 που κατασκευάζονται από την LLC "Kinematics"
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι αισθητήρες αυτοί, στους οποίους περιλαμβάνονται οι ευρέως χρησιμοποιούμενες στην αγορά πλακέτες χωρητικών επιταχυνσιομέτρων ADXL 345 (βλέπε σχήμα 4.3), έχουν αρκετά σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των πιεζο επιταχυνσιομέτρων. Συγκεκριμένα, είναι 4 έως 8 φορές φθηνότεροι με παρόμοια τεχνικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, δεν απαιτούν τη χρήση δαπανηρών και δύσχρηστων ενισχυτών φόρτισης που απαιτούνται για τα πιεζο επιταχυνσιόμετρα.
Στις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται και οι δύο τύποι επιταχυνσιόμετρων στα συστήματα μέτρησης των μηχανών εξισορρόπησης, συνήθως πραγματοποιείται ολοκλήρωση υλικού (ή διπλή ολοκλήρωση) των σημάτων των αισθητήρων.
Σχήμα 4.2. Επιταχυνσιόμετρα χωρητικότητας AD 1, συναρμολογημένα.
Σχήμα 4.3. Πλακέτα χωρητικού επιταχυνσιόμετρου ADXL 345.
Στην περίπτωση αυτή, το αρχικό σήμα του αισθητήρα, ανάλογο της δονητικής επιτάχυνσης, μετατρέπεται αντίστοιχα σε σήμα ανάλογο της δονητικής ταχύτητας ή μετατόπισης. Η διαδικασία της διπλής ολοκλήρωσης του σήματος δόνησης είναι ιδιαίτερα σημαντική όταν χρησιμοποιούνται επιταχυνσιόμετρα ως μέρος των συστημάτων μέτρησης για μηχανές εξισορρόπησης χαμηλής ταχύτητας, όπου η κατώτερη περιοχή συχνοτήτων περιστροφής του ρότορα κατά την εξισορρόπηση μπορεί να φτάσει τις 120 στροφές ανά λεπτό και κάτω. Όταν χρησιμοποιούνται χωρητικά επιταχυνσιόμετρα στα συστήματα μέτρησης μηχανών εξισορρόπησης, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι μετά την ολοκλήρωση, τα σήματά τους μπορεί να περιέχουν παρεμβολές χαμηλής συχνότητας, οι οποίες εκδηλώνονται στην περιοχή συχνοτήτων από 0,5 έως 3 Hz. Αυτό μπορεί να περιορίσει το χαμηλότερο εύρος συχνοτήτων της ζυγοστάθμισης στις μηχανές που προορίζονται για τη χρήση αυτών των αισθητήρων.
4.1.2. Αισθητήρες ταχύτητας δόνησης 4.1.2.1. Επαγωγικοί αισθητήρες ταχύτητας κραδασμών. Αυτοί οι αισθητήρες περιλαμβάνουν ένα επαγωγικό πηνίο και έναν μαγνητικό πυρήνα. Όταν το πηνίο δονείται σε σχέση με έναν ακίνητο πυρήνα (ή ο πυρήνας σε σχέση με ένα ακίνητο πηνίο), προκαλείται στο πηνίο μια ΗΕΔ, η τάση της οποίας είναι ευθέως ανάλογη της ταχύτητας δόνησης του κινητού στοιχείου του αισθητήρα. Οι συντελεστές μετατροπής (Κпр) των επαγωγικών αισθητήρων είναι συνήθως αρκετά υψηλοί, φτάνοντας μερικές δεκάδες ή και εκατοντάδες mV/mm/sec. Συγκεκριμένα, ο συντελεστής μετατροπής του αισθητήρα Schenck μοντέλο T77 είναι 80 mV/mm/sec και για τον αισθητήρα IRD Mechanalysis μοντέλο 544M είναι 40 mV/mm/sec. Σε ορισμένες περιπτώσεις (π.χ. στις μηχανές ζυγοστάθμισης Schenck) χρησιμοποιούνται ειδικοί εξαιρετικά ευαίσθητοι επαγωγικοί αισθητήρες ταχύτητας δόνησης με μηχανικό ενισχυτή, όπου ο Κпр μπορεί να υπερβαίνει τα 1000 mV/mm/sec. Εάν στα συστήματα μέτρησης των μηχανών ζυγοστάθμισης χρησιμοποιούνται επαγωγικοί αισθητήρες ταχύτητας κραδασμών, μπορεί επίσης να γίνει ενσωμάτωση υλικού του ηλεκτρικού σήματος που είναι ανάλογο της ταχύτητας κραδασμών, μετατρέποντάς το σε σήμα ανάλογο της μετατόπισης κραδασμών.
Σχήμα 4.4. Αισθητήρας του μοντέλου 544M από την IRD Mechanalysis.
Σχήμα 4.5. Μοντέλο αισθητήρα T77 της Schenck Θα πρέπει να σημειωθεί ότι λόγω της έντασης της εργασίας για την παραγωγή τους, οι επαγωγικοί αισθητήρες ταχύτητας δόνησης είναι αρκετά σπάνια και ακριβά στοιχεία. Ως εκ τούτου, παρά τα προφανή πλεονεκτήματα αυτών των αισθητήρων, οι ερασιτέχνες κατασκευαστές μηχανών εξισορρόπησης τους χρησιμοποιούν πολύ σπάνια.
4.1.2.2. Αισθητήρες ταχύτητας δόνησης με βάση πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόμετρα. Ένας αισθητήρας αυτού του τύπου διαφέρει από ένα τυπικό πιεζοηλεκτρικό επιταχυνσιόμετρο καθώς διαθέτει ενσωματωμένο ενισχυτή φόρτισης και ολοκληρωτή στο περίβλημά του, ο οποίος του επιτρέπει να εξάγει ένα σήμα ανάλογο της ταχύτητας δόνησης. Για παράδειγμα, οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες ταχύτητας δόνησης που κατασκευάζονται από εγχώριους παραγωγούς (εταιρεία ZETLAB και LLC "Vibropribor") παρουσιάζονται στα σχήματα 4.6 και 4.7.
Σχήμα 4.6. Μοντέλο αισθητήρα AV02 της ZETLAB (Ρωσία)
Σχήμα 4.7. Μοντέλο αισθητήρα DVST 2 της LLC "Vibropribor" Τέτοιοι αισθητήρες κατασκευάζονται από διάφορους παραγωγούς (εγχώριους και ξένους) και χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως, ιδίως σε φορητό εξοπλισμό δόνησης. Το κόστος αυτών των αισθητήρων είναι αρκετά υψηλό και μπορεί να φτάσει τα 20.000 έως 30.000 ρούβλια ο καθένας, ακόμη και από εγχώριους κατασκευαστές.
4.1.3. Αισθητήρες μετατόπισης Στα συστήματα μέτρησης των μηχανών ζυγοστάθμισης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν αισθητήρες μετατόπισης χωρίς επαφή - χωρητικοί ή επαγωγικοί. Αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να λειτουργούν σε στατική λειτουργία, επιτρέποντας την καταγραφή δονητικών διεργασιών από 0 Hz. Η χρήση τους μπορεί να είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στην περίπτωση εξισορρόπησης στροφείων χαμηλών στροφών με ταχύτητες περιστροφής 120 στροφές ανά λεπτό και κάτω. Οι συντελεστές μετατροπής αυτών των αισθητήρων μπορούν να φτάσουν τα 1000 mV/mm και υψηλότερα, γεγονός που παρέχει υψηλή ακρίβεια και ανάλυση στη μέτρηση της μετατόπισης, ακόμη και χωρίς πρόσθετη ενίσχυση. Ένα προφανές πλεονέκτημα αυτών των αισθητήρων είναι το σχετικά χαμηλό κόστος τους, το οποίο για ορισμένους εγχώριους κατασκευαστές δεν υπερβαίνει τα 1000 ρούβλια. Κατά τη χρήση αυτών των αισθητήρων σε μηχανές ζυγοστάθμισης, είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη ότι το ονομαστικό διάκενο εργασίας μεταξύ του ευαίσθητου στοιχείου του αισθητήρα και της επιφάνειας του δονούμενου αντικειμένου περιορίζεται από τη διάμετρο του πηνίου του αισθητήρα. Για παράδειγμα, για τον αισθητήρα που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.8, μοντέλο ISAN E41A της "TEKO", το καθορισμένο διάκενο εργασίας είναι συνήθως 3,8 έως 4 mm, το οποίο επιτρέπει τη μέτρηση της μετατόπισης του δονούμενου αντικειμένου στο εύρος ±2,5 mm.
Σχήμα 4.8. Επαγωγικός αισθητήρας μετατόπισης μοντέλο ISAN E41A της TEKO (Ρωσία)
4.1.4. Αισθητήρες δύναμης Όπως προαναφέρθηκε, οι αισθητήρες δύναμης χρησιμοποιούνται στα συστήματα μέτρησης που είναι εγκατεστημένα στις μηχανές εξισορρόπησης Hard Bearing. Οι αισθητήρες αυτοί, ιδίως λόγω της απλότητας κατασκευής τους και του σχετικά χαμηλού κόστους, είναι συνήθως πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες δύναμης. Παραδείγματα τέτοιων αισθητήρων παρουσιάζονται στα σχήματα 4.9 και 4.10.
Σχήμα 4.9. Αισθητήρας δύναμης SD 1 της Kinematika LLC
Σχήμα 4.10: Αισθητήρας δύναμης για μηχανές εξισορρόπησης αυτοκινήτων, που πωλείται από την "STO Market" Οι αισθητήρες δύναμης strain gauge, οι οποίοι κατασκευάζονται από ένα ευρύ φάσμα εγχώριων και ξένων παραγωγών, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των σχετικών παραμορφώσεων στα στηρίγματα των μηχανών εξισορρόπησης Hard Bearing.
4.2. Αισθητήρες γωνίας φάσης Για το συγχρονισμό της διαδικασίας μέτρησης των δονήσεων με τη γωνία περιστροφής του ζυγοσταθμισμένου ρότορα χρησιμοποιούνται αισθητήρες γωνίας φάσης, όπως αισθητήρες λέιζερ (φωτοηλεκτρικοί) ή επαγωγικοί αισθητήρες. Αυτοί οι αισθητήρες κατασκευάζονται σε διάφορα σχέδια από εγχώριους και διεθνείς παραγωγούς. Το εύρος τιμών για τους αισθητήρες αυτούς μπορεί να ποικίλλει σημαντικά, από περίπου 40 έως 200 δολάρια. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας συσκευής είναι ο αισθητήρας γωνίας φάσης που κατασκευάζεται από την εταιρεία "Diamex", ο οποίος παρουσιάζεται στο σχήμα 4.11.
Σχήμα 4.11: Αισθητήρας γωνίας φάσης της "Diamex"
Ως άλλο παράδειγμα, το Σχήμα 4.12 δείχνει ένα μοντέλο που υλοποιήθηκε από την LLC "Kinematics", το οποίο χρησιμοποιεί ταχομετρητές λέιζερ του μοντέλου DT 2234C που κατασκευάζεται στην Κίνα ως αισθητήρες γωνίας φάσης. Τα προφανή πλεονεκτήματα αυτού του αισθητήρα περιλαμβάνουν:
Σχήμα 4.12: Ταχύμετρο λέιζερ μοντέλο DT 2234C
Σε ορισμένες περιπτώσεις, όταν η χρήση οπτικών αισθητήρων λέιζερ δεν είναι επιθυμητή για οποιονδήποτε λόγο, μπορούν να αντικατασταθούν από επαγωγικούς αισθητήρες μετατόπισης χωρίς επαφή, όπως το προαναφερθέν μοντέλο ISAN E41A ή παρόμοια προϊόντα άλλων κατασκευαστών.
4.3. Χαρακτηριστικά επεξεργασίας σήματος σε αισθητήρες κραδασμών Για την ακριβή μέτρηση του πλάτους και της φάσης της περιστροφικής συνιστώσας του σήματος δόνησης σε εξοπλισμό εξισορρόπησης, χρησιμοποιείται συνήθως ένας συνδυασμός εργαλείων επεξεργασίας υλικού και λογισμικού. Τα εργαλεία αυτά επιτρέπουν:
4.3.1. Φιλτράρισμα ευρυζωνικού σήματος Αυτή η διαδικασία είναι απαραίτητη για τον καθαρισμό του σήματος του αισθητήρα δόνησης από πιθανές παρεμβολές που μπορεί να εμφανιστούν τόσο στο κατώτερο όσο και στο ανώτερο όριο του εύρους συχνοτήτων της συσκευής. Συνιστάται για τη συσκευή μέτρησης μιας μηχανής ζυγοστάθμισης να ρυθμίζεται το κάτω όριο του ζωνοπερατού φίλτρου στα 2-3 Hz και το άνω όριο στα 50 (100) Hz. Το "κατώτερο" φιλτράρισμα βοηθά στην καταστολή θορύβων χαμηλής συχνότητας που μπορεί να εμφανιστούν στην έξοδο διαφόρων τύπων ενισχυτών μέτρησης αισθητήρων. Το "ανώτερο" φιλτράρισμα εξαλείφει την πιθανότητα παρεμβολών λόγω συχνοτήτων συνδυασμού και πιθανών δονήσεων συντονισμού των επιμέρους μηχανικών εξαρτημάτων του μηχανήματος.
4.3.2. Ενίσχυση του αναλογικού σήματος από τον αισθητήρα Εάν υπάρχει ανάγκη να αυξηθεί η ευαισθησία του συστήματος μέτρησης της μηχανής ζυγοστάθμισης, τα σήματα από τους αισθητήρες κραδασμών στην είσοδο της μονάδας μέτρησης μπορούν να ενισχυθούν. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο τυπικοί ενισχυτές με σταθερό κέρδος όσο και πολυβάθμιοι ενισχυτές, των οποίων το κέρδος μπορεί να μεταβάλλεται προγραμματιστικά ανάλογα με την πραγματική στάθμη σήματος από τον αισθητήρα. Ένα παράδειγμα προγραμματιζόμενου πολυβάθμιου ενισχυτή περιλαμβάνει ενισχυτές που υλοποιούνται σε μετατροπείς μέτρησης τάσης όπως ο E154 ή ο E14-140 από την LLC "L-Card".
4.3.3. Ενσωμάτωση Όπως προαναφέρθηκε, συνιστάται η ενσωμάτωση υλικού ή/και η διπλή ενσωμάτωση των σημάτων των αισθητήρων κραδασμών στα συστήματα μέτρησης των μηχανών εξισορρόπησης. Έτσι, το αρχικό σήμα του επιταχυνσιόμετρου, ανάλογο της δονητικής επιτάχυνσης, μπορεί να μετατραπεί σε σήμα ανάλογο της δονητικής ταχύτητας (ολοκλήρωση) ή της δονητικής μετατόπισης (διπλή ολοκλήρωση). Ομοίως, το σήμα του αισθητήρα δονητικής ταχύτητας μετά την ολοκλήρωση μπορεί να μετατραπεί σε σήμα ανάλογο της δονητικής μετατόπισης.
4.3.4. Φιλτράρισμα στενής ζώνης του αναλογικού σήματος με χρήση φίλτρου παρακολούθησης Για να μειωθούν οι παρεμβολές και να βελτιωθεί η ποιότητα της επεξεργασίας του σήματος δόνησης στα συστήματα μέτρησης των μηχανών εξισορρόπησης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν φίλτρα παρακολούθησης στενής ζώνης. Η κεντρική συχνότητα αυτών των φίλτρων συντονίζεται αυτόματα με τη συχνότητα περιστροφής του ζυγοσταθμισμένου ρότορα χρησιμοποιώντας το σήμα του αισθητήρα περιστροφής του ρότορα. Τα σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα, όπως τα MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 της "MAXIM", μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία τέτοιων φίλτρων.
4.3.5. Αναλογική-ψηφιακή μετατροπή σημάτων Η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό είναι μια κρίσιμη διαδικασία που εξασφαλίζει τη δυνατότητα βελτίωσης της ποιότητας της επεξεργασίας του σήματος δόνησης κατά τη μέτρηση του πλάτους και της φάσης. Η διαδικασία αυτή εφαρμόζεται σε όλα τα σύγχρονα συστήματα μέτρησης μηχανών ζυγοστάθμισης. Ένα παράδειγμα αποτελεσματικής εφαρμογής τέτοιων ADC περιλαμβάνει τους μετατροπείς μέτρησης τάσης τύπου E154 ή E14-140 της LLC "L-Card", που χρησιμοποιούνται σε πολλά συστήματα μέτρησης μηχανών εξισορρόπησης που κατασκευάζει η LLC "Kinematics". Επιπλέον, η LLC "Kinematics" έχει εμπειρία στη χρήση φθηνότερων συστημάτων μικροεπεξεργαστών που βασίζονται σε ελεγκτές "Arduino", στον μικροελεγκτή PIC18F4620 της "Microchip" και σε παρόμοιες συσκευές.
Συγγραφέας του άρθρου : Feldman Valery Davidovich
Επιμέλεια και μετάφραση : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Ζητώ συγγνώμη για πιθανά μεταφραστικά λάθη.
EL 
EN 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UK 
VI