Τι είναι ένα επιταχυνσιόμετρο; Ένας οδηγός για την ανάλυση κραδασμών
Ενα επιταχυνσιόμετρο είναι ένα μετατροπέας (ή αισθητήρας) που μετατρέπει τη μηχανική κίνηση — συγκεκριμένα την επιτάχυνση που προκαλούνται από δονήσεις ή κρούσεις — σε ένα ανάλογο ηλεκτρικό σήμα. Είναι μακράν ο πιο διαδεδομένος αισθητήρας σε προβλεπτική συντήρηση και παρακολούθηση κατάστασης. Μετρώντας την ταχύτητα με την οποία ένα σημείο σε ένα μηχάνημα αλλάζει ταχύτητα, ένα επιταχυνσιόμετρο παρέχει τα ακατέργαστα δεδομένα που επιτρέπουν σε έναν αναλυτή να διαγνώσει ένα ευρύ φάσμα μηχανικών και ηλεκτρικών βλαβών — από ελαττώματα ρουλεμάν να ανισορροπία και κακή ευθυγράμμιση.
1. Ορισμός: Η ουσία της μέτρησης των κραδασμών
Η επιτάχυνση είναι η φυσική ποσότητα που πρέπει να μετράται στα περιστρεφόμενα μηχανήματα, καθώς οι δυναμικές δυνάμεις που προκαλούν βλάβη σε ένα μηχάνημα — όπως η φυγόκεντρος δύναμη που προέρχεται από ένα σημείο υπερφόρτωσης ή η πρόσκρουση από ένα σπασμένο δακτύλιο ρουλεμάν — εξαρτώνται από την επιτάχυνση. Ένα επιταχυνσιόμετρο ανταποκρίνεται άμεσα σε αυτές τις δυνάμεις, και γι’ αυτό αποτελεί το βασικό στοιχείο σχεδόν κάθε σύγχρονου αναλυτής κραδασμών και συλλέκτης δεδομένων.
Ένα από τα πρακτικά πλεονεκτήματα του επιταχυνσιόμετρου είναι ότι το σήμα επιτάχυνσής του μπορεί να υποβληθεί σε ηλεκτρονική επεξεργασία ολοκληρωμένος μια φορά για να δώσει ταχύτητα (mm/s), και δύο φορές για να δώσει εκτόπισμα (µm). Ένας μοναδικός, σωστά τοποθετημένος αισθητήρας καλύπτει, επομένως, και τις τρεις κλασικές μονάδες μέτρησης κραδασμών, επιτρέποντας στον αναλυτή να επιλέξει εκείνη που αποκαλύπτει καλύτερα μια συγκεκριμένη βλάβη.
2. Πώς λειτουργούν τα επιταχυνσιόμετρα; Η πιεζοηλεκτρική αρχή
Παρόλο που υπάρχουν διάφορες φυσικές αρχές, η συντριπτική πλειοψηφία των επιταχυνσιομέτρων που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικά μηχανήματα βασίζεται στην πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Η διαδικασία λειτουργίας είναι απλή:
- Πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος: Στο εσωτερικό του αισθητήρα, μια μικρή σεισμική μάζα είναι συνδεδεμένη με ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο — συνήθως κεραμικό υλικό όπως το PZT ή, σε αισθητήρες υψηλής ποιότητας, κρύσταλλο χαλαζία κοπής ακριβείας.
- Εφαρμογή δύναμης: Όταν το μηχάνημα δονείται, το περίβλημα κινείται μαζί του. Λόγω της αδράνειας, η εσωτερική μάζα αντιστέκεται σε αυτή την κίνηση και ασκεί μια δύναμη στον κρύσταλλο — η οποία, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, ισούται με το γινόμενο της μάζας επί την επιτάχυνση.
- Δημιουργία σήματος: Ένας πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος που υπόκειται σε τάση παράγει ένα ελάχιστο ηλεκτρικό φορτίο που είναι άμεσα ανάλογο με την εφαρμοζόμενη δύναμη και, κατά συνέπεια, με την επιτάχυνση.
- Έξοδος: Τα εσωτερικά ηλεκτρονικά συστήματα επεξεργάζονται αυτό το σήμα και το μεταδίδουν μέσω καλωδίου σε έναν συλλέκτη δεδομένων ή ένα σύστημα παρακολούθησης ως αναλογική αναπαράσταση της επιτάχυνσης σε εκείνο το σημείο.
Ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται αυτή η φόρτιση ορίζει δύο κοινές κατηγορίες. Α φόρτιση-έξοδος ο αισθητήρας μεταφέρει το ακατέργαστο σήμα σε ένα εξωτερικό ενισχυτής φόρτισης και αντέχει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Πολύ πιο συνηθισμένο στη βιομηχανία είναι το ΙΕΠΕ (ή λειτουργία τάσης) τύπου, ο οποίος ενσωματώνει τον ενισχυτή στον αισθητήρα και παράγει τάση χαμηλής αντίστασης που μεταφέρεται εύκολα μέσω ενός απλού καλωδίου δύο συρμάτων. Οι πιο ανθεκτικές κατασκευές χρησιμοποιούν ένα διάτμηση κατασκευή, η οποία προστατεύει τον κρύσταλλο από την κάμψη της βάσης και τις θερμικές διακυμάνσεις.
3. Τύποι επιταχυνσιομέτρων
Διαφορετικές εφαρμογές απαιτούν διαφορετικούς αισθητήρες, καθένας με τα δικά του πλεονεκτήματα.
Επιταχυνσιόμετρα γενικής χρήσης
Αυτά είναι τα βασικά εργαλεία της βιομηχανικής παρακολούθησης. Συνήθως προσφέρουν ένα ευαισθησία 100 mV/g και εύρος συχνοτήτων κατάλληλο για τα πιο συνηθισμένα μηχανήματα, όπως αντλίες, κινητήρες και ανεμιστήρες — περίπου από 2 Hz έως 10 kHz.
Επιταχυνσιόμετρα MEMS
Τα επιταχυνσιόμετρα των μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS) είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο, είναι πολύ μικρά, χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και οικονομικά αποδοτικά. Αν και ιστορικά ήταν λιγότερο ευαίσθητα από τα πιεζοηλεκτρικά μοντέλα, οι σύγχρονες συσκευές MEMS βελτιώνονται ραγδαία και χρησιμοποιούνται ευρέως σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, συστήματα αυτοκινήτων, ασύρματη παρακολούθηση κόμβοι και εγκαταστάσεις παρακολούθησης κατάστασης χαμηλότερου κόστους.
Πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόμετρα
Χρησιμοποιούμενοι για δοκιμές κρούσης και κινήσεις χαμηλής συχνότητας, αυτοί οι αισθητήρες ανταποκρίνονται σε συχνότητες έως και 0 Hz (επιτάχυνση συνεχούς ρεύματος), γεγονός που τους καθιστά χρήσιμους για τη μέτρηση της σταθερής επιτάχυνσης σε φυγόκεντρο ή της αργής κίνησης ενός οχήματος.
Επιταχυνσιόμετρα υψηλής συχνότητας
Σχεδιασμένοι για την ανίχνευση φαινομένων υψηλής συχνότητας, όπως βλάβες σε πρώιμο στάδιο σε γρανάζια και ρουλεμάν, αυτοί οι αισθητήρες χρησιμοποιούν μικρότερη σεισμική μάζα και υψηλότερη συχνότητα συντονισμού, επιτρέποντας ακριβείς μετρήσεις έως τα 20 kHz ή και πέραν αυτού — το εύρος στο οποίο τεχνικές όπως ανάλυση περιβάλλουσας και το μέθοδος παλμού κρούσης ζωντανά.
4. Βασικά χαρακτηριστικά και επιλογή
Κατά την επιλογή ενός επιταχυνσιόμετρου, οι μηχανικοί λαμβάνουν υπόψη διάφορες παραμέτρους:
- Ευαισθησία (mV/g): Η υψηλότερη ευαισθησία παρέχει ισχυρότερο σήμα εξόδου, το οποίο είναι καταλληλότερο για την ανίχνευση δονήσεων χαμηλού επιπέδου· τα 100 mV/g αποτελούν το συνήθη βιομηχανικό πρότυπο.
- Απόκριση συχνότητας: Το εύρος στο οποίο ο αισθητήρας παρέχει ακριβείς μετρήσεις. Πρέπει να καλύπτει το αναμενόμενο συχνότητες σφαλμάτων του μηχανήματος, με ένα άνετο περιθώριο κάτω από το ίδιο το αισθητήρα φυσική (συντονιστική) συχνότητα.
- Εύρος θερμοκρασίας: Ο αισθητήρας πρέπει να αντέχει στη θερμοκρασία της επιφάνειας στην οποία είναι τοποθετημένος· ένα αισθητήρας θερμοκρασίας συχνά εγκαθίσταται στον ίδιο χώρο για συνδυασμένη παρακολούθηση.
- Τρόπος τοποθέτησης: Ο τρόπος στερέωσης του αισθητήρα — με βίδα, αυτοκόλλητο ή μαγνήτη — επηρεάζει σημαντικά την ακρίβεια στις υψηλές συχνότητες. Η στερέωση με βίδα ανά ISO 5348 παρέχει την καλύτερη σύζευξη και το ευρύτερο εύρος ζώνης που μπορεί να αξιοποιηθεί· ο μαγνήτης είναι βολικός για εργασίες σε διαδρομές, αλλά μειώνει το ανώτερο όριο συχνότητας. Κακή βάση μπορεί να οδηγήσει σε λάθος αυξανόμενη αντήχηση που προσποιείται ότι είναι βλάβη του μηχανήματος.
Μπορείτε να υπολογίσετε την επιβάρυνση του εύρους ζώνης που προκαλεί ένα συγκεκριμένο συνημμένο με τη Υπολογιστής συντονισμού στήριξης επιταχυνσιόμετρου πριν αποφασίσετε για έναν τρόπο τοποθέτησης.
5. Εφαρμογές στην παρακολούθηση κατάστασης
Τα επιταχυνσιόμετρα αποτελούν τη βάση σχεδόν κάθε ανάλυση κραδασμών εργασία, η οποία περιλαμβάνει:
- Προγράμματα προληπτικής συντήρησης: συλλογή τακτικών δεδομένων σχετικά με ένα διαδρομή για την παρακολούθηση της κατάστασης των μηχανημάτων και την πρόβλεψη βλαβών.
- Διάγνωση βλαβών: εντοπισμός ανισορροπίας, κακής ευθυγράμμισης, χαλαρότητα και φθορά ρουλεμάν από το φάσμα δόνησης.
- Δοκιμές αποδοχής: επαλήθευση ότι τα καινούργια ή επισκευασμένα μηχανήματα πληρούν τις προδιαγραφές σχετικά με τους κραδασμούς, όπως ISO 20816 (ο σύγχρονος διάδοχος του προτύπου ISO 10816).
- Modal analysis: μελετώντας το φυσικές συχνότητες και σχήματα λειτουργίας μιας δομής.
Η εξισορρόπηση πεδίου είναι μία από τις πιο απαιτητικές εργασίες, καθώς απαιτεί τόσο το πλάτος και το φάση της δόνησης που συμβαίνει μία φορά ανά περιστροφή. Ένα φορητό όργανο δύο καναλιών όπως το Balanset-1A χρησιμοποιεί τα δύο επιταχυνσιόμετρά του, τα συγχρονίζει με ένα ταχύμετρο παλμό και μετρά το πλάτος και τη φάση 1× απευθείας στα ρουλεμάν του ίδιου του μηχανήματος σε ταχύτητα λειτουργίας — μετατρέποντας το ακατέργαστο σήμα του επιταχυνσιόμετρου στους συντελεστές επιρροής και τα βάρη διόρθωσης που απαιτούνται για την εξισορρόπηση του ρότορα επί τόπου.
