Κατανόηση των σεισμικών μετατροπέων
A σεισμικός αισθητήρας — γνωστός και ως σεισμικός αισθητήρας ή αδρανειακός μετατροπέας — είναι ένας δόνηση αισθητήρας που χρησιμοποιεί μια εσωτερική σεισμική μάζα (μια «μάζα αναφοράς») αναρτημένη σε ελατήρια ή εύκαμπτα στοιχεία ως αδρανειακό σημείο αναφοράς, επιτρέποντάς του να μετρά την απόλυτη κίνηση της βάσης του αισθητήρα. Όταν το περίβλημα δονείται, η αναρτημένη μάζα τείνει να παραμένει ακίνητη στο χώρο (υπό την προϋπόθεση ότι η συχνότητα είναι υψηλότερη από τη συχνότητα του συστήματος μάζας-ελατηρίου φυσική συχνότητα), και η σχετική κίνηση μεταξύ του κινούμενου περιβλήματος και της σχεδόν ακίνητης μάζας μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα που αντιπροσωπεύει τη δόνηση. Το βασικό χαρακτηριστικό είναι ότι το σημείο αναφοράς μεταφέρεται inside τον αισθητήρα, οπότε δεν απαιτείται σταθερό εξωτερικό σημείο αναφοράς.
Η ονομασία «σεισμικός» προέρχεται από τα όργανα μέτρησης σεισμών: η αναρτημένη μάζα ενός σεισμομέτρου παραμένει σχετικά ακίνητη, ενώ το έδαφος αναταράσσεται από κάτω της. Στην παρακολούθηση μηχανημάτων, και τα δύο μετατροπείς ταχύτητας και επιταχυνσιόμετρα είναι σεισμικοί αισθητήρες υπό αυτή την έννοια, αν και ο όρος συνήθως συνδέεται με τον κλασικό αισθητήρα ταχύτητας.
1. Αρχή λειτουργίας
Σύστημα αποσβεστήρα ελατηρίου μάζας
Κάθε σεισμικός μορφοτροπέας είναι, στην ουσία, ένας μικρός μηχανικός ταλαντωτής που αποτελείται από τέσσερα λειτουργικά μέρη:
- Σεισμική μάζα: ένα βαθμονομημένο δοκιμαστικό βάρος που κρέμεται στο εσωτερικό του περιβλήματος του αισθητήρα.
- Ανοιξη: μηχανικά ελατήρια ή λεπτές εύκαμπτες δοκοί που στηρίζουν τη μάζα.
- Απόσβεση: αερόφρενα, μαγνητικά φρένα (φρένα δινορρευμάτων) ή υδραυλικά φρένα που περιορίζουν τη συντονισμένη δόνηση.
- Μεταγωγή: το στοιχείο που μετατρέπει τη σχετική κίνηση μεταξύ μάζας και περιβλήματος σε τάση.
Περιοχές απόκρισης συχνότητας
Η συμπεριφορά του αισθητήρα εξαρτάται εξ ολοκλήρου από το πού βρίσκεται η συχνότητα διέγερσης σε σχέση με τη δική του φυσική συχνότητα:
- Κάτω από τη φυσική συχνότητα: η μάζα και το περίβλημα κινούνται μαζί, οπότε η σχετική μετατόπιση είναι μικρή και η απόκριση ανεπαρκής.
- Στη φυσική συχνότητα: το σύστημα παρουσιάζει αντήχηση — η έξοδος ενισχύεται, αλλά είναι παραμορφωμένη και αναξιόπιστη.
- Πάνω από τη φυσική συχνότητα: η μάζα παραμένει ουσιαστικά ακίνητη, ενώ το περίβλημα δονείται γύρω της. Αυτή είναι η κατάλληλη περιοχή μέτρησης.
- Usable range: που συνήθως θεωρείται ότι υπερβαίνει περίπου το διπλάσιο της φυσικής συχνότητας, όπου η απόκριση έχει σταθεροποιηθεί και είναι επίπεδη.
2. Τύποι σεισμικών αισθητήρων
Μετατροπείς Ταχύτητας (Κινούμενο Πηνίο)
- Ένας μαγνήτης είναι αναρτημένος με ελατήρια μέσα σε ένα σταθερό πηνίο (ή το αντίστροφο).
- Η σχετική ταχύτητα μεταξύ του μαγνήτη και του πηνίου δημιουργεί τάση μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
- Η φυσική συχνότητα κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 8 και 15 Hz.
- Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συχνότητες περίπου 16–30 Hz.
- Μετρά απευθείας την ταχύτητα, χωρίς να απαιτείται ολοκλήρωση σήματος.
Επιταχυνσιόμετρα
- Πιεζοηλεκτρικό Τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούν έναν κρύσταλλο πιεζοηλεκτρικού τύπου για την ανίχνευση της αδρανειακής δύναμης της μάζας.
- Οι τύποι MEMS χρησιμοποιούν χωρητική ή πιεζοανθεκτική ανίχνευση σε ένα μικρομηχανικά επεξεργασμένο στοιχείο.
- Πολύ υψηλότερη φυσική συχνότητα, συνήθως 10–30 kHz.
- Μπορεί να χρησιμοποιηθεί από περίπου 1 Hz και πάνω.
- Μετρά την επιτάχυνση, η οποία μπορεί να ολοκληρωθεί σε ταχύτητα ή μετατόπιση.
3. Σεισμικοί έναντι μη σεισμικών αισθητήρων
Η οικογένεια των σεισμικών αισθητήρων γίνεται καλύτερα κατανοητή σε αντίθεση με τους αισθητήρες που βασίζονται σε εξωτερική αναφορά.
Σεισμικοί Αισθητήρες (Αδρανειακή Αναφορά)
- Επιταχυνσιόμετρα και αισθητήρες ταχύτητας.
- Μετρήστε την απόλυτη κίνηση στον αδρανειακό χώρο.
- Τοποθετήστε το απευθείας πάνω στη δομή που δονείται.
- Να χρησιμοποιούν τη δική τους εσωτερική μάζα ως σημείο αναφοράς.
- Η πιο συνηθισμένη επιλογή για την παρακολούθηση μηχανημάτων.
Μη σεισμικοί αισθητήρες (εξωτερική αναφορά)
- Αισθητήρες εγγύτητας (αισθητήρες δινορρευμάτων).
- Μετρήστε τη σχετική κίνηση μεταξύ δύο επιφανειών.
- Απαιτείται ένα σταθερό σημείο στήριξης από το οποίο να κοιτάζει κανείς.
- Συνήθως μετράται η κίνηση του άξονα σε σχέση με το ρουλεμάν.
- Πρότυπο για τη μέτρηση των κραδασμών του άξονα σε μηχανήματα με ρουλεμάν στροφέα.
4. Πλεονεκτήματα του αντισεισμικού σχεδιασμού
Αυτοτελής αναφορά
- Δεν απαιτείται εξωτερικό σύστημα αναφοράς.
- Ο αισθητήρας μπορεί να τοποθετηθεί σχεδόν οπουδήποτε σε μια δομή που υπόκειται σε κραδασμούς.
- Αναφέρει την πραγματική απόλυτη κίνηση στον αδρανειακό χώρο.
Ευστροφία
- Ένας τύπος αισθητήρα καλύπτει πάρα πολλές εφαρμογές.
- Κατάλληλο τόσο για προσωρινές μετρήσεις όσο και για μόνιμες εγκαταστάσεις.
- Μεταφέρεται εύκολα από το ένα μηχάνημα στο άλλο.
Αυτή η ευελιξία είναι ο λόγος για τον οποίο τα φορητά όργανα βασίζονται σε αυτά. Το δικανάλ Balanset-1A, για παράδειγμα, λαμβάνει τις μετρήσεις του από επιταχυνσιόμετρα που είναι στερεωμένα στα περιβλήματα των ρουλεμάν — αυτοαναφορικοί σεισμικοί αισθητήρες που δεν χρειάζονται σταθερό σημείο αναφοράς, έτσι ώστε ένας μηχανικός να μπορεί να μετακινείται γρήγορα μεταξύ των σημείων μέτρησης και των μηχανημάτων, ενώ ισορροπεί στον χώρο εργασίας.
5. Περιορισμοί
Περιορισμοί απόκρισης συχνότητας
- Δεν είναι δυνατή η αξιόπιστη μέτρηση σε συχνότητες χαμηλότερες από περίπου το διπλάσιο της φυσικής συχνότητας.
- Ιδιαίτερα οι αισθητήρες ταχύτητας κινούμενης σπείρας παρουσιάζουν χαμηλή απόδοση σε συχνότητες κάτω των 15–20 Hz.
- Υπάρχει μια εγγενής αντιπαράθεση: μια χαμηλότερη φυσική συχνότητα προσφέρει καλύτερη κάλυψη στις χαμηλές συχνότητες, αλλά απαιτεί έναν μεγαλύτερο και βαρύτερο αισθητήρα.
Μέτρα Στέγασης
- Ο αισθητήρας ανιχνεύει την κίνηση του περιβλήματος του ρουλεμάν και όχι απευθείας του άξονα.
- Οι κραδασμοί του περιβλήματος δεν είναι το ίδιο με τους κραδασμούς του άξονα — φιλτράρονται από την ακαμψία των εδράνων και τη γύρω κατασκευή.
- Όταν έχει σημασία η πραγματική τροχιά του άξονα, απαιτούνται αντ' αυτού αισθητήρες εγγύτητας.
6. Εφαρμογές
Παρακολούθηση κατάστασης μηχανημάτων
- Μετρήσεις κραδασμών στο περίβλημα του ρουλεμάν.
- Γενική τάση των κραδασμών.
- Bearing-defect detection.
- Γενική διάγνωση μηχανημάτων περιστροφής.
Δομική δόνηση
- Μελέτες δονήσεων κτιρίων και θεμελίων.
- Σεισμική παρακολούθηση σεισμών.
- Δονήσεις που μεταδίδονται μέσω του εδάφους και προέρχονται από μηχανήματα.
Τροπική Ανάλυση
- Μέτρηση της απόκρισης ενός κατασκευαστικού στοιχείου σε μια βαθμονομημένη πρόσκρουση.
- Determining φυσικές συχνότητες και σχήματα λειτουργίας.
- Building the συναρτήσεις απόκρισης συχνότητας used in τροπική ανάλυση.
Οι σεισμικοί αισθητήρες, οι οποίοι χρησιμοποιούν μια εσωτερική αιωρούμενη μάζα ως αδρανειακό σημείο αναφοράς, αποτελούν τη βάση της μέτρησης των κραδασμών σε περιστρεφόμενα μηχανήματα. Η κατανόηση της σεισμικής αρχής — του τρόπου με τον οποίο μια αιωρούμενη μάζα επιτρέπει τη μέτρηση της απόλυτης κίνησης και του λόγου για τον οποίο η μέτρηση αυτή είναι έγκυρη μόνο πάνω από τη φυσική συχνότητα του αισθητήρα — εξηγεί τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα όρια των επιταχυνσιομέτρων και των αισθητήρων ταχύτητας, των δύο βασικών εργαλείων κάθε βιομηχανικού προγράμματος ανάλυσης κραδασμών.
