Κατανόηση των σεισμικών μετατροπέων
A σεισμικός αισθητήρας — γνωστός και ως σεισμικός αισθητήρας ή αδρανειακός μετατροπέας — είναι ένας δόνηση αισθητήρας που χρησιμοποιεί εσωτερική σεισμική μάζα (μια "proof mass") αναρτημένη σε ελατήρια ή εύκαμπτες στηρίξεις ως αδρανειακή αναφορά, επιτρέποντάς του να μετρά την απόλυτη κίνηση της βάσης του αισθητήρα. Όταν το περίβλημα δονείται, η σχετική κίνηση μεταξύ της αναρτημένης μάζας και του περιβλήματος μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα που αναπαριστά τους κραδασμούς. Ανάλογα με το πού βρίσκεται η συχνότητα μέτρησης σε σχέση με τη φυσική συχνότητα, ο αισθητήρας λειτουργεί σε ένα από δύο καθεστώτα: πάνω από τον συντονισμό η μάζα τείνει να μένει ακίνητη στον χώρο και η σχετική κίνηση ακολουθεί τη μετατόπιση του περιβλήματος (το κλασικό καθεστώς σεισμόμετρου και αισθητήρα ταχύτητας), ενώ κάτω από τον συντονισμό η μικρή υπολειμματική εκτροπή της μάζας είναι ανάλογη της επιτάχυνσης του περιβλήματος (το καθεστώς επιταχυνσιόμετρου). Το καθοριστικό χαρακτηριστικό είναι ότι η αναφορά 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.
- Ελατήριο: 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 αποκλειστικά από το πού πέφτει η συχνότητα διέγερσης σε σχέση με τη δική του ιδιοσυχνότητα - και οι δύο κύριες οικογένειες αισθητήρων λειτουργούν σκόπιμα σε αντίθετες πλευρές του συντονισμού:
- Κάτω από την ιδιοσυχνότητα (καθεστώς επιταχυνσιόμετρου): η μάζα και το περίβλημα κινούνται ουσιαστικά μαζί και η μικρή υπολειμματική εκτροπή της μάζας είναι ανάλογη της επιτάχυνση. Τα πιεζοηλεκτρικά και τα επιταχυνσιόμετρα MEMS λειτουργούν εδώ, κάτω από τον υψηλό τοποθετημένο συντονισμό τους.
- Στη φυσική συχνότητα: το σύστημα συντονίζεται - η έξοδος ενισχύεται αλλά παραμορφώνεται και δεν είναι αξιόπιστη, επομένως η μέτρηση κοντά στον συντονισμό αποφεύγεται.
- Πάνω από την ιδιοσυχνότητα (καθεστώς σεισμόμετρου): η μάζα ουσιαστικά μένει ακίνητη ενώ το περίβλημα δονείται γύρω της και η σχετική κίνηση ακολουθεί τη μετατόπιση του περιβλήματος μετατόπιση (ή την ταχύτητα). Τα σεισμόμετρα μετατόπισης και οι αισθητήρες ταχύτητας με κινούμενο πηνίο λειτουργούν εδώ, πάνω από τη χαμηλή ιδιοσυχνότητά τους.
- Usable ranges: ένας αισθητήρας ταχύτητας χρησιμοποιείται συμβατικά πάνω από περίπου 2× την ιδιοσυχνότητά του, όπου η απόκρισή του έχει σταθεροποιηθεί και είναι επίπεδη· ένα επιταχυνσιόμετρο χρησιμοποιείται αρκετά κάτω από τον τοποθετημένο συντονισμό του - συνήθως έως περίπου το ένα τρίτο αυτού για καλή ακρίβεια.
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 ιδιοσυχνότητα (τοποθετημένη), συνήθως 10-30 kHz.
- Σε αντίθεση με τους αισθητήρες ταχύτητας, χρησιμοποιούνται κάτω από συντονισμός: μπορούν να χρησιμοποιηθούν από περίπου 1 Hz έως περίπου το ένα τρίτο της τοποθετημένης συχνότητας συντονισμού.
- 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 ολισθηρά ρουλεμάν.
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.
Ευελιξία
- 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
- Οι αισθητήρες ταχύτητας δεν μπορούν να μετρήσουν αξιόπιστα κάτω από περίπου 2× την ιδιοσυχνότητά τους· οι τύποι με κινούμενο πηνίο ειδικότερα αποκρίνονται φτωχά κάτω από 15-20 Hz. Υπάρχει εγγενής συμβιβασμός: χαμηλότερη ιδιοσυχνότητα δίνει καλύτερη κάλυψη χαμηλών συχνοτήτων αλλά απαιτεί μεγαλύτερο και βαρύτερο αισθητήρα.
- Τα επιταχυνσιόμετρα χάνουν ακρίβεια καθώς η συχνότητα μέτρησης πλησιάζει τον τοποθετημένο συντονισμό τους· το πρακτικό ανώτερο όριο (συνήθως περίπου το ένα τρίτο του τοποθετημένου συντονισμού) εξαρτάται έντονα από τη μέθοδο τοποθέτησης (βλ. ISO 5348).
- Στο πολύ χαμηλό άκρο, η απόκριση του επιταχυνσιόμετρου περιορίζεται από το αισθητήριο στοιχείο και τα ηλεκτρονικά του ενισχυτή παρά από τη σεισμική ανάρτηση - συνήθως έως περίπου 0.5-1 Hz για τυπικές βιομηχανικές μονάδες.
Μετρά την κίνηση του περιβλήματος
- 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 μετατροπείς, που χρησιμοποιούν μια εσωτερική αναρτημένη μάζα ως αδρανειακή αναφορά, αποτελούν τη βάση της μέτρησης κραδασμών σε περιστρεφόμενα μηχανήματα. Η κατανόηση της σεισμικής αρχής - πώς μια αναρτημένη μάζα επιτρέπει τη μέτρηση απόλυτης κίνησης και γιατί οι αισθητήρες ταχύτητας λειτουργούν πάνω από την ιδιοσυχνότητά τους ενώ τα επιταχυνσιόμετρα λειτουργούν κάτω από τον τοποθετημένο συντονισμό τους - εξηγεί τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα όρια αυτών των δύο βασικών εργαλείων κάθε βιομηχανικού προγράμματος ανάλυσης κραδασμών.
