4. Sistemas de medición para máquinas equilibradoras
La mayoría de los fabricantes aficionados de máquinas equilibradoras, que se ponen en contacto con LLC "Kinematics", planean utilizar en sus diseños los sistemas de medición de la serie "Balanset" fabricados por nuestra empresa. Sin embargo, también hay algunos clientes que planean fabricar dichos sistemas de medición de forma independiente. Por lo tanto, tiene sentido discutir la construcción de un sistema de medición para una máquina equilibradora con más detalle. El requisito principal de estos sistemas es la necesidad de proporcionar mediciones de alta precisión de la amplitud y la fase del componente rotacional de la señal vibratoria, que aparece a la frecuencia de rotación del rotor equilibrado. Este objetivo suele alcanzarse utilizando una combinación de soluciones técnicas, entre las que se incluyen:
4.1. Selección de los sensores de vibración
En los sistemas de medición de las máquinas equilibradoras, pueden utilizarse varios tipos de sensores de vibración (transductores), entre los que se incluyen:
4.1.1. Sensores de aceleración de vibraciones
Entre los sensores de aceleración de vibraciones, los más utilizados son los acelerómetros piezoeléctricos y capacitivos (chip), que pueden utilizarse eficazmente en máquinas equilibradoras de tipo Soft Bearing. En la práctica, suele ser admisible utilizar sensores de aceleración de vibraciones con coeficientes de conversión (Kpr) que oscilen entre 10 y 30 mV/(m/s²). En máquinas equilibradoras que requieren una precisión de equilibrado especialmente elevada, es recomendable utilizar acelerómetros con Kpr que alcancen niveles de 100 mV/(m/s²) y superiores. Como ejemplo de acelerómetros piezoeléctricos que pueden utilizarse como sensores de vibración para máquinas equilibradoras, la figura 4.1 muestra los acelerómetros piezoeléctricos DN3M1 y DN3M1V6 fabricados por LLC "Izmeritel".
Figura 4.1. Acelerómetros piezoeléctricos DN 3M1 y DN 3M1V6
Para conectar estos sensores a instrumentos y sistemas de medición de vibraciones, es necesario utilizar amplificadores de carga externos o incorporados.
Figura 4.2. Acelerómetros capacitivos AD1 Fabricados por LLC "Kinematics"
Cabe señalar que estos sensores, entre los que se incluyen las placas de acelerómetros capacitivos ADXL 345 (véase la figura 4.3), ampliamente utilizadas en el mercado, presentan varias ventajas significativas con respecto a los acelerómetros piezoeléctricos. En concreto, son entre 4 y 8 veces más baratos con características técnicas similares. Además, no requieren el uso de los costosos y delicados amplificadores de carga necesarios para los acelerómetros piezoeléctricos.
En los casos en los que se utilizan ambos tipos de acelerómetros en los sistemas de medición de las máquinas equilibradoras, suele realizarse la integración de hardware (o integración doble) de las señales de los sensores.
Figura 4.2. Acelerómetros capacitivos AD 1, montados.
Figura 4.3. Placa de acelerómetro capacitivo ADXL 345.
En este caso, la señal inicial del sensor, proporcional a la aceleración vibratoria, se transforma en consecuencia en una señal proporcional a la velocidad vibratoria o al desplazamiento. El procedimiento de doble integración de la señal de vibración es especialmente relevante cuando se utilizan acelerómetros como parte de los sistemas de medición de máquinas equilibradoras de baja velocidad, donde el rango de frecuencia de rotación del rotor inferior durante el equilibrado puede alcanzar 120 rpm e inferiores. Al utilizar acelerómetros capacitivos en los sistemas de medición de máquinas equilibradoras, debe tenerse en cuenta que, tras la integración, sus señales pueden contener interferencias de baja frecuencia, que se manifiestan en el rango de frecuencias de 0,5 a 3 Hz. Esto puede limitar el rango de frecuencias bajas de equilibrado en las máquinas destinadas a utilizar estos sensores.
4.1.2. Sensores de velocidad de vibración 4.1.2.1. Sensores inductivos de velocidad de vibración. Estos sensores incluyen una bobina inductiva y un núcleo magnético. Cuando la bobina vibra con respecto a un núcleo inmóvil (o el núcleo con respecto a una bobina inmóvil), se induce una FEM en la bobina, cuya tensión es directamente proporcional a la velocidad de vibración del elemento móvil del sensor. Los coeficientes de conversión (Кпр) de los sensores inductivos suelen ser bastante elevados, alcanzando varias decenas o incluso centenares de mV/mm/seg. En particular, el coeficiente de conversión del sensor Schenck modelo T77 es de 80 mV/mm/seg, y para el sensor IRD Mechanalysis modelo 544M, es de 40 mV/mm/seg. En algunos casos (por ejemplo, en las máquinas equilibradoras Schenck), se utilizan sensores de velocidad de vibración inductivos especiales de alta sensibilidad con un amplificador mecánico, en los que Кпр puede superar los 1000 mV/mm/seg. Si se utilizan sensores inductivos de velocidad de vibración en los sistemas de medición de las máquinas equilibradoras, también puede realizarse la integración de hardware de la señal eléctrica proporcional a la velocidad de vibración, convirtiéndola en una señal proporcional al desplazamiento de vibración.
Figura 4.4. Sensor modelo 544M de IRD Mechanalysis.
Figura 4.5. Sensor modelo T77 de Schenck Debe tenerse en cuenta que, debido a la intensidad de trabajo de su producción, los sensores inductivos de velocidad de vibración son artículos bastante escasos y caros. Por lo tanto, a pesar de las evidentes ventajas de estos sensores, los fabricantes aficionados de máquinas equilibradoras los utilizan muy raramente.
4.1.2.2. Sensores de velocidad de vibración basados en acelerómetros piezoeléctricos. Un sensor de este tipo se diferencia de un acelerómetro piezoeléctrico estándar por tener un amplificador de carga incorporado y un integrador dentro de su carcasa, lo que le permite emitir una señal proporcional a la velocidad de vibración. En las figuras 4.6 y 4.7 se muestran, por ejemplo, sensores piezoeléctricos de velocidad de vibración fabricados por fabricantes nacionales (la empresa ZETLAB y la LLC "Vibropribor").
Figura 4.6. Modelo de sensor AV02 de ZETLAB (Rusia)
Figura 4.7. Sensor modelo DVST 2 de LLC "Vibropribor". Dichos sensores son fabricados por diversos productores (tanto nacionales como extranjeros) y en la actualidad se utilizan ampliamente, sobre todo en equipos de vibración portátiles. El coste de estos sensores es bastante elevado y puede alcanzar entre 20.000 y 30.000 rublos cada uno, incluso de fabricantes nacionales.
4.1.3. Sensores de desplazamiento En los sistemas de medición de las máquinas equilibradoras también pueden utilizarse sensores de desplazamiento sin contacto, capacitivos o inductivos. Estos sensores pueden funcionar en modo estático, permitiendo el registro de procesos vibratorios a partir de 0 Hz. Su uso puede ser especialmente eficaz en el caso del equilibrado de rotores de baja velocidad con velocidades de rotación de 120 rpm e inferiores. Los coeficientes de conversión de estos sensores pueden alcanzar 1000 mV/mm y valores superiores, lo que proporciona una gran precisión y resolución en la medición del desplazamiento, incluso sin amplificación adicional. Una ventaja obvia de estos sensores es su coste relativamente bajo, que para algunos fabricantes nacionales no supera los 1000 rublos. Al utilizar estos sensores en máquinas equilibradoras, es importante tener en cuenta que el espacio de trabajo nominal entre el elemento sensible del sensor y la superficie del objeto vibrante está limitado por el diámetro de la bobina del sensor. Por ejemplo, para el sensor mostrado en la figura 4.8, modelo ISAN E41A de "TEKO", la separación de trabajo especificada suele ser de 3,8 a 4 mm, lo que permite medir el desplazamiento del objeto vibrante en un rango de ±2,5 mm.
Figura 4.8. Sensor inductivo de desplazamiento modelo ISAN E41A de TEKO (Rusia)
4.1.4. Sensores de fuerza Como se ha indicado anteriormente, en los sistemas de medición instalados en las máquinas equilibradoras de rodamientos duros se utilizan sensores de fuerza. Estos sensores, en particular debido a su simplicidad de fabricación y coste relativamente bajo, suelen ser sensores de fuerza piezoeléctricos. En las figuras 4.9 y 4.10 se muestran ejemplos de dichos sensores.
Figura 4.9. Sensor de fuerza SD 1 de Kinematika LLC
Figura 4.10: Sensor de fuerza para equilibradoras de automoción, vendido por "STO Market" Los sensores de fuerza extensométricos, fabricados por una amplia gama de productores nacionales y extranjeros, también pueden utilizarse para medir las deformaciones relativas en los soportes de las máquinas equilibradoras de rodamientos duros.
4.2. Sensores de ángulo de fase Para sincronizar el proceso de medición de la vibración con el ángulo de rotación del rotor equilibrado, se utilizan sensores de ángulo de fase, como sensores láser (fotoeléctricos) o inductivos. Estos sensores son fabricados en varios diseños por productores nacionales e internacionales. El rango de precios de estos sensores puede variar significativamente, desde aproximadamente 40 a 200 dólares. Un ejemplo de este tipo de dispositivo es el sensor de ángulo de fase fabricado por "Diamex", que se muestra en la figura 4.11.
Figura 4.11: Sensor de ángulo de fase de "Diamex"
Como otro ejemplo, la Figura 4.12 muestra un modelo implementado por LLC "Kinematics", que utiliza tacómetros láser del modelo DT 2234C fabricados en China como sensores de ángulo de fase. Las ventajas evidentes de este sensor son:
Figura 4.12: Tacómetro láser modelo DT 2234C
En algunos casos, cuando el uso de sensores láser ópticos no es deseable por cualquier motivo, pueden sustituirse por sensores de desplazamiento inductivos sin contacto, como el modelo ISAN E41A mencionado anteriormente o productos similares de otros fabricantes.
4.3. Características del procesamiento de señales en los sensores de vibración Para medir con precisión la amplitud y la fase del componente rotacional de la señal de vibración en equipos de equilibrado, se suele utilizar una combinación de herramientas de procesamiento de hardware y software. Estas herramientas permiten:
4.3.1. Filtrado de señales de banda ancha Este procedimiento es esencial para limpiar la señal del sensor de vibraciones de posibles interferencias que puedan producirse en los límites inferior y superior de la gama de frecuencias del dispositivo. Es aconsejable para el dispositivo de medición de una máquina equilibradora ajustar el límite inferior del filtro pasa banda a 2-3 Hz y el límite superior a 50 (100) Hz. El filtrado "inferior" ayuda a suprimir los ruidos de baja frecuencia que pueden aparecer en la salida de diversos tipos de amplificadores de medición de sensores. El filtrado "superior" elimina la posibilidad de interferencias debidas a frecuencias combinadas y posibles vibraciones resonantes de componentes mecánicos individuales de la máquina.
4.3.2. Amplificación de la señal analógica del sensor Si es necesario aumentar la sensibilidad del sistema de medición de la equilibradora, las señales de los sensores de vibración a la entrada de la unidad de medición pueden amplificarse. Pueden utilizarse tanto amplificadores estándar con una ganancia constante como amplificadores multietapa, cuya ganancia puede modificarse programáticamente en función del nivel de señal real procedente del sensor. Un ejemplo de amplificador multietapa programable son los amplificadores implementados en convertidores de medición de tensión como el E154 o el E14-140 de LLC "L-Card".
4.3.3. Integración Como se ha indicado anteriormente, en los sistemas de medición de las máquinas equilibradoras se recomienda la integración por hardware y/o la doble integración de las señales de los sensores de vibración. Así, la señal inicial del acelerómetro, proporcional a la vibro-aceleración, puede transformarse en una señal proporcional a la vibro-velocidad (integración) o al vibro-desplazamiento (doble integración). Del mismo modo, la señal del sensor de vibrovelocidad tras la integración puede transformarse en una señal proporcional al vibrodesplazamiento.
4.3.4. Filtrado de banda estrecha de la señal analógica mediante un filtro de seguimiento Para reducir las interferencias y mejorar la calidad del procesamiento de las señales de vibración en los sistemas de medición de las máquinas equilibradoras, pueden utilizarse filtros de seguimiento de banda estrecha. La frecuencia central de estos filtros se ajusta automáticamente a la frecuencia de rotación del rotor equilibrado utilizando la señal del sensor de revoluciones del rotor. Los circuitos integrados modernos, como MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 de "MAXIM", pueden utilizarse para crear tales filtros.
4.3.5. Conversión analógico-digital de señales La conversión analógico-digital es un procedimiento crucial que garantiza la posibilidad de mejorar la calidad del procesamiento de la señal de vibración durante la medición de amplitud y fase. Este procedimiento se implementa en todos los sistemas modernos de medición de máquinas equilibradoras. Un ejemplo de la implementación efectiva de tales ADC son los convertidores de medición de voltaje tipo E154 o E14-140 de LLC "L-Card", utilizados en varios sistemas de medición de máquinas equilibradoras fabricados por LLC "Kinematics". Además, LLC "Kinematics" tiene experiencia en el uso de sistemas de microprocesadores más baratos basados en controladores "Arduino", el microcontrolador PIC18F4620 de "Microchip" y dispositivos similares.
Autor del artículo : Feldman Valery Davidovich
Redacción y traducción : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Pido disculpas por los posibles errores de traducción.