4. Tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemid
Enamik tasakaalustusmasinate amatööridest tootjaid, kes võtavad ühendust OÜ "Kinematics"-iga, kavatsevad oma konstruktsioonides kasutada meie ettevõtte toodetud "Balanset" seeria mõõtesüsteeme. Siiski on ka mõned kliendid, kes kavatsevad selliseid mõõtesüsteeme iseseisvalt valmistada. Seetõttu on mõttekas arutada tasakaalustusmasina mõõtesüsteemi ehitamist üksikasjalikumalt. Nende süsteemide peamine nõue on vajadus tagada tasakaalustatud rootori pöörlemissagedusel ilmneva võnkesignaali pöörlemiskomponendi amplituudi ja faasi väga täpne mõõtmine. See eesmärk saavutatakse tavaliselt tehniliste lahenduste kombinatsiooni abil, sealhulgas:
4.1. Vibratsiooniandurite valik
Tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides võib kasutada mitmesuguseid vibratsiooniandureid (andureid), sealhulgas:
4.1.1. Vibratsiooni kiirendusandurid
Vibratsioonikiirendusanduritest on kõige laialdasemalt kasutusel pieso ja mahtuvuslik (kiibiga) kiirendusandur, mida saab tõhusalt kasutada pehme laagri tüüpi tasakaalustusmasinates. Praktikas on üldiselt lubatud kasutada vibratsioonikiirendusandureid, mille muundamiskoefitsient (Kpr) on vahemikus 10 kuni 30 mV/(m/s²). Eriti suurt tasakaalustamistäpsust nõudvate tasakaalustusmasinate puhul on soovitatav kasutada kiirendusandureid, mille Kpr on 100 mV/(m/s²) ja rohkem. Joonisel 4.1 on esitatud näide piesoaktseleromeetritest, mida saab kasutada vibratsioonianduritena tasakaalustusmasinates, ning sellel on näidatud OÜ "Izmeritel" toodetud piesoaktseleromeetrid DN3M1 ja DN3M1V6.
Joonis 4.1. Pieso kiirendusmõõturid DN 3M1 ja DN 3M1V6
Selliste andurite ühendamiseks vibratsioonimõõteseadmete ja -süsteemidega on vaja kasutada väliseid või sisseehitatud laenguvõimendeid.
Joonis 4.2. Kapatsitiivsed kiirendusmõõturid AD1, mille on valmistanud OÜ "Kinematics".
Tuleb märkida, et neil anduritel, mille hulka kuuluvad ka laialdaselt kasutatavad mahtuvuslikest kiirendusmõõturitest ADXL 345 (vt joonis 4.3) koosnevad plaadid, on mitmeid olulisi eeliseid võrreldes pieso kiirendusmõõturitega. Nimelt on need 4-8 korda odavamad, samasuguste tehniliste omaduste juures. Lisaks ei ole vaja kasutada kalleid ja keerulisi laenguvõimendeid, mida on vaja piesoaktseleromeetritele.
Kui tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides kasutatakse mõlemat tüüpi kiirendusmõõtjaid, toimub tavaliselt andurite signaalide riistvaraline integreerimine (või topeltintegreerimine).
Joonis 4.2. Koostatud mahtuvuslik kiirendusmõõtur AD 1.
Joonis 4.3. Võimsuskiirendusmõõturi plaat ADXL 345.
Sellisel juhul muundatakse algne anduri signaal, mis on proportsionaalne vibratsioonikiirendusega, vastavalt sellele signaaliks, mis on proportsionaalne vibratsioonikiiruse või nihkega. Vibratsioonisignaali kahekordse integreerimise protseduur on eriti oluline, kui kasutatakse kiirendusmõõtureid osana mõõtesüsteemidest madala kiirusega tasakaalustusmasinate puhul, kus rootorite alumine pöörlemissagedus tasakaalustamise ajal võib ulatuda 120 pöördeni minutis ja alla selle. Kui tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides kasutatakse mahtuvuslikke kiirendusmõõtjaid, tuleb arvestada, et pärast integreerimist võivad nende signaalid sisaldada madalsageduslikke häireid, mis ilmnevad sagedusvahemikus 0,5-3 Hz. See võib piirata nende andurite kasutamiseks ettenähtud masinate tasakaalustamise alumist sagedusvahemikku.
4.1.2. Vibratsioonikiiruse andurid 4.1.2.1. Induktiivsed vibratsioonikiiruse andurid. Need andurid sisaldavad induktiivset mähist ja magnetilist südamikku. Kui mähis vibreerib paigalseisva südamiku suhtes (või südamik paigalseisva mähise suhtes), tekitatakse mähises EMK, mille pinge on otseselt proportsionaalne anduri liikuva elemendi vibratsioonikiirusega. Induktiivsete andurite muundamiskoefitsiendid (Кпр) on tavaliselt üsna suured, ulatudes mitmete kümnete või isegi sadade mV/mm/sek. Eelkõige on Schencki mudeli T77 anduri muundumistegur 80 mV/mm/sek ja IRD Mechanalysis'i mudeli 544M anduri muundumistegur 40 mV/mm/sek. Mõnel juhul (näiteks Schencki tasakaalustusmasinates) kasutatakse spetsiaalseid väga tundlikke mehhaanilise võimendiga induktiivseid vibratsioonikiiruse andureid, mille puhul Kпр võib ületada 1000 mV/mm/sek. Kui tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides kasutatakse induktiivseid vibratsioonikiiruse andureid, võib vibratsioonikiirusega proportsionaalse elektrisignaali integreerida ka riistvaraliselt, muutes selle vibratsiooni nihkega proportsionaalseks signaaliks.
Joonis 4.4. IRD Mechanalysis'i mudel 544M andur.
Joonis 4.5. Schenck'i T77-mudeli andur Tuleb märkida, et nende tootmise töömahukuse tõttu on induktiivsed vibratsioonikiirusandurid üsna haruldased ja kallid esemed. Seetõttu kasutavad neid andureid hoolimata nende ilmsetest eelistest tasakaalustusmasinate amatööride tootjad neid väga harva.
4.1.2.2. Piesoelektrilistel kiirendusanduritel põhinevad vibratsioonikiirusandurid. Seda tüüpi andur erineb tavalisest piesoelektrilisest kiirendusandurist selle poolest, et selle korpuses on sisseehitatud laenguvõimendi ja integraator, mis võimaldab anda signaali, mis on proportsionaalne vibratsioonikiirusega. Näiteks on joonistel 4.6 ja 4.7 näidatud kodumaiste tootjate (firma ZETLAB ja OÜ "Vibropribor") valmistatud piesoelektrilised vibratsioonikiiruse andurid.
Joonis 4.6. ZETLABi (Venemaa) AV02-mudeli andur.
Joonis 4.7. OÜ "Vibropribor" andur mudel DVST 2. Selliseid andureid toodavad erinevad tootjad (nii kodumaised kui ka välismaised) ja neid kasutatakse praegu laialdaselt, eriti kaasaskantavates vibratsiooniseadmetes. Nende andurite hind on üsna kõrge ja võib ulatuda 20 000 kuni 30 000 rublani, isegi kodumaiste tootjate puhul.
4.1.3. Nihkeandurid Tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides võib kasutada ka kontaktivaba nihkeandureid - mahtuvuslikke või induktiivseid -. Need andurid võivad töötada staatilises režiimis, mis võimaldab registreerida vibratsiooniprotsesse alates 0 Hz. Nende kasutamine võib olla eriti tõhus aeglase pöörlemiskiirusega rootorite tasakaalustamisel, mille pöörlemiskiirus on 120 pööret minutis ja alla selle. Nende andurite muundamiskoefitsient võib ulatuda 1000 mV/mm ja kõrgemale, mis tagab suure täpsuse ja lahutusvõime nihkete mõõtmisel isegi ilma täiendava võimendamiseta. Nende andurite ilmne eelis on nende suhteliselt madal hind, mis mõne kodumaise tootja puhul ei ületa 1000 rubla. Nende andurite kasutamisel balansseerimismasinates tuleb arvestada, et anduri tundliku elemendi ja vibreeriva objekti pinna vaheline nominaalne töövahe on piiratud anduri mähise läbimõõduga. Näiteks joonisel 4.8 näidatud anduri, mudeli ISAN E41A "TEKO" puhul on ettenähtud töövahe tavaliselt 3,8-4 mm, mis võimaldab mõõta vibreeriva objekti nihet vahemikus ±2,5 mm.
Joonis 4.8. TEKO (Venemaa) induktiivne nihkeandur mudel ISAN E41A.
4.1.4. Jõuandurid Nagu eelnevalt märgitud, kasutatakse Hard Bearing tasakaalustusmasinatele paigaldatud mõõtesüsteemides jõuandureid. Need andurid, eelkõige nende lihtsa valmistamise ja suhteliselt madala hinna tõttu, on tavaliselt piesoelektrilised jõuandurid. Näited sellistest anduritest on esitatud joonistel 4.9 ja 4.10.
Joonis 4.9. Kinematika LLC jõusensor SD 1
Joonis 4.10: "STO Market" poolt müüdud jõuandur autode tasakaalustusmasinatele. Tugevusandureid, mida toodavad paljud kodu- ja välismaised tootjad, saab kasutada ka Hard Bearing tasakaalustusmasinate tugede suhteliste deformatsioonide mõõtmiseks.
4.2. Faasinurga andurid Vibratsiooni mõõtmise protsessi sünkroniseerimiseks tasakaalustatud rootori pöördenurgaga kasutatakse faasinurga andureid, näiteks laser- (fotoelektrilisi) või induktiivseid andureid. Neid andureid valmistavad eri konstruktsioonides nii kodumaised kui ka rahvusvahelised tootjad. Nende andurite hinnavahemik võib olla väga erinev, ulatudes umbes 40 kuni 200 dollarini. Näide sellisest seadmest on "Diamexi" toodetud faasinurkade andur, mis on näidatud joonisel 4.11.
Joonis 4.11: "Diamexi" faasinurga andur
Teise näitena on joonisel 4.12 näidatud LLC "Kinematics" poolt rakendatud mudel, mis kasutab Hiinas valmistatud DT 2234C mudeli lasertahomeetrid faasinurgaanduritena. Selle anduri ilmsed eelised on järgmised:
Joonis 4.12: Lasertahomeeter mudel DT 2234C
Mõnel juhul, kui optiliste laserandurite kasutamine ei ole mingil põhjusel soovitav, võib neid asendada induktiivsete kontaktivabade nihkeanduritega, näiteks eelnevalt mainitud ISAN E41A mudeliga või teiste tootjate sarnaste toodetega.
4.3. Vibratsiooniandurite signaalitöötluse omadused Vibratsioonisignaali pöörlemiskomponendi amplituudi ja faasi täpseks mõõtmiseks tasakaalustamisseadmetes kasutatakse tavaliselt riist- ja tarkvaraliste töötlemisvahendite kombinatsiooni. Need vahendid võimaldavad:
4.3.1. Lairiba signaali filtreerimine See protseduur on oluline, et puhastada vibratsioonianduri signaali võimalikest häiretest, mis võivad esineda nii seadme sagedusvahemiku alumises kui ka ülemises piiris. Tasakaalustusseadme mõõteseadme puhul on soovitatav seada ribapassifiltri alumine piir 2-3 Hz ja ülemine piir 50 (100) Hz. "Alumine" filtreerimine aitab summutada madalsageduslikke häireid, mis võivad ilmneda eri tüüpi andurite mõõtmisvõimendite väljundis. "Ülemine" filtreerimine kõrvaldab masina üksikute mehaaniliste komponentide kombinatsioonisagedustest ja võimalikest resonantsvibratsioonidest tingitud häireid.
4.3.2. Anduri analoogsignaali võimendamine Kui on vaja suurendada tasakaalustusmasina mõõtesüsteemi tundlikkust, võib vibratsiooniandurite signaale mõõteseadme sisendisse võimendada. Kasutada saab nii standardseid konstantse võimendusega võimendeid kui ka mitmeastmelisi võimendeid, mille võimendust saab programmeeritult muuta sõltuvalt anduri tegelikust signaalitasemest. Programmeeritava mitmeastmelise võimendi näide on näiteks LLC "L-Card" LLC "L-Card" poolt rakendatud võimendid pingemõõtmise muundurites, nagu E154 või E14-140.
4.3.3. Integratsioon Nagu eespool märgitud, soovitatakse tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides kasutada vibratsiooniandurite signaalide riistvaralist integreerimist ja/või kahekordset integreerimist. Seega saab algse kiirendusmõõturi signaali, mis on proportsionaalne vibrokiirusega, muuta signaaliks, mis on proportsionaalne vibrokiirusega (integreerimine) või vibronihke (kahekordne integreerimine). Samamoodi saab vibrokiiruse anduri signaali pärast integreerimist muuta vibronihke signaaliks, mis on proportsionaalne vibronihke suhtes.
4.3.4. Analoogsignaali kitsaribaline filtreerimine jälgimisfiltri abil Häirete vähendamiseks ja vibratsioonisignaali töötlemise kvaliteedi parandamiseks tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides võib kasutada kitsaribalisi jälgimisfiltreid. Nende filtrite kesksagedus häälestatakse automaatselt tasakaalustatud rootori pöörlemissagedusele, kasutades rootori pöörlemisanduri signaali. Selliste filtrite loomiseks saab kasutada kaasaegseid integraallülitusi, näiteks MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 firmalt "MAXIM".
4.3.5. Signaalide analoog-digitaalmuundamine Analoog-digitaalmuundamine on oluline protseduur, mis tagab võimaluse parandada vibratsioonisignaali töötlemise kvaliteeti amplituudi ja faasi mõõtmisel. Seda menetlust rakendatakse kõikides kaasaegsetes tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides. Näide selliste ADCde tõhusast rakendamisest on LLC "L-Card" tüüpi E154 või E14-140 tüüpi pingemõõtmise muundurid, mida kasutatakse mitmetes LLC "Kinematics" toodetud tasakaalustusmasinate mõõtesüsteemides. Lisaks sellele on LLC "Kinematics" kasutanud odavamaid mikroprotsessorsüsteeme, mis põhinevad "Arduino" kontrolleritel, "Microchip" mikrokontrolleril PIC18F4620 ja muudel sarnastel seadmetel.
Artikli autor : Feldman Valeri Davidovitš
Toimetaja ja tõlge : Nikolai Andrejevitš Šelkovenko
Vabandan võimalike tõlkevigade eest.