Seismiliste muundurite mõistmine
A seismiline andur — tuntud ka seismilise anduri või inertsmuundajana — on vibratsioon andur, mis kasutab sisemist seismilist massi (“võrdlusmass”), mis on riputatud vedrudele või painduvatele elementidele inertsreferentsina, võimaldades mõõta anduri aluse absoluutset liikumist. Kui korpus vibreerib, kaldub riputatud mass ruumis paigale jääma (tingimusel, et sagedus on üle mass-vedru süsteemi’s omasagedus), ning liikuva korpuse ja peaaegu paigal seisva massi vaheline suhteline liikumine muudetakse elektriliseks signaaliks, mis esindab vibratsiooni. Määravaks tunnuseks on see, et referents on kaasas inside anduris endas, seega ei ole vaja välist fikseeritud tugipunkti.
Nimetus “seismiline” pärineb maavärinainstrumentatsioonist: seismomeetri riputatud mass jääb suhteliselt paigale, samal ajal kui maa selle all liigub. Masinate seisundijälgimisel on mõlemad kiirusandurid ja kiirendusmõõturid selles tähenduses seismilised muundajad, kuigi terminit seostatakse kõige sagedamini klassikalise kiiruse anduriga.
1. Tööpõhimõte
Massvedru-amortisaatori süsteem
Iga seismiline muundaja on põhimõtteliselt väike mehaaniline ostsillaator nelja funktsionaalse osaga:
- Seismiline mass: kalibreeritud võrdlusmass, mis on riputatud anduri korpuse sisse.
- Kevad: mehaanilised vedrud või õhukesed painduvelemendid, mis toetavad massi.
- Summutus: õhu-, magnetiline (pöördvoolud) või vedelikuamort, mis summutab resonantsi.
- Ülekanne: element, mis muudab massi ja korpuse vahelise suhtelise liikumise pingeks.
Sageduskarakteristikud
Anduri käitumine sõltub täielikult sellest, kuhu ergastussagedus jääb võrreldes anduri enda loomusliku sagedusega:
- Alla loomusliku sageduse: mass ja korpus liiguvad koos, seega on suhteline liikumine väike ja reaktsioon halb.
- Loomulikul sagedusel: süsteem resoneerib — väljund võimendub, kuid on moonutatud ja ebausaldusväärsus.
- Üle loomusliku sageduse: mass jääb tegelikult paigale, samal ajal kui korpus selle ümber vibreerib. See on hea mõõtmispiirkond.
- Kasutatav vahemik: tavapäraselt loetakse selleks rohkem kui umbes 2× loomulikku sagedust, kus vastus on stabiliseerunud ja tasane.
2. Seismiliste andurite tüübid
Kiirusmuundurid (liikuvmähis)
- Magnet on vedrudel riputatud fikseeritud mähise sisse (või vastupidi).
- Magneti ja mähise suhteline kiirus tekitab elektromagnetilise induktsiooni teel pinge.
- Loomulik sagedus on tavaliselt 8–15 Hz.
- Kasutatav umbes 16–30 Hz ja kõrgemal.
- Mõõdab kiirust otse, ilma signaali integratsioonita.
Kiirendusmõõturid
- Piesoelektriline tüübid kasutavad massi inertsijõu tuvastamiseks piesoelektrilist kristalli.
- MEMS-tüübid kasutavad mikrotöödeldud elemendil mahtuvuslikku või piesoresistiivset tuvastamist.
- Oluliselt kõrgem loomulik sagedus, tavaliselt 10–30 kHz.
- Kasutatav alates umbes 1 Hz-st.
- Mõõdab kiirendust, mida saab integreerida kiiruseks või nihkeks.
3. Seismiline versus mitteseismilised andurid
Seismilise perekonna mõistmiseks on kasulik seda võrrelda anduritega, mis tuginevad välisele võrdluspunktile.
Seismilised andurid (inertsiaalne viide)
- Kiirendusanduri ja kiiruse muunduri.
- Mõõdavad absoluutset liikumist inertsiaalsetes ruumis.
- Paigaldatakse otse vibreerivale konstruktsioonile.
- Kannavad võrdluspunktina oma sisemist massi.
- Kõige levinum valik masinate seisukorra jälgimiseks.
Mitteseismilised andurid (väline viide)
- Lähedusandurid (induktiivsed andurid).
- Kahepealse pinna suhtelise liikumise mõõtmine.
- Vajavad vaatamiseks fikseeritud kinnituspunkti.
- Mõõdavad tavaliselt võlli liikumist laagri suhtes.
- Standard völli vibratsiooni mõõtmiseks masinatel, millel on liuglaagrid.
4. Seismilise konstruktsiooni eelised
Iseseisev viide
- Välist võrdlustasandit ei ole vaja.
- Andurit saab paigaldada peaaegu igale kohtale vibreerivale konstruktsioonile.
- See mõõdab tõelist absoluutset liikumist inertsiaalkeskkonnas.
Mitmekülgsus
- Üks anduri tüüp katab väga paljusid rakendusi.
- Sobib nii ajutisteks mõõtmiskampaaniateks kui ka statsionaarseteks paigaldusteks.
- Hõlpsasti liigutatav masinalt masinale.
See mitmekülgsus ongi põhjus, miks kaasaskantavad instrumendid neile toetuvad. Kahekanaliline Balanset-1A, võtab näiteks mõõtmised laagrimajadele kinnitatud kiirendusanduritelt — seismilised iseviitvad andurid, mis ei vaja fikseeritud tugipunkti, mistõttu saab insener välitingimustes tasakaalustades kiiresti liikuda mõõtepunktide ja masinate vahel.
5. Piirangud
Sageduskarakteristiku piirangud
- Ei suuda usaldusväärselt mõõta sagedusest ligikaudu alla 2× naturaalresonantsi sageduse.
- Liikuva mähisega kiirustransdutserid reageerivad eriti halvasti sagedusala all 15–20 Hz.
- Siin esineb paratamatu kompromiss: madalam naturaalresonantsi sagedus tagab parema madalasageduslikku ulatust, kuid nõuab suuremat ja raskemat andurit.
Mõõdab eluaseme liikumist
- Andur kajastab laagrimaja liikumist, mitte otse võlli liikumist.
- Laagrimaja vibratsioon ei võrdu võlli vibratsiooniga — seda filtreerib laagri jäikus ja ümbritsev konstruktsioon.
- Kui otsustavaks osutub tegelik võlli orbiit, on vajalikud hoopis lähestusandurid.
6. Rakendused
Masinate seisukorra jälgimine
- Laagri elutsükli vibratsioonimõõtmised.
- Üldine vibratsiooni suundumuste jälgimine.
- Bearing-defect tuvastamine.
- Pöörlevate masinate üldine diagnostika.
Struktuurne vibratsioon
- Hoonete ja vundamentide vibratsiooniuuringud.
- Maavärinate seismilised mõõtmised.
- Masinatest leviv mullaviibratsioon.
Modaalne analüüs
- Konstruktsiooni vastuse mõõtmine kalibreeritud löögile.
- Determining omasagedused ja režiimi kujundid.
- Building the sageduskarakteristiku funktsioonid kasutatakse modaalne analüüs.
Seismilised transdutserid, mis kasutavad sisemist rippuva massiga inertsiaalsidest, moodustavad pöörlevate masinate vibratsioonimõõtmise aluse. Seismilise põhimõtte mõistmine — kuidas rippuv mass võimaldab absoluutse liikumise mõõtmist ning miks see mõõtmine kehtib ainult üle anduri naturaalresonantsi sageduse — selgitab nii kiirendusandurite kui kiirustransdutserite tugevusi ja piiranguid, mis on iga tööstusvibratsiooni analüüsiprogrammi peamised tööriistad.
