Seismiliste muundurite mõistmine
A seismiline andur — tuntud ka seismilise anduri või inertsmuundajana — on vibratsioon andur, mis kasutab inertse viitena sisemist seismilist massi (“proof mass”), mis on riputatud vedrudele või painduvatele liigenditele, võimaldades tal mõõta anduri aluse absoluutset liikumist. Kui korpus vibreerib, teisendatakse riputatud massi ja korpuse vaheline suhteline liikumine elektriliseks signaaliks, mis esindab vibratsiooni. Sõltuvalt sellest, kus mõõdetav sagedus paikneb mass-vedrusüsteemi omasagedus, töötab andur ühes kahest režiimist: resonantsist kõrgemal kipub mass ruumis paigal püsima ja suhteline liikumine järgib korpuse nihet (klassikaline seismomeetri ja kiirusanduri režiim), samal ajal kui resonantsist madalamal on massi väike jääknihke suurus võrdeline korpuse kiirendusega (kiirendusanduri režiim). Määrav omadus on see, et viide kantakse kaasa sees 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
Mass-vedru-summuti süsteem
Iga seismiline muundaja on põhimõtteliselt väike mehaaniline ostsillaator nelja funktsionaalse osaga:
- Seismiline mass: kalibreeritud võrdlusmass, mis on riputatud anduri korpuse sisse.
- Vedru: mehaanilised vedrud või õhukesed painduvelemendid, mis toetavad massi.
- Summutus: õhu-, magnetiline (pöördvoolud) või vedelikuamort, mis summutab resonantsi.
- Teisendus: element, mis muudab massi ja korpuse vahelise suhtelise liikumise pingeks.
Sageduskarakteristikud
Anduri käitumine sõltub täielikult sellest, kuhu ergastussagedus langeb tema enda omasageduse suhtes — ja kaks peamist anduriperekonda töötavad teadlikult resonantsi vastaskülgedel:
- Alla omasageduse (kiirendusanduri režiim): mass ja korpus liiguvad sisuliselt koos ning massi väike jääknihke suurus on võrdeline korpuse kiirendus. Piesoelektrilised ja MEMS kiirendusandurid töötavad siin, allpool oma kõrget paigaldatud resonantsi.
- Loomulikul sagedusel: süsteem satub resonantsi — väljund võimendub, kuid on moonutatud ja ebausaldusväärne, seega välditakse mõõtmist resonantsi lähedal.
- Üle omasageduse (seismomeetri režiim): mass püsib tõhusalt paigal, samal ajal kui korpus selle ümber vibreerib, ning suhteline liikumine järgib korpuse nihe (või kiirust). Nihkeseismomeetrid ja liikuvmähisega kiirusandurid töötavad siin, üle oma madala omasageduse.
- Kasutatavad vahemikud: kiirusandurit kasutatakse tavapäraselt umbes 2× oma omasagedusest kõrgemal, kus selle vastus on välja kujunenud ja tasane; kiirendusandurit kasutatakse tunduvalt allpool selle paigaldatud resonantsi — hea täpsuse jaoks tavaliselt kuni umbes ühe kolmandikuni sellest.
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.
- Palju kõrgem (paigaldatud) omasagedus, tavaliselt 10–30 kHz.
- Erinevalt kiirusanduritest kasutatakse allpool resonantsi: kasutatav vahemikus umbes 1 Hz kuni ligikaudu üks kolmandik paigaldatud resonantssagedusest.
- 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
- Kiirusandurid ei saa usaldusväärselt mõõta allpool ligikaudu 2× nende omasagedust; eriti halvasti reageerivad liikuva mähisega tüübid alla 15–20 Hz. Siin on loomulik kompromiss: madalam omasagedus parandab madalsageduslikku ulatust, kuid nõuab suuremat ja raskemat andurit.
- Kiirendusandurid kaotavad täpsust, kui mõõtesagedus läheneb nende paigaldatud resonantsile; praktiline ülemine piir (tavaliselt umbes üks kolmandik paigaldatud resonantsist) sõltub tugevalt paigaldusviisist (vt ISO 5348).
- Väga madalatel sagedustel piiravad kiirendusanduri vastust pigem tundeelement ja võimendi elektroonika kui seismiline vedrustus — tavaliselt kuni umbes 0.5–1 Hz standardsete tööstuslike seadmete puhul.
Mõõdab korpuse 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.
- Laagri defekt tuvastamine.
- Pöörlevate masinate üldine diagnostika.
Struktuurne vibratsioon
- Hoonete ja vundamentide vibratsiooniuuringud.
- Maavärinate seismilised mõõtmised.
- Masinatest leviv mullaviibratsioon.
Modaalne analüüs
- Konstruktsiooni vastuse mõõtmine kalibreeritud löögile.
- Määramine omasagedused ja võnkevormid.
- Koostamine sageduskarakteristiku funktsioonid kasutatakse modaalne analüüs.
Seismilised muundurid, mis kasutavad inertsiaalse võrdlusena sisemist vedrustatud massi, on pöörlevate masinate vibratsioonimõõtmise alus. Seismilise põhimõtte mõistmine — kuidas vedrustatud mass võimaldab absoluutliikumise mõõtmist ning miks kiirusandurid töötavad üle oma omasageduse, samal ajal kui kiirendusandurid töötavad alla paigaldatud resonantsi — selgitab nii nende kahe iga tööstusliku vibratsioonianalüüsi programmi tööhobuse tugevusi kui ka piiranguid.
