شتابسنج چیست؟ راهنمایی برای تحلیل ارتعاش
یک شتاب سنج عبارت است از مبدل (یا حسگر) که حرکت مکانیکی را — بهویژه شتابِ شتاب تولیدشده توسط ارتعاش یا ضربه — به یک سیگنال الکتریکی متناسب تبدیل میکند. این حسگر بیتردید پرکاربردترین حسگر در نگهداری و تعمیرات پیشبینانه و پایش وضعیت. با اندازهگیری سرعت تغییر سرعت یک نقطه روی یک دستگاه، شتابسنج دادههای خام را فراهم میکند که به یک تحلیلگر امکان تشخیص طیف گستردهای از نقصهای مکانیکی و الکتریکی را میدهد — از عیوب یاتاقان به عدم تعادل و ناهمترازی.
۱. تعریف: هستهٔ اندازهگیری ارتعاش
شتابسنج کمیت طبیعی برای اندازهگیری در ماشینآلات چرخان است، زیرا نیروهای دینامیکی که به ماشین آسیب میرسانند — نیروی گریز از مرکز ناشی از نقطهای سنگین، برخورد ناشی از جدا شدن حلقه یاتاقان — با شتاب متناسباند. شتابسنج مستقیماً به این نیروها پاسخ میدهد، به همین دلیل در قلب تقریباً هر دستگاه مدرن قرار دارد. آنالایزر ارتعاش و دادهجمعکن.
یکی از مزایای عملی شتابسنج این است که سیگنال شتاب آن را میتوان بهصورت الکترونیکی یکپارچه یکبار انتگرالگیری کرد تا سرعت (mm/s) بهدست آید، و دو بار انتگرالگیری کرد تا جابجایی (میکرون). بنابراین یک حسگر واحد با نصب مناسب، هر سه واحد ارتعاش کلاسیک را پوشش میدهد و به تحلیلگر اجازه میدهد هر کدام را که بهتر یک نقص معین را آشکار میکند، انتخاب کند.
۲. شتابسنجها چگونه کار میکنند؟ اصل پیزوالکتریک
اگرچه چندین اصل فیزیکی وجود دارد، اکثریت قاطع شتابسنجهای مورد استفاده در ماشینآلات صنعتی بر پایهٔ اصل پیزوالکتریک کار میکنند اثر پیزوالکتریک. توالی کار ساده است:
- بلور پیزوالکتریک: در داخل حسگر، یک جرم لرزهای کوچک به یک پیزوالکتریک عنصر — معمولاً یک سرامیک مانند PZT، یا در حسگرهای ردهبالا یک بلور کوارتز با تراش دقیق.
- اعمال نیرو: وقتی دستگاه میلرزد، محفظه همراه آن حرکت میکند. بهدلیل لختی، جرم داخلی در برابر آن حرکت مقاومت میکند و نیرویی بر بلور وارد میکند — برابر، طبق قانون دوم نیوتن، با جرم ضربدر شتاب.
- تولید یک سیگنال: یک بلور پیزوالکتریک تحت فشار، بار الکتریکی کوچکی تولید میکند که مستقیماً با نیروی واردشده و در نتیجه با شتاب متناسب است.
- خروجی: الکترونیک داخلی این بار را شرطی کرده و آن را از طریق یک کابل به یک دستگاه جمعآوری داده یا سیستم پایش بهعنوان نمایش آنالوگ شتاب در آن نقطه منتقل میکند.
نحوهٔ شرطیسازی این بار، دو خانوادهٔ رایج را تعریف میکند. یک خروجی-شارژ حسگر بار خام را به یک تقویتکنندهٔ خارجی میفرستد تقویت کننده بار را تحمل میکند. اما در صنعت، بسیار رایجتر IEPE (یا حالت ولتاژینوعی که تقویتکننده را در خود حسگر تعبیه میکند و ولتاژی با امپدانس پایین تولید میکند که بهخوبی از طریق کابل دوسیم معمولی منتقل میشود. مقاومترین طراحیها از یک برش ساختاری که کریستال را از خمش پایه و نوسانات حرارتی ایزوله میکند.
۳. انواع شتابسنجها
کاربردهای مختلف به حسگرهای متفاوتی نیاز دارند که هر یک نقاط قوت خاص خود را دارند.
شتابسنجهای همهمنظوره
اینها اسبهای کاری نظارت صنعتی هستند. آنها معمولاً یک حساسیت با حساسیت ۱۰۰ میلیولت بر گرم و محدوده فرکانسی مناسب برای اکثر ماشینآلات رایج مانند پمپها، موتورها و فنها — تقریباً از ۲ هرتز تا ۱۰ کیلوهرتز.
شتابسنجهای MEMS
شتابسنجهای سیستمهای میکروالکترومکانیکی (MEMS) مبتنی بر سیلیکون، بسیار کوچک، کممصرف و مقرونبهصرفه هستند. اگرچه از نظر تاریخی حساسیت کمتری نسبت به انواع پیزوالکتریک داشتهاند، دستگاههای مدرن MEMS بهسرعت در حال پیشرفتاند و در لوازم الکترونیکی قابلحمل، سامانههای خودرویی، نظارت بیسیم گرهها و نصبهای پایش وضعیت کمهزینه.
شتابسنجهای پیزومقاومتی
این حسگرها که برای آزمون ضربه و حرکت کمفرکانس به کار میروند، تا فرکانس صفر هرتز (شتاب مستقیم) پاسخ میدهند؛ این ویژگی آنها را برای اندازهگیری شتاب ثابت در سانتریفیوژ یا حرکت کند یک وسیله نقلیه مناسب میسازد.
شتابسنجهای فرکانس بالا
این حسگرها که برای ثبت رویدادهای با فرکانس بالا مانند آسیبهای اولیه به چرخدندهها و یاتاقانها طراحی شدهاند، از جرم لرزهای کوچکتر و فرکانس تشدیدی بالاتر بهره میبرند و امکان اندازهگیری دقیق تا ۲۰ کیلوهرتز یا بیشتر را فراهم میکنند — محدودهای که در آن تکنیکهایی مانند تحلیل پوششی و روش پالس شوک جای میگیرند.
۴. مشخصات کلیدی و انتخاب
هنگام انتخاب شتابسنج، مهندسان چندین پارامتر را در نظر میگیرند:
- حساسیت (میلی ولت بر گرم): حساسیت بالاتر، خروجی قویتری تولید میکند که برای تشخیص ارتعاشهای سطح پایین مناسبتر است؛ ۱۰۰ میلیولت بر گرم استاندارد صنعتی رایج است.
- پاسخ فرکانسی: باند وسیعهای است که حسگر در آن با دقت میخواند. این باند باید محدودهی مورد انتظار را در بر گیرد. فرکانسهای خطا از دستگاه، با یک حاشیهٔ مناسب در زیر خودِ حسگر فرکانس طبیعی (تشدیدی).
- محدوده دما: سنسور باید در برابر دمای سطحی محل نصب خود مقاومت کند؛ یک سنسور دما اغلب برای نظارت ترکیبی در کنار هم قرار میگیرند.
- روش نصب: نحوهٔ اتصال حسگر — پیچ مهاری، چسب یا آهنربا — بهشدت بر دقت فرکانسهای بالا اثر میگذارد. نصب با پیچ مهاری طبق ISO 5348 بهترین کوپلینگ و بیشترین پهنای باند قابل استفاده را فراهم میکند؛ آهنربا برای پایش روت مناسب است اما حد بالای فرکانس را کاهش میدهد. نصب نامناسب نصب میتواند یک مؤلفهٔ کاذب ایجاد کند رزونانس نصب که خود را به صورت یک نقص مکانیکی جا میزند.
میتوانید افت پهنای باند ناشی از یک روش اتصال مشخص را با محاسبهگر رزونانس نصب شتابسنج پیش از متعهد شدن به یک طرح نصب.
۵. کاربردها در پایش وضعیت
شتابسنجها زیربنای تقریباً هر تحلیل ارتعاشات وظیفه، شامل:
- برنامههای نگهداری پیشبینانه: گردآوری دادههای روتین در مورد یک مسیر رصد وضعیت دستگاه و پیشبینی خرابیها.
- تشخیص عیب: مشخص کردن عدم تعادل، ناهمسوئی, سستی و سایش یاتاقان از طیف ارتعاش.
- آزمون پذیرش: تأیید اینکه ماشینآلات جدید یا تعمیرشده با مشخصات ارتعاش مانند ISO 20816 (جانشین مدرن ایزو ۱۰۸۱۶).
- تحلیل مودال: مطالعهٔ فرکانسهای طبیعی و شکلهای حالت از یک سازه.
بالانس میدانی یکی از پرچالشترین این کارهاست، زیرا هم به دامنه و هم به فاز نیاز دارد و آن فاز از ارتعاش یکبار در هر دور. یک دستگاه قابل حمل دوکاناله مانند Balanset-1A دو شتابسنج خود را میگیرد، آنها را به یک پالس تاکومتر قفل میکند دورسنج و پالس را اندازهگیری میکند و بهطور مستقیم دامنه و فاز ۱× را در یاتاقانهای خودِ دستگاه در سرعت عملیاتی اندازهگیری مینماید — و بدین ترتیب سیگنال خام شتابسنج را به ضرایب تأثیر و وزنهای اصلاحی مورد نیاز برای بالانس کردن روتور در محل تبدیل میکند.
