4. Tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmät
Useimmat tasapainotuskoneiden harrastajavalmistajat, jotka ottavat yhteyttä LLC "Kinematics" -yhtiöön, aikovat käyttää suunnittelussaan yhtiömme valmistamia "Balanset"-sarjan mittausjärjestelmiä. On kuitenkin myös joitakin asiakkaita, jotka aikovat valmistaa tällaisia mittausjärjestelmiä itsenäisesti. Siksi on järkevää keskustella yksityiskohtaisemmin tasapainotuskoneen mittausjärjestelmän rakentamisesta. Tärkein vaatimus näille järjestelmille on tarve tuottaa erittäin tarkkoja mittauksia tasapainotetun roottorin pyörimistaajuudella ilmenevän värähtelysignaalin pyörimiskomponentin amplitudista ja vaiheesta. Tämä tavoite saavutetaan tavallisesti käyttämällä teknisten ratkaisujen yhdistelmää, johon kuuluvat mm:
4.1. Tärinäantureiden valinta
Tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä voidaan käyttää erityyppisiä värähtelyantureita (antureita), kuten:
4.1.1. Tärinäkiihtyvyysanturit
Värähtelykiihtyvyysantureista eniten käytetään pietso- ja kapasitiivisia (siru) kiihtyvyysantureita, joita voidaan käyttää tehokkaasti pehmeän laakerin tyyppisissä tasapainotuskoneissa. Käytännössä on yleensä sallittua käyttää värähtelykiihtyvyysantureita, joiden muuntokertoimet (Kpr) ovat välillä 10-30 mV/(m/s²). Tasapainotuskoneissa, joissa vaaditaan erityisen suurta tasapainotustarkkuutta, on suositeltavaa käyttää kiihtyvyysantureita, joiden Kpr on vähintään 100 mV/(m/s²). Esimerkkinä pietsokiihtyvyysantureista, joita voidaan käyttää tärinäantureina tasapainotuskoneissa, kuvassa 4.1 on esitetty LLC "Izmeritelin" valmistamat pietsokiihtyvyysanturit DN3M1 ja DN3M1V6.
Kuva 4.1. Pietsokiihtyvyysmittarit DN 3M1 ja DN 3M1V6.
Tällaisten antureiden liittämiseksi tärinän mittauslaitteisiin ja -järjestelmiin on käytettävä ulkoisia tai sisäänrakennettuja varausvahvistimia.
Kuva 4.2. Kapasitiiviset kiihtyvyysmittarit AD1, valmistaja LLC "Kinematics".
On huomattava, että näillä antureilla, joihin kuuluvat markkinoilla laajalti käytetyt kapasitiivisten kiihtyvyysmittareiden ADXL 345 -levyt (ks. kuva 4.3), on useita merkittäviä etuja pietsokiihtyvyysmittareihin verrattuna. Ne ovat erityisesti 4-8 kertaa halvempia, ja niiden tekniset ominaisuudet ovat samanlaiset. Lisäksi ne eivät vaadi pietsokiihtyvyysantureissa tarvittavien kalliiden ja hankalien varaustehostimien käyttöä.
Jos tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä käytetään molempia kiihtyvyysmittarityyppejä, anturisignaalit integroidaan yleensä laitteistolla (tai kaksoisintegroinnilla).
Kuva 4.2. Kapasitiiviset kiihtyvyysmittarit AD 1, koottu.
Kuva 4.3. Kapasitiivinen kiihtyvyysanturikortti ADXL 345.
Tällöin alkuperäinen anturisignaali, joka on verrannollinen värähtelykiihtyvyyteen, muutetaan vastaavasti värähtelynopeuteen tai -siirtymään verrannolliseksi signaaliksi. Värähtelysignaalin kaksoisintegrointi on erityisen tärkeää käytettäessä kiihtyvyysantureita osana hidaskäyntisten tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmiä, joissa roottorin alempi pyörimistaajuusalue tasapainotuksen aikana voi olla 120 rpm tai alle. Käytettäessä kapasitiivisia kiihtyvyysmittareita tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä on otettava huomioon, että integroinnin jälkeen niiden signaalit voivat sisältää matalataajuisia häiriöitä, jotka ilmenevät taajuusalueella 0,5-3 Hz. Tämä voi rajoittaa näitä antureita käyttämään tarkoitettujen koneiden tasapainotuksen alempaa taajuusaluetta.
4.1.2. Tärinänopeusanturit 4.1.2.1. Induktiiviset tärinänopeusanturit. Näissä antureissa on induktiivinen kela ja magneettiydin. Kun kela värähtelee suhteessa paikallaan olevaan ytimeen (tai ydin suhteessa paikallaan olevaan kelaan), kelaan indusoituu sähkömagneettinen jännite, jonka jännite on suoraan verrannollinen anturin liikkuvan elementin värähtelynopeuteen. Induktiivisten antureiden muuntokertoimet (Кпр) ovat yleensä melko korkeita, jopa useita kymmeniä tai jopa satoja mV/mm/s. Erityisesti Schenckin T77-mallin anturin muuntokerroin on 80 mV/mm/s ja IRD:n Mechanalysis 544M-mallin anturin muuntokerroin on 40 mV/mm/s. Tämä kerroin voi olla suuri, mutta se on myös suuri. Joissakin tapauksissa (esimerkiksi Schenckin tasapainotuskoneissa) käytetään erityisiä erittäin herkkiä induktiivisia värähtelynopeusantureita, joissa on mekaaninen vahvistin ja joissa Кпр voi olla yli 1000 mV/mm/s. Tämän vuoksi on syytä ottaa huomioon, että induktiivisten värähtelynopeusantureiden muuntokertoimet ovat erittäin herkkiä. Jos induktiivisia värähtelynopeusantureita käytetään tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä, värähtelynopeuteen verrannollinen sähköinen signaali voidaan myös integroida laitteistolla, jolloin se muunnetaan värähtelysiirtymään verrannolliseksi signaaliksi.
Kuva 4.4. IRD Mechanalysis -yrityksen 544M-mallin anturi.
Kuva 4.5. Schenckin T77-mallin anturi On huomattava, että induktiiviset värähtelynopeusanturit ovat niiden valmistuksen työläyden vuoksi melko harvinaisia ja kalliita tuotteita. Siksi tasapainotuskoneiden harrastajavalmistajat käyttävät näitä antureita hyvin harvoin niiden ilmeisistä eduista huolimatta.
4.1.2.2. Pietsosähköisiin kiihtyvyysmittareihin perustuvat tärinänopeusanturit. Tämäntyyppinen anturi eroaa tavallisesta pietsosähköisestä kiihtyvyysanturista siten, että sen kotelossa on sisäänrakennettu varausvahvistin ja integraattori, joiden avulla se voi antaa värähtelynopeuteen verrannollisen signaalin. Esimerkiksi kotimaisten valmistajien (ZETLAB-yhtiö ja LLC "Vibropribor") valmistamat pietsosähköiset värähtelynopeusanturit on esitetty kuvissa 4.6 ja 4.7.
Kuva 4.6. ZETLABin (Venäjä) AV02-anturimalli.
Kuva 4.7. LLC "Vibropribor" -yhtiön DVST 2 -anturimalli. Tällaisia antureita valmistavat useat eri valmistajat (sekä kotimaiset että ulkomaiset), ja niitä käytetään nykyisin laajalti erityisesti kannettavissa tärinän mittauslaitteissa. Näiden antureiden hinta on melko korkea ja voi nousta 20 000-30 000 ruplaan kappaleelta, jopa kotimaisilta valmistajilta.
4.1.3. Siirtymäanturit Tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä voidaan käyttää myös kosketuksettomia - kapasitiivisia tai induktiivisia - siirtymäantureita. Nämä anturit voivat toimia staattisessa tilassa, jolloin värähtelyprosessit voidaan rekisteröidä 0 Hz:stä alkaen. Niiden käyttö voi olla erityisen tehokasta tasapainotettaessa hidaskäyntisiä roottoreita, joiden pyörimisnopeus on enintään 120 rpm. Näiden antureiden muuntokertoimet voivat olla jopa 1000 mV/mm tai enemmän, mikä takaa suuren tarkkuuden ja erottelukyvyn siirtymän mittaamisessa jopa ilman lisävahvistusta. Näiden antureiden ilmeinen etu on niiden suhteellisen alhainen hinta, joka ei joidenkin kotimaisten valmistajien osalta ylitä 1000 ruplaa. Kun näitä antureita käytetään tasapainotuskoneissa, on tärkeää ottaa huomioon, että anturin herkän elementin ja värähtelevän kappaleen pinnan välistä nimellistä työskentelyväliä rajoittaa anturikelan halkaisija. Esimerkiksi kuvassa 4.8 esitetyn anturin, TEKO:n ISAN E41A -mallin, määritetty työskentelyväli on tyypillisesti 3,8-4 mm, mikä mahdollistaa värähtelevän kappaleen siirtymän mittaamisen ±2,5 mm:n alueella.
Kuva 4.8. Induktiivinen siirtymäanturi, malli ISAN E41A, TEKO (Venäjä).
4.1.4. Voima-anturit Kuten aiemmin todettiin, Hard Bearing -tasapainotuskoneisiin asennetuissa mittausjärjestelmissä käytetään voima-antureita. Nämä anturit, erityisesti niiden yksinkertaisen valmistuksen ja suhteellisen alhaisen hinnan vuoksi, ovat yleensä pietsosähköisiä voima-antureita. Esimerkkejä tällaisista antureista esitetään kuvissa 4.9 ja 4.10.
Kuva 4.9. Kinematika LLC:n voima-anturi SD 1
Kuva 4.10: "STO Marketin" myymä voima-anturi autojen tasapainotuskoneisiin. Strain gauge -voima-antureita, joita valmistavat monet kotimaiset ja ulkomaiset valmistajat, voidaan käyttää myös Hard Bearing -tasapainotuskoneiden tukien suhteellisten muodonmuutosten mittaamiseen.
4.2. Vaihekulma-anturit Värähtelyn mittausprosessin synkronoimiseksi tasapainotetun roottorin pyörimiskulman kanssa käytetään vaihekulma-antureita, kuten laser- (valosähköisiä) tai induktiivisia antureita. Näitä antureita valmistetaan eri malleissa sekä kotimaisten että kansainvälisten valmistajien toimesta. Näiden antureiden hintaluokka voi vaihdella huomattavasti, noin 40-200 dollariin. Esimerkki tällaisesta laitteesta on "Diamexin" valmistama vaihekulma-anturi, joka on esitetty kuvassa 4.11.
Kuva 4.11: "Diamexin" vaihekulma-anturi.
Toisena esimerkkinä kuvassa 4.12 esitetään LLC "Kinematics" -yhtiön toteuttama malli, jossa käytetään Kiinassa valmistettuja DT 2234C -mallin lasertakometrejä vaihekulma-antureina. Tämän anturin ilmeisiä etuja ovat:
Kuva 4.12: Lasertakometri malli DT 2234C.
Jos optisten laserantureiden käyttö ei jostain syystä ole toivottavaa, ne voidaan joissakin tapauksissa korvata induktiivisilla kosketuksettomilla siirtymäantureilla, kuten aiemmin mainitulla ISAN E41A -mallilla tai muiden valmistajien vastaavilla tuotteilla.
4.3. Tärinäantureiden signaalinkäsittelyominaisuudet Tasapainotuslaitteiden värähtelysignaalin pyörimisliikkeen amplitudin ja vaiheen tarkkaan mittaamiseen käytetään yleensä laitteiston ja ohjelmiston käsittelytyökalujen yhdistelmää. Nämä työkalut mahdollistavat:
4.3.1. Laajakaistaisen signaalin suodatus Tämä menettely on välttämätön, jotta tärinäanturin signaali voidaan puhdistaa mahdollisista häiriöistä, joita voi esiintyä sekä laitteen taajuusalueen ala- että ylärajoilla. Tasapainotuskoneen mittauslaitteessa on suositeltavaa asettaa kaistanpäästösuodattimen alaraja 2-3 Hz:iin ja yläraja 50 (100) Hz:iin. "Alempi" suodatus auttaa vaimentamaan matalataajuisia häiriöitä, joita voi esiintyä erityyppisten anturimittausvahvistimien ulostulossa. "Ylempi" suodatus eliminoi mahdolliset häiriöt, jotka johtuvat koneen yksittäisten mekaanisten osien yhdistelmataajuuksista ja mahdollisista resonanssivärähtelyistä.
4.3.2. Anturin analogisen signaalin vahvistaminen Jos tasapainotuskoneen mittausjärjestelmän herkkyyttä on tarpeen lisätä, tärinäantureiden signaalit mittausyksikön tuloon voidaan vahvistaa. Voidaan käyttää sekä vakiovahvistimia, joissa on vakiovahvistus, että moniportaisia vahvistimia, joiden vahvistusta voidaan muuttaa ohjelmallisesti anturin todellisen signaalitason mukaan. Esimerkkinä ohjelmoitavasta moniportaisesta vahvistimesta ovat vahvistimet, jotka on toteutettu jännitemittausmuuntimissa, kuten E154 tai E14-140, LLC:n "L-Card".
4.3.3. Integrointi Kuten aiemmin todettiin, tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä suositellaan tärinäanturisignaalien laitteisto-integrointia ja/tai kaksoisintegrointia. Siten alkuperäinen kiihtyvyysanturin signaali, joka on verrannollinen värähtelykiihtyvyyteen, voidaan muuntaa värähtelynopeuteen (integrointi) tai värähtelysiirtymään (kaksoisintegrointi) verrannolliseksi signaaliksi. Vastaavasti värähtelynopeusanturin signaali voidaan integroinnin jälkeen muuttaa värähtelysiirtymään verrannolliseksi signaaliksi.
4.3.4. Analogisen signaalin kapeakaistasuodatus seurantasuodattimen avulla Tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä voidaan käyttää kapeakaistaisia seurantasuodattimia häiriöiden vähentämiseksi ja värähtelysignaalien käsittelyn laadun parantamiseksi. Näiden suodattimien keskitaajuus viritetään automaattisesti tasapainotetun roottorin pyörimistaajuuden mukaiseksi roottorin kierrosanturin signaalin avulla. Tällaisten suodattimien luomiseen voidaan käyttää nykyaikaisia integroituja piirejä, kuten "MAXIMin" MAX263, MAX264, MAX267 ja MAX268.
4.3.5. Signaalien analogi-digitaalimuunnos Analogi-digitaalimuunnos on ratkaiseva menettely, jolla varmistetaan mahdollisuus parantaa värähtelysignaalin käsittelyn laatua amplitudin ja vaiheen mittauksen aikana. Tämä menettely on toteutettu kaikissa nykyaikaisissa tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä. Esimerkkinä tällaisten ADC:iden tehokkaasta käytöstä ovat LLC "L-Cardin" E154- tai E14-140-tyyppiset jännitteenmittausmuuntimet, joita käytetään useissa LLC "Kinematicsin" valmistamissa tasapainotuskoneiden mittausjärjestelmissä. Lisäksi LLC "Kinematicsilla" on kokemusta halvempien mikroprosessorijärjestelmien käytöstä, jotka perustuvat "Arduino"-ohjaimiin, "Microchipin" PIC18F4620-mikrokontrolleriin ja vastaaviin laitteisiin.
Artikkelin kirjoittaja : Feldman Valery Davidovich
Toimittaja ja käännös: Nikolai Andreevich Shelkovenko.
Pahoittelen mahdollisia käännösvirheitä.