Mikä on kiihtyvyysanturi? Opas värähtelyanalyysiin
An kiihtyvyysanturi on anturi (tai anturi), joka muuntaa mekaanisen liikkeen — tarkemmin sanottuna kiihtyvyys tärinän tai iskun aiheuttaman liikkeen — suhteelliseksi sähköiseksi signaaliksi. Se on ylivoimaisesti yleisimmin käytetty anturi ennakoiva huolto ja kunnonvalvonta. Mittaamalla, kuinka nopeasti koneen tietyn pisteen nopeus muuttuu, kiihtyvyysanturi tuottaa raakadataa, jonka avulla analyytikko voi diagnosoida monenlaisia mekaanisia ja sähköisiä vikoja — aina laakeriviat että epätasapaino ja virheasento.
1. Määritelmä: Tärinänmittauksen ydin
Kiihtyvyys on pyörivissä koneissa mitattava luonnollinen suure, sillä koneeseen vaurioita aiheuttavat dynaamiset voimat – painopisteen aiheuttama keskipakovoima tai lohkeillun laakerirenkaan aiheuttama isku – ovat suhteessa kiihtyvyyteen. Kiihtyvyysanturi reagoi suoraan näihin voimiin, minkä vuoksi se on lähes jokaisen nykyaikaisen värähtelyanalysaattori ja tiedonkerääjä.
Yksi kiihtyvyysanturin käytännön eduista on se, että sen kiihtyvyyssignaali voidaan käsitellä elektronisesti integroitu kerran antaa nopeus (mm/s), ja kahdesti, jolloin saadaan siirtymä (µm). Yksi ainoa, asianmukaisesti asennettu anturi kattaa siten kaikki kolme perinteistä tärinäyksikköä, jolloin analysoija voi valita sen, joka paljastaa parhaiten tietyn vian.
2. Miten kiihtyvyysanturit toimivat? Pietsosähköinen periaate
Vaikka fyysisiä periaatteita on useita, valtaosa teollisuuskoneissa käytettävistä kiihtyvyysantureista perustuu pietsosähköinen ilmiö. Toimintaperiaate on yksinkertainen:
- Pietsosähköinen kide: Anturin sisällä pieni seisminen massa on kiinnitetty pietsosähköinen elementti — yleensä keraaminen materiaali, kuten PZT, tai korkealaatuisissa antureissa tarkkuusleikattu kvartsikide.
- Voiman käyttö: Kun laite värähtelee, kotelo liikkuu sen mukana. Inertian vaikutuksesta sisäinen massa vastustaa tätä liikettä ja kohdistaa kideen päälle voiman, joka Newtonin toisen lain mukaan on yhtä suuri kuin massan ja kiihtyvyyden tulo.
- Signaalin tuottaminen: Jännitteeseen altistettu pietsosähköinen kide tuottaa pienen sähkövarauksen, joka on suoraan verrannollinen siihen kohdistuvaan voimaan ja siten myös kiihtyvyyteen.
- Lähtö: Sisäinen elektroniikka muokkaa tämän signaalin ja välittää sen kaapelia pitkin tiedonkeruulaitteeseen tai valvontajärjestelmään kyseisen pisteen kiihtyvyyden analogisena esityksenä.
Se, miten tämä ehto määritellään, jakaa ne kahteen yleiseen ryhmään. A lataus-tulostus anturi välittää raakakuvan ulkoiseen latausvahvistin ja kestää erittäin korkeita lämpötiloja. Teollisuudessa paljon yleisempi on IEPE (tai jännitetila) -tyyppiä, jossa vahvistin on integroitu anturiin ja joka tuottaa matalan impedanssin jännitteen, joka välittyy hyvin tavallisella kaksijohtimisella kaapelilla. Kestävin rakenne perustuu leikkaus rakenne, joka suojaa kideä pohjan taipumiselta ja lämpötilan vaihteluilta.
3. Kiihtyvyysanturien tyypit
Eri sovellukset vaativat erilaisia antureita, joista jokaisella on omat vahvuutensa.
Yleiskäyttöiset kiihtyvyysanturit
Nämä ovat teollisuuden valvonnan työjuhdat. Ne tarjoavat tyypillisesti herkkyys 100 mV/g ja taajuusalue, joka sopii yleisimpiin koneisiin, kuten pumppuihin, moottoreihin ja puhaltimiin – noin 2 Hz – 10 kHz.
MEMS-kiihtyvyysanturit
Mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) kiihtyvyysanturit ovat piipohjaisia, erittäin pieniä, vähän virtaa kuluttavia ja kustannustehokkaita. Vaikka ne ovat perinteisesti olleet vähemmän herkkiä kuin pietsosähköiset mallit, nykyaikaiset MEMS-laitteet kehittyvät nopeasti ja ovat yleisiä kannettavissa elektroniikkalaitteissa, autoteollisuuden järjestelmissä, langaton valvonta solmut ja edullisemmat kunnonvalvontajärjestelmät.
Pietsoresistiiviset kiihtyvyysanturit
Näitä antureita käytetään iskutesteissä ja matalataajuisten liikkeiden mittauksessa. Ne reagoivat jopa 0 Hz:n taajuuksille (DC-kiihtyvyys), minkä ansiosta ne soveltuvat erinomaisesti esimerkiksi sentrifugin tasaisen kiihtyvyyden tai ajoneuvon hitaan ajoliikkeen mittaamiseen.
Korkean taajuuden kiihtyvyysanturit
Nämä anturit on suunniteltu havaitsemaan korkeataajuisia tapahtumia, kuten vaihteiston ja laakereiden vauriot varhaisessa vaiheessa. Niissä käytetään pienempää värähtelevää massaa ja korkeampaa resonanssitaajuutta, mikä mahdollistaa tarkan mittauksen jopa 20 kHz:n taajuudelle tai sen yli – alueelle, jolla tekniikat kuten verhokäyräanalyysi ja iskupulssimenetelmä elää.
4. Tärkeimmät tekniset tiedot ja valinta
Kiihtyvyysanturia valitessaan insinöörit ottavat huomioon useita tekijöitä:
- Herkkyys (mV/g): Suurempi herkkyys tuottaa voimakkaamman signaalin, mikä sopii paremmin heikkojen tärinöiden havaitsemiseen; 100 mV/g on yleinen teollisuusstandardi.
- Taajuusvaste: Taajuusalue, jolla anturi mittaa tarkasti. Sen on katettava odotettu vikataajuudet laitteen, riittävällä varalla anturin oman ominaistaajuus.
- Lämpötila-alue: Anturin on kestettävä sen asennuspaikan pintalämpötila; a lämpötila-anturi sijaitsee usein samassa paikassa yhdistettyä valvontaa varten.
- Asennustapa: Anturin kiinnitystapa – pultti, liima tai magneetti – vaikuttaa merkittävästi korkeiden taajuuksien mittaustarkkuuteen. Pulttikiinnitys ISO 5348 tarjoaa parhaan kytkennän ja laajimman käyttökelpoisen kaistanleveyden; magneetti on kätevä reittityöskentelyssä, mutta alentaa ylätaajuusrajaa. Huono asennus voi aiheuttaa virheellisen kasvava resonanssi joka naamioituu laitevian näköiseksi.
Voit arvioida tietyn liitetiedoston aiheuttaman kaistanleveyden menetyksen Kiihtyvyysanturin kiinnitysresonanssin laskin ennen kuin päätät asennustavasta.
5. Sovellukset kunnonvalvonnassa
Kiihtyvyysanturit ovat lähes jokaisen värähtelyanalyysi tehtävä, mukaan lukien:
- Ennakoivat kunnossapito-ohjelmat: rutiiniluonteisten tietojen kerääminen reitti seurata laitteiden kuntoa ja ennustaa vikoja.
- Vianmääritys: epätasapainon ja väärän suuntauksen havaitseminen, löysyys ja laakerin kuluminen alkaen värähtelyspektri.
- Hyväksymistestaus: varmistetaan, että uudet tai korjatut koneet täyttävät tärinävaatimukset, kuten ISO 20816 (nykyaikainen seuraaja standardille ISO 10816).
- Modaalianalyysi: tutkimalla ominaistaajuudet ja moodimuodot rakenteen.
Kentän tasapainotus on näistä tehtävistä vaativimpia, koska se edellyttää sekä amplitudin ja ... vaihe yhden kierroksen välein tapahtuvan värähtelyn. Kannettava kaksikanavainen laite, kuten Balanset-1A ottaa kaksi kiihtyvyysanturiaan ja lukitsee ne kierroslukumittari pulssin ja mittaa amplitudin ja vaiheen suoraan koneen omissa laakereissa käyntinopeudella — muuntaen kiihtyvyysanturin raakasignaalin vaikutuskertoimiksi ja korjauskertoimiksi, joita tarvitaan roottorin tasapainottamiseen paikan päällä.
