4. Systèmes de mesure pour les machines d'équilibrage
La plupart des fabricants amateurs de machines à équilibrer qui s'adressent à la SARL "Kinematics" prévoient d'utiliser les systèmes de mesure de la série "Balanset" fabriqués par notre société dans leurs projets. Cependant, certains clients envisagent de fabriquer ces systèmes de mesure de manière indépendante. Il est donc logique de discuter plus en détail de la construction d'un système de mesure pour une machine d'équilibrage. La principale exigence pour ces systèmes est de fournir des mesures de haute précision de l'amplitude et de la phase de la composante rotative du signal vibratoire, qui apparaît à la fréquence de rotation du rotor équilibré. Cet objectif est généralement atteint en utilisant une combinaison de solutions techniques, notamment :
4.1. Sélection des capteurs de vibrations
Dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, différents types de capteurs de vibrations (transducteurs) peuvent être utilisés :
4.1.1. Capteurs de vibrations et d'accélération
Parmi les capteurs d'accélération des vibrations, les accéléromètres piézoélectriques et capacitifs (à puce) sont les plus répandus et peuvent être utilisés efficacement dans les machines d'équilibrage de type Soft Bearing. Dans la pratique, il est généralement permis d'utiliser des capteurs d'accélération des vibrations dont les coefficients de conversion (Kpr) sont compris entre 10 et 30 mV/(m/s²). Pour les machines à équilibrer qui nécessitent une précision d'équilibrage particulièrement élevée, il est conseillé d'utiliser des accéléromètres dont le Kpr atteint des niveaux de 100 mV/(m/s²) et plus. À titre d'exemple d'accéléromètres piézoélectriques pouvant être utilisés comme capteurs de vibrations pour les machines à équilibrer, la figure 4.1 montre les accéléromètres piézoélectriques DN3M1 et DN3M1V6 fabriqués par la société LLC "Izmeritel".
Figure 4.1. Accéléromètres piézoélectriques DN 3M1 et DN 3M1V6
Pour connecter ces capteurs aux instruments et systèmes de mesure des vibrations, il est nécessaire d'utiliser des amplificateurs de charge externes ou intégrés.
Figure 4.2. Accéléromètres capacitifs AD1 fabriqués par LLC "Kinematics"
Il convient de noter que ces capteurs, qui comprennent les cartes d'accéléromètres capacitifs ADXL 345 largement utilisées sur le marché (voir figure 4.3), présentent plusieurs avantages significatifs par rapport aux accéléromètres piézoélectriques. En particulier, ils sont 4 à 8 fois moins chers pour des caractéristiques techniques similaires. En outre, ils ne nécessitent pas l'utilisation d'amplificateurs de charge coûteux et difficiles à utiliser pour les accéléromètres piézoélectriques.
Lorsque les deux types d'accéléromètres sont utilisés dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, une intégration matérielle (ou double intégration) des signaux des capteurs est généralement réalisée.
Figure 4.2. Accéléromètres capacitifs AD 1, assemblés.
Figure 4.3. Carte d'accéléromètre capacitif ADXL 345.
Dans ce cas, le signal initial du capteur, proportionnel à l'accélération vibratoire, est transformé en un signal proportionnel à la vitesse ou au déplacement vibratoire. La procédure de double intégration du signal de vibration est particulièrement pertinente lors de l'utilisation d'accéléromètres dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage à basse vitesse, où la plage de fréquence de rotation inférieure du rotor pendant l'équilibrage peut atteindre 120 tr/min ou moins. Lors de l'utilisation d'accéléromètres capacitifs dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, il faut tenir compte du fait qu'après intégration, leurs signaux peuvent contenir des interférences à basse fréquence, se manifestant dans la gamme de fréquences de 0,5 à 3 Hz. Cela peut limiter la plage de fréquence inférieure de l'équilibrage sur les machines destinées à utiliser ces capteurs.
4.1.2. Capteurs de vitesse de vibration 4.1.2.1. Capteurs de vitesse à vibration inductive. Ces capteurs comprennent une bobine inductive et un noyau magnétique. Lorsque la bobine vibre par rapport à un noyau fixe (ou le noyau par rapport à une bobine fixe), une force électromotrice est induite dans la bobine, dont la tension est directement proportionnelle à la vitesse de vibration de l'élément mobile du capteur. Les coefficients de conversion (Кпр) des capteurs inductifs sont généralement très élevés, atteignant plusieurs dizaines, voire centaines de mV/mm/sec. En particulier, le coefficient de conversion du capteur Schenck modèle T77 est de 80 mV/mm/sec, et pour le capteur IRD Mechanalysis modèle 544M, il est de 40 mV/mm/sec. Dans certains cas (par exemple, dans les machines à équilibrer Schenck), on utilise des capteurs de vitesse de vibration inductifs spéciaux très sensibles avec un amplificateur mécanique, où Кпр peut dépasser 1000 mV/mm/sec. Si des capteurs inductifs de vitesse de vibration sont utilisés dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, l'intégration matérielle du signal électrique proportionnel à la vitesse de vibration peut également être effectuée, en le convertissant en un signal proportionnel au déplacement de la vibration.
Figure 4.4. Capteur modèle 544M par IRD Mechanalysis.
Figure 4.5. Capteur modèle T77 de Schenck Il convient de noter qu'en raison de l'intensité de la main-d'œuvre nécessaire à leur production, les capteurs inductifs de vitesse de vibration sont des articles assez rares et coûteux. Par conséquent, malgré les avantages évidents de ces capteurs, les fabricants amateurs de machines d'équilibrage ne les utilisent que très rarement.
4.1.2.2. Capteurs de vitesse de vibration basés sur des accéléromètres piézoélectriques. Un capteur de ce type diffère d'un accéléromètre piézoélectrique standard par la présence d'un amplificateur de charge et d'un intégrateur intégrés dans son boîtier, ce qui lui permet d'émettre un signal proportionnel à la vitesse de vibration. Les figures 4.6 et 4.7 montrent, par exemple, des capteurs piézoélectriques de vitesse de vibration fabriqués par des producteurs nationaux (ZETLAB company et LLC "Vibropribor").
Figure 4.6. Modèle de capteur AV02 de ZETLAB (Russie)
Figure 4.7. Modèle de capteur DVST 2 par LLC "Vibropribor" Ces capteurs sont fabriqués par divers producteurs (nationaux et étrangers) et sont actuellement largement utilisés, en particulier dans les équipements vibrants portables. Le coût de ces capteurs est assez élevé et peut atteindre 20 000 à 30 000 roubles l'unité, même chez les fabricants nationaux.
4.1.3. Capteurs de déplacement Dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, des capteurs de déplacement sans contact - capacitifs ou inductifs - peuvent également être utilisés. Ces capteurs peuvent fonctionner en mode statique, ce qui permet d'enregistrer des processus vibratoires à partir de 0 Hz. Leur utilisation peut s'avérer particulièrement efficace dans le cas de l'équilibrage de rotors à faible vitesse, dont la vitesse de rotation est inférieure ou égale à 120 tours par minute. Les coefficients de conversion de ces capteurs peuvent atteindre 1000 mV/mm et plus, ce qui permet d'obtenir une précision et une résolution élevées dans la mesure du déplacement, même sans amplification supplémentaire. Un avantage évident de ces capteurs est leur coût relativement faible, qui ne dépasse pas 1000 roubles pour certains fabricants nationaux. Lors de l'utilisation de ces capteurs dans des machines d'équilibrage, il est important de tenir compte du fait que l'espace de travail nominal entre l'élément sensible du capteur et la surface de l'objet vibrant est limité par le diamètre de la bobine du capteur. Par exemple, pour le capteur illustré à la figure 4.8, modèle ISAN E41A de "TEKO", l'espace de travail spécifié est généralement compris entre 3,8 et 4 mm, ce qui permet de mesurer le déplacement de l'objet vibrant dans une plage de ±2,5 mm.
Figure 4.8. Capteur de déplacement inductif modèle ISAN E41A par TEKO (Russie)
4.1.4. Capteurs de force Comme indiqué précédemment, des capteurs de force sont utilisés dans les systèmes de mesure installés sur les machines à équilibrer les roulements durs. Ces capteurs, notamment en raison de leur simplicité de fabrication et de leur coût relativement faible, sont généralement des capteurs de force piézoélectriques. Les figures 4.9 et 4.10 présentent des exemples de ces capteurs.
Figure 4.9. Capteur de force SD 1 par Kinematika LLC
Figure 4.10 : Capteur de force pour les machines d'équilibrage automobile, vendu par "STO Market". Les capteurs de force à jauge de contrainte, qui sont fabriqués par un large éventail de producteurs nationaux et étrangers, peuvent également être utilisés pour mesurer les déformations relatives des supports des machines à équilibrer Hard Bearing.
4.2. Capteurs d'angle de phase Pour synchroniser le processus de mesure des vibrations avec l'angle de rotation du rotor équilibré, on utilise des capteurs d'angle de phase, tels que des capteurs laser (photoélectriques) ou inductifs. Ces capteurs sont fabriqués sous différentes formes par des producteurs nationaux et internationaux. Le prix de ces capteurs peut varier considérablement, de 40 à 200 dollars environ. Un exemple de ce type de dispositif est le capteur d'angle de phase fabriqué par "Diamex", illustré à la figure 4.11.
Figure 4.11 : Capteur d'angle de phase par "Diamex".
La figure 4.12 montre un modèle mis en œuvre par la société LLC "Kinematics", qui utilise des tachymètres laser du modèle DT 2234C fabriqué en Chine comme capteurs d'angle de phase. Les avantages évidents de ce capteur sont les suivants :
Figure 4.12 : Tachymètre laser modèle DT 2234C
Dans certains cas, lorsque l'utilisation de capteurs laser optiques n'est pas souhaitable pour une raison quelconque, ils peuvent être remplacés par des capteurs de déplacement inductifs sans contact, tels que le modèle ISAN E41A mentionné précédemment ou des produits similaires d'autres fabricants.
4.3. Caractéristiques du traitement du signal dans les capteurs de vibrations Pour mesurer avec précision l'amplitude et la phase de la composante rotative du signal de vibration dans les équipements d'équilibrage, on utilise généralement une combinaison d'outils de traitement matériels et logiciels. Ces outils permettent
4.3.1. Filtrage des signaux à large bande Cette procédure est essentielle pour nettoyer le signal du capteur de vibrations des interférences potentielles qui peuvent se produire aux limites inférieures et supérieures de la gamme de fréquences de l'appareil. Pour l'appareil de mesure d'une machine à équilibrer, il est conseillé de régler la limite inférieure du filtre passe-bande à 2-3 Hz et la limite supérieure à 50 (100) Hz. Le filtrage "inférieur" permet de supprimer les bruits de basse fréquence qui peuvent apparaître à la sortie des différents types d'amplificateurs de mesure des capteurs. Le filtrage "supérieur" élimine la possibilité d'interférences dues aux fréquences combinées et aux vibrations résonnantes potentielles des différents composants mécaniques de la machine.
4.3.2. Amplification du signal analogique provenant du capteur S'il est nécessaire d'augmenter la sensibilité du système de mesure de la machine d'équilibrage, les signaux provenant des capteurs de vibrations vers l'entrée de l'unité de mesure peuvent être amplifiés. Il est possible d'utiliser aussi bien des amplificateurs standard à gain constant que des amplificateurs à plusieurs étages, dont le gain peut être modifié de manière programmée en fonction du niveau réel du signal provenant du capteur. Un exemple d'amplificateur programmable à plusieurs étages comprend les amplificateurs mis en œuvre dans les convertisseurs de mesure de tension tels que E154 ou E14-140 par LLC "L-Card".
4.3.3. Intégration Comme indiqué précédemment, l'intégration matérielle et/ou la double intégration des signaux des capteurs de vibrations sont recommandées dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage. Ainsi, le signal initial de l'accéléromètre, proportionnel à la vibroaccélération, peut être transformé en un signal proportionnel à la vibro-vitesse (intégration) ou au vibro-déplacement (double intégration). De même, le signal du capteur de vibro-vitesse après intégration peut être transformé en un signal proportionnel au vibro-déplacement.
4.3.4. Filtrage à bande étroite du signal analogique à l'aide d'un filtre de poursuite Pour réduire les interférences et améliorer la qualité du traitement des signaux vibratoires dans les systèmes de mesure des machines d'équilibrage, il est possible d'utiliser des filtres de poursuite à bande étroite. La fréquence centrale de ces filtres est automatiquement réglée sur la fréquence de rotation du rotor équilibré en utilisant le signal du capteur de révolution du rotor. Les circuits intégrés modernes, tels que MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 de "MAXIM", peuvent être utilisés pour créer de tels filtres.
4.3.5. Conversion analogique-numérique des signaux La conversion analogique-numérique est une procédure cruciale qui permet d'améliorer la qualité du traitement du signal de vibration pendant la mesure de l'amplitude et de la phase. Cette procédure est mise en œuvre dans tous les systèmes de mesure modernes des machines d'équilibrage. Les convertisseurs de mesure de tension de type E154 ou E14-140 de LLC "L-Card", utilisés dans plusieurs systèmes de mesure de machines d'équilibrage fabriqués par LLC "Kinematics", sont un exemple de mise en œuvre efficace de ces convertisseurs. En outre, la société LLC "Kinematics" a de l'expérience dans l'utilisation de systèmes à microprocesseur moins chers basés sur les contrôleurs "Arduino", le microcontrôleur PIC18F4620 de "Microchip" et d'autres dispositifs similaires.
Auteur de l'article : Feldman Valery Davidovich
Édition et traduction : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Je m'excuse pour les éventuelles erreurs de traduction.