הבנת מתמרים סייסמיים
א מתמר סיסמי — המכונה גם חיישן סיסמי או מתמר אינרציאלי — הוא רעידה חיישן המשתמש במסת אינרציה פנימית ("proof mass") התלויה על קפיצים או גמישים תואמים כייחוס אינרציאלי, המאפשרת לו למדוד את התנועה המוחלטת של בסיס החיישן. כאשר הבית רוטט, התנועה היחסית בין המסה התלויה לבין הבית מומרת לאות חשמלי המייצג את הרעידה. בהתאם למקום שבו תדר המדידה נמצא ביחס ל- תדר טבעי, החיישן פועל באחד משני משטרים: מעל הרזוננס המסה נוטה להישאר נייחת במרחב והתנועה היחסית עוקבת אחרי היסט הבית (משטר הסייסמומטר ו-velocity pickup הקלאסי), בעוד שמתחת לרזוננס הסטייה השיורית הקטנה של המסה פרופורציונית לתאוצת הבית (משטר האקסלרומטר). המאפיין המגדיר הוא שהייחוס נישא inside החיישן, ולכן אין צורך בנקודת ייחוס חיצונית קבועה.
השם “סיסמי” מגיע ממכשור לרעידות אדמה: המסה התלויה של הסיסמומטר נשארת יחסית נייחת בזמן שהקרקע נעה מתחתיה. בניטור מכונות, גם מתמרי מהירות ו מדי תאוצה הם מתמרים סיסמיים במובן זה, אף שהמונח נקשר לרוב עם מתמר המהירות הקלאסי.
1. עקרון הפעולה
מערכת בולם קפיץ מסה
כל מתמר סיסמי הוא, למעשה, מתנד מכני קטן המורכב מארבעה חלקים פונקציונליים:
- מסת סיסמית: מסת ייחוס מכוילת התלויה בתוך בית החיישן.
- קפיץ: קפיצים מכניים או מפרקים גמישים ודקים התומכים במסה.
- שיכוך: שיכוך אוויר, מגנטי (זרמי מערבולת) או נוזלי, המרסן את התהודה.
- התמרה: הרכיב שהופך את התנועה היחסית בין המסה למארז למתח חשמלי.
אזורי תגובת תדר
אופן ההתנהגות של החיישן תלוי לחלוטין במקום שבו תדר העירור נופל ביחס לתדר הטבעי שלו — ושתי משפחות החיישנים העיקריות פועלות במכוון בצדדים מנוגדים של הרזוננס:
- מתחת לתדר הטבעי (משטר אקסלרומטר): המסה והבית נעים למעשה יחד, והסטייה השיורית הקטנה של המסה פרופורציונית ל- תאוצה. אקסלרומטרים piezoelectric ו-MEMS פועלים כאן, מתחת לרזוננס ההרכבה הגבוה שלהם.
- בתדר הטבעי: המערכת נכנסת לרזוננס — היציאה מוגברת אך מעוותת ולא אמינה, ולכן נמנעים ממדידה סמוך לרזוננס.
- מעל התדר הטבעי (משטר סייסמומטר): המסה למעשה נשארת במקום בעוד הבית רוטט סביבה, והתנועה היחסית עוקבת אחרי ה- תְזוּזָה (או המהירות) של הבית. סייסמומטרי היסט ו-velocity pickups עם סליל נע פועלים כאן, מעל התדר הטבעי הנמוך שלהם.
- טווחי שימוש: נהוג להשתמש ב-velocity pickup מעל בערך 2× התדר הטבעי שלו, שם התגובה שלו כבר התייצבה והיא שטוחה; אקסלרומטר משמש הרבה מתחת לרזוננס ההרכבה שלו — בדרך כלל עד כשליש ממנו לצורך דיוק טוב.
2. סוגי מתמרים סיסמיים
מתמרי מהירות (סליל נע)
- מגנט תלוי על קפיצים בתוך סליל קבוע (או להפך).
- המהירות היחסית בין המגנט לסליל מייצרת מתח באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית.
- התדר הטבעי הוא בדרך כלל 8–15 Hz.
- ניתן להשתמש בו מעל כ-16–30 Hz.
- מודד את המהירות באופן ישיר, ללא צורך באינטגרציה של האות.
מדי תאוצה
- פיזואלקטריים דגמים אלה משתמשים בגביש פיזואלקטרי כדי לחוש בכוח האינרציה של המסה.
- סוגי MEMS משתמשים בחישה קיבולית או פייזורזיסטיבית ברכיב מיקרו-מעובד.
- תדר טבעי (מותקן) גבוה בהרבה, בדרך כלל 10–30 kHz.
- שלא כמו velocity pickups, המשמשים להלן רזוננס: שמיש מכ-1 Hz ועד בערך שליש מתדר הרזוננס המותקן.
- מודד תאוצה, שאפשר לבצע לה אינטגרציה כדי לקבל מהירות או העתק.
3. חיישנים סיסמיים לעומת חיישנים לא סיסמיים
הדרך הטובה ביותר להבין את משפחת החיישנים הסיסמיים היא באמצעות השוואה לחיישנים המסתמכים על נקודת ייחוס חיצונית.
חיישנים סייסמיים (יחוס אינרציאלי)
- מדי תאוצה ומתמרי מהירות.
- מודדים תנועה מוחלטת במרחב האינרציאלי.
- מותקנים ישירות על המבנה הרוטט.
- נושאים את המסה הפנימית שלהם כנקודת ייחוס.
- הבחירה הנפוצה ביותר לניטור מכונות.
חיישנים לא סייסמיים (מקור ייחוס חיצוני)
- גששי קירבה (חיישני זרמי מערבולת).
- מודדים תנועה יחסית בין שני משטחים.
- דורשים נקודת התקנה נייחת שממנה מודדים.
- בדרך כלל מודדים את תנועת הפיר ביחס למסב.
- הבחירה המקובלת למדידת רטט הציר במכונות עם מיסבי החלקה.
4. יתרונות התכנון הסיסמי
ייחוס עצמי
- אין צורך במערכת ייחוס חיצונית.
- ניתן להתקין את החיישן כמעט בכל מקום על מבנה רוטט.
- הוא מדווח על תנועה מוחלטת אמיתית במרחב האינרציאלי.
רב-תכליתיות
- סוג חיישן אחד מתאים למגוון רחב של יישומים.
- מתאים הן לסקרים זמניים והן להתקנות קבועות.
- ניתן להעברה בקלות ממכונה למכונה.
גמישות זו היא הסיבה שמכשירים ניידים מסתמכים עליהם. הדו-ערוצי Balanset-1A, למשל, מקבל את המדידות שלו ממדי תאוצה המוצמדים לבתי המיסב — חיישנים סיסמיים בעלי ייחוס עצמי שאינם זקוקים לנקודת ייחוס קבועה, כך שהמהנדס יכול לנוע במהירות בין נקודות המדידה והמכונות בזמן ביצוע איזון באתר.
5. מגבלות
מגבלות תגובת תדר
- Velocity pickups אינם יכולים למדוד באופן אמין מתחת בערך ל-2× התדר הטבעי שלהם; סוגי סליל נע בפרט מגיבים גרוע מתחת ל-15–20 Hz. יש כאן פשרה מובנית: תדר טבעי נמוך יותר נותן כיסוי טוב יותר לתדרים נמוכים אך מחייב חיישן גדול וכבד יותר.
- אקסלרומטרים מאבדים דיוק כאשר תדר המדידה מתקרב לרזוננס ההרכבה שלהם; הגבול העליון המעשי (בדרך כלל בערך שליש מהרזוננס המותקן) תלוי מאוד בשיטת ההרכבה (ראו ISO 5348).
- בקצה הנמוך מאוד, תגובת האקסלרומטר מוגבלת על ידי רכיב החישה ואלקטרוניקת המגבר ולא על ידי המתלה הסייסמי — בדרך כלל עד כ-0.5–1 Hz עבור יחידות תעשייתיות סטנדרטיות.
מדידת תנועת בית החיישן
- החיישן מדווח על תנועת בית המיסב, ולא ישירות על תנועת הציר.
- רטט בית המיסב אינו זהה לרטט הציר — הוא מסונן על ידי קשיחות המיסב והמבנה הסובב.
- כאשר מה שחשוב הוא המסלול האמיתי של הציר, יש להשתמש במקום זאת בחיישני קרבה.
6. יישומים
ניטור מצב המכונות
- מדידת רטט בבית המיסב.
- מגמות כלליות ברמת הרטט.
- Bearing-defect .
- אבחון כללי של מכונות סיבוביות.
רעידות מבניות
- סקרי רטט במבנים וביסודות.
- ניטור סיסמי של רעידות אדמה.
- רטט קרקעי הנפלט ממכונות.
ניתוח מודאלי
- מדידת תגובת המבנה לפגיעה מכוילת.
- קביעת תדרים טבעיים ו צורות מצב.
- הרכבת פונקציות תגובת תדר משמש ב- ניתוח מודאלי.
מתמרים סייסמיים, המשתמשים במסת תלייה פנימית כייחוס אינרציאלי, הם הבסיס למדידת רעידות במכונות סובבות. הבנת העיקרון הסייסמי — כיצד מסה תלויה מאפשרת מדידת תנועה מוחלטת, ומדוע velocity pickups עובדים מעל התדר הטבעי שלהם בעוד שאקסלרומטרים עובדים מתחת לרזוננס ההרכבה שלהם — מסבירה גם את החוזקות וגם את המגבלות של שני סוסי העבודה הללו של כל תוכנית תעשייתית לניתוח רעידות.
