הבנת מתמרים סייסמיים
א מתמר סיסמי — המכונה גם חיישן סיסמי או מתמר אינרציאלי — הוא רֶטֶט חיישן המשתמש במסה סיסמית פנימית (המכונה "מסת ייחוס") התלויה על קפיצים או מפרקים גמישים כנקודת ייחוס אינרציאלית, מה שמאפשר לו למדוד את התנועה המוחלטת של בסיס החיישן. כאשר המארז רועד, המסה התלויה נוטה להישאר נייחת במרחב (בתנאי שהתדר גבוה מזה של מערכת המסה-קפיץ) תדר טבעי), והתנועה היחסית בין המארז הנע לבין המסה הכמעט נייחת מומר לאות חשמלי המייצג את הרטט. המאפיין המגדיר הוא שהנקודת ייחוס מועברת inside החיישן, ולכן אין צורך בנקודת ייחוס חיצונית קבועה.
השם "סיסמי" מקורו במכשור לניטור רעידות אדמה: המסה התלויה של הסיסמומטר נשארת יחסית ללא תנועה בעוד הקרקע רועדת מתחתיה. בניטור מכונות, שניהם מתמרי מהירות and 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: משקולת כיול המותקנת בתוך בית החיישן.
- אָבִיב: 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 התנהגות החיישן תלוי כולו במיקום תדר ההפעלה ביחס לתדר הטבעי שלו:
- מתחת לתדר הטבעי: המסה והדיור נעים יחד, ולכן התנועה היחסית מועטה והתגובה לקויה.
- בתדר הטבעי: המערכת מהדהדת — הפלט מוגבר אך מעוות ולא אמין.
- מעל תדר הטבעי: המסה נשארת למעשה במקומה בזמן שהמארז רוטט סביבה. זהו אזור המדידה הטוב.
- טווח השימוש: המקובל הוא פי שניים בערך מהתדר הטבעי, שם התגובה התייצבה והפכה לשטוחה.
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.
- תדר הטבעי הוא בדרך כלל 8–15 הרץ.
- ניתן לשימוש בטווח תדרים של כ-16–30 הרץ.
- 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 פיזואלקטרית על גבי רכיב שעבר עיבוד מיקרו-מכני.
- תדר טבעי גבוה בהרבה, בדרך כלל 10–30 קילוהרץ.
- ניתן לשימוש החל מ-1 הרץ ומעלה.
- מודד תאוצה, שניתן לחשב את האינטגרל שלה למהירות או למרחק.
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)
- מד-תאוצה וממירים של מהירות.
- מדוד תנועה מוחלטת במרחב האינרציאלי.
- התקן ישירות על המבנה הרוטט.
- להשתמש במסתם הפנימית כנקודת ייחוס.
- הבחירה הנפוצה ביותר לניטור מכונות.
חיישנים לא סייסמיים (מקור ייחוס חיצוני)
- גששי קירבה (חיישני זרמי מערבולת).
- מדוד את התנועה היחסית בין שני משטחים.
- נדרשת נקודת תצפית קבועה.
- בדרך כלל מודדים את תנועת הפיר ביחס למסב.
- תקן למדידת רעידות ציר במכונות עם מיסבי יומן.
4. יתרונות התכנון הסיסמי
הפניה עצמאית
- 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 באלאנסט-1א, למשל, שואבת את נתוניה ממאיצים המוצמדים למארזי המסבים — חיישנים סיסמיים המתייחסים לעצמם ואינם זקוקים לנקודת ייחוס קבועה, כך שהמהנדס יכול לעבור במהירות בין נקודות המדידה והמכונות תוך שהוא שומר על שיווי משקל באתר.
5. מגבלות
מגבלות תגובת תדר
- לא ניתן לבצע מדידה אמינה מתחת לכ-2× התדר הטבעי.
- בפרט, מתמרים מסוג "סליל נע" מגיבים בצורה גרועה בתדרים הנמוכים מ-15–20 הרץ.
- יש כאן פשרה מובנית: תדר טבעי נמוך יותר מספק כיסוי טוב יותר של תדרים נמוכים, אך מחייב שימוש בחיישן גדול וכבד יותר.
צעדי דיור תנועה
- החיישן מדווח על תנועת בית המסב, ולא על תנועת הפיר ישירות.
- תנודות המארז אינן זהות לתנודות הפיר — הן מסוננות על ידי קשיחות המסבים והמבנה הסובב.
- כאשר מה שחשוב הוא מסלולו האמיתי של הפיר, יש להשתמש במקום זאת בחיישני קרבה.
6. יישומים
ניטור מצב המכונות
- מדידת רעידות במארז המסב.
- מגמות כלליות ברמת הרטט.
- Bearing-defect זיהוי.
- אבחון כללי של מכונות סיבוביות.
רעידות מבניות
- סקרי רעידות במבנים וביסוסים.
- ניטור סיסמי של רעידות אדמה.
- רעידות המועברות דרך הקרקע המופצות ממכונות.
ניתוח מודאלי
- מדידת תגובת המבנה לפגיעה מכוונת.
- Determining תדרים טבעיים and צורות מצב.
- Building the פונקציות תגובת תדר משמש ב- ניתוח מודאלי.
מתמרים סיסמיים, המשתמשים במסה תלויה פנימית כנקודת ייחוס אינרציאלית, מהווים את הבסיס למדידת הרטט במכונות מסתובבות. הבנת העיקרון הסיסמי — כיצד מסה תלויה מאפשרת מדידת תנועה מוחלטת, ומדוע מדידה זו תקפה רק מעל תדר התהודה של החיישן — מסבירה הן את נקודות החוזק והן את המגבלות של מד-תאוצה ומתמרי מהירות, שני עמודי התווך של כל תוכנית לניתוח רטט תעשייתי.
