भूकंपीय ट्रांसड्यूसर को समझना
ए भूकंपीय ट्रांसड्यूसर — जिसे भूकंपीय सेंसर या जड़त्वीय ट्रांसड्यूसर भी कहा जाता है — एक कंपन ऐसा sensor जो आंतरिक seismic mass (एक “proof mass”) का उपयोग करता है, जिसे springs या compliant flexures पर inertial reference के रूप में निलंबित किया जाता है, जिससे वह sensor base की absolute motion माप सकता है। जब housing कंपन करती है, तो निलंबित द्रव्यमान और housing के बीच की relative motion एक electrical signal में बदल जाती है जो vibration को दर्शाती है। मापन आवृत्ति mass-spring system की प्राकृतिक आवृत्तिके सापेक्ष जहाँ स्थित है उसके आधार पर, sensor दो में से एक regime में काम करता है: resonance के ऊपर द्रव्यमान अंतरिक्ष में लगभग स्थिर रहता है और relative motion housing displacement का अनुसरण करती है (classic seismometer और velocity-pickup regime), जबकि resonance के नीचे द्रव्यमान का छोटा residual deflection housing acceleration के समानुपाती होता है (accelerometer regime)। इसकी परिभाषित विशेषता यह है कि reference भीतर ही ले जाया जाता है inside सेंसर के माध्यम से, इसलिए कोई निश्चित बाहरी आधार आवश्यक नहीं है।
नाम “भूकंपीय” भूकंप उपकरण से आता है: एक भूकंपमापी का निलंबित द्रव्यमान अपेक्षाकृत स्थिर रहता है जबकि इसके नीचे जमीन हिलती है। मशीनरी निगरानी में, दोनों वेग ट्रांसड्यूसर and त्वरणमापक इस अर्थ में भूकंपीय ट्रांसड्यूसर हैं, हालांकि यह शब्द आमतौर पर क्लासिक वेग पिकअप के साथ जुड़ा होता है।
1. संचालन सिद्धांत
मास-स्प्रिंग-डैम्पर सिस्टम
प्रत्येक भूकंपीय ट्रांसड्यूसर, मूल रूप से, चार कार्यात्मक भागों वाला एक छोटा यांत्रिक दोलक है:
- भूकंपीय द्रव्यमान: सेंसर हाउसिंग के अंदर निलंबित एक कैलिब्रेटेड प्रूफ मास।
- स्प्रिंग: यांत्रिक स्प्रिंग्स या पतले फ्लेक्सुर्स जो द्रव्यमान को समर्थन करते हैं।
- अवमंदन: वायु, चुंबकीय (एडी-करंट) या द्रव अवमंदन जो अनुनाद को नियंत्रित करता है।
- पारगमन: वह तत्व जो द्रव्यमान-से-हाउसिंग सापेक्ष गति को वोल्टेज में परिवर्तित करता है।
आवृत्ति प्रतिक्रिया क्षेत्र
sensor कैसे व्यवहार करता है यह पूरी तरह इस पर निर्भर करता है कि excitation frequency उसकी अपनी natural frequency के सापेक्ष कहाँ पड़ती है — और दो मुख्य sensor families जानबूझकर resonance के विपरीत पक्षों पर काम करती हैं:
- Natural frequency के नीचे (accelerometer regime): द्रव्यमान और housing लगभग साथ-साथ चलते हैं, और द्रव्यमान का छोटा residual deflection housing त्वरणके समानुपाती होता है। Piezoelectric और MEMS accelerometers यहाँ काम करते हैं, अपनी high mounted resonance के नीचे।
- प्राकृतिक आवृत्ति पर: system resonance में चला जाता है — output बढ़ जाता है लेकिन विकृत और अविश्वसनीय हो जाता है, इसलिए resonance के पास मापन से बचा जाता है।
- Natural frequency के ऊपर (seismometer regime): द्रव्यमान प्रभावी रूप से स्थिर रहता है जबकि housing उसके चारों ओर कंपन करती है, और relative motion housing विस्थापन (या velocity) का अनुसरण करती है। Displacement seismometers और moving-coil velocity pickups यहाँ काम करते हैं, अपनी low natural frequency के ऊपर।
- Usable ranges: परंपरागत रूप से velocity pickup को उसकी natural frequency के लगभग 2× से ऊपर उपयोग किया जाता है, जहाँ उसका response स्थिर होकर flat हो जाता है; accelerometer को उसकी mounted resonance से काफी नीचे उपयोग किया जाता है — अच्छी accuracy के लिए सामान्यतः उसके लगभग one-third तक।
2. भूकंपीय ट्रांसड्यूसर के प्रकार
वेग ट्रांसड्यूसर (चल-कुंडली)
- एक चुंबक को स्प्रिंग्स पर निलंबित किया जाता है एक स्थिर कुंडली के अंदर (या इसके विपरीत)।
- चुंबक और कुंडली के बीच सापेक्ष वेग विद्युत चुंबकीय प्रेरण द्वारा एक वोल्टेज उत्पन्न करता है।
- प्राकृतिक आवृत्ति आमतौर पर 8–15 Hz।
- लगभग 16–30 Hz से ऊपर उपयोगी है।
- सीधे वेग को मापता है, सिग्नल इंटीग्रेशन की आवश्यकता नहीं है।
त्वरणमापक
- पीजोइलेक्ट्रिक प्रकार द्रव्यमान के जड़त्वीय बल को संवेदनशील करने के लिए एक पीजो क्रिस्टल का उपयोग करते हैं।
- MEMS प्रकार एक सूक्ष्म-यंत्रित तत्व पर कैपेसिटिव या पीजोरेसिस्टिव संवेदन का उपयोग करते हैं।
- काफ़ी अधिक (mounted) natural frequency, सामान्यतः 10–30 kHz।
- Velocity pickups के विपरीत, उपयोग किए जाते हैं नीचे resonance: लगभग 1 Hz से लेकर mounted resonance frequency के लगभग one-third तक उपयोगी।
- त्वरण को मापता है, जिसे वेग या विस्थापन में एकीकृत किया जा सकता है।
3. सीज़मिक बनाम गैर-सीज़मिक सेंसर
आंदोलक परिवार को उन संवेदकों के साथ विरोधाभास द्वारा सबसे अच्छा समझा जाता है जो एक बाहरी संदर्भ पर निर्भर करते हैं।
भूकंपीय सेंसर (जड़त्वीय संदर्भ)
- त्वरणमापी और वेग ट्रांसड्यूसर।
- जड़त्वीय अंतरिक्ष में निरपेक्ष गति को मापते हैं।
- कंपन करने वाली संरचना पर सीधे लगाया जाता है।
- संदर्भ के रूप में अपना स्वयं का आंतरिक द्रव्यमान ले जाते हैं।
- मशीनरी निगरानी के लिए सबसे सामान्य विकल्प।
गैर-भूकंपीय सेंसर (बाह्य संदर्भ)
- निकटता जांच (एड़ी-करंट सेंसर)।
- दो सतहों के बीच सापेक्ष गति को मापते हैं।
- देखने के लिए एक स्थिर लगान बिंदु की आवश्यकता है।
- आमतौर पर असर के संबंध में शाफ्ट गति को मापते हैं।
- मशीनों पर शाफ्ट-कंपन मापन के लिए मानक जर्नल बीयरिंग.
4. आंदोलक डिज़ाइन के लाभ
स्व-निहित संदर्भ
- कोई बाहरी संदर्भ फ्रेम की आवश्यकता नहीं है।
- संवेदक को कंपन करने वाली संरचना पर लगभग कहीं भी लगाया जा सकता है।
- यह जड़त्वीय अंतरिक्ष में सच्चा निरपेक्ष गति की रिपोर्ट करता है।
बहुमुखी प्रतिभा
- एक सेंसर प्रकार कई अनुप्रयोगों को कवर करता है।
- अस्थायी सर्वेक्षण और स्थायी स्थापनाओं दोनों के लिए उपयुक्त है।
- मशीन से मशीन तक आसानी से पोर्टेबल है।
यह बहुमुखी प्रतिभा है कि पोर्टेबल उपकरण इन पर निर्भर करते हैं। दो-चैनल Balanset-1A, उदाहरण के लिए, बेयरिंग हाउसिंग से बांधे गए एक्सेलेरोमीटर से रीडिंग लेता है — स्व-संदर्भित भूकंपीय सेंसर जिन्हें निश्चित डेटम की आवश्यकता नहीं है, इसलिए एक इंजीनियर साइट पर संतुलन करते समय माप बिंदुओं और मशीनों के बीच तेजी से घूम सकता है।
5. सीमाएँ
आवृत्ति प्रतिक्रिया सीमाएँ
- Velocity pickups अपनी natural frequency के लगभग 2× से नीचे विश्वसनीय रूप से माप नहीं कर सकते; विशेष रूप से moving-coil प्रकार 15–20 Hz से नीचे खराब response देते हैं। इसमें एक अंतर्निहित trade-off है: lower natural frequency बेहतर low-frequency reach देती है, लेकिन इसके लिए बड़ा, भारी sensor चाहिए।
- जैसे-जैसे मापन आवृत्ति accelerometer की mounted resonance के पास पहुँचती है, उसकी accuracy घटती है; व्यवहारिक upper limit (आम तौर पर mounted resonance का लगभग one-third) mounting method पर बहुत निर्भर करती है (देखें ISO 5348)।
- बहुत low end पर, accelerometer response seismic suspension की बजाय sensing element और amplifier electronics द्वारा सीमित होती है — सामान्य औद्योगिक units के लिए सामान्यतः लगभग 0.5–1 Hz तक।
आवास गति को मापता है
- सेंसर बेयरिंग हाउसिंग की गति की रिपोर्ट करता है, शाफ्ट की सीधे नहीं।
- हाउसिंग कंपन शाफ्ट कंपन के समान नहीं है — यह बेयरिंग कठोरता और आसपास की संरचना द्वारा फ़िल्टर किया जाता है।
- जहाँ वास्तविक शाफ्ट कक्षा महत्वपूर्ण है, वहाँ निकटता जांच की आवश्यकता होती है।
6. अनुप्रयोग
मशीनरी की स्थिति की निगरानी
- बीयरिंग-हाउसिंग कंपन माप।
- समग्र कंपन प्रवृत्ति।
- Bearing-defect detection.
- सामान्य घूर्णन मशीनरी निदान।
संरचनात्मक कंपन
- भवन और नींव कंपन सर्वेक्षण।
- भूकंपों की सीज़मिक निगरानी।
- मशीनरी से विकीर्ण जमीन से उत्पन्न कंपन।
मोडल विश्लेषण
- अंशांकित प्रभाव के लिए संरचना’s प्रतिक्रिया को मापना।
- Determining प्राकृतिक आवृत्तियाँ and मोड आकार.
- Building the आवृत्ति प्रतिक्रिया कार्यों में इस्तेमाल किया गया मोडल विश्लेषण.
आंतरिक निलंबित द्रव्यमान को inertial reference के रूप में उपयोग करने वाले seismic transducers, rotating machinery पर vibration measurement की नींव बनाते हैं। Seismic principle को समझना — कि निलंबित द्रव्यमान absolute-motion measurement कैसे सक्षम करता है, और क्यों velocity pickups अपनी natural frequency के ऊपर जबकि accelerometers अपनी mounted resonance के नीचे काम करते हैं — हर औद्योगिक कंपन विश्लेषण कार्यक्रम के इन दो मुख्य उपकरणों की ताकत और सीमाएँ दोनों स्पष्ट करता है।
