4. Mérőrendszerek kiegyensúlyozó gépekhez
A kiegyensúlyozó gépek legtöbb amatőr gyártója, aki kapcsolatba lép az LLC "Kinematics" céggel, a cégünk által gyártott "Balanset" sorozatú mérőrendszereket tervezi használni a terveiben. Vannak azonban olyan ügyfelek is, akik önállóan tervezik ilyen mérőrendszerek gyártását. Ezért van értelme részletesebben megvitatni egy mérőrendszer felépítését egy kiegyensúlyozó géphez. Ezekkel a rendszerekkel szemben a fő követelmény az, hogy a kiegyensúlyozott rotor forgási frekvenciáján megjelenő rezgésjel forgási komponensének amplitúdóját és fázisát nagy pontossággal kell mérni. Ezt a célt általában többféle műszaki megoldás kombinációjával érik el, többek között:
4.1. A rezgésérzékelők kiválasztása
A kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereiben különböző típusú rezgésérzékelők (jelátalakítók) alkalmazhatók, többek között:
4.1.1. Rezgésgyorsulás-érzékelők
A rezgésgyorsulás-érzékelők közül a piezo és a kapacitív (chip) gyorsulásmérők a legelterjedtebbek, amelyek hatékonyan használhatók a lágycsapágyas típusú kiegyensúlyozó gépekben. A gyakorlatban általában 10 és 30 mV/(m/s²) közötti konverziós együtthatóval (Kpr) rendelkező rezgésgyorsulás-érzékelők használata megengedett. A különösen nagy kiegyensúlyozási pontosságot igénylő kiegyensúlyozó gépekben célszerű olyan gyorsulásérzékelőket használni, amelyek Kpr értéke eléri a 100 mV/(m/s²) vagy annál magasabb szintet. A kiegyensúlyozó gépek rezgésérzékelőjeként használható piezo gyorsulásmérőkre példaként a 4.1. ábra az LLC "Izmeritel" által gyártott DN3M1 és DN3M1V6 piezo gyorsulásmérőket mutatja.
4.1. ábra. Piezo gyorsulásmérők DN 3M1 és DN 3M1V6
Az ilyen érzékelők rezgésmérő műszerekhez és rendszerekhez való csatlakoztatásához külső vagy beépített töltéserősítőket kell használni.
4.2. ábra. Az LLC "Kinematics" által gyártott AD1 kapacitív gyorsulásmérők
Meg kell jegyezni, hogy ezek az érzékelők, amelyek közé tartoznak a széles körben használt ADXL 345 típusú kapacitív gyorsulásmérők (lásd a 4.3. ábrát), számos jelentős előnnyel rendelkeznek a piezo gyorsulásmérőkkel szemben. Nevezetesen, hogy hasonló műszaki jellemzők mellett 4-8-szor olcsóbbak. Ezenkívül nem igénylik a piezo gyorsulásmérőkhöz szükséges költséges és kényes töltéserősítők használatát.
Azokban az esetekben, amikor mindkét típusú gyorsulásmérőt használják a kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereiben, általában az érzékelő jelek hardveres integrálását (vagy kettős integrálását) végzik.
4.2. ábra. Kapacitív gyorsulásmérők AD 1, összeszerelve.
4.3. ábra. Kapacitív gyorsulásmérő kártya ADXL 345.
Ebben az esetben a kezdeti, a rezgési gyorsulással arányos érzékelőjelet ennek megfelelően átalakítják a rezgési sebességgel vagy elmozdulással arányos jellé. A rezgésjel kettős integrálásának eljárása különösen fontos, amikor a gyorsulásmérőket kis fordulatszámú kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereinek részeként használják, ahol a kiegyensúlyozás során a rotor alsó forgási frekvenciatartománya elérheti a 120 fordulat/perc és az alatti értékeket. A kapacitív gyorsulásmérők kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereiben történő alkalmazásakor figyelembe kell venni, hogy az integrálás után a jelük alacsony frekvenciájú interferenciát tartalmazhat, amely a 0,5-3 Hz-es frekvenciatartományban jelentkezik. Ez korlátozhatja a kiegyensúlyozás alsó frekvenciatartományát az ilyen érzékelők használatára szánt gépeken.
4.1.2. Rezgéssebesség-érzékelők 4.1.2.1. Induktív rezgéssebesség-érzékelők. Ezek az érzékelők egy induktív tekercset és egy mágneses magot tartalmaznak. Amikor a tekercs rezeg az álló maghoz képest (vagy a mag az álló tekercshez képest), a tekercsben EMK indukálódik, amelynek feszültsége egyenesen arányos az érzékelő mozgó elemének rezgési sebességével. Az induktív érzékelők átalakítási együtthatói (Кпр) általában igen magasak, elérik a több tíz vagy akár több száz mV/mm/sec értéket. A Schenck T77 típusú érzékelő átalakítási együtthatója 80 mV/mm/sec, az IRD Mechanalysis 544M típusú érzékelőé pedig 40 mV/mm/sec. Egyes esetekben (például a Schenck kiegyensúlyozó gépekben) mechanikus erősítővel ellátott, speciális, nagy érzékenységű induktív rezgéssebesség-érzékelőket használnak, amelyeknél a Кпр meghaladhatja az 1000 mV/mm/sec értéket. Ha a kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereiben induktív rezgéssebesség-érzékelőket használnak, a rezgéssebességgel arányos elektromos jel hardveres integrálása is elvégezhető, amely a rezgési elmozdulással arányos jellé alakítja azt.
4.4. ábra. Az IRD Mechanalysis 544M modell érzékelője.
4.5. ábra. Schenck T77-es modell érzékelője Meg kell jegyezni, hogy gyártásuk munkaigényessége miatt az induktív rezgéssebesség-érzékelők meglehetősen ritka és drága termékek. Ezért az ilyen érzékelők nyilvánvaló előnyei ellenére az amatőr kiegyensúlyozógép-gyártók nagyon ritkán használják őket.
4.1.2.2. Piezoelektromos gyorsulásmérőkön alapuló rezgéssebesség-érzékelők. Az ilyen típusú érzékelő abban különbözik a hagyományos piezoelektromos gyorsulásmérőtől, hogy a házában beépített töltéserősítő és integrátor található, amely lehetővé teszi, hogy a rezgési sebességgel arányos jelet adjon ki. A hazai gyártók (ZETLAB cég és LLC "Vibropribor") által gyártott piezoelektromos rezgéssebesség-érzékelőket például a 4.6. és 4.7. ábra mutatja.
4.6. ábra. A ZETLAB (Oroszország) AV02-es modell érzékelője
4.7. ábra. Az LLC "Vibropribor" DVST 2 érzékelő modellje Ilyen érzékelőket különböző (hazai és külföldi) gyártók gyártanak, és jelenleg széles körben használják őket, különösen a hordozható rezgésérzékelő berendezésekben. Ezeknek az érzékelőknek a költsége meglehetősen magas, és elérheti a 20 000-30 000 rubelt darabonként, még a hazai gyártóktól is.
4.1.3. Elmozdulásérzékelők A kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereiben érintésmentes - kapacitív vagy induktív - elmozdulásérzékelők is alkalmazhatók. Ezek az érzékelők statikus üzemmódban működhetnek, lehetővé téve a rezgési folyamatok regisztrálását 0 Hz-től kezdődően. Használatuk különösen hatékony lehet alacsony fordulatszámú, 120 ford/perc és az alatti fordulatszámú rotorok kiegyensúlyozásánál. Ezen érzékelők konverziós együtthatója elérheti az 1000 mV/mm-t és magasabb értékeket, ami nagy pontosságot és felbontást biztosít az elmozdulás mérésében, még további erősítés nélkül is. Ezen érzékelők nyilvánvaló előnye a viszonylag alacsony költségük, amely egyes hazai gyártók esetében nem haladja meg az 1000 rubelt. Ezen érzékelők kiegyensúlyozó gépekben történő alkalmazásakor fontos figyelembe venni, hogy az érzékelő érzékeny eleme és a rezgő tárgy felülete közötti névleges munkahézagot az érzékelő tekercs átmérője korlátozza. Például a 4.8. ábrán látható érzékelő, a "TEKO" ISAN E41A modellje esetében a megadott munkahézag jellemzően 3,8-4 mm, ami lehetővé teszi a rezgő tárgy elmozdulásának mérését ±2,5 mm tartományban.
4.8. ábra. Induktív elmozdulásérzékelő ISAN E41A modell a TEKO-tól (Oroszország)
4.1.4. Erőérzékelők Mint korábban említettük, a Hard Bearing kiegyensúlyozó gépekre szerelt mérőrendszerekben erőérzékelőket használnak. Ezek az érzékelők, különösen egyszerű gyártásuk és viszonylag alacsony költségük miatt, általában piezoelektromos erőérzékelők. Az ilyen érzékelők példái a 4.9. és 4.10. ábrán láthatók.
4.9. ábra. Erőérzékelő SD 1 a Kinematika LLC-től
4.10. ábra: Az "STO Market" által értékesített erőérzékelő autóipari kiegyensúlyozó gépekhez A hazai és külföldi gyártók széles köre által gyártott nyúlásmérő erőérzékelők a Hard Bearing kiegyensúlyozó gépek tartóinak relatív deformációinak mérésére is használhatók.
4.2. Fázisszög-érzékelők A rezgésmérési folyamatnak a kiegyensúlyozott rotor forgási szögével való szinkronizálására fázisszög-érzékelőket, például lézeres (fotoelektromos) vagy induktív érzékelőket használnak. Ezeket az érzékelőket különböző kivitelben gyártják a hazai és a nemzetközi gyártók. Ezeknek az érzékelőknek az árkategóriája jelentősen eltérhet, körülbelül 40 és 200 dollár között. Ilyen eszközre példa a "Diamex" által gyártott fázisszög-érzékelő, amelyet a 4.11. ábra mutat.
4.11. ábra: "Diamex" fázisszög érzékelője
Egy másik példaként a 4.12. ábra az LLC "Kinematics" által megvalósított modellt mutatja, amely a Kínában gyártott DT 2234C típusú lézeres tachométereket használja fázisszög-érzékelőként. Az érzékelő nyilvánvaló előnyei a következők:
4.12. ábra: Lézeres fordulatszámmérő DT 2234C modell
Bizonyos esetekben, amikor az optikai lézeres érzékelők használata valamilyen okból nem kívánatos, ezek helyettesíthetők induktív, érintésmentes elmozdulásérzékelőkkel, mint például a korábban említett ISAN E41A modell vagy más gyártók hasonló termékei.
4.3. A rezgésérzékelők jelfeldolgozási jellemzői A kiegyensúlyozó berendezésekben a rezgésjel forgási összetevője amplitúdójának és fázisának pontos mérésére általában hardveres és szoftveres feldolgozóeszközök kombinációját használják. Ezek az eszközök lehetővé teszik:
4.3.1. Szélessávú jelszűrés Ez az eljárás elengedhetetlen a rezgésérzékelő jelének megtisztításához a lehetséges zavaroktól, amelyek a készülék frekvenciatartományának alsó és felső határán egyaránt előfordulhatnak. Egy kiegyensúlyozó gép mérőberendezésénél célszerű a sávszűrő alsó határát 2-3 Hz-re, a felső határát pedig 50 (100) Hz-re állítani. Az "alsó" szűrés segít elnyomni az alacsony frekvenciájú zajokat, amelyek a különböző típusú érzékelő mérőerősítők kimenetén jelentkezhetnek. A "felső" szűrés kiküszöböli a kombinációs frekvenciák és a gép egyes mechanikai alkatrészeinek esetleges rezonáns rezgései miatti zavarok lehetőségét.
4.3.2. Az érzékelőből érkező analóg jel erősítése Ha a kiegyensúlyozó gép mérőrendszerének érzékenységét növelni kell, akkor a rezgésérzékelőktől a mérőegység bemenetére érkező jeleket fel lehet erősíteni. Mind a standard, állandó erősítésű erősítők, mind a többfokozatú erősítők, amelyek erősítése programozottan változtatható az érzékelőtől származó valós jelszint függvényében, használhatók. A programozható többfokozatú erősítőre példa az LLC "L-Card" által az E154 vagy E14-140 típusú feszültségmérő átalakítókban megvalósított erősítők.
4.3.3. Integráció Amint azt már korábban említettük, a kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereiben ajánlott a rezgésérzékelő jelek hardveres integrálása és/vagy kettős integrálása. Így a kezdeti, a rezgésgyorsulással arányos gyorsulásmérő jel átalakítható rezgéssebességgel (integrálás) vagy rezgési elmozdulással (kettős integrálás) arányos jellé. Hasonlóképpen, az integrálás után a rezgéssebesség-érzékelő jele átalakítható rezgés-elmozdulással arányos jellé.
4.3.4. Az analóg jel keskeny sávú szűrése követési szűrővel A kiegyensúlyozó gépek mérőrendszereiben az interferencia csökkentése és a rezgésjelek feldolgozásának minőségének javítása érdekében keskeny sávú követési szűrők alkalmazhatók. E szűrők központi frekvenciája automatikusan a kiegyensúlyozott rotor forgási frekvenciájára hangolódik a rotor fordulatszám-érzékelő jelének felhasználásával. Az ilyen szűrők létrehozásához modern integrált áramkörök, például a MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 "MAXIM" által gyártott MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 használhatók.
4.3.5. A jelek analóg-digitális átalakítása Az analóg-digitális átalakítás olyan fontos eljárás, amely az amplitúdó- és fázismérés során biztosítja a rezgésjel-feldolgozás minőségének javítási lehetőségét. Ezt az eljárást a kiegyensúlyozó gépek minden modern mérőrendszerében alkalmazzák. Az ilyen ADC-k hatékony megvalósítására példa az LLC "L-Card" E154 vagy E14-140 típusú feszültségmérési átalakítói, amelyeket az LLC "Kinematics" által gyártott kiegyensúlyozó gépek számos mérőrendszerében használnak. Ezen kívül az LLC "Kinematics" rendelkezik tapasztalattal az olcsóbb mikroprocesszoros rendszerek használatában, amelyek az "Arduino" vezérlőkön, a "Microchip" PIC18F4620 mikrokontrollerén és hasonló eszközökön alapulnak.
A cikk szerzője : Feldman Valerij Davidovics
Szerkesztő és fordítás : Nyikolaj Andrejevics Selkovenko
Elnézést kérek az esetleges fordítási hibákért.