4. Sistem Pengukuran untuk Mesin Penyeimbang
Sebagian besar produsen mesin penyeimbang amatir, yang menghubungi LLC "Kinematics", berencana menggunakan sistem pengukuran seri "Balanset" yang diproduksi oleh perusahaan kami dalam desain mereka. Namun, ada juga beberapa pelanggan yang berencana untuk membuat sistem pengukuran secara mandiri. Oleh karena itu, masuk akal untuk membahas konstruksi sistem pengukuran untuk mesin penyeimbang secara lebih mendetail. Persyaratan utama untuk sistem ini adalah kebutuhan untuk memberikan pengukuran presisi tinggi dari amplitudo dan fase komponen rotasi sinyal getaran, yang muncul pada frekuensi rotasi rotor seimbang. Tujuan ini biasanya dicapai dengan menggunakan kombinasi solusi teknis, termasuk:
4.1. Pemilihan Sensor Getaran
Dalam sistem pengukuran mesin penyeimbang, berbagai jenis sensor getaran (transduser) dapat digunakan, termasuk:
4.1.1. Sensor Akselerasi Getaran
Di antara sensor akselerasi getaran, akselerometer piezo dan kapasitif (chip) adalah yang paling banyak digunakan, yang dapat secara efektif digunakan pada mesin penyeimbang tipe Soft Bearing. Dalam praktiknya, secara umum diizinkan untuk menggunakan sensor akselerasi getaran dengan koefisien konversi (Kpr) berkisar antara 10 hingga 30 mV/(m/s²). Pada mesin penyeimbang yang memerlukan akurasi penyeimbangan yang sangat tinggi, disarankan untuk menggunakan akselerometer dengan Kpr yang mencapai level 100 mV/(m/s²) ke atas. Sebagai contoh akselerometer piezo yang dapat digunakan sebagai sensor getaran untuk menyeimbangkan mesin, Gambar 4.1 menunjukkan akselerometer piezo DN3M1 dan DN3M1V6 yang diproduksi oleh LLC "Izmeritel".
Gambar 4.1. Akselerometer Piezo DN 3M1 dan DN 3M1V6
Untuk menghubungkan sensor tersebut ke instrumen dan sistem pengukur getaran, Anda perlu menggunakan penguat muatan eksternal atau built-in.
Gambar 4.2. Akselerometer Kapasitif AD1 Diproduksi oleh LLC "Kinematics"
Perlu dicatat bahwa sensor ini, yang mencakup papan akselerometer kapasitif ADXL 345 yang banyak digunakan di pasaran (lihat Gambar 4.3), memiliki beberapa keunggulan signifikan dibandingkan akselerometer piezo. Secara khusus, harganya 4 hingga 8 kali lebih murah dengan karakteristik teknis yang serupa. Selain itu, mereka tidak memerlukan penggunaan penguat muatan yang mahal dan rewel yang diperlukan untuk akselerometer piezo.
Dalam kasus di mana kedua jenis akselerometer digunakan dalam sistem pengukuran mesin penyeimbang, integrasi perangkat keras (atau integrasi ganda) sinyal sensor biasanya dilakukan.
Gambar 4.2. Akselerometer Kapasitif AD 1, dirakit.
Gambar 4.3. Papan akselerometer kapasitif ADXL 345.
Dalam hal ini, sinyal sensor awal, yang sebanding dengan akselerasi getaran, diubah menjadi sinyal yang sebanding dengan kecepatan atau perpindahan getaran. Prosedur integrasi ganda dari sinyal getaran sangat relevan apabila menggunakan akselerometer sebagai bagian dari sistem pengukuran untuk mesin penyeimbang kecepatan rendah, di mana rentang frekuensi putaran rotor yang lebih rendah selama penyeimbangan dapat mencapai 120 rpm ke bawah. Saat menggunakan akselerometer kapasitif dalam sistem pengukuran mesin penyeimbang, harus dipertimbangkan bahwa setelah integrasi, sinyalnya mungkin mengandung gangguan frekuensi rendah, yang bermanifestasi dalam rentang frekuensi 0,5 hingga 3 Hz. Hal ini dapat membatasi rentang frekuensi yang lebih rendah dari penyeimbangan pada mesin yang dimaksudkan untuk menggunakan sensor ini.
4.1.2. Sensor Kecepatan Getaran 4.1.2.1. Sensor Kecepatan Getaran Induktif. Sensor ini mencakup kumparan induktif dan inti magnetik. Ketika kumparan bergetar relatif terhadap inti yang tidak bergerak (atau inti relatif terhadap kumparan yang tidak bergerak), EMF diinduksikan dalam kumparan, yang tegangannya berbanding lurus dengan kecepatan getaran elemen bergerak sensor. Koefisien konversi (Кпр) sensor induktif biasanya cukup tinggi, mencapai beberapa puluh atau bahkan ratusan mV/mm/detik. Khususnya, koefisien konversi sensor Schenck model T77 adalah 80 mV/mm/detik, dan untuk sensor IRD Mechanalysis model 544M, koefisien konversinya adalah 40 mV/mm/detik. Dalam beberapa kasus (misalnya, pada mesin penyeimbang Schenck), sensor kecepatan getaran induktif khusus yang sangat sensitif dengan penguat mekanis digunakan, di mana kecepatannya dapat melebihi 1000 mV/mm/detik. Jika sensor kecepatan getaran induktif digunakan dalam sistem pengukuran mesin penyeimbang, integrasi perangkat keras dari sinyal listrik yang sebanding dengan kecepatan getaran juga dapat dilakukan, mengubahnya menjadi sinyal yang sebanding dengan perpindahan getaran.
Gambar 4.4. Sensor Model 544M oleh IRD Mechanalysis.
Gambar 4.5. Sensor Model T77 oleh Schenck Perlu dicatat, bahwa karena intensitas tenaga kerja dalam produksinya, sensor kecepatan getaran induktif merupakan barang yang cukup langka dan mahal. Oleh karena itu, meskipun ada keuntungan yang jelas dari sensor ini, namun produsen mesin penyeimbang amatir sangat jarang menggunakannya.
4.1.2.2. Sensor Kecepatan Getaran Berdasarkan Akselerometer Piezoelektrik. Sensor jenis ini berbeda dari akselerometer piezoelektrik standar karena memiliki penguat dan integrator muatan bawaan di dalam wadahnya, yang memungkinkannya mengeluarkan sinyal yang sebanding dengan kecepatan getaran. Sebagai contoh, sensor kecepatan getaran piezoelektrik yang diproduksi oleh produsen dalam negeri (perusahaan ZETLAB dan LLC "Vibropribor") ditunjukkan pada Gambar 4.6 dan 4.7.
Gambar 4.6. Sensor Model AV02 oleh ZETLAB (Rusia)
Gambar 4.7. Model sensor DVST 2 oleh LLC "Vibropribor" Sensor semacam itu diproduksi oleh berbagai produsen (baik dalam maupun luar negeri) dan saat ini digunakan secara luas, khususnya pada peralatan getaran portabel. Harga sensor ini cukup tinggi dan bisa mencapai 20.000 hingga 30.000 rubel, bahkan dari produsen dalam negeri.
4.1.3. Sensor Perpindahan Dalam sistem pengukuran mesin penyeimbang, sensor perpindahan non-kontak - kapasitif atau induktif - juga dapat digunakan. Sensor ini dapat beroperasi dalam mode statis, memungkinkan pencatatan proses getaran mulai dari 0 Hz. Penggunaannya bisa sangat efektif dalam hal menyeimbangkan rotor kecepatan rendah dengan kecepatan putaran 120 rpm ke bawah. Koefisien konversi sensor ini dapat mencapai 1000 mV/mm dan lebih tinggi, yang memberikan akurasi dan resolusi tinggi dalam mengukur perpindahan, bahkan tanpa amplifikasi tambahan. Keuntungan yang jelas dari sensor ini adalah biayanya yang relatif murah, yang bagi sebagian produsen domestik tidak melebihi 1000 rubel. Apabila menggunakan sensor ini dalam mesin penyeimbang, yang penting untuk dipertimbangkan yaitu, bahwa jarak kerja nominal antara elemen sensitif sensor dan permukaan benda yang bergetar, dibatasi oleh diameter koil sensor. Sebagai contoh, untuk sensor yang ditunjukkan pada Gambar 4.8, model ISAN E41A dari "TEKO," celah kerja yang ditentukan biasanya 3,8 hingga 4 mm, yang memungkinkan pengukuran perpindahan objek bergetar dalam kisaran ±2,5 mm.
Gambar 4.8. Model Sensor Perpindahan Induktif ISAN E41A oleh TEKO (Rusia)
4.1.4. Sensor Gaya Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, sensor gaya digunakan dalam sistem pengukuran yang dipasang pada mesin penyeimbang Hard Bearing. Sensor-sensor ini, terutama karena kesederhanaan pembuatannya dan biaya yang relatif rendah, umumnya adalah sensor gaya piezoelektrik. Contoh sensor tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.9 dan 4.10.
Gambar 4.9. Sensor Gaya SD 1 oleh Kinematika LLC
Gambar 4.10: Sensor Gaya untuk Mesin Penyeimbang Otomotif, Dijual oleh "STO Market" Sensor gaya pengukur regangan, yang diproduksi oleh berbagai produsen dalam dan luar negeri, juga dapat digunakan untuk mengukur deformasi relatif pada penyangga mesin penyeimbang Hard Bearing.
4.2. Sensor Sudut Fase Untuk menyinkronkan proses pengukuran getaran dengan sudut rotasi rotor yang seimbang, digunakan sensor sudut fase, seperti laser (fotolistrik) atau sensor induktif. Sensor-sensor ini diproduksi dalam berbagai desain oleh produsen domestik dan internasional. Kisaran harga untuk sensor ini bisa sangat bervariasi, dari sekitar 40 hingga 200 dolar. Contoh dari perangkat tersebut adalah sensor sudut fase yang diproduksi oleh "Diamex", yang ditunjukkan pada gambar 4.11.
Gambar 4.11: Sensor Sudut Fase oleh "Diamex"
Sebagai contoh lain, Gambar 4.12 menunjukkan model yang diimplementasikan oleh LLC "Kinematics", yang menggunakan tachometer laser model DT 2234C buatan China sebagai sensor sudut fase. Keuntungan nyata dari sensor ini antara lain:
Gambar 4.12: Laser Tachometer Model DT 2234C
Dalam sebagian kasus, apabila penggunaan sensor laser optik tidak diinginkan karena alasan apa pun, sensor ini dapat diganti dengan sensor perpindahan non-kontak induktif, seperti model ISAN E41A yang sudah disebutkan sebelumnya, atau produk serupa dari produsen lain.
4.3. Fitur Pemrosesan Sinyal dalam Sensor Getaran Untuk pengukuran amplitudo dan fase yang tepat dari komponen rotasi sinyal getaran pada peralatan penyeimbang, biasanya digunakan kombinasi alat pemrosesan perangkat keras dan perangkat lunak. Alat-alat ini memungkinkan:
4.3.1. Pemfilteran Sinyal Broadband Prosedur ini sangat penting untuk membersihkan sinyal sensor getaran dari potensi gangguan yang mungkin terjadi pada batas bawah dan batas atas rentang frekuensi perangkat. Sebaiknya, perangkat pengukur mesin penyeimbang menetapkan batas bawah filter band-pass ke 2-3 Hz dan batas atas ke 50 (100) Hz. Pemfilteran "Bawah" membantu menekan noise frekuensi rendah yang mungkin muncul pada output berbagai jenis amplifier pengukur sensor. Pemfilteran "Atas" menghilangkan kemungkinan gangguan akibat frekuensi kombinasi dan potensi getaran resonansi dari masing-masing komponen mekanis mesin.
4.3.2. Penguatan Sinyal Analog dari Sensor Jika ada kebutuhan untuk meningkatkan sensitivitas sistem pengukuran mesin penyeimbang, sinyal dari sensor getaran ke input unit pengukuran dapat diperkuat. Baik amplifier standar dengan penguatan konstan maupun amplifier multistage, yang penguatannya dapat diubah secara terprogram, tergantung pada level sinyal nyata dari sensor, dapat digunakan. Contoh penguat multistage yang dapat diprogram mencakup penguat yang diimplementasikan dalam konverter pengukuran tegangan seperti E154 atau E14-140 oleh LLC "L-Card".
4.3.3. Integrasi Seperti disebutkan sebelumnya, integrasi perangkat keras dan/atau integrasi ganda sinyal sensor getaran direkomendasikan dalam sistem pengukuran mesin penyeimbang. Dengan demikian, sinyal akselerometer awal, sebanding dengan akselerasi getaran, dapat diubah menjadi sinyal yang sebanding dengan kecepatan getaran (integrasi) atau perpindahan getaran (integrasi ganda). Demikian pula, sinyal sensor kecepatan getaran setelah integrasi dapat diubah menjadi sinyal yang sebanding dengan perpindahan getaran.
4.3.4. Pemfilteran Pita Sempit Sinyal Analog Menggunakan Filter Pelacakan Untuk mengurangi gangguan dan meningkatkan kualitas pemrosesan sinyal getaran dalam sistem pengukuran mesin penyeimbang, filter pelacakan pita sempit dapat digunakan. Frekuensi pusat filter ini secara otomatis disetel ke frekuensi rotasi rotor yang diseimbangkan dengan menggunakan sinyal sensor putaran rotor. Sirkuit terpadu modern, seperti MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 dari "MAXIM", dapat digunakan untuk membuat filter tersebut.
4.3.5. Konversi Sinyal Analog ke Digital Konversi analog ke digital adalah prosedur penting yang memastikan kemungkinan peningkatan kualitas pemrosesan sinyal getaran selama pengukuran amplitudo dan fase. Prosedur ini diimplementasikan dalam semua sistem pengukuran modern mesin penyeimbang. Contoh penerapan ADC yang efektif mencakup konverter pengukuran tegangan tipe E154 atau E14-140 oleh LLC "L-Card", yang digunakan dalam beberapa sistem pengukuran mesin penyeimbang yang diproduksi oleh LLC "Kinematika". Selain itu, LLC "Kinematics" memiliki pengalaman menggunakan sistem mikroprosesor yang lebih murah berdasarkan pengontrol "Arduino", mikrokontroler PIC18F4620 dari "Microchip", dan perangkat serupa.
Penulis artikel : Feldman Valery Davidovich
Editor dan penerjemah : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Saya mohon maaf atas kesalahan terjemahan yang mungkin terjadi.