4. Sistemi di misura per macchine equilibratrici
La maggior parte dei produttori amatoriali di macchine per l'equilibratura, che contattano la LLC "Kinematics", intendono utilizzare i sistemi di misura della serie "Balanset" prodotti dalla nostra azienda nei loro progetti. Tuttavia, ci sono anche clienti che intendono produrre tali sistemi di misura in modo indipendente. Pertanto, è opportuno discutere in dettaglio la costruzione di un sistema di misura per una macchina di bilanciamento. Il requisito principale di questi sistemi è la necessità di fornire misure di alta precisione dell'ampiezza e della fase della componente rotazionale del segnale di vibrazione, che appare alla frequenza di rotazione del rotore equilibrato. Questo obiettivo viene solitamente raggiunto utilizzando una combinazione di soluzioni tecniche, tra cui:
4.1. Selezione dei sensori di vibrazione
Nei sistemi di misura delle macchine di bilanciamento possono essere utilizzati diversi tipi di sensori di vibrazione (trasduttori), tra cui:
4.1.1. Sensori di accelerazione delle vibrazioni
Tra i sensori di accelerazione delle vibrazioni, gli accelerometri piezoelettrici e capacitivi (chip) sono i più utilizzati, che possono essere efficacemente impiegati nelle macchine di bilanciamento di tipo Soft Bearing. In pratica, è generalmente consentito utilizzare sensori di accelerazione delle vibrazioni con coefficienti di conversione (Kpr) compresi tra 10 e 30 mV/(m/s²). Nelle macchine equilibratrici che richiedono una precisione di equilibratura particolarmente elevata, è consigliabile utilizzare accelerometri con Kpr che raggiungono livelli di 100 mV/(m/s²) e oltre. Come esempio di accelerometri piezoelettrici che possono essere utilizzati come sensori di vibrazione per le macchine equilibratrici, la Figura 4.1 mostra gli accelerometri piezoelettrici DN3M1 e DN3M1V6 prodotti dalla LLC "Izmeritel".
Figura 4.1. Accelerometri piezoelettrici DN 3M1 e DN 3M1V6
Per collegare tali sensori a strumenti e sistemi di misurazione delle vibrazioni, è necessario utilizzare amplificatori di carica esterni o integrati.
Figura 4.2. Accelerometri capacitivi AD1 prodotti da LLC "Kinematics".
Va notato che questi sensori, tra cui le schede di accelerometri capacitivi ADXL 345 (vedi Figura 4.3) ampiamente diffuse sul mercato, presentano diversi vantaggi significativi rispetto agli accelerometri piezoelettrici. In particolare, sono da 4 a 8 volte più economici con caratteristiche tecniche simili. Inoltre, non richiedono l'uso di amplificatori di carica costosi e difficili da usare per gli accelerometri piezoelettrici.
Nei casi in cui entrambi i tipi di accelerometri sono utilizzati nei sistemi di misura delle macchine di bilanciamento, di solito viene eseguita l'integrazione hardware (o doppia integrazione) dei segnali dei sensori.
Figura 4.2. Accelerometri capacitivi AD 1, assemblati.
Figura 4.3. Scheda accelerometrica capacitiva ADXL 345.
In questo caso, il segnale iniziale del sensore, proporzionale all'accelerazione di vibrazione, viene trasformato in un segnale proporzionale alla velocità di vibrazione o allo spostamento. La procedura di doppia integrazione del segnale di vibrazione è particolarmente importante quando si utilizzano accelerometri come parte dei sistemi di misura per macchine equilibratrici a bassa velocità, dove la frequenza di rotazione inferiore del rotore durante l'equilibratura può raggiungere i 120 giri/min. e meno. Quando si utilizzano accelerometri capacitivi nei sistemi di misura delle macchine equilibratrici, occorre considerare che, dopo l'integrazione, i loro segnali possono contenere interferenze a bassa frequenza, che si manifestano nell'intervallo di frequenza compreso tra 0,5 e 3 Hz. Ciò può limitare l'intervallo di frequenza inferiore dell'equilibratura sulle macchine destinate all'uso di questi sensori.
4.1.2. Sensori di velocità di vibrazione 4.1.2.1. Sensori di velocità a vibrazione induttivi. Questi sensori comprendono una bobina induttiva e un nucleo magnetico. Quando la bobina vibra rispetto a un nucleo fisso (o il nucleo rispetto a una bobina fissa), nella bobina viene indotto un campo elettromagnetico, la cui tensione è direttamente proporzionale alla velocità di vibrazione dell'elemento mobile del sensore. I coefficienti di conversione (Кпр) dei sensori induttivi sono solitamente molto elevati, raggiungendo diverse decine o addirittura centinaia di mV/mm/sec. In particolare, il coefficiente di conversione del sensore Schenck modello T77 è di 80 mV/mm/sec, mentre per il sensore IRD Mechanalysis modello 544M è di 40 mV/mm/sec. In alcuni casi (ad esempio, nelle macchine di equilibratura Schenck), vengono utilizzati speciali sensori di velocità di vibrazione induttivi altamente sensibili con un amplificatore meccanico, dove Кпр può superare i 1000 mV/mm/sec. Se i sensori induttivi di velocità di vibrazione sono utilizzati nei sistemi di misura delle macchine equilibratrici, è possibile integrare via hardware il segnale elettrico proporzionale alla velocità di vibrazione, convertendolo in un segnale proporzionale allo spostamento di vibrazione.
Figura 4.4. Sensore modello 544M di IRD Mechanalysis.
Figura 4.5. Sensore modello T77 di Schenck Va notato che, a causa dell'intensità della manodopera per la loro produzione, i sensori induttivi di velocità di vibrazione sono piuttosto scarsi e costosi. Pertanto, nonostante gli evidenti vantaggi di questi sensori, i produttori amatoriali di macchine di equilibratura li utilizzano molto raramente.
4.1.2.2. Sensori di velocità di vibrazione basati su accelerometri piezoelettrici. Un sensore di questo tipo si differenzia da un accelerometro piezoelettrico standard per la presenza di un amplificatore di carica e di un integratore integrati nell'alloggiamento, che gli consentono di emettere un segnale proporzionale alla velocità di vibrazione. Ad esempio, i sensori piezoelettrici di velocità di vibrazione prodotti da produttori nazionali (ZETLAB e LLC "Vibropribor") sono illustrati nelle Figure 4.6 e 4.7.
Figura 4.6. Sensore modello AV02 di ZETLAB (Russia)
Figura 4.7. Sensore modello DVST 2 di LLC "Vibropribor Questi sensori sono prodotti da vari produttori (sia nazionali che esteri) e sono attualmente molto utilizzati, soprattutto nelle apparecchiature portatili per le vibrazioni. Il costo di questi sensori è piuttosto elevato e può raggiungere i 20.000-30.000 rubli ciascuno, anche per i produttori nazionali.
4.1.3. Sensori di spostamento Nei sistemi di misura delle macchine equilibratrici possono essere utilizzati anche sensori di spostamento senza contatto, capacitivi o induttivi. Questi sensori possono funzionare in modalità statica, consentendo la registrazione dei processi vibrazionali a partire da 0 Hz. Il loro impiego può essere particolarmente efficace nel caso di bilanciamento di rotori a bassa velocità, con velocità di rotazione di 120 giri/min. e inferiori. I coefficienti di conversione di questi sensori possono raggiungere i 1000 mV/mm e oltre, il che garantisce un'elevata precisione e risoluzione nella misurazione dello spostamento, anche senza amplificazione aggiuntiva. Un evidente vantaggio di questi sensori è il loro costo relativamente basso, che per alcuni produttori nazionali non supera i 1000 rubli. Quando si utilizzano questi sensori nelle macchine di bilanciamento, è importante considerare che lo spazio di lavoro nominale tra l'elemento sensibile del sensore e la superficie dell'oggetto vibrante è limitato dal diametro della bobina del sensore. Ad esempio, per il sensore mostrato nella Figura 4.8, modello ISAN E41A di "TEKO", la distanza di lavoro specificata è tipicamente compresa tra 3,8 e 4 mm, che consente di misurare lo spostamento dell'oggetto vibrante nell'intervallo di ±2,5 mm.
Figura 4.8. Sensore di spostamento induttivo modello ISAN E41A di TEKO (Russia)
4.1.4. Sensori di forza Come già detto, nei sistemi di misura installati sulle macchine di equilibratura Hard Bearing si utilizzano sensori di forza. Questi sensori, soprattutto per la loro semplicità di fabbricazione e il costo relativamente basso, sono generalmente sensori di forza piezoelettrici. Esempi di sensori di questo tipo sono illustrati nelle Figure 4.9 e 4.10.
Figura 4.9. Sensore di forza SD 1 di Kinematika LLC
Figura 4.10: Sensore di forza per macchine di equilibratura per autoveicoli, venduto da "STO Market". I sensori di forza estensimetrici, realizzati da un'ampia gamma di produttori nazionali ed esteri, possono essere utilizzati anche per misurare le deformazioni relative dei supporti delle macchine equilibratrici Hard Bearing.
4.2. Sensori di angolo di fase Per sincronizzare il processo di misurazione delle vibrazioni con l'angolo di rotazione del rotore bilanciato, si utilizzano sensori di angolo di fase, come i sensori laser (fotoelettrici) o induttivi. Questi sensori sono realizzati in varie versioni da produttori nazionali e internazionali. Il prezzo di questi sensori può variare notevolmente, da circa 40 a 200 dollari. Un esempio di questo tipo di dispositivo è il sensore di angolo di fase prodotto da "Diamex", illustrato nella figura 4.11.
Figura 4.11: Sensore dell'angolo di fase di "Diamex".
Come ulteriore esempio, la Figura 4.12 mostra un modello implementato dalla LLC "Kinematics", che utilizza tachimetri laser del modello DT 2234C prodotti in Cina come sensori di angolo di fase. I vantaggi evidenti di questo sensore sono:
Figura 4.12: Tachimetro laser modello DT 2234C
In alcuni casi, quando l'uso di sensori laser ottici non è auspicabile per qualsiasi motivo, è possibile sostituirli con sensori di spostamento induttivi senza contatto, come il già citato modello ISAN E41A o prodotti simili di altri produttori.
4.3. Caratteristiche dell'elaborazione del segnale nei sensori di vibrazione Per misurare con precisione l'ampiezza e la fase della componente rotazionale del segnale di vibrazione nelle apparecchiature di bilanciamento, si utilizza in genere una combinazione di strumenti di elaborazione hardware e software. Questi strumenti consentono di:
4.3.1. Filtraggio del segnale a banda larga Questa procedura è essenziale per ripulire il segnale del sensore di vibrazioni da potenziali interferenze che possono verificarsi ai limiti inferiori e superiori della gamma di frequenza del dispositivo. Per il dispositivo di misura di una macchina equilibratrice è consigliabile impostare il limite inferiore del filtro passa-banda a 2-3 Hz e il limite superiore a 50 (100) Hz. Il filtraggio "inferiore" aiuta a sopprimere i rumori a bassa frequenza che possono comparire all'uscita di vari tipi di amplificatori di misura a sensore. Il filtraggio "superiore" elimina la possibilità di interferenze dovute a frequenze combinate e potenziali vibrazioni risonanti dei singoli componenti meccanici della macchina.
4.3.2. Amplificazione del segnale analogico del sensore Se è necessario aumentare la sensibilità del sistema di misura della macchina equilibratrice, è possibile amplificare i segnali provenienti dai sensori di vibrazione all'ingresso dell'unità di misura. Si possono utilizzare sia amplificatori standard con guadagno costante sia amplificatori multistadio, il cui guadagno può essere modificato programmaticamente in base al livello reale del segnale proveniente dal sensore. Un esempio di amplificatore multistadio programmabile è rappresentato dagli amplificatori implementati nei convertitori di misura di tensione come l'E154 o l'E14-140 di LLC "L-Card".
4.3.3. Integrazione Come già detto, l'integrazione hardware e/o la doppia integrazione dei segnali dei sensori di vibrazione sono raccomandate nei sistemi di misura delle macchine equilibratrici. Pertanto, il segnale iniziale dell'accelerometro, proporzionale alla vibro-accelerazione, può essere trasformato in un segnale proporzionale alla vibro-velocità (integrazione) o al vibro-spostamento (doppia integrazione). Analogamente, il segnale del sensore di vibrovelocità dopo l'integrazione può essere trasformato in un segnale proporzionale al vibro-spostamento.
4.3.4. Filtraggio a banda stretta del segnale analogico mediante un filtro di inseguimento Per ridurre le interferenze e migliorare la qualità dell'elaborazione dei segnali di vibrazione nei sistemi di misura delle macchine equilibratrici, è possibile utilizzare filtri di inseguimento a banda stretta. La frequenza centrale di questi filtri viene sintonizzata automaticamente sulla frequenza di rotazione del rotore bilanciato utilizzando il segnale del sensore di rotazione del rotore. Per creare questi filtri si possono utilizzare i moderni circuiti integrati MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 di "MAXIM".
4.3.5. Conversione analogico-digitale dei segnali La conversione analogico-digitale è una procedura cruciale che garantisce la possibilità di migliorare la qualità dell'elaborazione del segnale di vibrazione durante la misurazione dell'ampiezza e della fase. Questa procedura è implementata in tutti i moderni sistemi di misura delle macchine di bilanciamento. Un esempio di implementazione efficace di tali ADC è rappresentato dai convertitori di misura della tensione del tipo E154 o E14-140 della LLC "L-Card", utilizzati in diversi sistemi di misura di macchine equilibratrici prodotte dalla LLC "Kinematics". Inoltre, la LLC "Kinematics" ha esperienza nell'utilizzo di sistemi a microprocessore più economici basati sui controllori "Arduino", sul microcontrollore PIC18F4620 della "Microchip" e su dispositivi simili.
Autore dell'articolo : Feldman Valery Davidovich
Redazione e traduzione : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Mi scuso per eventuali errori di traduzione.