4.バランシングマシンのための測定システム
LLC "Kinematics "に問い合わせるバランシングマシンのアマチュアメーカーのほとんどは、弊社が製造した "Balanset "シリーズの測定システムを設計に使用する予定です。しかし、そのような測定システムを独自に製造することを計画している顧客もいます。したがって、バランシングマシン用の測定システムの構築について詳しく説明することは理にかなっています。これらのシステムの主な要件は、バランスされたローターの回転周波数で現れる振動信号の回転成分の振幅と位相の高精度の測定を提供する必要性です。この目標は通常、以下のような技術的ソリューションを組み合わせて使用することで達成されます：
4.1.振動センサーの選択
バランシングマシンの測定システムでは、様々なタイプの振動センサー（トランスデューサ）を使用することができます：
4.1.1.振動加速度センサー
振動加速度センサーの中では、ピエゾと容量性（チップ）加速度センサーが最も広く使用されており、ソフトベアリングタイプのバランシングマシンで効果的に使用できます。実際には、一般的に10～30mV/(m/s²)の変換係数(Kpr)の振動加速度センサーを使用することが許されています。特に高いバランシング精度を必要とするバランシングマシンでは、100mV/(m/s²)以上のレベルに達するKprを持つ加速度センサーを使用することをお勧めします。バランシングマシンの振動センサーとして使用できるピエゾ加速度ピックアップの例として、図4.1は、LLC "Izmeritel "によって製造されたDN3M1とDN3M1V6ピエゾ加速度ピックアップを示しています。
図4.1.ピエゾ加速度ピックアップ DN 3M1 および DN 3M1V6
このようなセンサーを振動測定器やシステムに接続するには、外付けまたは内蔵のチャージアンプを使用する必要がある。
図4.2.LLC "Kinematics "社製静電容量式加速度ピックアップ AD1
これらのセンサには、市場で広く使用されている容量性加速度センサ ADXL 345（図 4.3 参照）のボードが含まれ、ピエゾ加速度センサに比べていくつかの重要な利点があることに留意する必要があります。具体的には、同様の技術特性で 4～8 倍安価です。さらに、ピエゾ加速度センサに必要な、高価で気難しいチャージアンプを使用する必要がありません。
バランシングマシンの測定システムで両方のタイプの加速度ピックアップが使用される場合、通常、センサー信号のハードウェア統合（または二重統合）が実行されます。
図4.2.静電容量式加速度ピックアップ AD 1、組み立て済み。
図 4.3.静電容量式加速度センサ・ボード ADXL 345。
この場合、振動加速度に比例する最初のセンサー信号は、それに応じて振動速度または変位に比例する信号に変換されます。振動信号の二重積分の手順は、バランシング中の低いローター回転周波数範囲が120 rpm以下に達することがある低速バランシングマシンの測定システムの一部として加速度ピックアップを使用する場合に特に関連性があります。バランシングマシンの測定システムで容量性加速度ピックアップを使用する場合、積分後、その信号は、0.5から3 Hzの周波数範囲で現れる低周波干渉を含む可能性があることを考慮する必要があります。これは、これらのセンサーを使用するように意図されたマシンのバランシングの低い周波数範囲を制限する可能性があります。
4.1.2.振動速度センサー 4.1.2.1.誘導型振動速度センサー。 これらのセンサーは誘導コイルと磁気コアを含む。コイルが静止したコアに対して（またはコアが静止したコイルに対して）相対的に振動すると、コイルに起電力が誘導され、その電圧はセンサーの可動要素の振動速度に正比例する。誘導型センサーの変換係数（Кпр）は通常非常に高く、数十から数百mV/mm/secに達します。特に、シェンク・モデルT77センサーの変換係数は80mV/mm/secであり、IRDメカナライシス・モデル544Mセンサーの変換係数は40mV/mm/secである。場合によっては（例えば、シェンクのバランシングマシンでは）、メカニカルアンプ付きの特別な高感度誘導振動速度センサーが使用され、Кпрは1000 mV/mm/secを超えることがあります。誘導振動速度センサーがバランシングマシンの測定システムで使用されている場合、振動速度に比例する電気信号のハードウェア統合も実行でき、振動変位に比例する信号に変換します。
図4.4.IRDメカナライシスによるモデル544Mセンサー。
図4.5.シェンクのT77型センサー 生産に手間がかかるため、誘導振動速度センサーはかなり希少で高価なアイテムであることに注意する必要があります。したがって、これらのセンサーの明らかな利点にもかかわらず、バランシングマシンのアマチュアメーカーが使用することは非常にまれです。
4.1.2.2.圧電型加速度センサーに基づく振動速度センサー。 このタイプのセンサは、標準的な圧電式加速度センサとは異なり、ハウジング内にチャージアンプと積分器を内蔵しており、振動速度に比例した信号を出力することができます。例えば、国内メーカー（ZETLAB 社、LLC "Vibropribor"）製の圧電振動速度センサを図 4.6 および図 4.7 に示す。
図 4.6.ZETLAB社（ロシア）のモデルAV02センサー
図4.7.LLC "Vibropribor "のモデルDVST 2センサー このようなセンサーは様々なメーカー（国内外）によって製造されており、現在、特にポータブル振動機器に広く使用されている。これらのセンサーのコストはかなり高く、国内メーカーのものでも1個2万から3万ルーブルに達する。
4.1.3.変位センサー バランシングマシンの測定システムでは、容量性または誘導性の非接触変位センサーも使用できます。これらのセンサーは、静的モードで動作し、0 Hzから始まる振動プロセスの登録を可能にします。これらの使用は、回転速度120 rpm以下の低速ローターのバランシングの場合に特に効果的です。これらのセンサーの変換係数は、1000mV/mm以上に達することができ、追加増幅なしでも、変位測定に高い精度と分解能を提供します。これらのセンサーの明らかな利点は、比較的低コストであることで、いくつかの国内メーカーでは1000ルーブルを超えることはありません。バランシングマシンでこれらのセンサーを使用する場合、センサーの感応素子と振動物体の表面との間の公称ワーキングギャップは、センサーコイルの直径によって制限されることを考慮することが重要です。例えば、図4.8に示すセンサー、「TEKO」のモデルISAN E41Aの場合、規定のワーキングギャップは通常3.8～4mmで、±2.5mmの範囲で振動体の変位を測定することができます。
図4.8.TEKO社（ロシア）の誘導型変位センサーISAN E41A
4.1.4.力センサー 前述のように、力センサーは、ハードベアリングバランシングマシンに設置された測定システムで使用されています。これらのセンサーは、特に製造が簡単で比較的安価なため、一般的に圧電力センサーです。そのようなセンサーの例を図4.9と図4.10に示す。
図4.9.Kinematika LLCの力センサーSD 1
図4.10："STO Market "が販売する自動車バランシングマシン用フォースセンサー ひずみゲージ式フォースセンサーは、国内外の幅広いメーカーによって製造されており、ハードベアリングバランシングマシンの支持部の相対的な変形を測定するためにも使用できます。
4.2.位相角センサー 振動測定プロセスをバランスローターの回転角度と同期させるために、レーザー（光電）センサーや誘導センサーなどの位相角センサーが使用される。これらのセンサーは、国内外のメーカーによって様々なデザインで製造されている。これらのセンサーの価格帯は、約40ドルから200ドルと、かなり幅がある。このようなデバイスの一例として、図4.11に示す "Diamex "社製の位相角センサーがある。
図4.11："Diamex "による位相角センサー
別の例として、図4.12はLLC "Kinematics "が実装したモデルで、位相角センサーとして中国製のDT 2234Cモデルのレーザータコメーターを使用している。 このセンサーの明らかな利点は以下の通りだ：
図 4.12：レーザー・タコメーター モデル DT 2234C
何らかの理由で光学式レーザーセンサーを使用することが望ましくない場合、前述のISAN E41Aモデルや他のメーカーの類似製品のような誘導式非接触変位センサーに置き換えることができる場合がある。
4.3.振動センサーの信号処理機能 バランシング装置の振動信号の回転成分の振幅と位相を正確に測定するために、通常、ハードウェアとソフトウェアの処理ツールの組み合わせが使用されます。これらのツールによって可能になります：
4.3.1.広帯域信号フィルタリング この手順は、装置の周波数範囲の下限と上限の両方で発生する可能性のある干渉から振動センサーの信号を浄化するために不可欠です。バランシングマシンの測定装置では、バンドパスフィルターの下限を2～3Hzに、上限を50(100)Hzに設定することをお勧めします。"下限 "フィルタリングは、様々なタイプのセンサー測定アンプの出力に現れる可能性のある低周波ノイズを抑制するのに役立ちます。"上限 "フィルタリングは、機械の個々の機械部品の組み合わせ周波数や潜在的な共振振動による干渉の可能性を排除します。
4.3.2.センサーからのアナログ信号の増幅 バランシングマシンの測定システムの感度を上げる必要がある場合は、振動センサーから測定ユニットの入力への信号を増幅することができます。一定のゲインを持つ標準的なアンプと、センサーからの実際の信号レベルに応じてゲインをプログラムで変更できる多段アンプの両方を使用できます。プログラム可能な多段増幅器の例としては、LLC「L-Card」によってE154やE14-140のような電圧測定コンバータに実装された増幅器があります。
4.3.3.統合 先に述べたように、バランシングマシンの測定システムでは、振動センサ信号のハードウェア統合および／または二重統合が推奨されています。したがって、振動加速度に比例する最初の加速度センサー信号は、振動速度（積分）または振動変位（二重積分）に比例する信号に変換することができます。同様に、積分後の振動速度センサー信号は、振動変位に比例する信号に変換することができます。
4.3.4.トラッキングフィルターによるアナログ信号の狭帯域フィルタリング 干渉を減らし、バランシングマシンの測定システムでの振動信号処理の品質を向上させるために、狭帯域トラッキングフィルターを使用することができます。これらのフィルターの中心周波数は、ローターの回転センサー信号を使用して、バランスローターの回転周波数に自動的に調整されます。MAXIM "のMAX263、MAX264、MAX267、MAX268のような最新の集積回路は、そのようなフィルタを作成するために使用することができます。
4.3.5.信号のアナログ・デジタル変換 アナログからデジタルへの変換は、振幅と位相の測定中に振動信号処理の品質を向上させる可能性を保証する重要な手順です。この手順は、バランシングマシンのすべての最新の測定システムに実装されています。そのようなADCの効果的な実装の例としては、LLC "Kinematics "によって製造されたバランシングマシンのいくつかの測定システムで使用されているLLC "L-Card "のE154またはE14-140タイプの電圧測定コンバーターがあります。さらに、LLC "Kinematics "は、"Arduino "コントローラ、"Microchip "のPIC18F4620マイクロコントローラ、および同様のデバイスをベースにした安価なマイクロプロセッサシステムを使用した経験があります。
記事の著者：フェルドマン・ヴァレリー・ダヴィドヴィッチ
編集・翻訳：ニコライ・アンドレーヴィチ・シェルコヴェンコ
翻訳ミスの可能性があることをお詫びする。
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