4. Balansavimo mašinų matavimo sistemos
Dauguma balansavimo mašinų gamintojų mėgėjų, kurie kreipiasi į UAB "Kinematics", planuoja savo projektuose naudoti mūsų įmonės gaminamas "Balanset" serijos matavimo sistemas. Tačiau yra ir tokių klientų, kurie planuoja tokias matavimo sistemas gaminti savarankiškai. Todėl tikslinga išsamiau aptarti balansavimo staklių matavimo sistemos konstravimą. Pagrindinis reikalavimas, keliamas šioms sistemoms, yra poreikis atlikti labai tikslius vibracinio signalo sukamosios komponentės, atsirandančios balansavimo rotoriaus sukimosi dažniu, amplitudės ir fazės matavimus. Šis tikslas paprastai pasiekiamas naudojant techninių sprendimų derinį, įskaitant:
4.1. Vibracijos jutiklių parinkimas
Balansavimo mašinų matavimo sistemose gali būti naudojami įvairių tipų vibracijos jutikliai (keitikliai), įskaitant:
4.1.1. Vibracijos pagreičio jutikliai
Iš vibracijos pagreičio jutiklių plačiausiai naudojami pjezoelektriniai ir talpiniai (lustiniai) akcelerometrai, kuriuos galima efektyviai naudoti "Soft Bearing" tipo balansavimo mašinose. Praktikoje paprastai leidžiama naudoti virpesių pagreičio jutiklius, kurių keitimo koeficientai (Kpr) svyruoja nuo 10 iki 30 mV/(m/s²). Balansavimo mašinose, kurioms reikalingas ypač didelis balansavimo tikslumas, patartina naudoti pagreičio jutiklius, kurių Kpr siekia 100 mV/(m/s²) ir daugiau. Kaip pjezoakcelerometrų, kurie gali būti naudojami kaip vibracijos jutikliai balansavimo staklėse, pavyzdys 4.1 paveiksle pateikiami UAB "Izmeritel" gaminami pjezoakcelerometrai DN3M1 ir DN3M1V6.
4.1 pav. Pjezoakcelerometrai DN 3M1 ir DN 3M1V6
Norint tokius jutiklius prijungti prie vibracijos matavimo prietaisų ir sistemų, reikia naudoti išorinius arba įmontuotus krūvio stiprintuvus.
4.2 pav. UAB "Kinematics" gaminami talpiniai akselerometrai AD1
Reikėtų pažymėti, kad šie jutikliai, tarp kurių yra ir rinkoje plačiai naudojamos talpinių akselerometrų ADXL 345 plokštės (žr. 4.3 pav.), turi keletą svarbių pranašumų prieš pjezoelektrinius akselerometrus. Konkrečiai, jie yra 4-8 kartus pigesni ir pasižymi panašiomis techninėmis savybėmis. Be to, jiems nereikia naudoti brangių ir sudėtingų įkrovos stiprintuvų, reikalingų pjezoakcelerometrams.
Tais atvejais, kai balansavimo mašinų matavimo sistemose naudojami abiejų tipų akselerometrai, paprastai jutiklių signalai integruojami aparatine įranga (arba dvigubai).
4.2 pav. Surinkti talpiniai akselerometrai AD 1.
4.3 pav. Talpinio akselerometro plokštė ADXL 345.
Šiuo atveju pradinis jutiklio signalas, proporcingas virpesių pagreičiui, atitinkamai transformuojamas į signalą, proporcingą virpesių greičiui arba poslinkiui. Dvigubo vibracijos signalo integravimo procedūra ypač aktuali, kai akcelerometrai naudojami kaip mažo greičio balansavimo mašinų matavimo sistemų dalis, kai balansavimo metu apatinis rotoriaus sukimosi dažnis gali siekti 120 aps/min ir mažiau. Balansavimo mašinų matavimo sistemose naudojant talpinius akselerometrus, reikėtų atsižvelgti į tai, kad po integravimo jų signaluose gali būti žemo dažnio trukdžių, pasireiškiančių 0,5-3 Hz dažnių diapazone. Tai gali riboti balansavimo mašinų, kuriose ketinama naudoti šiuos jutiklius, žemųjų dažnių diapazoną.
4.1.2. Vibracijos greičio jutikliai 4.1.2.1. Indukciniai vibracijos greičio jutikliai. Šiuos jutiklius sudaro indukcinė ritė ir magnetinė šerdis. Kai ritė vibruoja nejudančios šerdies atžvilgiu (arba šerdis nejudančios ritės atžvilgiu), ritėje indukuojamas elektromagnetinis laukas, kurio įtampa tiesiogiai proporcinga jutiklio judančio elemento vibracijos greičiui. Indukcinių jutiklių konversijos koeficientai (Кпр) paprastai būna gana dideli ir siekia kelias dešimtis ar net šimtus mV/mm/sek. Konkrečiai, Schenck modelio T77 jutiklio konversijos koeficientas yra 80 mV/mm/s, o IRD Mechanalysis modelio 544M jutiklio - 40 mV/mm/s. Kai kuriais atvejais (pavyzdžiui, Schenck balansavimo mašinose) naudojami specialūs labai jautrūs indukciniai vibracijos greičio jutikliai su mechaniniu stiprintuvu, kurių Kпр gali viršyti 1000 mV/mm/sek. Jei balansavimo mašinų matavimo sistemose naudojami indukciniai virpesių greičio jutikliai, taip pat galima atlikti vibracijos greičiui proporcingo elektrinio signalo aparatinį integravimą, paverčiant jį signalu, proporcingu vibracijos poslinkiui.
4.4 pav. 544M modelio jutiklis pagal IRD Mechanalysis.
4.5 pav. Schenck T77 modelio jutiklis Reikėtų pažymėti, kad dėl gamybos darbo imlumo indukciniai vibracijos greičio jutikliai yra gana reti ir brangūs gaminiai. Todėl, nepaisant akivaizdžių šių jutiklių privalumų, balansavimo mašinų gamintojai mėgėjai juos naudoja labai retai.
4.1.2.2. Pjezoelektriniais akselerometrais pagrįsti vibracijos greičio jutikliai. Šio tipo jutiklis skiriasi nuo standartinio pjezoelektrinio akselerometro tuo, kad jo korpuse įmontuotas krūvio stiprintuvas ir integratorius, todėl jis gali perduoti signalą, proporcingą vibracijos greičiui. Pavyzdžiui, pjezoelektriniai vibracijos greičio jutikliai, kuriuos gamina šalies gamintojai (ZETLAB bendrovė ir UAB "Vibropribor"), pavaizduoti 4.6 ir 4.7 paveiksluose.
4.6 pav. ZETLAB (Rusija) AV02 modelio jutiklis
4.7 pav. UAB "Vibropribor" DVST 2 modelio jutiklis Tokius jutiklius gamina įvairūs gamintojai (tiek vietiniai, tiek užsienio) ir šiuo metu jie plačiai naudojami, ypač nešiojamojoje vibracijos įrangoje. Šių jutiklių kaina yra gana didelė ir gali siekti 20 000-30 000 rublių už kiekvieną, net ir vietinių gamintojų.
4.1.3. Poslinkio jutikliai Balansavimo staklių matavimo sistemose taip pat gali būti naudojami bekontakčiai poslinkio jutikliai - talpiniai arba indukciniai. Šie jutikliai gali veikti statiniu režimu, todėl galima registruoti vibracinius procesus nuo 0 Hz. Jų naudojimas gali būti ypač veiksmingas balansuojant mažo greičio rotorius, kurių sukimosi greitis yra 120 aps/min ir mažesnis. Šių jutiklių konversijos koeficientai gali siekti 1000 mV/mm ir daugiau, o tai užtikrina didelį poslinkio matavimo tikslumą ir skiriamąją gebą net be papildomo stiprinimo. Akivaizdus šių jutiklių privalumas yra palyginti nedidelė jų kaina, kuri kai kurių vietinių gamintojų neviršija 1000 rublių. Naudojant šiuos jutiklius balansavimo staklėse, svarbu atsižvelgti į tai, kad vardinį darbinį tarpą tarp jutiklio jautriojo elemento ir vibruojančio objekto paviršiaus riboja jutiklio ritės skersmuo. Pavyzdžiui, 4.8 paveiksle parodyto jutiklio, "TEKO" modelio ISAN E41A, nurodytas darbinis tarpas paprastai yra nuo 3,8 iki 4 mm, todėl galima išmatuoti vibruojančio objekto poslinkį ±2,5 mm intervale.
4.8 pav. Indukcinis poslinkio jutiklis ISAN E41A, TEKO (Rusija)
4.1.4. Jėgos jutikliai Kaip jau minėta, jėgos jutikliai naudojami kietųjų guolių balansavimo staklėse įrengtose matavimo sistemose. Šie jutikliai, ypač dėl jų paprastos gamybos ir palyginti nedidelės kainos, dažniausiai yra pjezoelektriniai jėgos jutikliai. Tokių jutiklių pavyzdžiai pateikti 4.9 ir 4.10 paveiksluose.
4.9 pav. "Kinematika LLC" jėgos jutiklis SD 1
4.10 pav.: "STO Market" parduodamas jėgos jutiklis automobilinėms balansavimo mašinoms Deformacijos jėgos jutikliai, kuriuos gamina įvairūs šalies ir užsienio gamintojai, taip pat gali būti naudojami kietųjų guolių balansavimo mašinų atramų santykinėms deformacijoms matuoti.
4.2. Fazės kampo jutikliai Vibracijos matavimo procesui sinchronizuoti su subalansuoto rotoriaus sukimosi kampu naudojami fazinio kampo jutikliai, pavyzdžiui, lazeriniai (fotoelektriniai) arba indukciniai jutikliai. Šiuos jutiklius gamina įvairios konstrukcijos vietiniai ir tarptautiniai gamintojai. Šių jutiklių kainos gali labai skirtis - maždaug nuo 40 iki 200 dolerių. Tokio prietaiso pavyzdys yra "Diamex" gaminamas fazės kampo jutiklis, parodytas 4.11 paveiksle.
4.11 pav.: "Diamex" fazės kampo jutiklis
Kitas pavyzdys - 4.12 paveiksle parodytas UAB "Kinematics" įgyvendintas modelis, kuriame kaip fazės kampo jutikliai naudojami Kinijoje pagaminti DT 2234C modelio lazeriniai tachometrai. Akivaizdūs šio jutiklio privalumai:
4.12 pav.: DT 2234C lazerinio tachometro modelis
Kai kuriais atvejais, kai dėl kokių nors priežasčių optinių lazerinių jutiklių naudoti nepageidaujama, juos galima pakeisti indukciniais bekontakčiais poslinkio jutikliais, pavyzdžiui, anksčiau minėtu ISAN E41A modeliu arba panašiais kitų gamintojų gaminiais.
4.3. Signalo apdorojimo funkcijos vibracijos jutikliuose Balansavimo įrangos vibracijos signalo sukamojo komponento amplitudės ir fazės tiksliam matavimui paprastai naudojamas aparatinės ir programinės įrangos apdorojimo priemonių derinys. Šios priemonės leidžia:
4.3.1. Plačiajuosčio signalo filtravimas Ši procedūra yra labai svarbi norint išvalyti vibracijos jutiklio signalą nuo galimų trukdžių, kurie gali atsirasti tiek apatinėje, tiek viršutinėje prietaiso dažnių diapazono ribose. Balansavimo staklių matavimo prietaisui patartina nustatyti apatinę juostinio filtro ribą 2-3 Hz, o viršutinę ribą - 50 (100) Hz. "Apatinis" filtravimas padeda slopinti žemo dažnio triukšmus, kurie gali atsirasti įvairių tipų jutiklių matavimo stiprintuvų išėjime. "Viršutinis" filtravimas pašalina trukdžių, atsirandančių dėl kombinuotų dažnių ir galimų atskirų mechaninių mašinos komponentų rezonansinių virpesių, galimybę.
4.3.2. Analoginio signalo iš jutiklio stiprinimas Jei reikia padidinti balansavimo staklių matavimo sistemos jautrumą, signalus iš vibracijos jutiklių į matavimo įrenginio įėjimą galima sustiprinti. Galima naudoti ir standartinius stiprintuvus su pastoviu stiprinimu, ir daugiapakopius stiprintuvus, kurių stiprinimą galima programiškai keisti atsižvelgiant į realų jutiklio signalo lygį. Programuojamo daugiapakopio stiprintuvo pavyzdys yra stiprintuvai, įdiegti įtampos matavimo keitikliuose, pavyzdžiui, E154 arba E14-140 LLC "L-Card".
4.3.3. Integracija Kaip minėta anksčiau, balansavimo mašinų matavimo sistemose rekomenduojama integruoti aparatinę įrangą ir (arba) dvigubai integruoti vibracijos jutiklių signalus. Taigi pradinis akselerometro signalas, proporcingas virpesių pagreičiui, gali būti paverstas signalu, proporcingu virpesių greičiui (integravimas) arba virpesių poslinkiui (dvigubas integravimas). Panašiai vibroagreso jutiklio signalas po integravimo gali būti transformuojamas į signalą, proporcingą vibropersislinkimui.
4.3.4. Analoginio signalo siaurajuostis filtravimas naudojant sekimo filtrą Siekiant sumažinti trukdžius ir pagerinti vibracijos signalų apdorojimo kokybę balansavimo mašinų matavimo sistemose, galima naudoti siaurajuosčius sekimo filtrus. Šių filtrų centrinis dažnis automatiškai suderinamas su balansavimo rotoriaus sukimosi dažniu, naudojant rotoriaus sukimosi jutiklio signalą. Tokiems filtrams kurti galima naudoti šiuolaikinius integrinius grandynus, pavyzdžiui, MAX263, MAX264, MAX267, MAX268, kuriuos gamina "MAXIM".
4.3.5. Analoginis-skaitmeninis signalų konvertavimas Analoginis-skaitmeninis keitimas yra labai svarbi procedūra, užtikrinanti galimybę pagerinti vibracijos signalo apdorojimo kokybę matuojant amplitudę ir fazę. Ši procedūra taikoma visose šiuolaikinėse balansavimo mašinų matavimo sistemose. Efektyvaus tokių ADC diegimo pavyzdys yra LLC "L-Card" E154 arba E14-140 tipo įtampos matavimo keitikliai, naudojami keliose LLC "Kinematics" gaminamose balansavimo mašinų matavimo sistemose. Be to, LLC "Kinematics" turi patirties naudojant pigesnes mikroprocesorines sistemas, pagrįstas "Arduino" valdikliais, "Microchip" mikrovaldikliu PIC18F4620 ir panašiais prietaisais.
Straipsnio autorius : Feldmanas Valerijus Davidovičius
Redaktorius ir vertimas : Nikolajus Andrejevičius Šelkovenko
Atsiprašau už galimas vertimo klaidas.