Seisminių keitiklių supratimas
A seisminis keitiklis — dar vadinamas seisminiu jutikliu arba inerciniu keitikliu — tai vibracija jutiklis, naudojantis vidinę seisminę masę (“etaloninę masę”), pakabintą ant spyruoklių arba lanksčių laikiklių, kaip inercinę atskaitos taško sistemą, leidžiančią jam matuoti absoliučią jutiklio pagrindo judesio amplitudę. Kai korpusas vibruoja, pakabintoji masė linkusi išlikti nejudanti erdvėje (jei dažnis yra aukštesnis už masės ir spyruoklės sistemos savasis dažnis), o santykinis judėjimas tarp judančio korpuso ir beveik nejudančios masės konvertuojamas į elektrinį signalą, vaizduojantį vibraciją. Apibrėžiamasis bruožas yra tas, kad atskaitos taškas yra inside jutiklyje, todėl nereikalingas joks fiksuotas išorinis etaloninis taškas.
Pavadinimas “seisminis” kilęs iš žemės drebėjimų matavimo priemonių: seismometro pakabintoji masė išlieka santykinai nejudanti, kol žemė sujuda po ja. Mašinų stebėjime tiek greičio keitikliai ir akcelerometrai yra seisminiai keitikliai šia prasme, nors terminas dažniausiai siejamas su klasikiniu greičio keitikliu.
1. Veikimo principas
Masės-spyruoklių-slopinimo sistema
Kiekvienas seisminis keitiklis iš esmės yra mažas mechaninis osciliatorius, susidedantis iš keturių funkcinių dalių:
- Seismic mass: kalibruota inertinė masė, pakabinta jutiklio korpuso viduje.
- Pavasaris: mechaninės spyruoklės arba ploni lankstūs elementai, laikantys masę.
- Slopinimas: oro, magnetinis (sūkurinių srovių) arba skystinis slopinimas, mažinantis rezonansą.
- Transdukcija: elementas, kuris masės ir korpuso santykinį judėjimą paverčia įtampos signalu.
Dažnio atsako regionai
Jutiklio elgsena visiškai priklauso nuo to, kaip žadinimo dažnis atitinka jo paties savąjį dažnį:
- Žemiau savojo dažnio: masė ir korpusas juda kartu, todėl santykinis judėjimas yra nereikšmingas, o atsako charakteristika – prasta.
- Prie savojo dažnio: sistema rezonuoja — išėjimo signalas sustiprinamas, tačiau yra iškraipytas ir nepatikimas.
- Virš savojo dažnio: masė iš esmės lieka vietoje, o korpusas vibruoja aplink ją. Tai yra gera matavimo sritis.
- Naudojimo diapazonas: paprastai laikoma daugiau nei apie 2× savojo dažnio, kai atsakas nusistovėjęs ir yra plokščias.
2. Seisminių keitiklių tipai
Greičio keitikliai (judančios ritės)
- Magnetas pakabinamas ant spyruoklių fiksuotos ritės viduje (arba atvirkščiai).
- Santykinis magneto ir ritės greitis generuoja įtampą elektromagnetinės indukcijos principu.
- Savasis dažnis paprastai 8–15 Hz.
- Tinkamas naudoti virš maždaug 16–30 Hz.
- Tiesiogiai matuoja greitį, nereikalaudamas signalo integracijos.
Akselerometrai
- Pjezoelektrinis tipai naudoja pjezo kristalą masės inerciniams jėgoms jutikti.
- MEMS tipai naudoja talpinį arba pjezorezistyvinį jutimą mikroapdirbtu elementu.
- Gerokai aukštesnis savasis dažnis, paprastai 10–30 kHz.
- Naudojamas nuo maždaug 1 Hz ir aukščiau.
- Matuoja pagreitį, kurį galima integruoti į greitį arba poslinkį.
3. Seisminiai vs. neseisminiai sensoriai
Seisminių jutiklių šeimą geriausia suprasti lyginant su jutikliais, kurie remiasi išoriniu atskaitos tašku.
Seisminiai jutikliai (inercinė atskaitos sistema)
- Akseleracijos ir greičio keitikliai.
- Matuoja absoliutų judėjimą inercinėje erdvėje.
- Montuojami tiesiogiai ant vibruojančios konstrukcijos.
- Naudoja savo vidinę masę kaip atskaitos elementą.
- Dažniausias pasirinkimas mechanizmų stebėsenai.
Ne seisminiai jutikliai (išorinis etalonas)
- Artumo zondai (sūkurinės srovės sensoriai).
- Matuoja santykinį judėjimą tarp dviejų paviršių.
- Reikalingas nejudantis tvirtinimo taškas, nuo kurio atliekamas matavimas.
- Paprastai matuoja veleno judėjimą guolio atžvilgiu.
- Standartas veleno vibracijos matavimui mašinose su slankiojantys guoliai.
4. Seisminės konstrukcijos privalumai
Savarankiška nuoroda
- Išorinis atskaitos rėmas nereikalingas.
- Jutiklį galima sumontuoti beveik bet kur ant vibruojančios konstrukcijos.
- Jis rodo tikrąjį absoliutų judėjimą inercinėje erdvėje.
Universalumas
- Vienas sensorio tipas tinka daugeliui taikymo atvejų.
- Tinka tiek laikiniems tyrimams, tiek stacionariems įrenginiams.
- Lengvai perkeliamas nuo vienos mašinos prie kitos.
Šis universalumas yra priežastis, kodėl nešiojamieji prietaisai juos naudoja. Dviejų kanalų Balanset-1A, pavyzdžiui, atlieka matavimus akselerometrais, pritvirtintais prie guolių korpusų — savireferenciniais seisminiais jutikliais, kuriems nereikia fiksuoto atskaitos taško, todėl inžinierius gali greitai judėti tarp matavimo taškų ir mašinų atliekant balansavimą vietoje.
5. Apribojimai
Dažnio atsako apribojimai
- Nepatikimai matuoja žemiau maždaug 2× natūralaus dažnio.
- Judančios ritės greičio keitikliai ypač prastai reaguoja žemiau 15–20 Hz.
- Egzistuoja iš esmės nešališka kompromisas: žemesnis savasis dažnis suteikia geresnį žemo dažnio pasiekamumą, tačiau reikalauja didesnio ir sunkesnio sensorio.
Matuoja būsto judėjimą
- Sensorius nuskaito guolio būdo judėjimą, o ne tiesiogiai veleno judėjimą.
- Būdo vibracijos nėra tas pats kaip veleno vibracijos — jas filtruoja guolio standumas ir apsupanti konstrukcija.
- Kai svarbus tikrasis veleno orbitos nustatymas, vietoj to reikalingi artumo sondai.
6. Taikymo sritys
Mašinų būklės stebėjimas
- Guolio būdo vibracijos matavimai.
- Bendras vibracijos šuolinis sekimas.
- Bearing-defect detection.
- Bendroji besisukančios mechanikos diagnostika.
Struktūrinė vibracija
- Pastatų ir pamatų vibracijos tyrimai.
- Seisminė žemės drebėjimų stebėsena.
- Iš mašinų sklindanti į žemę spinduliuota vibracijas.
Modalinė analizė
- Struktūros atsako į kalibruotą smūgį matavimas.
- Determining savieji dažniai ir režimo formos.
- Building the dažnio atsako funkcijos used in modalinė analizė.
Seisminiai keitikliai, naudojantys vidinę suspenduotą masę kaip inercinę ataskaitą, sudaro vibracijos matavimo pagrindą besisukančiose mašinose. Suvokus seisminį principą — kaip suspenduota masė leidžia absoliutaus judėjimo matavimą ir kodėl šis matavimas galioja tik virš sensorio savojo dažnio — paaiškėja tiek akseleracijos ir greičio keitiklių (iš jų sudarytos vibracijos analizės sistemos dvyniai) stiprybės, tiek jų ribos.
