Seisminių keitiklių supratimas
A seisminis keitiklis — dar vadinamas seisminiu jutikliu arba inerciniu keitikliu — tai vibracija jutiklis, kuriame kaip inercinė atskaita naudojama vidinė seisminė masė (“proof mass”), pakabinta ant spyruoklių arba lanksčių atramų, todėl jis gali matuoti absoliutų jutiklio pagrindo judėjimą. Kai korpusas vibruoja, santykinis judėjimas tarp pakabintos masės ir korpuso paverčiamas elektriniu signalu, atspindinčiu vibraciją. Priklausomai nuo to, kur matavimo dažnis yra masės ir spyruoklės sistemos atžvilgiu savasis dažnis, jutiklis veikia vienu iš dviejų režimų: virš rezonanso masė linkusi likti nejudri erdvėje, o santykinis judėjimas seka korpuso poslinkį (klasikinis seismometro ir greičio jutiklio režimas), o žemiau rezonanso mažas likutinis masės poslinkis yra proporcingas korpuso pagreičiui (akselerometro režimas). Esminė savybė yra ta, kad atskaita yra nešama 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, kur sužadinimo dažnis patenka jo paties natūralaus dažnio atžvilgiu — ir dvi pagrindinės jutiklių šeimos sąmoningai veikia priešingose rezonanso pusėse:
- Žemiau natūralaus dažnio (akselerometro režimas): masė ir korpusas juda beveik kartu, o mažas likutinis masės poslinkis yra proporcingas korpuso pagreitis. Čia veikia pjezoelektriniai ir MEMS akselerometrai, žemiau savo aukšto sumontuoto rezonanso.
- Prie savojo dažnio: sistema rezonuoja — išėjimas sustiprėja, bet tampa iškraipytas ir nepatikimas, todėl matavimų ties rezonansu vengiama.
- Virš natūralaus dažnio (seismometro režimas): masė faktiškai lieka vietoje, kol korpusas aplink ją vibruoja, o santykinis judėjimas seka korpuso poslinkis (arba greitį). Čia veikia poslinkio seismometrai ir judančios ritės greičio jutikliai, virš savo žemo natūralaus dažnio.
- Usable ranges: greičio jutiklis įprastai naudojamas maždaug virš 2× jo natūralaus dažnio, kur jo atsakas nusistovi ir tampa lygus; akselerometras naudojamas gerokai žemiau sumontuoto rezonanso — paprastai iki maždaug vieno trečdalio jo, kad tikslumas būtų geras.
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.
- Daug aukštesnis (sumontuotas) natūralus dažnis, paprastai 10–30 kHz.
- Skirtingai nuo greičio jutiklių, naudojamų žemiau rezonansas: naudotina nuo maždaug 1 Hz iki maždaug vieno trečdalio sumontuoto rezonanso dažnio.
- 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
- Greičio jutikliai negali patikimai matuoti žemiau maždaug 2× jų natūralaus dažnio; ypač judančios ritės tipai prastai reaguoja žemiau 15–20 Hz. Čia būdingas kompromisas: mažesnis natūralus dažnis leidžia geriau matuoti žemus dažnius, bet reikalauja didesnio ir sunkesnio jutiklio.
- Akselerometrai praranda tikslumą, kai matavimo dažnis artėja prie jų sumontuoto rezonanso; praktinė viršutinė riba (paprastai apie vieną trečdalį sumontuoto rezonanso) labai priklauso nuo tvirtinimo metodo (žr. ISO 5348).
- Pačiame žemiausiame gale akselerometro atsaką riboja jutiklio elementas ir stiprintuvo elektronika, o ne seisminė pakaba — standartiniams pramoniniams įrenginiams paprastai iki maždaug 0.5–1 Hz.
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 pakabintą masę kaip inercinę atskaitą, yra besisukančių mašinų vibracijos matavimo pagrindas. Supratus seisminį principą — kaip pakabinta masė leidžia matuoti absoliutų judėjimą ir kodėl greičio jutikliai veikia virš savo natūralaus dažnio, o akselerometrai — žemiau sumontuoto rezonanso — tampa aiškios tiek šių dviejų pagrindinių pramoninės vibracijų analizės darbo įrankių stiprybės, tiek ribos.
