4. Balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmas
Lielākā daļa balansēšanas iekārtu ražotāju amatieru, kas sazinās ar SIA "Kinematics", savos projektos plāno izmantot mūsu uzņēmuma ražotās "Balanset" sērijas mērīšanas sistēmas. Tomēr ir arī daži klienti, kas plāno šādas mērīšanas sistēmas ražot patstāvīgi. Tāpēc ir lietderīgi detalizētāk apspriest balansēšanas mašīnas mērīšanas sistēmas konstrukciju. Galvenā prasība šīm sistēmām ir nepieciešamība nodrošināt vibrācijas signāla rotācijas komponentes, kas parādās pie balansēšanas rotora rotācijas frekvences, amplitūdas un fāzes augstas precizitātes mērījumus. Šo mērķi parasti sasniedz, izmantojot tehnisko risinājumu kombināciju, tostarp:
4.1. Vibrācijas sensoru izvēle
Balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās var izmantot dažādu veidu vibrācijas sensorus (devējus), tostarp:
4.1.1. Vibrācijas paātrinājuma sensori
No vibrācijas paātrinājuma sensoriem visplašāk tiek izmantoti pjezo un kapacitatīvie (mikroshēmu) akselerometri, kurus var efektīvi izmantot mīksto gultņu tipa balansēšanas iekārtās. Praksē parasti ir atļauts izmantot vibrācijas paātrinājuma sensorus ar konversijas koeficientiem (Kpr) no 10 līdz 30 mV/(m/s²). Balansēšanas mašīnās, kurām nepieciešama īpaši augsta balansēšanas precizitāte, ieteicams izmantot akselerometrus ar Kpr, kas sasniedz 100 mV/(m/s²) un augstāku līmeni. Kā piemērs pjezoakcelerometriem, kurus var izmantot kā vibrācijas sensorus balansēšanas mašīnām, 4.1. attēlā ir parādīti pjezoakcelerometri DN3M1 un DN3M1V6, ko ražo SIA "Izmeritel".
4.1. attēls. Pjezoakcelerometri DN 3M1 un DN 3M1V6
Lai pieslēgtu šādus sensorus vibrācijas mērinstrumentiem un sistēmām, ir jāizmanto ārēji vai iebūvēti lādiņa pastiprinātāji.
4.2. attēls. Kapacitatīvie akselerometri AD1, ko ražo SIA "Kinematics"
Jāatzīmē, ka šiem sensoriem, tostarp tirgū plaši izmantotajām kapacitatīvo akselerometru ADXL 345 platēm (sk. 4.3. attēlu), ir vairākas būtiskas priekšrocības salīdzinājumā ar pjezoakcelerometriem. Proti, tie ir 4 līdz 8 reizes lētāki, bet to tehniskie parametri ir līdzīgi. Turklāt tiem nav jāizmanto dārgi un smalki lādiņa pastiprinātāji, kas nepieciešami pjezoakcelerometriem.
Gadījumos, kad balansēšanas iekārtu mērīšanas sistēmās izmanto abu veidu akselerometrus, parasti tiek veikta sensoru signālu aparatūras integrācija (vai dubultā integrācija).
4.2. attēls. Kapacitatīvie akselerometri AD 1, samontēti.
4.3. attēls. Kapacitatīvā akselerometra plate ADXL 345.
Šajā gadījumā sākotnējais sensora signāls, kas ir proporcionāls vibrācijas paātrinājumam, tiek attiecīgi pārveidots par signālu, kas ir proporcionāls vibrācijas ātrumam vai pārvietojumam. Vibrācijas signāla divkāršas integrēšanas procedūra ir īpaši svarīga, ja akselerometrus izmanto kā daļu no mērīšanas sistēmām zema ātruma balansēšanas mašīnām, kur rotora rotācijas zemākā frekvence balansēšanas laikā var sasniegt 120 apgr./min un mazāk. Ja balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās izmanto kapacitatīvos akselerometrus, jāņem vērā, ka pēc integrēšanas to signāli var saturēt zemas frekvences traucējumus, kas izpaužas frekvenču diapazonā no 0,5 līdz 3 Hz. Tas var ierobežot balansēšanas zemāko frekvenču diapazonu mašīnām, kurās paredzēts izmantot šos sensorus.
4.1.2. Vibrācijas ātruma sensori 4.1.2.1. Induktīvie vibrācijas ātruma sensori. Šajos sensoros ir induktīvā spole un magnētiskā serde. Kad spole vibrē attiecībā pret nekustīgo serdi (vai serde attiecībā pret nekustīgo spoli), spolē tiek inducēta EML, kuras spriegums ir tieši proporcionāls sensora kustīgā elementa vibrācijas ātrumam. Induktīvo sensoru konversijas koeficienti (Кпр) parasti ir diezgan augsti, sasniedzot vairākus desmitus vai pat simtus mV/mm/sek. Konkrēti, Schenck T77 modeļa sensora konversijas koeficients ir 80 mV/mm/sek, bet IRD Mechanalysis 544M modeļa sensora - 40 mV/mm/sek. Dažos gadījumos (piemēram, Schenck balansēšanas mašīnās) tiek izmantoti īpaši ļoti jutīgi induktīvie vibrācijas ātruma sensori ar mehānisko pastiprinātāju, kur Kпр var pārsniegt 1000 mV/mm/sek. Ja balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās izmanto induktīvos vibrācijas ātruma sensorus, var veikt arī vibrācijas ātrumam proporcionāla elektriskā signāla aparatūras integrāciju, pārveidojot to signālā, kas proporcionāls vibrācijas pārvietojumam.
4.4. attēls. IRD Mechanalysis 544M modeļa sensors.
4.5. attēls. Schenck T77 modeļa sensors Jāatzīmē, ka induktīvie vibrācijas ātruma sensori ir diezgan reti un dārgi izstrādājumi, jo to ražošana ir darbietilpīga. Tāpēc, neraugoties uz šo sensoru acīmredzamajām priekšrocībām, balansēšanas mašīnu ražotāji amatieri tos izmanto ļoti reti.
4.1.2.2. Vibrācijas ātruma sensori, kuru pamatā ir pjezoelektriskie akselerometri. Šāda tipa sensors atšķiras no standarta pjezoelektriskā akselerometra ar to, ka tā korpusā ir iebūvēts lādiņa pastiprinātājs un integrators, kas ļauj tam izvadīt signālu, kas ir proporcionāls vibrācijas ātrumam. Piemēram, pjezoelektriskie vibrācijas ātruma sensori, ko ražo vietējie ražotāji (uzņēmums ZETLAB un SIA "Vibropribor"), ir parādīti 4.6. un 4.7. attēlā.
4.6. attēls. ZETLAB (Krievija) AV02 modeļa sensors
4.7. attēls. SIA "Vibropribor" DVST 2 sensora modelis Šādus sensorus ražo dažādi ražotāji (gan vietējie, gan ārvalstu), un pašlaik tos plaši izmanto, jo īpaši pārnēsājamās vibrācijas iekārtās. Šo sensoru cena ir diezgan augsta un var sasniegt 20 000 līdz 30 000 rubļu par katru, pat no vietējiem ražotājiem.
4.1.3. Izspiešanas sensori Balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās var izmantot arī bezkontakta pārvietojuma sensorus - kapacitatīvos vai induktīvos. Šie sensori var darboties statiskā režīmā, ļaujot reģistrēt vibrācijas procesus, sākot no 0 Hz. To izmantošana var būt īpaši efektīva, balansējot zema rotācijas ātruma rotorus, kuru rotācijas ātrums ir 120 apgr./min un mazāks. Šo sensoru konversijas koeficienti var sasniegt 1000 mV/mm un vairāk, kas nodrošina augstu precizitāti un izšķirtspēju pārvietojuma mērījumos pat bez papildu pastiprināšanas. Šo sensoru acīmredzama priekšrocība ir to relatīvi zemā cena, kas dažiem vietējiem ražotājiem nepārsniedz 1000 rubļu. Izmantojot šos sensorus balansēšanas iekārtās, ir svarīgi ņemt vērā, ka nominālo darba spraugu starp sensora jutīgo elementu un vibrējošā objekta virsmu ierobežo sensora spoles diametrs. Piemēram, 4.8. attēlā redzamajam sensoram, "TEKO" modelim ISAN E41A, norādītā darba sprauga parasti ir 3,8 līdz 4 mm, kas ļauj izmērīt vibrējošā objekta pārvietojumu ±2,5 mm robežās.
4.8. attēls. Induktīvā pārvietojuma sensora modelis ISAN E41A, ražotājs TEKO (Krievija)
4.1.4. Spēka sensori Kā minēts iepriekš, spēka sensori tiek izmantoti mērīšanas sistēmās, kas uzstādītas balansēšanas iekārtās ar cietajiem gultņiem. Šie sensori, jo īpaši to vienkāršās izgatavošanas un relatīvi zemo izmaksu dēļ, parasti ir pjezoelektriskie spēka sensori. Šādu sensoru piemēri parādīti 4.9. un 4.10. attēlā.
4.9. attēls. Spēka sensors SD 1, Kinematika LLC
4.10. attēls: Spēka sensors automobiļu balansēšanas mašīnām, ko pārdod "STO Market" Lai izmērītu relatīvās deformācijas balansēšanas iekārtu ar cietajiem gultņiem balansēšanas balstu balstos, var izmantot arī deformācijas sensorus, ko ražo dažādi vietējie un ārvalstu ražotāji.
4.2. Fāzes leņķa sensori Lai sinhronizētu vibrāciju mērīšanas procesu ar līdzsvarota rotora rotācijas leņķi, tiek izmantoti fāzes leņķa sensori, piemēram, lāzera (fotoelektriskie) vai induktīvie sensori. Šos sensorus dažādos izpildījumos ražo gan vietējie, gan starptautiskie ražotāji. Šo sensoru cenu diapazons var ievērojami atšķirties - aptuveni no 40 līdz 200 dolāriem. Šādas ierīces piemērs ir "Diamex" ražotais fāzes leņķa sensors, kas parādīts 4.11. attēlā.
4.11. attēls: "Diamex" fāzes leņķa sensors
Kā vēl viens piemērs 4.12. attēlā ir parādīts SIA "Kinematics" ieviestais modelis, kurā kā fāzes leņķa sensori tiek izmantoti Ķīnā ražoti DT 2234C modeļa lāzertahometri. Šī sensora acīmredzamās priekšrocības ir šādas:
4.12. attēls: Lāzera tahometrs, DT 2234C modelis
Dažos gadījumos, kad optisko lāzeru sensoru izmantošana kādu iemeslu dēļ nav vēlama, tos var aizstāt ar induktīvajiem bezkontakta pārvietojuma sensoriem, piemēram, iepriekš minēto ISAN E41A modeli vai līdzīgiem citu ražotāju produktiem.
4.3. Signālu apstrādes funkcijas vibrāciju sensoros Lai precīzi izmērītu vibrācijas signāla rotācijas komponentes amplitūdu un fāzi balansēšanas iekārtās, parasti izmanto aparatūras un programmatūras apstrādes rīku kombināciju. Šie rīki ļauj:
4.3.1. Platjoslas signāla filtrēšana Šī procedūra ir būtiska, lai attīrītu vibrāciju sensora signālu no iespējamiem traucējumiem, kas var rasties gan ierīces frekvenču diapazona apakšējā, gan augšējā robežās. Ieteicams balansēšanas mašīnas mērierīcei noteikt frekvenču joslas filtra apakšējo robežu 2-3 Hz un augšējo robežu 50 (100) Hz. "Apakšējā" filtrācija palīdz slāpēt zemas frekvences trokšņus, kas var parādīties dažādu tipu sensoru mērīšanas pastiprinātāju izejā. "Augšējā" filtrācija novērš traucējumu iespējamību, ko rada kombinētās frekvences un atsevišķu mehānisko iekārtas sastāvdaļu iespējamās rezonanses vibrācijas.
4.3.2. Analogā signāla pastiprināšana no sensora Ja nepieciešams palielināt balansēšanas mašīnas mērīšanas sistēmas jutību, signālus no vibrācijas sensoriem uz mērīšanas bloka ieeju var pastiprināt. Var izmantot gan standarta pastiprinātājus ar konstantu pastiprinājumu, gan daudzpakāpju pastiprinātājus, kuru pastiprinājumu var programmatiski mainīt atkarībā no reālā signāla līmeņa no sensora. Programmējama daudzpakāpju pastiprinātāja piemērs ir pastiprinātāji, kas ieviesti sprieguma mērīšanas pārveidotājos, piemēram, E154 vai E14-140, ko realizē LLC "L-Card".
4.3.3. Integrācija Kā minēts iepriekš, balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās ir ieteicama vibrācijas sensoru signālu aparatūras integrācija un/vai dubulta integrācija. Tādējādi sākotnējo akselerometra signālu, kas ir proporcionāls vibrācijas paātrinājumam, var pārveidot par signālu, kas ir proporcionāls vibrācijas ātrumam (integrācija) vai vibrācijas pārvietojumam (dubulta integrācija). Līdzīgi vibrātruma sensora signālu pēc integrēšanas var pārveidot par signālu, kas proporcionāls vibropārvietojumam.
4.3.4. Analogā signāla šaurjoslas filtrēšana, izmantojot izsekošanas filtru Lai samazinātu traucējumus un uzlabotu vibrāciju signālu apstrādes kvalitāti balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās, var izmantot šaurjoslas izsekošanas filtrus. Šo filtru centrālā frekvence tiek automātiski noregulēta atbilstoši balansēšanas rotora rotācijas frekvencei, izmantojot rotora rotācijas sensora signālu. Šādu filtru izveidei var izmantot modernas integrālās shēmas, piemēram, MAX263, MAX264, MAX267, MAX268, ko piedāvā "MAXIM".
4.3.5. Signālu pārveidošana no analogās uz ciparu formātu Analogo ciparu pārveidošana ir būtiska procedūra, kas nodrošina iespēju uzlabot vibrācijas signāla apstrādes kvalitāti amplitūdas un fāzes mērījumu laikā. Šī procedūra ir ieviesta visās modernajās balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās. Kā piemēru efektīvai šādu ADC ieviešanai var minēt LLC "L-Card" E154 vai E14-140 tipa sprieguma mērīšanas pārveidotājus, ko izmanto vairākās LLC "Kinematics" ražotajās balansēšanas mašīnu mērīšanas sistēmās. Turklāt LLC "Kinematics" ir pieredze, izmantojot lētākas mikroprocesoru sistēmas, kuru pamatā ir "Arduino" kontrolieri, "Microchip" mikrokontrolieris PIC18F4620 un tamlīdzīgas ierīces.
Raksta autors : Feldman Valery Davidovich
Redaktors un tulkojums : Nikolajs Andrejevičs Šelkovenko
Atvainojos par iespējamām tulkošanas kļūdām.