Seismisko devēju izpratne
A seismiskais pārveidotājs — saukts arī par seismisko sensoru vai inerciālo pārveidotāju — ir vibrācija sensors, kas izmanto iekšēju seismisko masu ("atskaites masu"), kas ar atsperēm vai elastīgām šarnīrām ir piekārta kā inerciāla atskaites sistēma, ļaujot izmērīt sensora pamatnes absolūto kustību. Kad korpuss vibrē, relatīvā kustība starp piekārto masu un korpusu tiek pārveidota elektriskā signālā, kas attēlo vibrāciju. Atkarībā no tā, kur mērījuma frekvence atrodas attiecībā pret masas-atsperes sistēmas dabiskā frekvence, sensors darbojas vienā no diviem režīmiem: virs rezonanses masa mēdz palikt nekustīga telpā un relatīvā kustība seko korpusa pārvietojumam (klasiskais seismometra un ātruma devēja režīms), savukārt zem rezonanses nelielā atlikusī masas novirze ir proporcionāla korpusa paātrinājumam (akcelerometra režīms). Noteicošā īpašība ir tā, ka atskaite tiek nestā inside sensorā, tādēļ nav nepieciešams nekāds fiksēts ārējs atskaites punkts.
Nosaukums “seismiskais” cēlies no zemestrīces mērinstrumentiem: seismometra suspendētā masa paliek relatīvi nekustīga, kamēr zeme zem tās šūpojas. Mašīnu uzraudzībā gan ātruma devēji un akselerometri šajā nozīmē ir seismiskie pārveidotāji, lai gan termins visbiežāk tiek saistīts ar klasisko ātruma uztvērēju.
1. Darbības princips
Masas atsperes amortizācijas sistēma
Katrs seismiskais pārveidotājs pēc būtības ir mazs mehānisks oscilators ar četrām funkcionālām daļām:
- Seismic mass: kalibrēta pierādījuma masa, kas suspendēta sensora korpusa iekšienē.
- Pavasaris: mehāniskas atsperes vai plāni locekļi, kas atbalsta masu.
- Slāpēšana: gaisa, magnētiskā (virpuļstrāvas) vai šķidruma slāpēšana, kas mazina rezonansi.
- Transdukcija: elements, kas masas un korpusa relatīvo kustību pārvērš spriegumā.
Frekvences reakcijas reģioni
Sensora darbība pilnībā ir atkarīga no tā, kur ierosmes frekvence atrodas attiecībā pret tā paša dabisko frekvenci — un abas galvenās sensoru saimes apzināti darbojas pretējās rezonanses pusēs:
- Zem dabiskās frekvences (akcelerometra režīms): masa un korpuss kustas būtībā kopā, un nelielā atlikusī masas novirze ir proporcionāla korpusa paātrinājums. Šeit darbojas pjezoelektriskie un MEMS akcelerometri, zem savas augstās uzstādītās rezonanses.
- Dabiskajā frekvencē: sistēma rezonē — izeja tiek pastiprināta, bet izkropļota un neuzticama, tāpēc mērījumi rezonanses tuvumā tiek novērsti.
- Virs dabiskās frekvences (seismometra režīms): masa faktiski paliek uz vietas, kamēr korpuss ap to vibrē, un relatīvā kustība seko korpusa pārvietojums (vai ātrumam). Šeit darbojas pārvietojuma seismometri un kustīgās spoles ātruma devēji, virs savas zemās dabiskās frekvences.
- Usable ranges: ātruma devēju tradicionāli izmanto aptuveni virs 2× tā dabiskās frekvences, kur tā reakcija ir nostabilizējusies un kļuvusi plakana; akcelerometru izmanto krietni zem tā uzstādītās rezonanses — labas precizitātes dēļ parasti līdz aptuveni vienai trešdaļai no tās.
2. Seismisko pārveidotāju veidi
Ātruma devēji (kustīgās spoles)
- Magnēts ir piekārts uz atspērēm fiksētas spoles iekšpusē (vai otrādi).
- Relatīvais ātrums starp magnētu un spoli ģenerē spriegumu ar elektromagnētisko indukciju.
- Dabiskā frekvence parasti 8–15 Hz.
- Lietojama aptuveni no 16–30 Hz.
- Mēra ātrumu tieši, bez signāla integrācijas nepieciešamības.
Akselerometri
- Pjezoelektrisks veidi izmanto piezo kristālu, lai uztvertu masas inerciālo spēku.
- MEMS veidi izmanto kapacitīvo vai pjezoresistīvo uztveršanu uz mikromehāniski apstrādāta elementa.
- Daudz augstāka (uzstādītā) dabiskā frekvence, parasti 10–30 kHz.
- Atšķirībā no ātruma devējiem, kurus izmanto zem rezonanse: izmantojams aptuveni no 1 Hz līdz aptuveni vienai trešdaļai no uzstādītās rezonanses frekvences.
- Mēra paātrinājumu, ko var integrēt ātrumā vai pārvietojumā.
3. Seismiski vs. nav-seismiski sensori
Seismisko sensoru saimi vislabāk izprast, salīdzinot ar sensoriem, kas balstās uz ārēju atsauci.
Seismiskie sensori (inerciālā atsauce)
- Akselerometri un ātruma pārveidotāji.
- Mēra absolūto kustību inerciālajā telpā.
- Uzstādāmi tieši uz vibrējošās konstrukcijas.
- Satur savu iekšējo masu kā atsauci.
- Visbiežāk izvēlētie mehānismu monitoringam.
Nesemistiskie sensori (ārēja atsauce)
- Tuvuma zondes (virpuļstrāvas sensori).
- Mēra relatīvo kustību starp divām virsmām.
- Nepieciešams stacionārs stiprinājuma punkts, no kura veikt mērījumus.
- Parasti mēra vārpstas kustību attiecībā pret gultni.
- Standarts vārpstas vibrācijas mērīšanai uz iekārtām ar slīdgultņi.
4. Seismiskā dizaina priekšrocības
Pašpietiekama atsauce
- Nav nepieciešams ārējs atskaites rāmis.
- Sensoru var uzstādīt gandrīz jebkurā vietā uz vibrējošas konstrukcijas.
- Tas reģistrē patieso absolūto kustību inerciālajā telpā.
Daudzpusība
- Viens sensora tips aptver ļoti daudzas lietojumprogrammas.
- Piemērots gan pagaidu apsekojumiem, gan pastāvīgai uzstādīšanai.
- Viegli pārnēsājams no vienas iekārtas uz citu.
Šī universālitāte ir iemesls, kāpēc portatīvie instrumenti paļaujas uz tiem. Divkanālu Balanset-1A, piemēram, iegūst rādījumus no akselerometriem, kas nostiprināti pie gultņu korpusiem — pašatskaites seismiski sensori, kuriem nav nepieciešams fiksēts atskaites punkts, tāpēc inženieris var ātri pārvietoties starp mērpunktiem un iekārtām, veicot balansēšanu uz vietas.
5. Ierobežojumi
Frekvences reakcijas ierobežojumi
- Ātruma devēji nevar uzticami mērīt zem aptuveni 2× to dabiskās frekvences; īpaši kustīgās spoles tipi zem 15–20 Hz reaģē vāji. Pastāv neizbēgams kompromiss: zemāka dabiskā frekvence dod labāku zemfrekvenču sasniedzamību, bet prasa lielāku un smagāku sensoru.
- Akcelerometri zaudē precizitāti, kad mērījuma frekvence tuvojas to uzstādītajai rezonansei; praktiskā augšējā robeža (parasti apmēram viena trešdaļa no uzstādītās rezonanses) ir ļoti atkarīga no stiprināšanas metodes (sk. ISO 5348).
- Ļoti zemajā galā akcelerometra reakciju ierobežo sensora elements un pastiprinātāja elektronika, nevis seismiskā piekare — standarta rūpnieciskajām vienībām parasti līdz aptuveni 0.5–1 Hz.
Mērījumi Mājokļu kustība
- Sensors reģistrē gultņa korpusa kustību, nevis tieši vārpstas kustību.
- Korpusa vibrācija nav tas pats, kas vārpstas vibrācija — to filtrē gultņa stingrība un apkārtējā konstrukcija.
- Gadījumos, kad svarīga ir patiesā vārpstas orbīta, tā vietā ir nepieciešami tuvuma zondējumi.
6. Pielietojumi
Mašīnu stāvokļa uzraudzība
- Gultņa korpusa vibrācijas mērījumi.
- Vibrācijas kopējā tendence.
- Bearing-defect detection.
- Vispārējā rotējošo mašīnu diagnostika.
Strukturālā vibrācija
- Ēku un pamatu vibrācijas apsekojumi.
- Zemestrīču seismiskie mērījumi.
- No iekārtām izplatītā augsnes vibrācija.
Modālā analīze
- Konstrukcijas atsaucības mērīšana uz kalibrētu triecienu.
- Determining dabiskās frekvences un režīma formas.
- Building the frekvenču reakcijas funkcijas izmanto modālā analīze.
Seismiskie pārveidotāji, kas izmanto iekšēju piekārtu masu kā inerciālu atskaites sistēmu, ir rotējošo mašīnu vibrāciju mērīšanas pamats. Seismiskā principa izpratne — kā piekārta masa ļauj izmērīt absolūto kustību un kāpēc ātruma devēji darbojas virs savas dabiskās frekvences, bet akcelerometri zem savas uzstādītās rezonanses — izskaidro gan šo divu katras rūpnieciskās vibrāciju analīzes programmas pamata instrumentu stiprās puses, gan ierobežojumus.
