Разбирање на сеизмичките претворувачи
A сеизмички претворувач — исто така наречен сеизмички сензор или инерцијален претворувач — е вибрации сензор кој користи внатрешна сеизмичка маса (“пробна маса”) обесена на пружини или еластични прегиби како инерцијална референца, што му овозможува да го мери апсолутното движење на основата на сензорот. Кога куќиштето вибрира, релативното движење помеѓу обесената маса и куќиштето се претвора во електричен сигнал кој ја претставува вибрацијата. Во зависност од тоа каде лежи мерната фреквенција во однос на резонанцијата на системот маса-пружина природна фреквенција, сензорот работи во еден од двата режима: над резонанцијата масата тежнее да остане неподвижна во просторот и релативното движење ја следи поместувањето на куќиштето (класичниот режим на сеизмометар и брзински претворувач), додека под резонанцијата малата резидуална отклонетост на масата е пропорционална на забрзувањето на куќиштето (режимот на акцелерометар). Определувачката особина е дека референцата се носи внатре во самиот сензор, така што не е потребна фиксна надворешна референтна точка.
Името “сеизмички” потекнува од инструментите за земјотреси: обесената маса на сеизмометарот останува релативно неподвижна додека почвата се тресе под неа. Во следењето на машините, и двата претворувачи на брзина и акцелерометри се сеизмички претворувачи во оваа смисла, иако терминот најчесто се поврзува со класичниот брзински претворувач.
1. Принцип на работа
Систем маса-пружина-пригушувач
Секој сеизмички претворувач е, во суштина, мал механички осцилатор со четири функционални делови:
- Сеизмичка маса: калибрирана пробна маса обесена внатре во куќиштето на сензорот.
- Пружина: механички пружини или тенки прегиби што ја поддржуваат масата.
- Пригушување: воздушно, магнетно (виорни струи) или флуидно придушување што ја смирува резонанцијата.
- Претворување: елементот што го претвора релативното движење на масата во однос на куќиштето во напон.
Региони на фреквентен одѕив
Како се однесува сензорот зависи целосно од тоа каде паѓа фреквенцијата на побудување во однос на неговата сопствена природна фреквенција — и двете главни фамилии сензори намерно работат на спротивните страни на резонанцијата:
- Под природната фреквенција (режим на акцелерометар): масата и куќиштето се движат во суштина заедно, а малата резидуална отклонетост на масата е пропорционална на забрзување. Пиезоелектричните и MEMS акцелерометрите работат тука, под нивната висока монтирана резонанција.
- На природната фреквенција: системот резонира — излезот е засилен, но искривен и непоуздан, па мерењето близу резонанцијата се избегнува.
- Над природната фреквенција (режим на сеизмометар): масата практично останува на место додека куќиштето вибрира околу неа, а релативното движење го следи поместувањето на куќиштето поместување (или брзината). Тука работат сеизмометрите за поместување и брзинските претворувачи со подвижен калем, над нивната ниска природна фреквенција.
- Употребливи опсези: брзинскиот претворувач вообичаено се користи над приближно 2× неговата природна фреквенција, каде што неговиот одзив се смирил и е рамен; акцелерометарот се користи значително под неговата монтирана резонанција — обично до околу една третина од неа за добра точност.
2. Видови сеизмички претворувачи
Претворувачи на брзина (со подвижен калем)
- Магнет е обесен на пружини внатре во фиксен калем (или обратно).
- Релативната брзина помеѓу магнетот и калемот генерира напон преку електромагнетна индукција.
- Природна фреквенција обично 8–15 Hz.
- Употреблив над приближно 16–30 Hz.
- Ја мери брзината директно, без потреба од интеграција на сигналот.
Акцелерометри
- Пиезоелектричен типовите користат пиезо кристал за да ја сетат инерцијалната сила на масата.
- MEMS типовите користат капацитивно или пиезоотпорно сетирање на микро-обработен елемент.
- Многу повисока (монтирана) природна фреквенција, обично 10–30 kHz.
- За разлика од брзинските претворувачи, се користи подолу резонанцијата: употреблив од околу 1 Hz до приближно една третина од монтираната резонантна фреквенција.
- Го мери забрзувањето, кое може да се интегрира во брзина или поместување.
3. Сеизмички наспроти несеизмички сензори
Сеизмичката фамилија најдобро се разбира преку споредба со сензори што се потпираат на надворешна референца.
Сеизмички сензори (инерцијална референца)
- Акцелерометри и брзински претворувачи.
- Го мерат апсолутното движење во инерцијален простор.
- Се монтираат директно на вибрирачката структура.
- Носат сопствена внатрешна маса како референца.
- Најчестиот избор за следење на машините.
Несеизмички сензори (надворешна референца)
- Сензори за близина (сензори со виорни струи).
- Го мерат релативното движење помеѓу две површини.
- Бараат неподвижна точка на монтирање од која гледаат.
- Обично го мерат движењето на вратилото во однос на лежиштето.
- Стандард за мерење на вибрации на вратилото кај машини со лизгачки лежишта.
4. Предности на сеизмичкиот дизајн
Самостојна референца
- Не е потребна надворешна референтна рамка.
- Сензорот може да се монтира речиси насекаде на вибрирачка структура.
- Го покажува вистинското апсолутно движење во инерцијалниот простор.
Разноврсност
- Еден тип сензор покрива голем број примени.
- Соодветен е и за привремени мерења и за постојани инсталации.
- Лесно пренослив од машина до машина.
Токму оваа разноврсност е причината зошто преносливите инструменти се потпираат на нив. Двоканалниот Balanset-1A, на пример, ги зема своите отчитувања од акцелерометри прицврстени на куќиштата на лежиштата — самореферентни сеизмички сензори на кои не им е потребна фиксна референца, така што инженерот може брзо да се движи меѓу мерните точки и машините додека балансира на самото место.
5. Ограничувања
Ограничувања на фреквентниот одѕив
- Сензорите за брзина не можат да мерат сигурно под приближно 2× од нивната сопствена фреквенција; особено типовите со подвижна намотка слабо реагираат под 15–20 Hz. Постои вроден компромис: пониската сопствена фреквенција дава подобар опфат на ниски фреквенции, но бара поголем и потежок сензор.
- Акцелерометрите ја губат точноста како што мерната фреквенција се приближува до нивната монтажна резонанција; практичната горна граница (обично околу една третина од монтажната резонанција) силно зависи од начинот на монтажа (види ISO 5348).
- На самиот долен крај, одѕивот на акцелерометарот е ограничен од сензорскиот елемент и електрониката на засилувачот, а не од сеизмичкото потпирање — обично до околу 0,5–1 Hz за стандардните индустриски единици.
Мери движење на куќиштето
- Сензорот го покажува движењето на куќиштето на лежиштето, а не директно на вратилото.
- Вибрацијата на куќиштето не е иста со вибрацијата на вратилото — таа е филтрирана од крутоста на лежиштето и од околната структура.
- Таму каде што е важна вистинската орбита на вратилото, наместо тоа се потребни безконтактни сензори за близина.
6. Примени
Следење на состојбата на машините
- Мерења на вибрациите на куќиштето на лежиштето.
- Следење на трендот на вкупната вибрација.
- Дефекти на лежишта детекција.
- Општа дијагностика на ротирачки машини.
Структурна вибрација
- Мерења на вибрациите на згради и темели.
- Сеизмичко следење на земјотреси.
- Вибрации пренесени преку земјата што ги зрачат машините.
Модална анализа
- Мерење на одѕивот на структурата на калибриран удар.
- Определување на сопствени фреквенции и модални форми.
- Градење на функции на фреквентен одѕив се користи во модална анализа.
Сеизмичките претворувачи, кои користат внатрешна потпрена маса како инерцијална референца, ја сочинуваат основата на мерењето на вибрациите кај ротирачките машини. Разбирањето на сеизмичкиот принцип — како потпрената маса овозможува мерење на апсолутното движење и зошто сензорите за брзина работат над својата сопствена фреквенција, додека акцелерометрите работат под својата монтажна резонанција — ги објаснува и предностите и ограничувањата на овие два незаменливи работни коњи на секоја индустриска програма за анализа на вибрации.
