4. Målesystemer for balanseringsmaskiner
De fleste amatørprodusenter av balanseringsmaskiner som tar kontakt med LLC "Kinematics", planlegger å bruke målesystemene i "Balanset"-serien produsert av vårt selskap i sine konstruksjoner. Det finnes imidlertid også kunder som planlegger å produsere slike målesystemer på egen hånd. Derfor er det fornuftig å gå nærmere inn på konstruksjonen av et målesystem for en balanseringsmaskin. Hovedkravet til disse systemene er at de skal kunne måle amplituden og fasen til rotasjonskomponenten i vibrasjonssignalet, som oppstår ved rotasjonsfrekvensen til den balanserte rotoren, med høy presisjon. Dette målet oppnås vanligvis ved hjelp av en kombinasjon av tekniske løsninger, blant annet:
4.1. Valg av vibrasjonssensorer
I målesystemene til balanseringsmaskiner kan det brukes ulike typer vibrasjonssensorer (transdusere), blant annet:
4.1.1. Sensorer for vibrasjonsakselerasjon
Blant vibrasjonsakselerasjonssensorene er piezo- og kapasitive akselerometre (chip) de mest brukte, og de kan brukes effektivt i balanseringsmaskiner av typen Soft Bearing. I praksis er det generelt tillatt å bruke vibrasjonsakselerasjonssensorer med konverteringskoeffisienter (Kpr) på mellom 10 og 30 mV/(m/s²). I balanseringsmaskiner som krever spesielt høy nøyaktighet, anbefales det å bruke akselerometre med Kpr fra 100 mV/(m/s²) og oppover. Som et eksempel på piezoakselerometre som kan brukes som vibrasjonssensorer i balanseringsmaskiner, viser figur 4.1 piezoakselerometrene DN3M1 og DN3M1V6 produsert av LLC "Izmeritel".
Figur 4.1. Piezo-akselerometre DN 3M1 og DN 3M1V6
For å koble slike sensorer til vibrasjonsmåleinstrumenter og -systemer er det nødvendig å bruke eksterne eller innebygde ladeforsterkere.
Figur 4.2. Kapasitiv akselerometer AD1 produsert av LLC "Kinematics".
Det er verdt å merke seg at disse sensorene, som blant annet omfatter de mye brukte kapasitive akselerometrene ADXL 345 (se figur 4.3), har flere betydelige fordeler sammenlignet med piezoakselerometre. De er 4 til 8 ganger billigere og har tilsvarende tekniske egenskaper. Dessuten krever de ikke bruk av de kostbare og vanskelige ladeforsterkerne som piezoakselerometrene krever.
I tilfeller der begge typer akselerometre brukes i målesystemene til balanseringsmaskiner, utføres vanligvis maskinvareintegrasjon (eller dobbeltintegrasjon) av sensorsignalene.
Figur 4.2. Kapasitive akselerometre AD 1, montert.
Figur 4.3. Kapasitivt akselerometerkort ADXL 345.
I dette tilfellet transformeres det opprinnelige sensorsignalet, som er proporsjonalt med vibrasjonsakselerasjonen, til et signal som er proporsjonalt med vibrasjonshastigheten eller -forskyvningen. Fremgangsmåten med dobbel integrering av vibrasjonssignalet er spesielt relevant ved bruk av akselerometre i målesystemer for lavhastighetsbalanseringsmaskiner, der det nedre rotorrotasjonsfrekvensområdet under balansering kan ligge på 120 o/min og lavere. Ved bruk av kapasitive akselerometre i målesystemer for balanseringsmaskiner må man ta hensyn til at signalene etter integrering kan inneholde lavfrekvente forstyrrelser i frekvensområdet fra 0,5 til 3 Hz. Dette kan begrense det nedre frekvensområdet for balansering på maskiner som er beregnet for bruk av disse sensorene.
4.1.2. Sensorer for vibrasjonshastighet 4.1.2.1. Induktive sensorer for vibrasjonshastighet. Disse sensorene består av en induktiv spole og en magnetisk kjerne. Når spolen vibrerer i forhold til en stasjonær kjerne (eller kjernen i forhold til en stasjonær spole), induseres det en EMK i spolen, og spenningen er direkte proporsjonal med vibrasjonshastigheten til det bevegelige elementet i sensoren. Konverteringskoeffisientene (Кпр) for induktive sensorer er vanligvis ganske høye, og kan nå flere titalls eller hundrevis av mV/mm/sek. Konverteringskoeffisienten til Schenck-sensoren modell T77 er 80 mV/mm/sek, og for IRD Mechanalysis-sensoren modell 544M er den 40 mV/mm/sek. I noen tilfeller (f.eks. i Schencks balanseringsmaskiner) brukes spesielle, svært følsomme induktive vibrasjonshastighetssensorer med mekanisk forsterker, der Кпр kan overstige 1000 mV/mm/sek. Hvis induktive vibrasjonshastighetssensorer brukes i målesystemene til balanseringsmaskiner, kan det elektriske signalet som er proporsjonalt med vibrasjonshastigheten også integreres maskinvaremessig og konverteres til et signal som er proporsjonalt med vibrasjonsforskyvningen.
Figur 4.4. Modell 544M-sensor fra IRD Mechanalysis.
Figur 4.5. Modell T77-sensor fra Schenck Det skal bemerkes at på grunn av arbeidsintensiteten i produksjonen er induktive vibrasjonshastighetssensorer ganske sjeldne og dyre gjenstander. Til tross for de åpenbare fordelene med disse sensorene, bruker amatørprodusenter av balanseringsmaskiner dem derfor svært sjelden.
4.1.2.2. Vibrasjonshastighetssensorer basert på piezoelektriske akselerometre. En sensor av denne typen skiller seg fra et standard piezoelektrisk akselerometer ved at den har en innebygd ladningsforsterker og integrator i huset, noe som gjør det mulig å sende ut et signal som er proporsjonalt med vibrasjonshastigheten. Figur 4.6 og 4.7 viser for eksempel piezoelektriske vibrasjonshastighetssensorer produsert av innenlandske produsenter (ZETLAB og LLC "Vibropribor").
Figur 4.6. Modell AV02-sensor fra ZETLAB (Russland)
Figur 4.7. Modell DVST 2-sensor fra LLC "Vibropribor". Slike sensorer produseres av ulike produsenter (både innenlandske og utenlandske) og er i dag mye brukt, spesielt i bærbart vibrasjonsutstyr. Kostnaden for disse sensorene er ganske høy og kan komme opp i 20 000 til 30 000 rubler per stykk, selv fra innenlandske produsenter.
4.1.3. Sensorer for forskyvning I målesystemene til balanseringsmaskiner kan det også brukes berøringsfrie forskyvningssensorer - kapasitive eller induktive. Disse sensorene kan fungere i statisk modus, noe som gjør det mulig å registrere vibrasjonsprosesser fra 0 Hz. Bruken av slike sensorer kan være spesielt effektiv ved balansering av lavhastighetsrotorer med rotasjonshastigheter på 120 o/min og lavere. Konverteringskoeffisientene til disse sensorene kan komme opp i 1000 mV/mm og høyere, noe som gir høy nøyaktighet og oppløsning ved måling av forskyvning, selv uten ekstra forsterkning. En åpenbar fordel med disse sensorene er deres relativt lave pris, som for noen innenlandske produsenter ikke overstiger 1000 rubler. Ved bruk av disse sensorene i balanseringsmaskiner er det viktig å ta hensyn til at det nominelle arbeidsavstanden mellom sensorens følsomme element og overflaten på det vibrerende objektet begrenses av diameteren på sensorspolen. For sensoren vist i figur 4.8, modell ISAN E41A fra "TEKO", er det spesifiserte arbeidsavstanden vanligvis 3,8 til 4 mm, noe som gjør det mulig å måle forskyvningen av det vibrerende objektet i området ±2,5 mm.
Figur 4.8. Induktiv forskyvningssensor modell ISAN E41A fra TEKO (Russland)
4.1.4. Kraftsensorer Som tidligere nevnt brukes det kraftsensorer i målesystemene som er installert på hardlagerbalanseringsmaskiner. Disse sensorene er ofte piezoelektriske kraftsensorer, særlig fordi de er enkle å produsere og relativt rimelige. Eksempler på slike sensorer er vist i figur 4.9 og 4.10.
Figur 4.9. Kraftsensor SD 1 fra Kinematika LLC
Figur 4.10: Kraftsensor for balanseringsmaskiner i bilindustrien, solgt av "STO Market" Kraftsensorer med strekkmåler, som produseres av en rekke innenlandske og utenlandske produsenter, kan også brukes til å måle relative deformasjoner i støttene til hardlagerbalanseringsmaskiner.
4.2. Fasevinkelsensorer For å synkronisere vibrasjonsmålingsprosessen med rotasjonsvinkelen til den balanserte rotoren brukes fasevinkelsensorer, for eksempel laser (fotoelektriske) eller induktive sensorer. Disse sensorene produseres i ulike utførelser av både nasjonale og internasjonale produsenter. Prisklassen for disse sensorene kan variere betydelig, fra ca. 40 til 200 dollar. Et eksempel på en slik enhet er fasevinkelsensoren produsert av "Diamex", vist i figur 4.11.
Figur 4.11: Fasevinkelsensor fra "Diamex"
Som et annet eksempel viser figur 4.12 en modell implementert av LLC "Kinematics", som bruker laserturteller av modellen DT 2234C fra Kina som fasevinkelsensorer. De åpenbare fordelene med denne sensoren er blant annet
Figur 4.12: Laser-takometer, modell DT 2234C
I noen tilfeller, når bruk av optiske lasersensorer av en eller annen grunn ikke er ønskelig, kan de erstattes med induktive berøringsfrie forskyvningssensorer, for eksempel den tidligere nevnte ISAN E41A-modellen eller lignende produkter fra andre produsenter.
4.3. Signalbehandlingsfunksjoner i vibrasjonssensorer For nøyaktig måling av amplitude og fase av rotasjonskomponenten i vibrasjonssignalet i balanseringsutstyr brukes vanligvis en kombinasjon av maskinvare- og programvarebehandlingsverktøy. Disse verktøyene gjør det mulig:
4.3.1. Filtrering av bredbåndssignaler Denne prosedyren er viktig for å rense vibrasjonssensorsignalet for potensielle forstyrrelser som kan oppstå både i den nedre og øvre delen av apparatets frekvensområde. Det anbefales at den nedre grensen for båndpassfilteret på en balanseringsmaskin settes til 2-3 Hz og den øvre grensen til 50 (100) Hz. "Nedre" filtrering bidrar til å undertrykke lavfrekvent støy som kan oppstå på utgangen til ulike typer sensor-måleforsterkere. "Øvre" filtrering eliminerer muligheten for forstyrrelser på grunn av kombinasjonsfrekvenser og eventuelle resonansvibrasjoner fra enkelte mekaniske maskinkomponenter.
4.3.2. Forsterkning av det analoge signalet fra sensoren Hvis det er behov for å øke følsomheten i balanseringsmaskinens målesystem, kan signalene fra vibrasjonssensorene til måleenhetens inngang forsterkes. Både standardforsterkere med konstant forsterkning og flertrinnsforsterkere, der forsterkningen kan endres programmatisk avhengig av det reelle signalnivået fra sensoren, kan brukes. Et eksempel på en programmerbar flertrinnsforsterker er forsterkere implementert i spenningsmåleomformere som E154 eller E14-140 fra LLC "L-Card".
4.3.3. Integrering Som tidligere nevnt anbefales maskinvareintegrering og/eller dobbel integrering av vibrasjonssensorsignaler i målesystemer for balanseringsmaskiner. Dermed kan det opprinnelige akselerometersignalet, som er proporsjonalt med vibrasjonsakselerasjonen, omdannes til et signal som er proporsjonalt med vibrasjonshastigheten (integrering) eller vibrasjonsforskyvningen (dobbel integrering). På samme måte kan vibrohastighetssensorens signal etter integrasjon omdannes til et signal som er proporsjonalt med vibroforskyvning.
4.3.4. Smalbåndsfiltrering av det analoge signalet ved hjelp av et sporingsfilter For å redusere forstyrrelser og forbedre kvaliteten på vibrasjonssignalbehandlingen i målesystemene til balanseringsmaskiner, kan man bruke smalbåndede sporingsfiltre. Sentralfrekvensen til disse filtrene justeres automatisk til rotasjonsfrekvensen til den balanserte rotoren ved hjelp av rotorsensorens omdreiningssignal. Moderne integrerte kretser, som MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 fra "MAXIM", kan brukes til å lage slike filtre.
4.3.5. Analog til digital konvertering av signaler Analog-til-digital-konvertering er en viktig prosedyre som gjør det mulig å forbedre kvaliteten på vibrasjonssignalbehandlingen under måling av amplitude og fase. Denne prosedyren er implementert i alle moderne målesystemer for balanseringsmaskiner. Et eksempel på effektiv implementering av slike ADC-er er spenningsmåleomformerne av typen E154 eller E14-140 fra LLC "L-Card", som brukes i flere målesystemer for balanseringsmaskiner produsert av LLC "Kinematics". I tillegg har LLC "Kinematics" erfaring med å bruke billigere mikroprosessorsystemer basert på "Arduino"-kontrollere, mikrokontrolleren PIC18F4620 fra "Microchip" og lignende enheter.
Forfatter av artikkelen : Feldman Valerij Davidovitsj
Redaktør og oversettelse : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Jeg beklager eventuelle oversettelsesfeil.