Hva er et akselerometer? En veiledning for vibrasjonsanalyse
En akselerometer er en transduser (eller sensor) som omdanner mekanisk bevegelse — nærmere bestemt akselerasjon som oppstår ved vibrasjon eller støt — til et proporsjonalt elektrisk signal. Det er den klart mest brukte sensoren i prediktivt vedlikehold og tilstandsovervåking. Ved å måle hvor raskt hastigheten endrer seg på et punkt på en maskin, leverer et akselerometer rådata som gjør det mulig for en analytiker å diagnostisere et bredt spekter av mekaniske og elektriske feil — fra lagerfeil til ubalanse og feiljustering.
1. Definisjon: Kjernen i vibrasjonsmåling
Akselerasjon er den naturlige størrelsen å måle på roterende maskiner, fordi de dynamiske kreftene som skader en maskin – sentrifugalkraften fra en tyngdepunkt og støt fra en avskallet lagerring – er proporsjonale med akselerasjonen. Et akselerometer reagerer direkte på disse kreftene, og det er derfor det utgjør kjernen i nesten alle moderne vibrasjonsanalysator og datainnsamler.
En av de praktiske fordelene med akselerometeret er at akselerasjonssignalet kan behandles elektronisk integrert en gang for å gi hastighet (mm/s), og to ganger for å gi forskyvning (µm). En enkelt, godt montert sensor dekker dermed alle de tre klassiske vibrasjonsenhetene, slik at analytikeren kan velge den som best avslører en gitt feil.
2. Hvordan fungerer akselerometre? Det piezoelektriske prinsippet
Selv om det finnes flere fysiske prinsipper, er det overveiende flertallet av akselerometerne som brukes i industrimaskiner basert på piezoelektrisk effekt. Fremgangsmåten er enkel:
- Piezoelektrisk krystall: Inne i sensoren er en liten seismisk masse festet til en piezoelektrisk element – vanligvis et keramisk materiale som PZT, eller i sensorer av høy kvalitet et presisjonsskåret kvartskrystall.
- Bruk av kraft: Når maskinen vibrerer, beveger huset seg i takt med den. På grunn av treghet motstår den indre massen denne bevegelsen og utøver en kraft på krystallen – som ifølge Newtons andre lov er lik massen ganger akselerasjonen.
- Generering av et signal: Et piezoelektrisk krystall som utsettes for belastning, genererer en liten elektrisk ladning som er direkte proporsjonal med den påførte kraften, og dermed også med akselerasjonen.
- Produksjon: Den interne elektronikken bearbeider dette signalet og sender det via en kabel til en datainnsamler eller et overvåkingssystem som en analog gjengivelse av akselerasjonen på det aktuelle punktet.
Måten denne ladningen er betinget av, definerer to vanlige grupper. A Charge-output sensoren sender rådataene til en ekstern ladeforsterker og tåler svært høye temperaturer. I industrien er det langt mer vanlig med IEPE (eller spenningstilstand) av typen der forsterkeren er integrert i sensoren og gir en lavimpedansspenning som overføres godt via vanlig to-leder-kabel. De mest robuste konstruksjonene bruker en skjær konstruksjon som beskytter krystallen mot bøying av underlaget og termiske svingninger.
3. Typer av akselerometre
Ulike bruksområder krever ulike sensorer, som hver har sine egne fordeler.
Allsidige akselerometre
Dette er arbeidshestene innen industriell overvåking. De tilbyr vanligvis en følsomhet på 100 mV/g og et frekvensområde som passer for de fleste vanlige maskiner, som pumper, motorer og vifter – omtrent 2 Hz til 10 kHz.
MEMS-akselerometre
Akselerometre av typen mikroelektromekaniske systemer (MEMS) er silisiumbaserte, svært små, strømsparende og kostnadseffektive. Selv om de tradisjonelt har vært mindre følsomme enn piezoelektriske modeller, forbedres moderne MEMS-enheter raskt og er vanlige i bærbar elektronikk, bilsystemer, trådløs overvåking noder og rimeligere anlegg for tilstandsovervåking.
Piezoresistive akselerometre
Disse sensorene brukes til støtprøving og lavfrekvent bevegelse, og reagerer helt ned til 0 Hz (likestrømsakselerasjon), noe som gjør dem nyttige for måling av jevn akselerasjon i en sentrifuge eller langsom kjøring i et kjøretøy.
Høyfrekvente akselerometre
Disse sensorene er utviklet for å oppdage hendelser med høy frekvens, som for eksempel skader på tannhjul og lagre i et tidlig stadium. De benytter en mindre seismisk masse og en høyere resonansfrekvens, noe som muliggjør nøyaktige målinger opp til 20 kHz eller høyere – et område der teknikker som konvoluttanalyse og sjokkimpulsmetoden live.
4. Viktige spesifikasjoner og valg
Når ingeniører skal velge et akselerometer, vurderer de flere parametere:
- Følsomhet (mV/g): Høyere følsomhet gir et sterkere utsignal, noe som er bedre for å registrere svake vibrasjoner; 100 mV/g er den vanlige industristandarden.
- Frekvensrespons: Båndbredden der sensoren gir nøyaktige målinger. Den må dekke det forventede feilfrekvenser på maskinen, med god margin under sensorens egen egenfrekvens.
- Temperaturområde: Sensoren må tåle overflatetemperaturen på stedet der den monteres; en temperatursensor er ofte plassert på samme sted for samordnet overvåking.
- Monteringsmetode: Hvordan sensoren festes – med bolter, lim eller magneter – har stor innvirkning på nøyaktigheten ved høye frekvenser. Ved montering med bolter ISO 5348 gir best kobling og bredest brukbar båndbredde; en magnet er praktisk ved ruteinstallasjoner, men senker den øvre frekvensgrensen. Dårlig montering kan føre til en feil økende resonans som gir seg ut for å være en maskinfeil.
Du kan beregne hvor mye båndbredde et bestemt vedlegg vil kreve ved hjelp av Akselerometer monteringsresonanskalkulator før du bestemmer deg for en monteringsløsning.
5. Anvendelser innen tilstandsovervåking
Accelerometre ligger til grunn for nesten alle vibrasjonsanalyse oppgaven, herunder:
- Programmer for forebyggende vedlikehold: innsamling av rutinedata om en rute for å overvåke maskinens tilstand og forutsi feil.
- Feildiagnose: å påvise ubalanse, feilinnretting, løshet og slitasje på lager fra vibrasjonsspektrum.
- Akseptansetesting: å kontrollere at nye eller reparerte maskiner oppfyller vibrasjonsspesifikasjoner som for eksempel ISO 20816 (den moderne etterfølgeren til ISO 10816).
- Modalanalyse: å studere naturlige frekvenser og modusformer av en struktur.
Feltbalansering er en av de mest krevende oppgavene, fordi den krever både amplituden og den fase av svingningen som forekommer én gang per omdreining. Et bærbart tokanalsinstrument som for eksempel Balanset-1A bruker sine to akselerometre og låser dem til en turteller pulsen, og måler amplituden og fasen direkte i maskinens egne lagre ved driftshastighet — og omregner det rå akselerometersignalet til de påvirkningskoeffisientene og korreksjonsvektene som trengs for å balansere rotoren på stedet.
