Transdusere: Sensorene for vibrasjonsanalyse
I vibrasjonsanalyse, a transduser er en enhet som omdanner fysisk, mekanisk bevegelse — vibrasjon — til et proporsjonalt elektrisk signal som en datainnsamler eller overvåkingssystemet kan behandle, måle og analysere. Transdusere er de primære sensorene og det aller første leddet i målekjeden; uten en pålitelig transduser er det ikke mulig å foreta noen meningsfull analyse. Valg av riktig transduser er en avgjørende beslutning som avhenger av maskintypen, driftshastigheten og de spesifikke feilene som skal overvåkes – fordi hver transduser-type naturlig nok er følsom for ulike deler av vibrasjonsbildet.
1. Målekjeden og de tre parameterne
Vibrasjon kan beskrives ved hjelp av tre beslektede størrelser, og hvilken av disse en transduser måler, avgjør hvor den yter best. Forskyvning dominerer ved lave frekvenser og gjenspeiler grove bevegelser; hastighet er den mest balanserte målingen i mellomfrekvensområdet, der de vanligste feilene oppstår; og akselerasjon fremhever de hyppige hendelsene som varsler tidlig skade på lagre og gir. De tre er matematisk knyttet sammen — integrering omformer et akselerasjonssignal til hastighet og videre til forskyvning – og det er derfor en enkelt sensor, sammen med elektronikk, kan fylle flere funksjoner. Uansett hvilken parameter det dreier seg om, forsyner transduseren resten av kjeden: signalbehandling, digitalisering og til slutt analysatoren.
2. De tre hovedtypene av vibrasjonstransdusere
Det finnes tre hovedtyper transdusere som brukes i industriell maskinovervåking, som hver måler en annen fysisk vibrasjonsparameter.
Akselerometeret (måler akselerasjon)
Den akselerometer er den desidert vanligste og mest allsidige vibrasjonstransduseren. Den måler akselerasjonen til strukturen den er montert på.
- Prinsipp: De fleste industrilokaler er piezoelektrisk, ved hjelp av et krystall som genererer en ladning når det utsettes for belastning fra en indre seismisk masse.
- Styrker: et ekstremt bredt frekvensområde, høy robusthet, mange tilgjengelige utførelser og egnethet for nesten alle typer maskiner. De er spesielt gode til å registrere høyfrekvente hendelser.
- Primær bruk: overvåking av allmennmaskineri, fra maskiner med lav hastighet til turbomaskineri med svært høy hastighet, samt den foretrukne sensoren for høyfrekvente feil som peiling og defekter i girkassen.
Hastighetssensoren (måler hastighet)
A hastighetstransduser er en elektrodynamisk sensor som måler vibrasjonshastigheten direkte.
- Prinsipp: Det fungerer som en mikrofon – en trådspole er plassert i et magnetfelt, og når huset vibrerer, skaper den relative bevegelsen mellom spolen og magneten en spenning som er proporsjonal med hastigheten.
- Styrker: et sterkt signal med lite støy i mellomfrekvensbåndet (omtrent 10 Hz til 1 000 Hz), akkurat der vanlige feil som ubalanse og feiljustering vises, og det er ikke behov for ekstern strømforsyning.
- Svakheter: mer sårbar enn et akselerometer, med et begrenset frekvensområde og følsomhet overfor magnetfelt og monteringsretning. Den klassiske selvgenererende spolen-og-magnet-konstruksjonen — den fartmåler — har i stor grad blitt erstattet av akselerometre med innebygd elektronikk.
- Primær bruk: Historisk sett var dette arbeidshesten innen generell overvåking før robuste akselerometre ble vanlige, og det velges fortsatt noen ganger til faste installasjoner i mellomfrekvensområdet.
Nærhetssensoren (måler forskyvning)
Den nærhetssonde, eller virvelstrømssonde, er en berøringsfri sensor som måler forskyvningen til en roterende aksel.
- Prinsipp: Den bruker et elektromagnetisk felt til å indusere og måle virvelstrømmer i akseloverflaten, og registrerer dermed avstanden mellom sondespissen og akselen.
- Styrker: Den måler selve akselens bevegelse i stedet for huset, den er berøringsfri, og responsen strekker seg helt ned til 0 Hz (likestrøm), slik at den registrerer både akselens gjennomsnittlige posisjon og vibrasjonene.
- Primær bruk: avgjørende for å beskytte og overvåke kritisk, høyhastighets turbomaskineri på væskefilm journallager — turbiner og kompressorer — og for å analysere akselbane og posisjon på midtlinjen.
3. Valg av riktig svinger
Valg av måleelement er et avgjørende trinn i oppsettet av ethvert overvåkingsprogram. Den generelle regelen er å velge den sensoren som er mest følsom i frekvensområdet der de forventede feilene oppstår:
- Bruk nærhetsprober for akselbevegelse i maskiner med væskefilm-lager, der akselen kan bevege seg betydelig inne i et relativt stille hus.
- Bruk akselerometre for alt annet, ettersom de er de mest allsidige. Signalet kan integreres til hastighet for å analysere mellomfrekvente feil eller brukes direkte som akselerasjon for høyfrekvente feil.
To praktiske hensyn avgjør valget. Transduserens følsomhet må tilpasses den forventede vibrasjonsamplituden – for lav, og små feil forsvinner i støyen; for høy, og sterke signaler klippes – og dens brukbare hyppighet Frekvensområdet må dekke de aktuelle feilfrekvensene. Piezoelektriske sensorer med ladningsutgang trenger i tillegg en tilpasset ladeforsterker in the chain.
4. Transdusere i feltbalansering og diagnostikk
På et bærbart instrument er transduseren den komponenten som alt annet er avhengig av. En tokanals feltanalysator som Balanset-1A vanligvis kombinerer to IEPE-akselerometre med et optisk turteller som fasereferanse, og registrerer synkronisert amplitude og fase ved hvert lager mens maskinen går på egne støtter i driftshastighet. Det er denne akselerometerbaserte kjeden som gjør at instrumentet kan beregne korreksjonsvekter for en- og to-plans balansering og utføre rutinemessige vibrasjonsovervåking — et tydelig eksempel på det generelle prinsippet om at akselerometeret er standardtransduseren for det aller meste av arbeidet med roterende maskiner, sammen med nærhetssensoren og seismisk transduser reservert for de tilfellene der deres fysikk passer best.
