4. Meetsystemen voor balanceermachines
De meeste amateurfabrikanten van balanceermachines die contact opnemen met LLC "Kinematics", zijn van plan om de meetsystemen uit de "Balanset"-serie van ons bedrijf te gebruiken in hun ontwerpen. Er zijn echter ook klanten die van plan zijn om dergelijke meetsystemen zelfstandig te produceren. Daarom is het zinvol om nader in te gaan op de constructie van een meetsysteem voor een balanceermachine. De belangrijkste eis voor deze systemen is de noodzaak om zeer nauwkeurige metingen te doen van de amplitude en fase van de rotatiecomponent van het trillingssignaal, dat verschijnt bij de rotatiefrequentie van de gebalanceerde rotor. Dit doel wordt meestal bereikt door een combinatie van technische oplossingen te gebruiken, waaronder:
4.1. Selectie van trillingssensoren
In de meetsystemen van balanceermachines kunnen verschillende soorten trillingssensoren (transducers) worden gebruikt, waaronder:
4.1.1. Sensoren voor trillingsversnelling
Van de trillingsversnellingsopnemers zijn de piëzo en capacitieve (chip) versnellingsopnemers het meest gebruikt, die effectief gebruikt kunnen worden in balanceermachines van het Soft Bearing type. In de praktijk is het over het algemeen toegestaan om trillingsversnellingsopnemers te gebruiken met omzettingscoëfficiënten (Kpr) tussen 10 en 30 mV/(m/s²). Bij balanceermachines die een bijzonder hoge balanceernauwkeurigheid vereisen, is het raadzaam versnellingsmeters te gebruiken met een Kpr van 100 mV/(m/s²) en hoger. Als voorbeeld van piëzo-versnellingsmeters die gebruikt kunnen worden als trillingssensoren voor balanceermachines, toont afbeelding 4.1 de piëzo-versnellingsmeters DN3M1 en DN3M1V6 van LLC "Izmeritel".
Afbeelding 4.1. Piëzo-versnellingsmeters DN 3M1 en DN 3M1V6
Om zulke sensoren aan te sluiten op trillingsmeetinstrumenten en -systemen is het nodig om externe of ingebouwde laadversterkers te gebruiken.
Figuur 4.2. Capacitieve versnellingsmeters AD1, vervaardigd door LLC "Kinematics".
Opgemerkt moet worden dat deze sensoren, waaronder veelgebruikte op de markt verkrijgbare platen van capacitieve versnellingsmeters ADXL 345 (zie afbeelding 4.3), een aantal belangrijke voordelen hebben ten opzichte van piëzo-versnellingsmeters. Ze zijn 4 tot 8 keer goedkoper met vergelijkbare technische eigenschappen. Bovendien hebben ze geen dure en lastige laadversterkers nodig die nodig zijn voor piëzo versnellingsmeters.
In gevallen waarin beide typen versnellingsmeters worden gebruikt in de meetsystemen van balanceermachines, wordt meestal hardware-integratie (of dubbele integratie) van de sensorsignalen uitgevoerd.
Afbeelding 4.2. Capacitieve versnellingsmeters AD 1, gemonteerd.
Afbeelding 4.3. Capacitieve versnellingsmeter ADXL 345.
In dit geval wordt het initiële sensorsignaal, dat evenredig is met de trillingsversnelling, omgezet in een signaal dat evenredig is met de trillingssnelheid of verplaatsing. De procedure van dubbele integratie van het trillingssignaal is vooral relevant bij het gebruik van versnellingsmeters als onderdeel van de meetsystemen voor balanceermachines met een laag toerental, waarbij het onderste rotatiebereik van de rotor tijdens het balanceren 120 tpm en lager kan zijn. Bij het gebruik van capacitieve versnellingsmeters in de meetsystemen van balanceermachines moet er rekening mee worden gehouden dat hun signalen na integratie laagfrequente interferentie kunnen bevatten, die zich manifesteert in het frequentiebereik van 0,5 tot 3 Hz. Dit kan het lagere frequentiebereik van balanceren beperken op machines die bedoeld zijn om deze sensoren te gebruiken.
4.1.2. Sensoren voor vibratiesnelheid 4.1.2.1. Inductieve snelheidssensoren voor trillingen. Deze sensoren bestaan uit een inductieve spoel en een magnetische kern. Wanneer de spoel trilt ten opzichte van een stationaire kern (of de kern ten opzichte van een stationaire spoel), wordt een EMF geïnduceerd in de spoel, waarvan de spanning recht evenredig is met de trillingssnelheid van het beweegbare element van de sensor. De omzettingscoëfficiënten (Кпр) van inductieve sensoren zijn meestal vrij hoog, tot enkele tientallen of zelfs honderden mV/mm/sec. In het bijzonder is de omzettingscoëfficiënt van de Schenck model T77 sensor 80 mV/mm/sec en voor de IRD Mechanalysis model 544M sensor is deze 40 mV/mm/sec. In sommige gevallen (bijvoorbeeld in Schenck balanceermachines) worden speciale zeer gevoelige inductieve trillingssnelheidssensoren met een mechanische versterker gebruikt, waarbij Кпр 1000 mV/mm/sec kan overschrijden. Als inductieve trillingssnelheidssensoren worden gebruikt in de meetsystemen van balanceermachines, kan hardware-integratie van het elektrische signaal dat evenredig is met de trillingssnelheid ook worden uitgevoerd, waarbij het wordt omgezet in een signaal dat evenredig is met de trillingsverplaatsing.
Afbeelding 4.4. Model 544M sensor door IRD Mechanalysis.
Afbeelding 4.5. Sensor model T77 van Schenck Opgemerkt moet worden dat inductieve trillingssnelheidssensoren vanwege de arbeidsintensieve productie vrij schaars en duur zijn. Daarom worden ze, ondanks de duidelijke voordelen van deze sensoren, zelden gebruikt door amateurfabrikanten van balanceermachines.
4.1.2.2. Vibratiesnelheidsensoren gebaseerd op piëzo-elektrische versnellingsmeters. Een sensor van dit type verschilt van een standaard piëzo-elektrische versnellingsmeter doordat hij een ingebouwde ladingsversterker en integrator in zijn behuizing heeft, waardoor hij een signaal kan afgeven dat evenredig is met de trillingssnelheid. Bijvoorbeeld, piëzo-elektrische trillingssnelheidssensoren vervaardigd door binnenlandse producenten (ZETLAB company en LLC "Vibropribor") worden getoond in Figuren 4.6 en 4.7.
Afbeelding 4.6. Model AV02 sensor van ZETLAB (Rusland)
Afbeelding 4.7. Model DVST 2 sensor van LLC "Vibropribor". Dergelijke sensoren worden geproduceerd door verschillende producenten (zowel binnenlandse als buitenlandse) en worden momenteel veel gebruikt, vooral in draagbare trillingsapparatuur. De kosten van deze sensoren zijn vrij hoog en kunnen oplopen tot 20.000 tot 30.000 roebel per stuk, zelfs bij binnenlandse fabrikanten.
4.1.3. Verplaatsingssensoren In de meetsystemen van balanceermachines kunnen ook contactloze verplaatsingssensoren - capacitief of inductief - worden gebruikt. Deze sensoren kunnen in statische modus werken, waardoor trillingsprocessen vanaf 0 Hz geregistreerd kunnen worden. Het gebruik ervan kan bijzonder effectief zijn bij het balanceren van rotoren met lage snelheden van 120 tpm en lager. De conversiecoëfficiënten van deze sensoren kunnen oplopen tot 1000 mV/mm en hoger, wat een hoge nauwkeurigheid en resolutie oplevert bij het meten van verplaatsingen, zelfs zonder extra versterking. Een duidelijk voordeel van deze sensoren is hun relatief lage prijs, die voor sommige binnenlandse fabrikanten niet hoger is dan 1000 roebel. Bij het gebruik van deze sensoren in balanceermachines is het belangrijk om er rekening mee te houden dat de nominale werkspleet tussen het gevoelige element van de sensor en het oppervlak van het trillende object wordt beperkt door de diameter van de sensorspoel. Voor de sensor in afbeelding 4.8, model ISAN E41A van "TEKO", is de opgegeven werkafstand bijvoorbeeld 3,8 tot 4 mm, waarmee de verplaatsing van het trillende voorwerp binnen een bereik van ±2,5 mm kan worden gemeten.
Afbeelding 4.8. Inductieve verplaatsingssensor model ISAN E41A van TEKO (Rusland)
4.1.4. Krachtsensoren Zoals eerder vermeld, worden krachtsensoren gebruikt in de meetsystemen die geïnstalleerd zijn op balanceermachines voor harde lagers. Deze sensoren zijn, vooral vanwege hun eenvoudige fabricage en relatief lage kosten, meestal piëzo-elektrische krachtsensoren. Voorbeelden van dergelijke sensoren worden getoond in de figuren 4.9 en 4.10.
Afbeelding 4.9. Krachtsensor SD 1 van Kinematika LLC
Figuur 4.10: Krachtsensor voor balanceermachines voor auto's, verkocht door "STO Market". Krachtsensoren met rekstrookjes, die door een groot aantal binnenlandse en buitenlandse producenten worden gemaakt, kunnen ook worden gebruikt om relatieve vervormingen te meten in de steunen van balanceermachines voor harde lagers.
4.2. Fasehoeksensoren Om het trillingsmeetproces te synchroniseren met de rotatiehoek van de gebalanceerde rotor, worden fasehoeksensoren gebruikt, zoals laser- (foto-elektrische) of inductieve sensoren. Deze sensoren worden in verschillende uitvoeringen geproduceerd door zowel binnenlandse als internationale producenten. De prijs van deze sensoren kan aanzienlijk variëren, van ongeveer 40 tot 200 dollar. Een voorbeeld van zo'n apparaat is de fasehoeksensor van "Diamex", te zien in figuur 4.11.
Afbeelding 4.11: Fasehoeksensor van "Diamex".
Als ander voorbeeld toont afbeelding 4.12 een model geïmplementeerd door LLC "Kinematics", dat lasertachometers van het model DT 2234C uit China gebruikt als fasehoeksensoren. De duidelijke voordelen van deze sensor zijn onder andere:
Afbeelding 4.12: Lasertachometer Model DT 2234C
In sommige gevallen, als het gebruik van optische lasersensoren om welke reden dan ook ongewenst is, kunnen ze vervangen worden door inductieve contactloze verplaatsingssensoren, zoals het eerder genoemde ISAN E41A-model of vergelijkbare producten van andere fabrikanten.
4.3. Signaalverwerkingsfuncties in trillingssensoren Voor het nauwkeurig meten van amplitude en fase van de rotatiecomponent van het trillingssignaal in balanceerapparatuur wordt meestal een combinatie van hardware- en softwareverwerkingstools gebruikt. Deze tools maken het mogelijk:
4.3.1. Breedbandsignaalfiltering Deze procedure is essentieel om het signaal van de trillingssensor te zuiveren van mogelijke storingen die kunnen optreden aan zowel de onder- als de bovengrens van het frequentiebereik van het apparaat. Het is raadzaam om voor het meetapparaat van een balanceermachine de ondergrens van het banddoorlaatfilter in te stellen op 2-3 Hz en de bovengrens op 50 (100) Hz. De "lagere" filtering helpt bij het onderdrukken van laagfrequente ruis die kan optreden aan de uitgang van verschillende typen sensormeetversterkers. "Bovenfiltering elimineert de mogelijkheid van interferentie door combinatiefrequenties en mogelijke resonantietrillingen van afzonderlijke mechanische componenten van de machine.
4.3.2. Versterking van het analoge signaal van de sensor Als de gevoeligheid van het meetsysteem van de balanceermachine moet worden verhoogd, kunnen de signalen van de trillingssensoren naar de ingang van de meeteenheid worden versterkt. Zowel standaard versterkers met een constante versterking als meertraps versterkers, waarvan de versterking programmeerbaar kan worden veranderd afhankelijk van het werkelijke signaalniveau van de sensor, kunnen worden gebruikt. Een voorbeeld van een programmeerbare meertrapsversterker zijn versterkers die zijn geïmplementeerd in spanningsmeetomvormers zoals E154 of E14-140 van LLC "L-Card".
4.3.3. Integratie Zoals eerder vermeld, worden hardware-integratie en/of dubbele integratie van trillingssensorsignalen aanbevolen in de meetsystemen van balanceermachines. Zo kan het initiële signaal van de versnellingsmeter, dat evenredig is met de vibroversnelling, worden omgezet in een signaal dat evenredig is met de vibrosnelheid (integratie) of de vibroverplaatsing (dubbele integratie). Op dezelfde manier kan het signaal van de vibrosnelheidssensor na integratie worden omgezet in een signaal dat evenredig is met de vibroverplaatsing.
4.3.4. Smalbandfiltering van het analoge signaal met een volgfilter Om interferentie te verminderen en de kwaliteit van de verwerking van het trillingssignaal in de meetsystemen van balanceermachines te verbeteren, kunnen smalbandvolgfilters worden gebruikt. De centrale frequentie van deze filters wordt automatisch afgestemd op de rotatiefrequentie van de gebalanceerde rotor met behulp van het signaal van de rotoromwentelingssensor. Moderne geïntegreerde schakelingen, zoals MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 van "MAXIM", kunnen worden gebruikt om dergelijke filters te maken.
4.3.5. Analoog-digitaal-omzetting van signalen Analoog-naar-digitaal conversie is een cruciale procedure die de mogelijkheid biedt om de kwaliteit van de verwerking van het trillingssignaal tijdens de meting van amplitude en fase te verbeteren. Deze procedure is geïmplementeerd in alle moderne meetsystemen van balanceermachines. Een voorbeeld van een effectieve implementatie van dergelijke ADC's zijn de spanningsmeetomvormers van het type E154 of E14-140 van LLC "L-Card", die worden gebruikt in diverse meetsystemen van balanceermachines van LLC "Kinematics". Bovendien heeft LLC "Kinematics" ervaring met het gebruik van goedkopere microprocessorsystemen op basis van "Arduino"-controllers, de PIC18F4620 microcontroller van "Microchip" en soortgelijke apparaten.
Auteur van het artikel : Feldman Valerij Davidovitsj
Bewerking en vertaling : Nikolaj Andrejevitsj Shelkovenko
Mijn excuses voor mogelijke vertaalfouten.