Wat is een versnellingsmeter? Een handleiding voor trillingsanalyse
Een versnellingsmeter is een transducer (of sensor) die mechanische beweging omzet — met name de versnelling veroorzaakt door trilling of schok — in een evenredig elektrisch signaal. Het is verreweg de meest gebruikte sensor in voorspellend onderhoud en conditiebewaking. Door te meten hoe snel een punt op een machine van snelheid verandert, levert een accelerometer de ruwe gegevens waarmee een analist een breed scala aan mechanische en elektrische storingen kan diagnosticeren — van lagerdefecten naar onbalans en verkeerde uitlijning.
1. Definitie: De kern van trillingsmeting
Versnelling is de meest geschikte grootheid om te meten op roterende machines, omdat de dynamische krachten die een machine beschadigen — centrifugaalkracht van een zwaar punt, impact van een afgeschilferd lagerloopvlak — evenredig zijn met versnelling. Een accelerometer reageert direct op deze krachten, wat de reden is dat hij centraal staat in vrijwel elk modern trillingsanalysator en dataverzamelaar.
Een van de praktische voordelen van de accelerometer is dat het versnellingssignaal elektronisch kan worden geïntegreerd once to give snelheid (mm/s), en nogmaals om verplaatsing (µm) te geven. Eén goed gemonteerde sensor dekt daarmee alle drie klassieke trillingseenheden, zodat de analist kan kiezen welke een bepaalde storing het beste zichtbaar maakt.
2. Hoe werken accelerometers? Het piëzo-elektrisch principe
Hoewel er meerdere fysische principes bestaan, is de overgrote meerderheid van de accelerometers die voor industriële machines worden gebruikt gebaseerd op het piëzo-elektrisch effect. De werkingsvolgorde is eenvoudig:
- Piëzo-elektrisch kristal: In de sensor is een kleine seismische massa bevestigd aan een piëzo-elektrisch element — doorgaans een keramisch materiaal zoals PZT, of in premium sensoren een precisiegesneden kwartskristal.
- Kracht uitoefenen: Wanneer de machine trilt, beweegt de behuizing mee. Door traagheid verzet de interne massa zich tegen die beweging en oefent een kracht uit op het kristal — gelijk, volgens de tweede wet van Newton, aan massa maal versnelling.
- Een signaal genereren: Een belast piëzo-elektrisch kristal produceert een kleine elektrische lading die direct evenredig is met de uitgeoefende kracht, en daarmee met de versnelling.
- Uitgang: Interne elektronica bewerkt deze lading en stuurt deze via een kabel naar een datacollector of bewakingssysteem als analoge representatie van de versnelling op dat punt.
De manier waarop die lading wordt bewerkt, bepaalt twee gangbare families. Een charge-output sensor levert de ruwe lading aan een externe ladingversterker en verdraagt zeer hoge temperaturen. Veel gebruikelijker in de industrie is het IEPE (or voltage-mode) type, waarbij de versterker in de sensor is ingebouwd en een laag-impedante spanning wordt afgegeven die goed door gewone tweeaderige kabel reist. De meest robuuste ontwerpen maken gebruik van een afschuiving constructie, die het kristal isoleert van basisbuiging en thermische transiënten.
3. Typen versnellingsopnemers
Verschillende toepassingen vereisen verschillende sensoren, elk met zijn eigen sterke punten.
Algemene accelerometers
Dit zijn de werkpaarden van industriële bewaking. Ze bieden doorgaans een gevoeligheid van 100 mV/g en een frequentiebereik dat geschikt is voor de meeste gangbare machines zoals pompen, motoren en ventilatoren — ruwweg 2 Hz tot 10 kHz.
MEMS-accelerometers
Micro-elektromechanische systemen (MEMS) versnellingsopnemers zijn op silicium gebaseerd, zeer klein, energiezuinig en kosteneffectief. Historisch gezien minder gevoelig dan piëzo-elektrische typen, maar moderne MEMS-apparaten verbeteren snel en zijn veelvoorkomend in draagbare elektronica, systemen in de automobielindustrie, draadloze monitoring knooppunten en kosteneffectievere installaties voor conditiebewaking.
Piëzoresistieve accelerometers
Gebruikt voor schoktesten en laagfrequente beweging, reageren deze sensoren tot 0 Hz (DC-versnelling), waardoor ze nuttig zijn voor het meten van de constante versnelling in een centrifuge of de langzame rijbeweging van een voertuig.
Hoogfrequente accelerometers
Ontworpen om hoogfrequente gebeurtenissen op te vangen, zoals vroegstadiumschade aan tandwielen en lagers, maken deze sensoren gebruik van een kleinere seismische massa en een hogere resonantiefrequentie, waardoor nauwkeurige meting tot 20 kHz of hoger mogelijk is — het bereik waar technieken zoals envelopanalyse en de schokimpulsmethode live.
4. Belangrijkste specificaties en selectie
Bij de keuze van een versnellingsopnemer wegen engineers verschillende parameters af:
- Gevoeligheid (mV/g): Een hogere gevoeligheid levert een sterker uitgangssignaal op en is beter geschikt voor het detecteren van laagfrequente trillingen; 100 mV/g is de gangbare industriestandaard.
- Frequentierespons: Het frequentiebereik waarbinnen de sensor nauwkeurig meet. Dit bereik moet de verwachte foutfrequenties van de machine omvatten, met een ruime marge onder de eigen eigenfrequentie.
- Temperatuurbereik: De sensor moet bestand zijn tegen de oppervlaktetemperatuur op de montageplek; een temperatuursensor wordt vaak gecombineerd geplaatst voor gecombineerde bewaking.
- Montagemethode: De bevestigingswijze van de sensor — stud, lijm of magneet — heeft grote invloed op de nauwkeurigheid bij hoge frequenties. Een stud-montage volgens ISO 5348 biedt de beste koppeling en het breedste bruikbare frequentiebereik; een magneet is handig voor routinemetingen maar verlaagt de bovenste frequentielimiet. Een slechte montage kan een valse montage-resonantie introduceren die zich voordoet als een machinefout.
U kunt de bandbreedte-straf van een bepaalde bevestiging schatten met de Resonantiecalculator voor de montage van de accelerometer voordat u definitief kiest voor een montageschema.
5. Toepassingen in conditiebewaking
Accelerometers vormen de basis van vrijwel elke trillingsanalyse taak, waaronder:
- Programma's voor voorspellend onderhoud: het routinematig verzamelen van gegevens op een route om de machinestatus te volgen en storingen te voorspellen.
- Foutdiagnose: het opsporen van onbalans, uitlijnfouten, losheid en lagerslijtage from the trillingsspectrum.
- Acceptatietesten: verifiëren dat nieuwe of gerepareerde machines voldoen aan trillingsspecificaties zoals ISO 20816 (de moderne opvolger van ISO 10816) overschrijdt.
- Modale analyse: studying the natuurlijke frequenties en modevormen van een constructie.
Veldbalancering is een van de meest veeleisende van deze taken, omdat zowel de amplitude en de fase van de trilling met één omwenteling per cyclus vereist is. Een draagbaar tweekanaals instrument zoals de Balanset-1A neemt zijn twee versnellingsopnemers, vergrendelt ze op een toerenteller puls, en meet de 1×-amplitude en fase rechtstreeks in de eigen lagers van de machine op bedrijfstoerental — waarbij het ruwe signaal van de versnellingsopnemer wordt omgezet in de invloedcoëfficiënten en correctiegewichten die nodig zijn om de rotor ter plaatse te balanceren.
