Seismische transducers begrijpen
A seismische transducer — ook wel seismische sensor of inertiële transducer genoemd — is een trillingen sensor die gebruikmaakt van een interne seismische massa (een „proefmassa“) die aan veren of flexibele elementen is opgehangen als traagheidsreferentie, waardoor de absolute beweging van de sensorbasis kan worden gemeten. Wanneer de behuizing trilt, blijft de opgehangen massa in de ruimte in principe stil staan (mits de frequentie hoger is dan die van het massa-veersysteem natuurlijke frequentie), en de relatieve beweging tussen de bewegende behuizing en de vrijwel stilstaande massa wordt omgezet in een elektrisch signaal dat de trilling weergeeft. Het kenmerkende aspect is dat de referentie wordt meegenomen inside de sensor, zodat er geen vast extern referentiepunt nodig is.
De term ‘seismisch’ is afkomstig uit de aardbevingsmeting: de opgehangen massa van een seismometer blijft relatief stil terwijl de grond eronder trilt. Bij het monitoren van machines blijven beide snelheidstransducers en versnellingsmeters zijn in die zin seismische transducers, hoewel de term meestal wordt geassocieerd met de klassieke snelheidsopnemer.
1. Werkingsprincipe
Massa-veer-dempersysteem
Elke seismische transducer is in wezen een kleine mechanische oscillator die uit vier functionele onderdelen bestaat:
- Seismische massa: een gekalibreerde proofmassa die in de behuizing van de sensor is opgehangen.
- Lente: mechanische veren of dunne buigelementen die de massa dragen.
- Demping: lucht-, magnetische (wervelstroom) of vloeistofdemping die de resonantie onder controle houdt.
- Transductie: het onderdeel dat de relatieve beweging tussen de massa en de behuizing omzet in een spanning.
Frequentieresponsregio's
Hoe de sensor zich gedraagt, hangt volledig af van waar de excitatiefrequentie zich bevindt ten opzichte van zijn eigen eigenfrequentie:
- Onder de eigenfrequentie: massa en behuizing bewegen mee, waardoor er weinig relatieve beweging is en de respons slecht is.
- Bij de eigenfrequentie: het systeem resoneert — de output wordt versterkt, maar is vervormd en onbetrouwbaar.
- Boven de eigenfrequentie: de massa blijft in feite op zijn plaats terwijl de behuizing eromheen trilt. Dit is het goede meetgebied.
- Usable range: gewoonlijk beschouwd als meer dan ongeveer twee keer de eigenfrequentie, waarbij de respons zich heeft gestabiliseerd en vlak is.
2. Soorten seismische transducers
Snelheidstransducers (bewegende spoel)
- Een magneet is met veren opgehangen in een vaste spoel (of omgekeerd).
- De relatieve snelheid tussen de magneet en de spoel wekt door elektromagnetische inductie een spanning op.
- Eigenfrequentie doorgaans 8–15 Hz.
- Geschikt voor gebruik bij frequenties van ongeveer 16–30 Hz.
- Meet de snelheid rechtstreeks, zonder dat signaalintegratie nodig is.
Versnellingsmeters
- Piëzo-elektrisch Bij dit type wordt een piëzo-kristal gebruikt om de traagheidskracht van de massa te meten.
- Bij MEMS-types wordt gebruikgemaakt van capacitieve of piëzoresistieve detectie op een microbewerkt element.
- Een veel hogere eigenfrequentie, doorgaans 10–30 kHz.
- Geschikt voor frequenties vanaf ongeveer 1 Hz.
- Meet de versnelling, die kan worden geïntegreerd tot snelheid of verplaatsing.
3. Seismische versus niet-seismische sensoren
De seismische sensoren zijn het best te begrijpen door ze te vergelijken met sensoren die afhankelijk zijn van een externe referentie.
Seismische sensoren (inertiële referentie)
- Versnellingsmeters en snelheidssensoren.
- Meet de absolute beweging in de inertiële ruimte.
- Bevestig direct op de trillende constructie.
- Hun eigen interne massa als referentie nemen.
- De meest gangbare keuze voor het monitoren van machines.
Niet-seismische sensoren (externe referentie)
- Nabijheidssondes (wervelstroomsensoren).
- Meet de relatieve beweging tussen twee oppervlakken.
- Er is een vast bevestigingspunt nodig om vanaf te kijken.
- Meet doorgaans de astrilling ten opzichte van het lager.
- Norm voor het meten van astrillingen bij machines met glijlagers.
4. Voordelen van het seismisch ontwerp
Zelfstandige referentie
- Er is geen extern referentiekader nodig.
- De sensor kan vrijwel overal op een trillende constructie worden gemonteerd.
- Het geeft de werkelijke absolute beweging in de inertiële ruimte weer.
Veelzijdigheid
- Eén type sensor is geschikt voor een groot aantal toepassingen.
- Geschikt voor zowel tijdelijke metingen als permanente installaties.
- Gemakkelijk van de ene machine naar de andere te verplaatsen.
Juist vanwege deze veelzijdigheid zijn draagbare instrumenten er zo op aangewezen. Het tweekanaals Balans-1a, haalt zijn meetgegevens bijvoorbeeld uit versnellingsmeters die aan de lagerhuizen zijn bevestigd — zelfrefererende seismische sensoren die geen vast referentiepunt nodig hebben, zodat een ingenieur snel tussen meetpunten en machines kan schakelen terwijl hij ter plaatse in evenwicht blijft.
5. Beperkingen
Beperkingen van de frequentierespons
- Onder ongeveer twee keer de eigenfrequentie kan er geen betrouwbare meting worden uitgevoerd.
- Met name bewegende-spoel-snelheidssensoren reageren slecht bij frequenties onder de 15–20 Hz.
- Er is een onvermijdelijke afweging: een lagere eigenfrequentie zorgt voor een beter bereik in het lage frequentiebereik, maar vereist een grotere, zwaardere sensor.
Meet Huisvestingsbewegingen
- De sensor registreert de beweging van het lagerhuis, niet die van de as zelf.
- Trillingen in de behuizing zijn niet hetzelfde als trillingen in de as — ze worden gefilterd door de stijfheid van de lagers en de omringende constructie.
- Wanneer de werkelijke baan van de as van belang is, zijn in plaats daarvan naderingssensoren nodig.
6. Toepassingen
Machineconditiebewaking
- Trillingsmetingen aan lagerhuizen.
- Algemene trillingstendens.
- Bearing-defect detection.
- Algemene diagnose van roterende machines.
Structurele trillingen
- Trillingsmetingen aan gebouwen en funderingen.
- Seismische monitoring van aardbevingen.
- Door machines uitgezonden grondtrillingen.
Modale analyse
- Het meten van de reactie van een constructie op een gekalibreerde botsing.
- Determining natuurlijke frequenties en modevormen.
- Building the frequentieresponsfuncties gebruikt in modale analyse.
Seismische transducers, die gebruikmaken van een intern opgehangen massa als inertiële referentie, vormen de basis van trillingsmetingen bij roterende machines. Inzicht in het seismische principe – hoe een opgehangen massa absolute bewegingsmetingen mogelijk maakt en waarom die metingen alleen geldig zijn boven de eigenfrequentie van de sensor – verklaart zowel de sterke punten als de beperkingen van versnellingsmeters en snelheidstransducers, de twee onmisbare pijlers van elk industrieel trillingsanalyseprogramma.
