Transducers: de sensoren van trillingsanalyse
In trillingsanalyse, a omvormer is een apparaat dat fysieke, mechanische beweging omzet — trillingen — in een evenredig elektrisch signaal dat een dataverzamelaar of bewakingssysteem kan verwerken, meten en analyseren. Transducers vormen de primaire sensoren en de allereerste schakel in de meetketen; zonder een betrouwbare transducer is geen zinvolle analyse mogelijk. Het kiezen van de juiste transducer is een cruciale beslissing die afhangt van het type machine, de bedrijfssnelheid ervan en de specifieke storingen die worden bewaakt — aangezien elk type transducer van nature gevoelig is voor een ander aspect van het trillingsbeeld.
1. De meetketen en de drie parameters
Trilling kan worden beschreven aan de hand van drie onderling samenhangende grootheden, en welke daarvan een transducer meet, bepaalt waarin deze uitblinkt. Verplaatsing domineert bij lage frequenties en geeft grove bewegingen weer; snelheid is de meest evenwichtige maatstaf in het middenbereik, waar de meest voorkomende fouten zich voordoen; en versnelling benadrukt de hoogfrequente gebeurtenissen die wijzen op beginnende schade aan lagers en tandwielen. Deze drie zijn wiskundig met elkaar verbonden — integratie zet een versnellingssignaal om in snelheid en vervolgens in verplaatsing — daarom kan één enkele sensor, in combinatie met elektronica, meerdere functies vervullen. Ongeacht de parameter voedt de transducer de rest van de keten: signaalverwerking, digitalisering en ten slotte de analysator.
2. De drie belangrijkste soorten trillingsopnemers
Er zijn drie hoofdtypen transducers die worden gebruikt bij de bewaking van industriële machines. Elk type meet een andere fysieke trillingsparameter.
De versnellingsmeter (meet versnelling)
De versnellingsmeter is verreweg de meest gebruikte en veelzijdige trillingstransducer. Hij meet de versnelling van de constructie waarop hij gemonteerd is.
- Beginsel: de meeste bedrijfsruimten zijn piëzo-elektrisch, waarbij gebruik wordt gemaakt van een kristal dat een lading opwekt wanneer het door een interne seismische massa wordt belast.
- Sterke punten: een zeer breed frequentiebereik, grote robuustheid, talrijke beschikbare uitvoeringen en geschiktheid voor vrijwel elke machine. Ze blinken vooral uit in het detecteren van hoogfrequente gebeurtenissen.
- Primair gebruik: monitoring van algemene machines, van machines met lage snelheid tot turbomachines met zeer hoge snelheid, en de meest geschikte sensor voor storingen met hoge frequentie, zoals handelswijze en tandwieldefecten.
De snelheidssensor (meet de snelheid)
A snelheidstransducer is een elektrodynamische sensor die de trillingssnelheid rechtstreeks meet.
- Beginsel: het werkt net als een microfoon: een draadspoel hangt in een magnetisch veld, en wanneer de behuizing trilt, wekt de relatieve beweging tussen de spoel en de magneet een spanning op die evenredig is aan de snelheid.
- Sterke punten: een sterk, ruisarm signaal in het middenfrequentiebereik (ongeveer 10 Hz tot 1.000 Hz), precies daar waar veelvoorkomende storingen zoals onevenwicht en verkeerde uitlijning verschijnen, en er is geen externe stroomvoorziening nodig.
- Zwakke punten: kwetsbaarder dan een versnellingsmeter, met een beperkt frequentiebereik en gevoelig voor magnetische velden en de montagepositie. Het klassieke ontwerp met een zelfopwekkende spoel en magneet — de snelheidsmeter — is grotendeels vervangen door versnellingsmeters met elektronische integratie.
- Primair gebruik: van oudsher het werkpaard voor algemene monitoring voordat robuuste versnellingsmeters gangbaar werden, en nog steeds een populaire keuze voor permanente installaties in het middenfrequentiebereik.
De naderingssensor (meet verplaatsing)
De nabijheidssonde, of wervelstroomsonde, is een contactloze sensor die de verplaatsing van een draaiende as meet.
- Beginsel: het maakt gebruik van een elektromagnetisch veld om wervelstromen in het oppervlak van de as op te wekken en te meten, waardoor de afstand tussen de punt van de sonde en de as wordt gemeten.
- Sterke punten: het meet de daadwerkelijke beweging van de as zelf in plaats van die van de behuizing, het werkt contactloos en de respons reikt tot 0 Hz (gelijkstroom), waardoor zowel de gemiddelde positie als de trillingen van de as worden geregistreerd.
- Primair gebruik: van essentieel belang voor de bescherming en bewaking van kritische, hogesnelheidsturbomachines op vloeistoffilm glijlagers — turbines en compressoren — en voor het analyseren van de schachtbaan en positie op de middellijn.
3. De juiste transducer kiezen
Het kiezen van een transducer is een cruciale stap bij het opzetten van elk monitoringprogramma. De algemene regel is om de sensor te kiezen die het meest gevoelig is in het frequentiebereik van de verwachte storingen:
- Gebruik nabijheidssondes voor asbewegingen bij machines met vloeistoffilm-lagers, waarbij de as aanzienlijk kan bewegen binnen een relatief stilstaand huis.
- Gebruik versnellingsmeters Voor al het andere, omdat ze het meest veelzijdig zijn. Het signaal kan worden geïntegreerd met snelheid voor het analyseren van middenfrequente storingen of direct worden gebruikt als versnelling voor hoogfrequente storingen.
Twee praktische overwegingen maken de keuze compleet. De transducer’s gevoeligheid moet zijn afgestemd op de verwachte trillingsamplitude — bij een te lage waarde gaan kleine afwijkingen verloren in de ruis, bij een te hoge waarde worden sterke signalen afgekapt — en de bruikbare frequentie het bereik moet de relevante storingsfrequenties bestrijken. Piezo-elektrische sensoren met ladingsuitgang hebben bovendien een bijpassende ladingversterker in de keten.
4. Sensoren voor veldbalans en diagnose
Bij een draagbaar meetapparaat is de transducer het onderdeel waarvan al het andere afhangt. Een tweekanaals veldanalysator zoals de Balans-1a meestal worden twee IEPE-versnellingsmeters gecombineerd met een optische toerenteller als fasereferentie, waardoor bij elk lager de amplitude en fase synchroon worden gemeten terwijl de machine op bedrijfssnelheid draait op zijn eigen steunen. Dankzij deze op versnellingsmeters gebaseerde keten kan het instrument correctiewaarden berekenen voor het balanceren in één en twee vlakken en routinematige trillingsbewaking — een duidelijk voorbeeld van het algemene principe dat de versnellingsmeter de standaardtransducer is voor het overgrote deel van de toepassingen bij roterende machines, terwijl de naderingssensor en de seismische transducer voorbehouden aan de gevallen waarvoor hun fysische eigenschappen het meest geschikt zijn.
