Czym jest akcelerometr? Przewodnik po analizie drgań
akcelerometr jest przetwornik (lub czujnik), który przekształca ruch mechaniczny — a konkretnie przyśpieszenie wywołane drganiami lub wstrząsami — na proporcjonalny sygnał elektryczny. Jest to zdecydowanie najczęściej stosowany czujnik w dziedzinach takich jak konserwacja predykcyjna oraz monitorowanie stanu. Mierząc tempo zmiany prędkości punktu na maszynie, akcelerometr dostarcza surowe dane, które pozwalają analitykowi zdiagnozować szeroki zakres usterek mechanicznych i elektrycznych — od wady łożysk Do niewyważenie oraz niewspółosiowość.
W zestawach do wyważania w terenie akcelerometr jest podstawowym czujnikiem: czujnik wibracji Vibromera to przemysłowy akcelerometr dostarczany wraz z przyrządami Balanset.
1. Definicja: Istota pomiaru drgań
Przyspieszenie jest wielkością fizyczną, którą należy mierzyć w maszynach wirujących, ponieważ siły dynamiczne powodujące uszkodzenia maszyn — siła odśrodkowa wynikająca z nierównomiernego rozłożenia masy czy uderzenia spowodowane odpryskiem bieżni łożyska — są proporcjonalne do przyspieszenia. Akcelerometr reaguje bezpośrednio na te siły, dlatego jest kluczowym elementem niemal każdego nowoczesnego urządzenia tego typu, takiego jak analizator drgań oraz kolektor danych.
Jedną z praktycznych zalet akcelerometru jest to, że jego sygnał przyspieszenia może zostać elektronicznie zintegrowany raz, aby dać prędkość (mm/s), a następnie dwukrotnie, aby uzyskać przemieszczenie (µm). Pojedynczy, prawidłowo zamontowany czujnik obejmuje zatem wszystkie trzy klasyczne jednostki drgań, umożliwiając analitykowi wybór tej, która najlepiej ujawnia daną usterkę.
2. Jak działają akcelerometry? Zasada piezoelektryczna
Chociaż istnieje kilka zasad fizycznych, zdecydowana większość akcelerometrów stosowanych w maszynach przemysłowych wykorzystuje zjawisko znane jako efekt piezoelektryczny. Schemat działania jest prosty:
- Kryształ piezoelektryczny: Wewnątrz czujnika znajduje się niewielka masa sejsmiczna przymocowana do elementu typu piezoelektryczny — zazwyczaj materiał ceramiczny, taki jak PZT, lub w czujnikach klasy premium precyzyjnie oszlifowany kryształ kwarcowy.
- Przykładanie siły: Kiedy urządzenie wibruje, obudowa porusza się wraz z nim. Dzięki bezwładności masa wewnętrzna przeciwstawia się temu ruchowi i wywiera siłę na kryształ — zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona równą iloczynowi masy i przyspieszenia.
- Generowanie sygnału: Kryształ piezoelektryczny poddany naprężeniu wytwarza niewielki ładunek elektryczny, który jest wprost proporcjonalny do przyłożonej siły, a tym samym do przyspieszenia.
- Wyjście: Wbudowane układy elektroniczne przetwarzają ten sygnał i przekazują go kablem do rejestratora danych lub systemu monitorującego jako analogowy odczyt przyspieszenia w danym punkcie.
Sposób, w jaki ten ładunek jest przetwarzany (kondycjonowany), pozwala wyróżnić dwie popularne rodziny. Czujnik z wyjściem ładunkowym przekazuje ładunek surowy do zewnętrznego elementu typu wzmacniacz ładunku i jest odporny na bardzo wysokie temperatury. W przemyśle znacznie częściej stosuje się IEPE (lub tryb napięciowy) – w którym wzmacniacz jest wbudowany w czujnik i generuje sygnał o niskiej impedancji, który dobrze przenosi się zwykłym przewodem dwużyłowym. Najbardziej niezawodne konstrukcje wykorzystują wyginanie / ścinanie konstrukcję, która chroni kryształ przed wygięciem podstawy i skokami temperatury.
3. Rodzaje akcelerometrów
Różne zastosowania wymagają różnych czujników, z których każdy ma swoje zalety.
Akcelerometry ogólnego przeznaczenia
To prawdziwe konie robocze w dziedzinie monitoringu przemysłowego. Zazwyczaj oferują one wrażliwość o czułości 100 mV/g oraz zakresie częstotliwości dostosowanym do większości popularnych urządzeń, takich jak pompy, silniki i wentylatory — w przybliżeniu od 2 Hz do 10 kHz.
Akcelerometry MEMS
Akcelerometry z wykorzystaniem mikroelektromechanicznych układów (MEMS) są oparte na krzemie, bardzo małe, energooszczędne i ekonomiczne. Chociaż historycznie były one mniej czułe niż modele piezoelektryczne, współczesne urządzenia MEMS szybko się udoskonalają i są powszechnie stosowane w elektronice przenośnej, systemach motoryzacyjnych, węzłach typu monitoring bezprzewodowy oraz w tańszych instalacjach do monitorowania stanu.
Akcelerometry piezorezystywne
Czujniki te, wykorzystywane do badań udarowych i pomiarów ruchów o niskiej częstotliwości, reagują już od 0 Hz (przyspieszenie stałe), co sprawia, że nadają się do pomiaru stałego przyspieszenia w wirówce lub powolnego ruchu pojazdu.
Akcelerometry o wysokiej częstotliwości
Czujniki te, zaprojektowane z myślą o wykrywaniu zdarzeń o wysokiej częstotliwości, takich jak wczesne uszkodzenia przekładni i łożysk, wykorzystują mniejszą masę sejsmiczną i wyższą częstotliwość rezonansową, co pozwala na dokładny pomiar w zakresie do 20 kHz lub wyższym — czyli w paśmie, w którym techniki takie jak analiza obwiedni i metoda impulsu udarowego na żywo.
4. Najważniejsze parametry techniczne i dobór
Przy wyborze akcelerometru inżynierowie biorą pod uwagę kilka parametrów:
- Czułość (mV/g): Wyższa czułość zapewnia silniejszy sygnał wyjściowy, co pozwala lepiej wykrywać drgania o niskim poziomie; 100 mV/g to powszechnie stosowany standard przemysłowy.
- Pasmo przenoszenia: Zakres, w którym czujnik odczytuje wartości z dużą dokładnością. Musi on obejmować przewidywane częstotliwości usterek urządzenia, z bezpiecznym zapasem poniżej własnej wartości czujnika określanej jako częstotliwość drgań własnych.
- Zakres temperatur: Czujnik musi wytrzymać temperaturę powierzchni, na której jest zamontowany; a czujnik temperatury jest często umieszczany w tym samym miejscu w celu zintegrowanego monitorowania.
- Sposób montażu: Sposób mocowania czujnika — za pomocą kołka, kleju lub magnesu — ma duży wpływ na dokładność pomiarów w zakresie wysokich częstotliwości. Mocowanie za pomocą kołka ISO 5348 zapewnia najlepsze sprzężenie i najszersze pasmo użytkowe; magnes jest wygodny podczas prac w terenie, ale obniża górną granicę częstotliwości. Słaby montaż może spowodować błędny rezonans montażu który udaje awarię urządzenia.
Można oszacować spadek przepustowości spowodowany danym sposobem mocowania za pomocą narzędzia o nazwie Kalkulator rezonansu mocowania akcelerometru zanim zdecydujesz się na konkretny sposób montażu.
5. Zastosowania w monitorowaniu stanu
Akcelerometry stanowią podstawę niemal każdego zadania typu analiza drgań , w tym:
- Programy konserwacji predykcyjnej: gromadzenie rutynowych danych w ramach procedury typu trasa w celu monitorowania stanu maszyn i prognozowania awarii.
- Diagnostyka usterek: wykrywanie niewyważenia, niewspółosiowości, rozluźnienie oraz zużycie łożysk z widmo drgań.
- Testy akceptacyjne: sprawdzanie, czy nowe lub naprawione maszyny spełniają wymagania dotyczące drgań, takie jak ISO 20816 (współczesny odpowiednik normy ISO 10816).
- Analiza modalna: badanie właściwości konstrukcji, takich jak częstotliwości własne oraz postacie drgań .
Wyważanie na miejscu jest jednym z najbardziej wymagających zadań, ponieważ wymaga zarówno amplitudy oraz w faza drgań występujących raz na obrót. Przenośny miernik dwukanałowy, taki jak Balanset-1A wykorzystuje swoje dwa akcelerometry, synchronizuje je z impulsem z czujnika typu tachometr oraz mierzy amplitudę i fazę 1× bezpośrednio w łożyskach samej maszyny przy prędkości roboczej — przekształcając surowy sygnał z akcelerometru na współczynniki wpływu i masy korekcyjne niezbędne do wyważenia wirnika na miejscu.
