Czym jest akcelerometr? Przewodnik po analizie drgań
Jakiś akcelerometr jest transduktor (lub czujnik), który przekształca ruch mechaniczny — a konkretnie przyśpieszenie wywołane drganiami lub wstrząsami — na proporcjonalny sygnał elektryczny. Jest to zdecydowanie najczęściej stosowany czujnik w 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 brak równowagi oraz niewspółosiowość.
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 stanowi podstawowy element niemal każdej nowoczesnej analizator drgań oraz kolektor danych.
Jedną z praktycznych zalet akcelerometru jest to, że jego sygnał przyspieszenia można przetwarzać elektronicznie zintegrowany once to give 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 opiera się na efekt piezoelektryczny. Schemat działania jest prosty:
- Kryształ piezoelektryczny: Wewnątrz czujnika znajduje się niewielka masa sejsmiczna przymocowana do piezoelektryczny element — 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 uwarunkowany, pozwala wyróżnić dwie popularne rodziny. A charge-output czujnik przekazuje ładunek surowy do zewnętrznego wzmacniacz ładunku i jest odporny na bardzo wysokie temperatury. W przemyśle znacznie częściej stosuje się IEPE (or voltage-mode) – w którym wzmacniacz jest wbudowany w czujnik i generuje sygnał o niskiej impedancji, który dobrze przenosi się zwykłym przewodem dwużyłowym. Najbardziej niezawodne konstrukcje wykorzystują shear konstrukcja, 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, monitoring bezprzewodowy węzły oraz tańsze instalacje 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 live.
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 przewidywany częstotliwości usterek urządzenia, z bezpiecznym zapasem poniżej częstotliwości drgań własnych czujnika 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. Słabe montowanie może spowodować błędny rezonans montażu która udaje awarię urządzenia.
Można oszacować spadek przepustowości spowodowany danym sposobem mocowania za pomocą Kalkulator rezonansu mocowania akcelerometru zanim zdecydujesz się na konkretny sposób montażu.
5. Zastosowania w monitorowaniu stanu
Akcelerometry stanowią podstawę niemal każdego analiza drgań zadania, w tym:
- Programy konserwacji predykcyjnej: gromadzenie rutynowych danych dotyczących trasa w celu monitorowania stanu maszyn i prognozowania awarii.
- Diagnostyka błędów: wykrywanie niewyważenia, niewspółosiowości, rozluźnienie oraz zużycie łożysk from the 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: studying the częstotliwości własne oraz postacie drgań konstrukcji.
Wyrównywanie 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 Balans-1a wykorzystuje swoje dwa akcelerometry, przytwierdza je do tachometr impulsu 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.
