Zrozumienie przetworników sejsmicznych

Urządzenia

Przenośna wyważarka i analizator drgań Balanset-1A

€1,975.00 + VAT (jeśli dotyczy)

Części

Czujnik wibracji

€90.00 + VAT (jeśli dotyczy)

Części

Czujnik optyczny (tachometr laserowy)

€124.00 + VAT (jeśli dotyczy)

Urządzenia

Balanset-4

€6,803.00 + VAT (jeśli dotyczy)

Części

Stojak magnetyczny Insize-60-kgf

€46.00 + VAT (jeśli dotyczy)

Części

Taśma odblaskowa

€10.00 + VAT (jeśli dotyczy)

Urządzenia

Balanser dynamiczny "Balanset-1A" OEM

€1,735.00 + VAT (jeśli dotyczy)

A przetwornik sejsmiczny — zwany również czujnikiem sejsmicznym lub przetwornikiem inercyjnym — to wibracja czujnik wykorzystujący wewnętrzną masę sejsmiczną (tzw. „masę wzorcową”) zawieszoną na sprężynach lub elastycznych elementach jako punkt odniesienia bezwładnościowego, co pozwala mu mierzyć bezwzględny ruch podstawy czujnika. Gdy obudowa wibruje, zawieszona masa dąży do utrzymania stałego położenia w przestrzeni (pod warunkiem, że częstotliwość jest wyższa od częstotliwości drgań układu masa-sprężyna częstotliwość własna), a ruch względny między poruszającą się obudową a niemal nieruchomą masą jest przekształcany w sygnał elektryczny odzwierciedlający drgania. Cechą charakterystyczną jest to, że punkt odniesienia jest przenoszony inside czujnika, więc nie jest wymagany żaden stały punkt odniesienia na zewnątrz.

Nazwa „sejsmiczny” wywodzi się z techniki pomiarowej stosowanej przy trzęsieniach ziemi: zawieszona masa sejsmometru pozostaje względnie nieruchoma, podczas gdy podłoże pod nią ulega drganiom. W monitorowaniu maszyn zarówno przetworniki prędkości oraz akcelerometry są w tym sensie przetwornikami sejsmicznymi, choć termin ten najczęściej kojarzy się z klasycznym czujnikiem prędkości.

1. Zasada działania

Układ masa-sprężyna-tłumik

Każdy przetwornik sejsmiczny jest w gruncie rzeczy niewielkim oscylatorem mechanicznym, składającym się z czterech elementów funkcjonalnych:

• Seismic mass: skalibrowany ciężarek wzorcowy zawieszony wewnątrz obudowy czujnika.
• Wiosna: sprężyny mechaniczne lub cienkie elementy giętkie podtrzymujące masę.
• Tłumienie: tłumienie powietrzne, magnetyczne (prądów wirowych) lub hydrauliczne, które pozwala opanować rezonans.
• Transdukcja: element, który przekształca względny ruch między masą a obudową w napięcie.

Obszary odpowiedzi częstotliwościowej

Zachowanie czujnika zależy całkowicie od tego, gdzie częstotliwość wzbudzająca znajduje się względem jego częstotliwości drgań własnych:

• Poniżej częstotliwości drgań własnych: masa i obudowa poruszają się razem, więc ruch względny jest niewielki, a reakcja słaba.
• Przy częstotliwości drgań własnych: system rezonuje — sygnał wyjściowy jest wzmocniony, ale zniekształcony i zawodny.
• Powyżej częstotliwości drgań własnych: masa pozostaje praktycznie w miejscu, podczas gdy obudowa wibruje wokół niej. To jest obszar, w którym pomiary są wiarygodne.
• Usable range: wartość tę przyjmuje się zazwyczaj jako ponad dwukrotność częstotliwości drgań własnych, przy której charakterystyka ustabilizowała się i jest płaska.

2. Rodzaje przetworników sejsmicznych

Przetworniki prędkości (cewki ruchome)

• Magnes jest zawieszony na sprężynach wewnątrz nieruchomej cewki (lub odwrotnie).
• Prędkość względna między magnesem a cewką powoduje powstanie napięcia w wyniku indukcji elektromagnetycznej.
• Częstotliwość drgań własnych wynosi zazwyczaj 8–15 Hz.
• Można stosować w zakresie częstotliwości około 16–30 Hz.
• Mierzy prędkość bezpośrednio, bez konieczności całkowania sygnału.

Akcelerometry

• Piezoelektryczny Modele te wykorzystują kryształ piezoelektryczny do wykrywania siły bezwładnościowej masy.
• W czujnikach typu MEMS wykorzystuje się wykrywanie pojemnościowe lub piezorezystancyjne w mikroobrabianym elemencie.
• Znacznie wyższa częstotliwość drgań własnych, zazwyczaj 10–30 kHz.
• Można stosować od około 1 Hz w górę.
• Mierzy przyspieszenie, które można zintegrować z prędkością lub przemieszczeniem.

3. Czujniki sejsmiczne a czujniki niesejsmiczne

Rodzinę czujników sejsmicznych najlepiej zrozumieć poprzez porównanie z czujnikami, które wykorzystują zewnętrzny punkt odniesienia.

Czujniki sejsmiczne (odniesienie bezwładnościowe)

• Akcelerometry i przetworniki prędkości.
• Zmierz ruch bezwzględny w układzie inercjalnym.
• Zamontować bezpośrednio na konstrukcji poddanej drganiom.
• Jako punkt odniesienia należy przyjąć ich własną masę własną.
• Najczęściej wybierane rozwiązanie do monitorowania maszyn.

Czujniki niesejsmiczne (odniesienie zewnętrzne)

• Sondy zbliżeniowe (czujniki prądów wirowych).
• Zmierz ruch względny między dwiema powierzchniami.
• Potrzebny jest stały punkt odniesienia, z którego można obserwować.
• Zazwyczaj mierzy się przemieszczenie wału względem łożyska.
• Norma dotycząca pomiaru drgań wałów w maszynach z łożyska ślizgowe.

4. Zalety projektowania sejsmicznego

Samodzielne odniesienie

• Nie jest potrzebny żaden zewnętrzny układ odniesienia.
• Czujnik można zamontować praktycznie w dowolnym miejscu na konstrukcji poddanej drganiom.
• Odzwierciedla rzeczywisty ruch bezwzględny w układzie inercjalnym.

Wszechstronność

• Jeden typ czujnika ma szerokie zastosowanie.
• Nadaje się zarówno do pomiarów tymczasowych, jak i stałych instalacji.
• Można go łatwo przenosić z jednego urządzenia na drugie.

Właśnie ta wszechstronność sprawia, że wykorzystuje się je w urządzeniach przenośnych. Dwukanałowy Balans-1a… na przykład pobiera dane z akcelerometrów przymocowanych do obudów łożysk — są to czujniki sejsmiczne z wewnętrznym układem odniesienia, które nie wymagają stałego punktu odniesienia, dzięki czemu inżynier może szybko przemieszczać się między punktami pomiarowymi a maszynami, wykonując prace na wysokości.

5. Ograniczenia

Ograniczenia odpowiedzi częstotliwościowej

• Nie można uzyskać wiarygodnych pomiarów poniżej wartości wynoszącej mniej więcej dwukrotność częstotliwości drgań własnych.
• W szczególności przetworniki prędkości z ruchomą cewką wykazują słabą czułość poniżej 15–20 Hz.
• Istnieje tu nieunikniony kompromis: niższa częstotliwość drgań własnych zapewnia lepsze odwzorowanie niskich częstotliwości, ale wymaga zastosowania większego i cięższej matrycy.

Środki dotyczące ruchu mieszkaniowego

• Czujnik rejestruje ruch obudowy łożyska, a nie bezpośrednio wału.
• Drgania obudowy to nie to samo, co drgania wału — są one tłumione przez sztywność łożysk i otaczającą konstrukcję.
• W sytuacjach, w których istotna jest rzeczywista orbita wału, konieczne jest zastosowanie czujników zbliżeniowych.

6. Applications

Monitorowanie stanu maszyn

• Pomiary drgań obudowy łożyska.
• Ogólne tendencje dotyczące drgań.
• Bearing-defect detection.
• Ogólna diagnostyka maszyn wirujących.

Wibracje strukturalne

• Badania drgań budynków i fundamentów.
• Monitorowanie sejsmiczne trzęsień ziemi.
• Wibracje przenoszone przez podłoże, wytwarzane przez maszyny.

Analiza modalna

• Pomiar reakcji konstrukcji na skalibrowane uderzenie.
• Determining częstotliwości własne oraz kształty modów.
• Building the funkcje odpowiedzi częstotliwościowej używany w analiza modalna.

Przetworniki sejsmiczne, wykorzystujące wewnętrzną masę zawieszoną jako punkt odniesienia bezwładnościowego, stanowią podstawę pomiarów drgań w maszynach wirujących. Zrozumienie zasady działania przetworników sejsmicznych – tego, w jaki sposób masa zawieszona umożliwia pomiar ruchu bezwzględnego oraz dlaczego pomiar ten jest miarodajny jedynie powyżej częstotliwości drgań własnych czujnika – pozwala wyjaśnić zarówno zalety, jak i ograniczenia akcelerometrów i przetworników prędkości, które stanowią podstawowe narzędzia każdego przemysłowego programu analizy drgań.

---

← Powrót do indeksu głównego