Przetworniki: czujniki analizy drgań
W analiza drgań, a przetwornik to urządzenie, które przekształca fizyczny, mechaniczny ruch — wibracja — w proporcjonalny sygnał elektryczny, który kolektor danych lub system monitorowania może przetwarzać, mierzyć i analizować. Przetworniki są podstawowymi czujnikami i pierwszym ogniwem w łańcuchu pomiarowym; bez niezawodnego przetwornika nie jest możliwa żadna znacząca analiza. Wybór odpowiedniego przetwornika jest krytyczną decyzją, która zależy od typu maszyny, jej prędkości pracy i konkretnych monitorowanych usterek - ponieważ każdy typ przetwornika jest naturalnie wrażliwy na inną część obrazu drgań.
1. Łańcuch pomiarowy i trzy parametry
Wibracje można opisać za pomocą dowolnej z trzech powiązanych wielkości, a to, którą z nich mierzy przetwornik, kształtuje jego przewagę. Przemieszczenie dominuje przy niskich częstotliwościach i odzwierciedla duży ruch; prędkość jest najbardziej równomiernym pomiarem w środkowym paśmie, w którym występują najczęstsze usterki; oraz przyśpieszenie kładzie nacisk na zdarzenia o wysokiej częstotliwości, które sygnalizują wczesne uszkodzenie łożyska i przekładni. Te trzy elementy są ze sobą powiązane matematycznie — integracja konwertuje sygnał przyspieszenia na prędkość i ponownie na przemieszczenie — dlatego pojedynczy czujnik może, dzięki elektronice, pełnić kilka ról. Niezależnie od parametru, przetwornik zasila resztę łańcucha: kondycjonowanie sygnału, digitalizację i wreszcie analizator.
2. Trzy główne typy przetworników drgań
Istnieją trzy główne typy przetworników stosowanych w monitorowaniu maszyn przemysłowych. Każdy z nich mierzy inny parametr fizyczny drgań.
Akcelerometr (mierzy przyspieszenie)
The akcelerometr jest zdecydowanie najpopularniejszym i najbardziej wszechstronnym przetwornikiem drgań. Mierzy przyspieszenie konstrukcji, na której jest zamontowany.
- Zasada: większość jednostek przemysłowych to piezoelektryczny, wykorzystując kryształ, który generuje ładunek, gdy jest naprężony przez wewnętrzną masę sejsmiczną.
- Mocne strony: Niezwykle szeroki zakres częstotliwości, duża wytrzymałość, wiele dostępnych konstrukcji i możliwość zastosowania w niemal każdej maszynie. Są one szczególnie doskonałe w wykrywaniu zdarzeń o wysokiej częstotliwości.
- Główne zastosowanie: Monitorowanie maszyn ogólnego przeznaczenia, od maszyn wolnoobrotowych po bardzo szybkie maszyny turbinowe, oraz czujnik do wykrywania usterek o wysokiej częstotliwości, takich jak łożysko oraz wady przekładni.
Przetwornik prędkości (mierzy prędkość)
A przetwornik prędkości to czujnik elektrodynamiczny, który bezpośrednio mierzy prędkość drgań.
- Zasada: Działa jak mikrofon - cewka z drutu jest zawieszona w polu magnetycznym, a gdy obudowa wibruje, względny ruch między cewką a magnesem generuje napięcie proporcjonalne do prędkości.
- Mocne strony: silny sygnał o niskim poziomie szumów w paśmie średnich częstotliwości (około 10 Hz do 1000 Hz), dokładnie tam, gdzie występują typowe usterki, takie jak brak równowagi oraz niewspółosiowość i nie wymaga zewnętrznego zasilania.
- Słabości: bardziej delikatny niż akcelerometr, z ograniczonym zakresem częstotliwości i wrażliwością na pola magnetyczne i orientację montażu. Klasyczna konstrukcja samogenerującej się cewki i magnesu, czyli welometr - został w dużej mierze zastąpiony przez akcelerometry z integracją elektroniczną.
- Główne zastosowanie: W przeszłości, zanim solidne akcelerometry stały się powszechne, był podstawowym narzędziem do ogólnego monitorowania i nadal czasami jest wybierany do stałych instalacji w zakresie średnich częstotliwości.
Sonda zbliżeniowa (mierzy przemieszczenie)
The sonda zbliżeniowa, lub sonda prądów wirowych, jest bezdotykowym przetwornikiem, który mierzy przemieszczenie obracającego się wału.
- Zasada: Wykorzystuje pole elektromagnetyczne do indukowania i pomiaru prądów wirowych na powierzchni wału, wykrywając szczelinę między końcówką sondy a wałem.
- Mocne strony: mierzy rzeczywisty ruch samego wału, a nie obudowy, jest bezkontaktowy, a jego odpowiedź sięga do 0 Hz (DC), więc rejestruje średnią pozycję wału, a także jego wibracje.
- Główne zastosowanie: Niezbędne do ochrony i monitorowania krytycznych, szybkich maszyn turbinowych na warstwie płynu łożyska ślizgowe - turbin i sprężarek - oraz do analizy orbita wału oraz pozycja linii środkowej.
3. Wybór odpowiedniego przetwornika
Wybór przetwornika jest krytycznym krokiem w konfiguracji każdego programu monitorowania. Ogólną zasadą jest wybór czujnika, który jest najbardziej czuły w zakresie częstotliwości oczekiwanych usterek:
- Użycie sondy zbliżeniowe do ruchu wału w maszynach z łożyskami ślizgowymi, w których wał może się znacznie poruszać wewnątrz stosunkowo nieruchomej obudowy.
- Użycie akcelerometry Do wszystkiego innego, ponieważ są najbardziej wszechstronne. Sygnał można zintegrować z prędkością w celu analizy błędów o średniej częstotliwości lub wykorzystać bezpośrednio jako przyspieszenie w przypadku błędów o wysokiej częstotliwości.
Wybór dopełniają dwa praktyczne czynniki. Przetwornik wrażliwość musi pasować do oczekiwanej amplitudy drgań - zbyt mała i małe usterki giną w szumie, zbyt duża i silne sygnały ulegają przesterowaniu - a jego użyteczny częstotliwości zakres musi obejmować interesujące nas częstotliwości usterek. Czujniki piezoelektryczne z wyjściem ładunkowym dodatkowo wymagają dopasowanego wzmacniacz ładunku w łańcuchu.
4. Przetworniki w wyważaniu i diagnostyce w terenie
W przenośnym urządzeniu przetwornik jest elementem, od którego zależy cała reszta. Dwukanałowy analizator pola, taki jak Balans-1a zazwyczaj łączy dwa akcelerometry IEPE z tachometrem optycznym dla odniesienia fazowego, rejestrując zsynchronizowaną amplitudę i fazę na każdym łożysku, podczas gdy maszyna pracuje we własnych podporach z prędkością roboczą. Ten oparty na akcelerometrach łańcuch pozwala urządzeniu obliczać masy korekcyjne dla wyważania jedno- i dwupłaszczyznowego oraz wykonywać rutynowe czynności. monitorowanie drgań - Wyraźna ilustracja ogólnej zasady, że akcelerometr jest domyślnym przetwornikiem dla zdecydowanej większości prac związanych z maszynami wirującymi, z sondą zbliżeniową i przetwornik sejsmiczny zarezerwowane dla przypadków, w których ich fizyka najlepiej pasuje.
