4. Systemy pomiarowe dla wyważarek
Większość amatorskich producentów wyważarek, którzy kontaktują się z LLC "Kinematics", planuje wykorzystać w swoich projektach systemy pomiarowe serii "Balanset" produkowane przez naszą firmę. Są jednak również klienci, którzy planują samodzielną produkcję takich systemów pomiarowych. Dlatego warto omówić bardziej szczegółowo budowę systemu pomiarowego dla wyważarki. Głównym wymaganiem dla tych systemów jest potrzeba zapewnienia bardzo precyzyjnych pomiarów amplitudy i fazy składowej obrotowej sygnału wibracyjnego, który pojawia się przy częstotliwości obrotowej wyważanego wirnika. Cel ten jest zwykle osiągany poprzez zastosowanie kombinacji rozwiązań technicznych, w tym:
4.1. Wybór czujników drgań
W systemach pomiarowych wyważarek mogą być stosowane różne typy czujników drgań (przetworników), w tym:
4.1.1. Czujniki przyspieszenia drgań
Wśród czujników przyspieszenia drgań najczęściej stosowane są akcelerometry piezoelektryczne i pojemnościowe (chipowe), które mogą być efektywnie wykorzystywane w wyważarkach typu Soft Bearing. W praktyce generalnie dopuszczalne jest stosowanie czujników przyspieszenia drgań o współczynnikach konwersji (Kpr) w zakresie od 10 do 30 mV/(m/s²). W wyważarkach, które wymagają szczególnie wysokiej dokładności wyważania, zaleca się stosowanie akcelerometrów o Kpr osiągających poziomy 100 mV/(m/s²) i wyższe. Jako przykład akcelerometrów piezoelektrycznych, które mogą być stosowane jako czujniki drgań w wyważarkach, na rysunku 4.1 przedstawiono akcelerometry piezoelektryczne DN3M1 i DN3M1V6 produkowane przez LLC "Izmeritel".
Rysunek 4.1. Akcelerometry piezoelektryczne DN 3M1 i DN 3M1V6
Aby podłączyć takie czujniki do przyrządów i systemów pomiaru drgań, konieczne jest użycie zewnętrznych lub wbudowanych wzmacniaczy ładunku.
Rysunek 4.2. Akcelerometry pojemnościowe AD1 produkowane przez LLC "Kinematics"
Należy zauważyć, że czujniki te, w tym szeroko stosowane na rynku płyty akcelerometrów pojemnościowych ADXL 345 (patrz rysunek 4.3), mają kilka istotnych zalet w porównaniu z akcelerometrami piezoelektrycznymi. W szczególności są one od 4 do 8 razy tańsze przy podobnych parametrach technicznych. Co więcej, nie wymagają stosowania kosztownych i skomplikowanych wzmacniaczy ładunku, które są niezbędne w przypadku akcelerometrów piezoelektrycznych.
W przypadkach, w których oba typy akcelerometrów są używane w systemach pomiarowych wyważarek, zwykle wykonywana jest sprzętowa integracja (lub podwójna integracja) sygnałów czujników.
Rysunek 4.2. Akcelerometry pojemnościowe AD 1, zmontowane.
Rysunek 4.3. Płytka akcelerometru pojemnościowego ADXL 345.
W tym przypadku początkowy sygnał czujnika, proporcjonalny do przyspieszenia drgań, jest odpowiednio przekształcany w sygnał proporcjonalny do prędkości drgań lub przemieszczenia. Procedura podwójnego całkowania sygnału drgań jest szczególnie istotna w przypadku stosowania akcelerometrów jako części systemów pomiarowych wyważarek wolnoobrotowych, w których dolny zakres częstotliwości obrotów wirnika podczas wyważania może osiągnąć 120 obr. W przypadku stosowania akcelerometrów pojemnościowych w systemach pomiarowych wyważarek, należy wziąć pod uwagę, że po integracji ich sygnały mogą zawierać zakłócenia o niskiej częstotliwości, objawiające się w zakresie częstotliwości od 0,5 do 3 Hz. Może to ograniczać dolny zakres częstotliwości wyważania w maszynach przeznaczonych do korzystania z tych czujników.
4.1.2. Czujniki prędkości drgań 4.1.2.1. Indukcyjne czujniki prędkości drgań. Czujniki te zawierają cewkę indukcyjną i rdzeń magnetyczny. Gdy cewka wibruje względem nieruchomego rdzenia (lub rdzeń względem nieruchomej cewki), w cewce indukuje się pole elektromagnetyczne, którego napięcie jest wprost proporcjonalne do prędkości wibracji ruchomego elementu czujnika. Współczynniki konwersji (Кпр) czujników indukcyjnych są zwykle dość wysokie, osiągając kilkadziesiąt lub nawet kilkaset mV/mm/sek. W szczególności współczynnik konwersji czujnika Schenck model T77 wynosi 80 mV/mm/s, a dla czujnika IRD Mechanalysis model 544M wynosi 40 mV/mm/s. W niektórych przypadkach (na przykład w wyważarkach Schenck) stosowane są specjalne bardzo czułe indukcyjne czujniki prędkości drgań ze wzmacniaczem mechanicznym, gdzie Кпр może przekraczać 1000 mV/mm/s. Jeśli indukcyjne czujniki prędkości drgań są stosowane w systemach pomiarowych wyważarek, można również przeprowadzić sprzętową integrację sygnału elektrycznego proporcjonalnego do prędkości drgań, przekształcając go w sygnał proporcjonalny do przemieszczenia drgań.
Rysunek 4.4. Czujnik Model 544M firmy IRD Mechanalysis.
Rysunek 4.5. Czujnik model T77 firmy Schenck Należy zauważyć, że ze względu na pracochłonność ich produkcji, indukcyjne czujniki prędkości drgań są dość rzadkimi i drogimi przedmiotami. Dlatego też, pomimo oczywistych zalet tych czujników, amatorscy producenci wyważarek stosują je bardzo rzadko.
4.1.2.2. Czujniki prędkości drgań oparte na akcelerometrach piezoelektrycznych. Czujnik tego typu różni się od standardowego akcelerometru piezoelektrycznego tym, że ma wbudowany wzmacniacz ładunku i integrator w swojej obudowie, co pozwala mu na wyprowadzenie sygnału proporcjonalnego do prędkości drgań. Przykładowe piezoelektryczne czujniki prędkości drgań produkowane przez krajowych producentów (firmy ZETLAB i LLC "Vibropribor") pokazano na rysunkach 4.6 i 4.7.
Rysunek 4.6. Model czujnika AV02 firmy ZETLAB (Rosja)
Rysunek 4.7. Model czujnika DVST 2 firmy LLC "Vibropribor" Takie czujniki są produkowane przez różnych producentów (zarówno krajowych, jak i zagranicznych) i są obecnie szeroko stosowane, zwłaszcza w przenośnym sprzęcie wibracyjnym. Koszt tych czujników jest dość wysoki i może osiągnąć od 20 000 do 30 000 rubli za sztukę, nawet od krajowych producentów.
4.1.3. Czujniki przemieszczenia W systemach pomiarowych wyważarek można również stosować bezdotykowe czujniki przemieszczenia - pojemnościowe lub indukcyjne. Czujniki te mogą pracować w trybie statycznym, umożliwiając rejestrację procesów wibracyjnych począwszy od 0 Hz. Ich zastosowanie może być szczególnie skuteczne w przypadku wyważania wirników niskoobrotowych o prędkości obrotowej 120 obr. Współczynniki konwersji tych czujników mogą osiągać 1000 mV/mm i więcej, co zapewnia wysoką dokładność i rozdzielczość pomiaru przemieszczenia, nawet bez dodatkowego wzmocnienia. Oczywistą zaletą tych czujników jest ich stosunkowo niski koszt, który w przypadku niektórych krajowych producentów nie przekracza 1000 rubli. Podczas korzystania z tych czujników w wyważarkach należy wziąć pod uwagę, że nominalna szczelina robocza między czułym elementem czujnika a powierzchnią wibrującego obiektu jest ograniczona średnicą cewki czujnika. Na przykład dla czujnika pokazanego na rysunku 4.8, model ISAN E41A firmy "TEKO", określona szczelina robocza wynosi zwykle od 3,8 do 4 mm, co pozwala na pomiar przemieszczenia wibrującego obiektu w zakresie ±2,5 mm.
Rysunek 4.8. Indukcyjny czujnik przemieszczenia model ISAN E41A firmy TEKO (Rosja)
4.1.4. Czujniki siły Jak wcześniej wspomniano, czujniki siły są wykorzystywane w systemach pomiarowych zainstalowanych na wyważarkach do łożysk twardych. Czujniki te, szczególnie ze względu na ich prostotę produkcji i stosunkowo niski koszt, są zwykle piezoelektrycznymi czujnikami siły. Przykłady takich czujników pokazano na rysunkach 4.9 i 4.10.
Rysunek 4.9. Czujnik siły SD 1 firmy Kinematika LLC
Rysunek 4.10: Czujnik siły dla wyważarek samochodowych, sprzedawany przez "STO Market" Tensometryczne czujniki siły, które są produkowane przez szeroką gamę producentów krajowych i zagranicznych, mogą być również wykorzystywane do pomiaru względnych odkształceń w podporach wyważarek do łożysk twardych.
4.2. Czujniki kąta fazowego Do synchronizacji procesu pomiaru drgań z kątem obrotu wyważonego wirnika stosuje się czujniki kąta fazowego, takie jak czujniki laserowe (fotoelektryczne) lub indukcyjne. Czujniki te są produkowane w różnych wersjach zarówno przez producentów krajowych, jak i międzynarodowych. Zakres cen tych czujników może się znacznie różnić, od około 40 do 200 dolarów. Przykładem takiego urządzenia jest czujnik kąta fazowego produkowany przez firmę "Diamex", pokazany na rysunku 4.11.
Rysunek 4.11: Czujnik kąta fazowego firmy "Diamex"
Jako inny przykład, rysunek 4.12 przedstawia model zaimplementowany przez LLC "Kinematics", który wykorzystuje tachometry laserowe modelu DT 2234C wyprodukowane w Chinach jako czujniki kąta fazowego. Oczywiste zalety tego czujnika obejmują:
Rysunek 4.12: Tachometr laserowy model DT 2234C
W niektórych przypadkach, gdy użycie optycznych czujników laserowych jest niepożądane z jakiegokolwiek powodu, można je zastąpić indukcyjnymi bezkontaktowymi czujnikami przemieszczenia, takimi jak wspomniany wcześniej model ISAN E41A lub podobne produkty innych producentów.
4.3. Funkcje przetwarzania sygnału w czujnikach drgań Do precyzyjnego pomiaru amplitudy i fazy składowej obrotowej sygnału drgań w urządzeniach wyważających zwykle stosuje się kombinację narzędzi sprzętowych i programowych. Narzędzia te umożliwiają:
4.3.1. Filtrowanie sygnału szerokopasmowego Procedura ta jest niezbędna do oczyszczenia sygnału czujnika drgań z potencjalnych zakłóceń, które mogą wystąpić zarówno w dolnej, jak i górnej granicy zakresu częstotliwości urządzenia. Zaleca się, aby urządzenie pomiarowe wyważarki ustawiało dolną granicę filtra pasmowo-przepustowego na 2-3 Hz, a górną granicę na 50 (100) Hz. Filtrowanie "dolne" pomaga tłumić szumy o niskiej częstotliwości, które mogą pojawiać się na wyjściu różnych typów wzmacniaczy pomiarowych czujników. Filtrowanie "górne" eliminuje możliwość zakłóceń spowodowanych częstotliwościami kombinowanymi i potencjalnymi wibracjami rezonansowymi poszczególnych elementów mechanicznych maszyny.
4.3.2. Wzmocnienie sygnału analogowego z czujnika Jeśli istnieje potrzeba zwiększenia czułości systemu pomiarowego wyważarki, sygnały z czujników drgań do wejścia jednostki pomiarowej mogą zostać wzmocnione. Stosowane mogą być zarówno standardowe wzmacniacze o stałym wzmocnieniu, jak i wzmacniacze wielostopniowe, których wzmocnienie może być programowo zmieniane w zależności od rzeczywistego poziomu sygnału z czujnika. Przykładem programowalnego wzmacniacza wielostopniowego są wzmacniacze zaimplementowane w przetwornikach pomiarowych napięcia, takich jak E154 lub E14-140 firmy LLC "L-Card".
4.3.3. Integracja Jak wspomniano wcześniej, w systemach pomiarowych wyważarek zalecana jest sprzętowa integracja i/lub podwójna integracja sygnałów czujników drgań. Tak więc, początkowy sygnał akcelerometru, proporcjonalny do przyspieszenia drgań, może być przekształcony w sygnał proporcjonalny do prędkości drgań (całkowanie) lub przemieszczenia drgań (podwójne całkowanie). Podobnie, sygnał z czujnika prędkości drgań po całkowaniu można przekształcić w sygnał proporcjonalny do przemieszczenia drgań.
4.3.4. Filtrowanie wąskopasmowe sygnału analogowego przy użyciu filtra śledzącego Aby zredukować zakłócenia i poprawić jakość przetwarzania sygnału drgań w systemach pomiarowych wyważarek, można zastosować wąskopasmowe filtry śledzące. Częstotliwość centralna tych filtrów jest automatycznie dostrajana do częstotliwości obrotowej wyważanego wirnika za pomocą sygnału czujnika obrotów wirnika. Nowoczesne układy scalone, takie jak MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 firmy "MAXIM", mogą być używane do tworzenia takich filtrów.
4.3.5. Konwersja analogowo-cyfrowa sygnałów Konwersja analogowo-cyfrowa jest kluczową procedurą, która zapewnia możliwość poprawy jakości przetwarzania sygnału drgań podczas pomiaru amplitudy i fazy. Procedura ta realizowana jest we wszystkich nowoczesnych systemach pomiarowych wyważarek. Przykładem skutecznej implementacji takich przetworników ADC są przetworniki pomiarowe napięcia typu E154 lub E14-140 firmy LLC "L-Card", stosowane w kilku systemach pomiarowych wyważarek produkowanych przez LLC "Kinematics". Dodatkowo, LLC "Kinematics" posiada doświadczenie w stosowaniu tańszych systemów mikroprocesorowych opartych na kontrolerach "Arduino", mikrokontrolerze PIC18F4620 firmy "Microchip" i podobnych urządzeniach.
Autor artykułu : Feldman Valery Davidovich
Redakcja i tłumaczenie: Nikołaj Andriejewicz Szelkowenko
Przepraszam za możliwe błędy w tłumaczeniu.