4. Sistemas de medição para máquinas de balanceamento
A maioria dos fabricantes amadores de máquinas de balanceamento, que entram em contato com a LLC "Kinematics", planeja usar os sistemas de medição da série "Balanset" fabricados por nossa empresa em seus projetos. No entanto, há também alguns clientes que planejam fabricar esses sistemas de medição de forma independente. Portanto, faz sentido discutir mais detalhadamente a construção de um sistema de medição para uma máquina de balancear. O principal requisito para esses sistemas é a necessidade de fornecer medições de alta precisão da amplitude e da fase do componente rotacional do sinal vibratório, que aparece na frequência de rotação do rotor balanceado. Esse objetivo geralmente é alcançado com o uso de uma combinação de soluções técnicas, incluindo:
4.1. Seleção de sensores de vibração
Nos sistemas de medição de máquinas de balanceamento, vários tipos de sensores de vibração (transdutores) podem ser usados, incluindo:
4.1.1. Sensores de aceleração de vibração
Entre os sensores de aceleração de vibração, os acelerômetros piezoelétricos e capacitivos (chip) são os mais usados, que podem ser efetivamente utilizados em máquinas de balanceamento do tipo Soft Bearing. Na prática, geralmente é permitido usar sensores de aceleração de vibração com coeficientes de conversão (Kpr) que variam de 10 a 30 mV/(m/s²). Em máquinas de balancear que exigem precisão de balanceamento particularmente alta, é recomendável usar acelerômetros com Kpr que atinjam níveis de 100 mV/(m/s²) ou mais. Como exemplo de acelerômetros piezoelétricos que podem ser usados como sensores de vibração para máquinas de balancear, a Figura 4.1 mostra os acelerômetros piezoelétricos DN3M1 e DN3M1V6 fabricados pela LLC "Izmeritel".
Figura 4.1. Acelerômetros piezoelétricos DN 3M1 e DN 3M1V6
Para conectar esses sensores a instrumentos e sistemas de medição de vibração, é necessário usar amplificadores de carga externos ou integrados.
Figura 4.2. Acelerômetros capacitivos AD1 fabricados pela LLC "Kinematics"
Deve-se observar que esses sensores, que incluem placas de mercado amplamente utilizadas de acelerômetros capacitivos ADXL 345 (ver Figura 4.3), têm várias vantagens significativas em relação aos acelerômetros piezoelétricos. Especificamente, eles são de 4 a 8 vezes mais baratos com características técnicas semelhantes. Além disso, eles não requerem o uso de amplificadores de carga caros e complicados, necessários para os acelerômetros piezoelétricos.
Nos casos em que ambos os tipos de acelerômetros são usados nos sistemas de medição de máquinas de balanceamento, geralmente é realizada a integração de hardware (ou integração dupla) dos sinais do sensor.
Figura 4.2. Acelerômetros capacitivos AD 1, montados.
Figura 4.3. Placa do acelerômetro capacitivo ADXL 345.
Nesse caso, o sinal inicial do sensor, proporcional à aceleração da vibração, é transformado em um sinal proporcional à velocidade ou ao deslocamento da vibração. O procedimento de dupla integração do sinal de vibração é particularmente relevante quando se utilizam acelerômetros como parte dos sistemas de medição de máquinas de balancear de baixa velocidade, em que a faixa de frequência de rotação inferior do rotor durante o balanceamento pode chegar a 120 rpm ou menos. Ao utilizar acelerômetros capacitivos nos sistemas de medição de máquinas de balancear, deve-se considerar que, após a integração, seus sinais podem conter interferência de baixa frequência, manifestando-se na faixa de frequência de 0,5 a 3 Hz. Isso pode limitar a faixa de frequência mais baixa de balanceamento em máquinas destinadas a usar esses sensores.
4.1.2. Sensores de velocidade de vibração 4.1.2.1. Sensores indutivos de velocidade de vibração. Esses sensores incluem uma bobina indutiva e um núcleo magnético. Quando a bobina vibra em relação a um núcleo estacionário (ou o núcleo em relação a uma bobina estacionária), um EMF é induzido na bobina, cuja tensão é diretamente proporcional à velocidade de vibração do elemento móvel do sensor. Os coeficientes de conversão (Кпр) dos sensores indutivos geralmente são bastante altos, chegando a várias dezenas ou até centenas de mV/mm/seg. Em particular, o coeficiente de conversão do sensor Schenck modelo T77 é de 80 mV/mm/seg, e o do sensor IRD Mechanalysis modelo 544M é de 40 mV/mm/seg. Em alguns casos (por exemplo, em máquinas de balanceamento Schenck), são usados sensores de velocidade de vibração indutivos especiais altamente sensíveis com um amplificador mecânico, em que Кпр pode exceder 1000 mV/mm/seg. Se os sensores indutivos de velocidade de vibração forem usados nos sistemas de medição das máquinas de balanceamento, a integração de hardware do sinal elétrico proporcional à velocidade de vibração também poderá ser realizada, convertendo-o em um sinal proporcional ao deslocamento da vibração.
Figura 4.4. Sensor modelo 544M da IRD Mechanalysis.
Figura 4.5. Sensor modelo T77 da Schenck Deve-se observar que, devido à intensidade do trabalho de sua produção, os sensores indutivos de velocidade de vibração são itens bastante escassos e caros. Portanto, apesar das vantagens óbvias desses sensores, os fabricantes amadores de máquinas de balanceamento os utilizam muito raramente.
4.1.2.2. Sensores de velocidade de vibração baseados em acelerômetros piezoelétricos. Um sensor desse tipo difere de um acelerômetro piezoelétrico padrão por ter um amplificador de carga e um integrador embutidos em seu invólucro, o que lhe permite emitir um sinal proporcional à velocidade de vibração. Por exemplo, os sensores piezoelétricos de velocidade de vibração fabricados por produtores nacionais (empresa ZETLAB e LLC "Vibropribor") são mostrados nas Figuras 4.6 e 4.7.
Figura 4.6. Sensor modelo AV02 da ZETLAB (Rússia)
Figura 4.7. Sensor modelo DVST 2 da LLC "Vibropribor" Esses sensores são fabricados por vários produtores (nacionais e estrangeiros) e atualmente são amplamente utilizados, especialmente em equipamentos portáteis de vibração. O custo desses sensores é bastante alto e pode chegar a 20.000 a 30.000 rublos cada, mesmo de fabricantes nacionais.
4.1.3. Sensores de deslocamento Nos sistemas de medição de máquinas de balanceamento, sensores de deslocamento sem contato - capacitivos ou indutivos - também podem ser usados. Esses sensores podem operar em modo estático, permitindo o registro de processos vibracionais a partir de 0 Hz. Seu uso pode ser particularmente eficaz no caso do balanceamento de rotores de baixa velocidade com velocidades de rotação de 120 rpm ou menos. Os coeficientes de conversão desses sensores podem atingir 1000 mV/mm ou mais, o que proporciona alta precisão e resolução na medição do deslocamento, mesmo sem amplificação adicional. Uma vantagem óbvia desses sensores é seu custo relativamente baixo, que, para alguns fabricantes nacionais, não ultrapassa 1.000 rublos. Ao usar esses sensores em máquinas de balanceamento, é importante considerar que o espaço nominal de trabalho entre o elemento sensível do sensor e a superfície do objeto vibratório é limitado pelo diâmetro da bobina do sensor. Por exemplo, para o sensor mostrado na Figura 4.8, modelo ISAN E41A da "TEKO", a folga de trabalho especificada é normalmente de 3,8 a 4 mm, o que permite a medição do deslocamento do objeto vibratório na faixa de ±2,5 mm.
Figura 4.8. Sensor de deslocamento indutivo modelo ISAN E41A da TEKO (Rússia)
4.1.4. Sensores de força Conforme observado anteriormente, os sensores de força são usados nos sistemas de medição instalados nas máquinas de balanceamento de rolamentos rígidos. Esses sensores, principalmente devido à simplicidade de fabricação e ao custo relativamente baixo, são geralmente sensores de força piezoelétricos. Exemplos desses sensores são mostrados nas Figuras 4.9 e 4.10.
Figura 4.9. Sensor de força SD 1 da Kinematika LLC
Figura 4.10: Sensor de força para máquinas de balanceamento automotivo, vendido pelo "STO Market" Os sensores de força de strain gauge, fabricados por uma ampla gama de produtores nacionais e estrangeiros, também podem ser usados para medir deformações relativas nos suportes das máquinas de balanceamento de rolamentos rígidos.
4.2. Sensores de ângulo de fase Para sincronizar o processo de medição de vibração com o ângulo de rotação do rotor balanceado, são usados sensores de ângulo de fase, como sensores a laser (fotoelétricos) ou indutivos. Esses sensores são fabricados em vários modelos por produtores nacionais e internacionais. A faixa de preço desses sensores pode variar significativamente, de aproximadamente 40 a 200 dólares. Um exemplo de dispositivo desse tipo é o sensor de ângulo de fase fabricado pela "Diamex", mostrado na figura 4.11.
Figura 4.11: Sensor de ângulo de fase da "Diamex"
Como outro exemplo, a Figura 4.12 mostra um modelo implementado pela LLC "Kinematics", que usa tacômetros a laser do modelo DT 2234C fabricados na China como sensores de ângulo de fase. As vantagens óbvias desse sensor incluem:
Figura 4.12: Tacômetro a laser modelo DT 2234C
Em alguns casos, quando o uso de sensores ópticos a laser é indesejável por qualquer motivo, eles podem ser substituídos por sensores indutivos de deslocamento sem contato, como o modelo ISAN E41A mencionado anteriormente ou produtos similares de outros fabricantes.
4.3. Recursos de processamento de sinais em sensores de vibração Para a medição precisa da amplitude e da fase do componente rotacional do sinal de vibração em equipamentos de balanceamento, normalmente é usada uma combinação de ferramentas de processamento de hardware e software. Essas ferramentas permitem:
4.3.1. Filtragem de sinal de banda larga Esse procedimento é essencial para limpar o sinal do sensor de vibração de possíveis interferências que possam ocorrer nos limites inferior e superior da faixa de frequência do dispositivo. É recomendável que o dispositivo de medição de uma máquina de balanceamento defina o limite inferior do filtro passa-banda para 2-3 Hz e o limite superior para 50 (100) Hz. A filtragem "inferior" ajuda a suprimir ruídos de baixa frequência que podem aparecer na saída de vários tipos de amplificadores de medição de sensores. A filtragem "superior" elimina a possibilidade de interferência devido à combinação de frequências e possíveis vibrações ressonantes de componentes mecânicos individuais da máquina.
4.3.2. Amplificação do sinal analógico do sensor Se houver necessidade de aumentar a sensibilidade do sistema de medição da máquina de balancear, os sinais dos sensores de vibração para a entrada da unidade de medição podem ser amplificados. Podem ser usados amplificadores padrão com ganho constante e amplificadores de vários estágios, cujo ganho pode ser alterado programaticamente, dependendo do nível de sinal real do sensor. Um exemplo de amplificador de vários estágios programável inclui amplificadores implementados em conversores de medição de tensão, como o E154 ou o E14-140 da LLC "L-Card".
4.3.3. Integração Conforme observado anteriormente, a integração de hardware e/ou a integração dupla dos sinais do sensor de vibração são recomendadas nos sistemas de medição das máquinas de balanceamento. Assim, o sinal inicial do acelerômetro, proporcional à vibro-aceleração, pode ser transformado em um sinal proporcional à vibro-velocidade (integração) ou ao vibro-deslocamento (integração dupla). Da mesma forma, o sinal do sensor de vibro-velocidade após a integração pode ser transformado em um sinal proporcional ao vibro-deslocamento.
4.3.4. Filtragem de banda estreita do sinal analógico usando um filtro de rastreamento Para reduzir a interferência e melhorar a qualidade do processamento do sinal de vibração nos sistemas de medição das máquinas de balanceamento, podem ser usados filtros de rastreamento de banda estreita. A frequência central desses filtros é automaticamente ajustada à frequência de rotação do rotor balanceado usando o sinal do sensor de rotação do rotor. Os circuitos integrados modernos, como MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 da "MAXIM", podem ser usados para criar esses filtros.
4.3.5. Conversão de sinais analógicos para digitais A conversão analógico-digital é um procedimento crucial que garante a possibilidade de melhorar a qualidade do processamento do sinal de vibração durante a medição de amplitude e fase. Esse procedimento é implementado em todos os sistemas modernos de medição de máquinas de balanceamento. Um exemplo de implementação eficaz desses ADCs inclui os conversores de medição de tensão do tipo E154 ou E14-140 da LLC "L-Card", usados em vários sistemas de medição de máquinas de balanceamento fabricados pela LLC "Kinematics". Além disso, a LLC "Kinematics" tem experiência no uso de sistemas de microprocessador mais baratos baseados em controladores "Arduino", no microcontrolador PIC18F4620 da "Microchip" e em dispositivos semelhantes.
Autor do artigo : Feldman Valery Davidovich
Editor e tradução: Nikolai Andreevich Shelkovenko
Peço desculpas por possíveis erros de tradução.
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