Înțelegerea traductoarelor seismice
A transductor seismic — numit și senzor seismic sau traductor inerțial — este un vibrații senzor care utilizează o masă seismică internă (o “masă inerțială de referință”) suspendată pe arcuri sau pe flexuri compliante ca referință inerțială, permițându-i să măsoare mișcarea absolută a bazei senzorului. Atunci când carcasa vibrează, masa suspendată tinde să rămână nemișcată în spațiu (cu condiția ca frecvența să fie peste cea a sistemului masă-arc’s frecvență naturală), iar mișcarea relativă dintre carcasa în mișcare și masa aproape staționară este convertită într-un semnal electric care reprezintă vibrația. Caracteristica definitorie este aceea că referința este purtată inside senzorul, astfel încât nu este necesar niciun reper extern fix.
Denumirea “seismic” provine din instrumentația pentru cutremure: masa suspendată a unui seismometru rămâne relativ nemișcată în timp ce solul se mișcă sub ea. În monitorizarea mașinilor, ambele traductoare de viteză și accelerometre sunt traductoare seismice în acest sens, deși termenul este cel mai adesea asociat cu clasicul captator de viteză.
1. Principiul de funcționare
Sistem masă-arc-amortizor
Fiecare traductor seismic este, în esență, un mic oscilator mecanic cu patru părți funcționale:
- Masa seismică: o masă inerțială de referință calibrată, suspendată în interiorul carcasei senzorului.
- Primăvară: arcuri mecanice sau flexuri subțiri care susțin masa.
- Amortizare: amortizare cu aer, magnetică (cu curenți turbionari) sau cu fluid, care temperează rezonanța.
- Transducție: elementul care transformă mișcarea relativă dintre masă și carcasă într-o tensiune.
Regiuni de răspuns în frecvență
Modul în care se comportă senzorul depinde în întregime de poziția frecvenței de excitație în raport cu propria frecvență naturală:
- Sub frecvența naturală: masa și carcasa se deplasează împreună, astfel încât există o mișcare relativă redusă și un răspuns slab.
- La frecvența naturală: sistemul intră în rezonanță — semnalul de ieșire este amplificat, dar distorsionat și nefiabil.
- Peste frecvența naturală: masa rămâne practic pe loc, în timp ce carcasa vibrează în jurul ei. Aceasta este zona bună de măsurare.
- Domeniul de utilizare: considerată în mod convențional ca fiind mai mare decât aproximativ 2× frecvența naturală, unde răspunsul s-a stabilizat și este plat.
2. Tipuri de traductoare seismice
Traductoare de viteză (cu bobină mobilă)
- Un magnet este suspendat pe arcuri în interiorul unei bobine fixe (sau invers).
- Viteza relativă dintre magnet și bobină generează o tensiune prin inducție electromagnetică.
- Frecvența naturală este de obicei 8–15 Hz.
- Utilizabil peste aproximativ 16–30 Hz.
- Măsoară direct viteza, fără a necesita integrarea semnalului.
Accelerometre
- Piezoelectric tipurile folosesc un cristal piezoelectric pentru a detecta forța de inerție a masei.
- Tipurile MEMS folosesc detecția capacitivă sau piezorezistivă pe un element micro-prelucrat.
- Frecvență naturală mult mai mare, de obicei 10–30 kHz.
- Utilizabil de la aproximativ 1 Hz în sus.
- Măsoară accelerația, care poate fi integrată la viteză sau la deplasare.
3. Senzori seismici vs. neseismici
Familia seismică se înțelege cel mai bine prin contrast cu senzorii care se bazează pe o referință externă.
Senzori seismici (referință inerțială)
- Accelerometre și traductoare de viteză.
- Măsoară mișcarea absolută în spațiul inerțial.
- Se montează direct pe structura care vibrează.
- Își poartă propria masă internă drept referință.
- Cea mai frecventă alegere pentru monitorizarea mașinilor.
Senzori non-seismici (referință externă)
- Sonde de proximitate (senzori cu curenți Foucault).
- Măsoară mișcarea relativă dintre două suprafețe.
- Necesită un punct de montare staționar din care să privească.
- De obicei măsoară mișcarea arborelui față de lagăr.
- Standard pentru măsurarea vibrațiilor arborelui la mașinile cu lagăre de jgheab.
4. Avantajele construcției seismice
Referință autonomă
- Nu este necesar niciun cadru de referință extern.
- Senzorul poate fi montat aproape oriunde pe o structură care vibrează.
- Indică mișcarea absolută reală în spațiul inerțial.
Versatilitate
- Un singur tip de senzor acoperă o gamă largă de aplicații.
- Se potrivește atât pentru inspecțiile temporare, cât și pentru instalațiile permanente.
- Ușor de transportat de la o mașină la alta.
Această versatilitate este motivul pentru care instrumentele portabile se bazează pe ele. Aparatul cu două canale Balanset-1A, de exemplu, își preia citirile de la accelerometrele fixate pe carcasele lagărelor — senzori seismici autoreferențiali care nu necesită niciun reper fix, astfel încât un inginer se poate deplasa rapid între punctele de măsurare și mașini în timpul echilibrării la fața locului.
5. Limitări
Limitări ale răspunsului în frecvență
- Nu poate măsura fiabil sub aproximativ 2× frecvența proprie.
- În special traductoarele de viteză cu bobină mobilă răspund slab sub 15–20 Hz.
- Există un compromis inerent: o frecvență proprie mai joasă oferă o acoperire mai bună a frecvențelor joase, dar necesită un senzor mai mare și mai greu.
Măsoară mișcarea locuințelor
- Senzorul raportează mișcarea carcasei lagărului, nu direct pe cea a arborelui.
- Vibrația carcasei nu este același lucru cu vibrația arborelui — este filtrată de rigiditatea lagărului și de structura înconjurătoare.
- Acolo unde contează orbita reală a arborelui, sunt necesare în schimb sonde de proximitate.
6. Aplicații
Monitorizarea stării utilajelor
- Măsurători de vibrații pe carcasa lagărelor.
- Monitorizarea tendințelor generale de vibrație.
- Bearing-defect detection.
- Diagnosticarea generală a mașinilor rotative.
Vibrații structurale
- Studii de vibrații ale clădirilor și fundațiilor.
- Monitorizarea seismică a cutremurelor.
- Vibrații transmise prin sol, radiate de utilaje.
Analiză modală
- Măsurarea răspunsului unei structuri la un impact calibrat.
- Determining frecvențe naturale și forme de mod.
- Building the funcții de răspuns în frecvență used in analiză modală.
Traductoarele seismice, care folosesc o masă suspendată internă ca referință inerțială, constituie fundamentul măsurării vibrațiilor la mașinile rotative. Înțelegerea principiului seismic — cum o masă suspendată permite măsurarea mișcării absolute și de ce această măsurare este valabilă doar peste frecvența proprie a senzorului’ — explică atât punctele forte, cât și limitele accelerometrelor și ale traductoarelor de viteză, cele două instrumente de bază ale oricărui program industrial de analiză a vibrațiilor.
