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 de probă”) suspendată pe arcuri sau elemente flexibile compliante ca referință inerțială, permițându-i să măsoare mișcarea absolută a bazei senzorului. Când carcasa vibrează, mișcarea relativă dintre masa suspendată și carcasă este convertită într-un semnal electric care reprezintă vibrația. În funcție de poziția frecvenței de măsurare față de frecvență naturală, senzorul funcționează într-unul din două regimuri: deasupra rezonanței, masa tinde să rămână nemișcată în spațiu și mișcarea relativă urmează deplasarea carcasei (regimul clasic de seismometru și captor de viteză), în timp ce sub rezonanță, mica deviație reziduală a masei este proporțională cu accelerația carcasei (regimul accelerometrului). Caracteristica definitorie este 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.
- Arc: 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
Comportarea senzorului depinde în întregime de poziția frecvenței de excitație față de propria sa frecvență naturală — iar cele două familii principale de senzori funcționează în mod deliberat pe laturi opuse ale rezonanței:
- Sub frecvența naturală (regimul accelerometrului): masa și carcasa se mișcă practic împreună, iar mica deviație reziduală a masei este proporțională cu accelerație. Accelerometrele piezoelectrice și MEMS funcționează aici, sub rezonanța lor montată înaltă.
- La frecvența naturală: sistemul intră în rezonanță — ieșirea este amplificată, dar distorsionată și nesigură, astfel încât măsurarea în apropierea rezonanței este evitată.
- Peste frecvența naturală (regimul seismometrului): masa rămâne efectiv pe loc în timp ce carcasa vibrează în jurul ei, iar mișcarea relativă urmează deplasare (sau viteza) carcasei. Seismometrele de deplasare și captorii de viteză cu bobină mobilă funcționează aici, deasupra frecvenței lor naturale joase.
- Usable ranges: un captor de viteză este utilizat în mod convențional peste aproximativ 2× frecvența sa naturală, unde răspunsul său s-a stabilizat și este plat; un accelerometru este utilizat mult sub rezonanța sa montată — de regulă până la aproximativ o treime din aceasta pentru o precizie bună.
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 (montată) mult mai mare, de obicei 10–30 kHz.
- Spre deosebire de captorii de viteză, utilizați mai jos rezonanță: utilizabil de la aproximativ 1 Hz până la circa o treime din frecvența de rezonanță montată.
- 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 lagare radiale cu alunecare.
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
- Captorii de viteză nu pot măsura fiabil sub aproximativ 2× frecvența lor naturală; tipurile cu bobină mobilă, în special, răspund slab sub 15–20 Hz. Există un compromis inerent: o frecvență naturală mai joasă oferă acoperire mai bună la frecvențe joase, dar necesită un senzor mai mare și mai greu.
- Accelerometrele își pierd precizia pe măsură ce frecvența de măsurare se apropie de rezonanța lor montată; limita practică superioară (de obicei aproximativ o treime din rezonanța montată) depinde puternic de metoda de montaj (vezi ISO 5348).
- La capătul foarte jos al domeniului, răspunsul accelerometrului este limitat de elementul de detecție și de electronica amplificatorului, nu de suspensia seismică — de obicei până la aproximativ 0.5–1 Hz pentru unitățile industriale standard.
Măsoară mișcarea carcasei
- 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 utilizează o masă internă suspendată ca referință inerțială, stau la baza măsurării vibrațiilor pe mașini rotative. Înțelegerea principiului seismic — cum o masă suspendată permite măsurarea mișcării absolute și de ce captorii de viteză funcționează peste frecvența lor naturală, în timp ce accelerometrele funcționează sub rezonanța lor montată — explică atât punctele forte, cât și limitele acestor două instrumente de bază ale oricărui program industrial de analiză a vibrațiilor.
