4. Sisteme de măsurare pentru mașinile de echilibrare
Majoritatea producătorilor amatori de mașini de echilibrare, care contactează LLC "Kinematics", intenționează să utilizeze în proiectele lor sistemele de măsurare din seria "Balanset" fabricate de compania noastră. Cu toate acestea, există, de asemenea, unii clienți care intenționează să fabrice astfel de sisteme de măsurare în mod independent. Prin urmare, are sens să discutăm mai detaliat despre construcția unui sistem de măsurare pentru o mașină de echilibrare. Principala cerință pentru aceste sisteme este necesitatea de a furniza măsurători de înaltă precizie a amplitudinii și fazei componentei rotaționale a semnalului vibrațional, care apare la frecvența de rotație a rotorului echilibrat. Acest obiectiv este de obicei atins prin utilizarea unei combinații de soluții tehnice, inclusiv:
4.1. Selectarea senzorilor de vibrații
În sistemele de măsurare ale mașinilor de echilibrare, se pot utiliza diferite tipuri de senzori de vibrații (traductoare), printre care:
4.1.1. Senzori de accelerație a vibrațiilor
Dintre senzorii de accelerație a vibrațiilor, accelerometrele piezo și capacitive (cip) sunt cele mai utilizate, care pot fi utilizate în mod eficient în mașinile de echilibrare de tip Soft Bearing. În practică, în general, este permisă utilizarea senzorilor de accelerație a vibrațiilor cu coeficienți de conversie (Kpr) cuprinși între 10 și 30 mV/(m/s²). La mașinile de echilibrare care necesită o precizie de echilibrare deosebit de ridicată, este recomandabil să se utilizeze accelerometre cu Kpr care să atingă niveluri de 100 mV/(m/s²) și peste. Ca exemplu de accelerometre piezoelectrice care pot fi utilizate ca senzori de vibrații pentru mașinile de echilibrare, în figura 4.1 sunt prezentate accelerometrele piezoelectrice DN3M1 și DN3M1V6 fabricate de SRL "Izmeritel".
Figura 4.1. Accelerometre piezoelectrice DN 3M1 și DN 3M1V6
Pentru a conecta astfel de senzori la instrumentele și sistemele de măsurare a vibrațiilor, este necesar să se utilizeze amplificatoare de sarcină externe sau încorporate.
Figura 4.2. Accelerometre capacitive AD1 fabricate de LLC "Kinematics".
Trebuie remarcat faptul că acești senzori, printre care se numără plăcile de accelerometre capacitive ADXL 345 (a se vedea figura 4.3), utilizate pe scară largă pe piață, au mai multe avantaje semnificative față de accelerometrele piezoelectrice. Mai exact, sunt de 4 până la 8 ori mai ieftini, cu caracteristici tehnice similare. În plus, nu necesită utilizarea amplificatoarelor de sarcină costisitoare și pretențioase necesare pentru accelerometrele piezoelectrice.
În cazurile în care ambele tipuri de accelerometre sunt utilizate în sistemele de măsurare ale mașinilor de echilibrare, se realizează de obicei integrarea hardware (sau integrarea dublă) a semnalelor senzorilor.
Figura 4.2. Accelerometre capacitive AD 1, asamblate.
Figura 4.3. Placa de accelerometru capacitiv ADXL 345.
În acest caz, semnalul inițial al senzorului, proporțional cu accelerația de vibrație, este transformat în consecință într-un semnal proporțional cu viteza de vibrație sau cu deplasarea. Procedeul de dublă integrare a semnalului de vibrație este deosebit de relevant atunci când se utilizează accelerometre ca parte a sistemelor de măsurare pentru mașinile de echilibrare cu turație redusă, în cazul în care intervalul inferior de frecvență de rotație a rotorului în timpul echilibrării poate atinge 120 rpm și mai puțin. Atunci când se utilizează accelerometre capacitive în sistemele de măsurare ale mașinilor de echilibrare, trebuie avut în vedere faptul că, după integrare, semnalele acestora pot conține interferențe de joasă frecvență, care se manifestă în intervalul de frecvență de la 0,5 la 3 Hz. Acest lucru poate limita gama de frecvențe inferioare de echilibrare pe mașinile destinate utilizării acestor senzori.
4.1.2. Senzori de viteză de vibrație 4.1.2.1. Senzori de viteză cu vibrații inductive. Acești senzori includ o bobină inductivă și un miez magnetic. Atunci când bobina vibrează în raport cu un miez staționar (sau miezul în raport cu o bobină staționară), în bobină este indusă o forță electromagnetică, a cărei tensiune este direct proporțională cu viteza de vibrație a elementului mobil al senzorului. Coeficienții de conversie (Кпр) ai senzorilor inductivi sunt de obicei destul de mari, ajungând la câteva zeci sau chiar sute de mV/mm/sec. În special, coeficientul de conversie al senzorului Schenck model T77 este de 80 mV/mm/sec, iar pentru senzorul IRD Mechanalysis model 544M, acesta este de 40 mV/mm/sec. În unele cazuri (de exemplu, în mașinile de echilibrare Schenck), se utilizează senzori inductivi speciali de viteză de vibrație foarte sensibili cu un amplificator mecanic, unde Кпр poate depăși 1000 mV/mm/sec. Dacă în sistemele de măsurare ale mașinilor de echilibrare se utilizează senzori inductivi de viteză de vibrație, se poate realiza și integrarea hardware a semnalului electric proporțional cu viteza de vibrație, transformându-l într-un semnal proporțional cu deplasarea de vibrație.
Figura 4.4. Senzorul model 544M de IRD Mechanalysis.
Figura 4.5. Senzor model T77 de Schenck Trebuie remarcat faptul că, din cauza intensității forței de muncă necesare pentru producerea lor, senzorii inductivi de viteză de vibrație sunt articole destul de rare și scumpe. Prin urmare, în ciuda avantajelor evidente ale acestor senzori, producătorii amatori de mașini de echilibrare îi folosesc foarte rar.
4.1.2.2. Senzori de viteză de vibrație pe bază de accelerometre piezoelectrice. Un senzor de acest tip diferă de un accelerometru piezoelectric standard prin faptul că are un amplificator de sarcină și un integrator încorporat în carcasa sa, ceea ce îi permite să emită un semnal proporțional cu viteza de vibrație. De exemplu, senzorii piezoelectrici de viteză de vibrație fabricați de producătorii interni (compania ZETLAB și LLC "Vibropribor") sunt prezentați în figurile 4.6 și 4.7.
Figura 4.6. Senzorul model AV02 de la ZETLAB (Rusia)
Figura 4.7. Modelul DVST 2 al senzorului de la LLC "Vibropribor" Astfel de senzori sunt fabricați de diverși producători (atât din țară, cât și din străinătate) și sunt în prezent utilizați pe scară largă, în special în echipamentele portabile de vibrații. Costul acestor senzori este destul de ridicat și poate ajunge la 20.000-30.000 de ruble fiecare, chiar și la producătorii interni.
4.1.3. Senzori de deplasare În sistemele de măsurare ale mașinilor de echilibrare, pot fi utilizați și senzori de deplasare fără contact - capacitivi sau inductivi. Acești senzori pot funcționa în mod static, permițând înregistrarea proceselor vibraționale începând de la 0 Hz. Utilizarea lor poate fi deosebit de eficientă în cazul echilibrării rotoarelor cu turație redusă, cu viteze de rotație de 120 rpm și mai mici. Coeficienții de conversie ai acestor senzori pot atinge 1000 mV/mm și mai mult, ceea ce asigură o precizie și o rezoluție ridicate în măsurarea deplasării, chiar și fără amplificare suplimentară. Un avantaj evident al acestor senzori este costul lor relativ scăzut, care pentru unii producători interni nu depășește 1000 de ruble. Atunci când se utilizează acești senzori în mașinile de echilibrare, este important să se ia în considerare faptul că distanța nominală de lucru dintre elementul sensibil al senzorului și suprafața obiectului care vibrează este limitată de diametrul bobinei senzorului. De exemplu, pentru senzorul prezentat în figura 4.8, modelul ISAN E41A de la "TEKO", distanța de lucru specificată este de obicei de 3,8 până la 4 mm, ceea ce permite măsurarea deplasării obiectului care vibrează în intervalul de ±2,5 mm.
Figura 4.8. Senzor inductiv de deplasare model ISAN E41A de la TEKO (Rusia)
4.1.4. Senzori de forță După cum s-a menționat anterior, senzorii de forță sunt utilizați în sistemele de măsurare instalate pe mașinile de echilibrare Hard Bearing. Acești senzori, în special datorită simplității de fabricație și a costului relativ scăzut, sunt de obicei senzori de forță piezoelectrici. Exemple de astfel de senzori sunt prezentate în figurile 4.9 și 4.10.
Figura 4.9. Senzor de forță SD 1 de Kinematika LLC
Figura 4.10: Senzor de forță pentru mașini de echilibrare pentru automobile, vândut de "STO Market" Senzorii de forță de măsurare a tensiunii, care sunt fabricați de o gamă largă de producători interni și străini, pot fi, de asemenea, utilizați pentru a măsura deformările relative în suporturile mașinilor de echilibrare Hard Bearing.
4.2. Senzori de unghi de fază Pentru sincronizarea procesului de măsurare a vibrațiilor cu unghiul de rotație al rotorului echilibrat, se utilizează senzori de unghi de fază, cum ar fi senzorii laser (fotoelectrici) sau inductivi. Acești senzori sunt fabricați în diverse modele de către producători interni și internaționali. Gama de prețuri pentru acești senzori poate varia semnificativ, de la aproximativ 40 la 200 de dolari. Un exemplu de astfel de dispozitiv este senzorul de unghi de fază fabricat de "Diamex", prezentat în figura 4.11.
Figura 4.11: Senzor de unghi de fază de la "Diamex"
Ca un alt exemplu, în figura 4.12 este prezentat un model implementat de LLC "Kinematics", care utilizează tahometre laser de model DT 2234C fabricate în China ca senzori de unghi de fază. Avantajele evidente ale acestui senzor includ:
Figura 4.12: Tahometru cu laser, model DT 2234C
În unele cazuri, atunci când utilizarea senzorilor optici cu laser nu este de dorit din orice motiv, aceștia pot fi înlocuiți cu senzori de deplasare inductivi fără contact, cum ar fi modelul ISAN E41A menționat anterior sau produse similare de la alți producători.
4.3. Caracteristicile de prelucrare a semnalelor în senzorii de vibrații Pentru măsurarea precisă a amplitudinii și a fazei componentei de rotație a semnalului de vibrație în echipamentele de echilibrare, se utilizează de obicei o combinație de instrumente de procesare hardware și software. Aceste instrumente permit:
4.3.1. Filtrarea semnalului în bandă largă Această procedură este esențială pentru a curăța semnalul senzorului de vibrații de interferențele potențiale care pot apărea atât la limitele inferioare, cât și la cele superioare ale gamei de frecvențe a dispozitivului. Este recomandabil ca pentru dispozitivul de măsurare al unei mașini de echilibrat să seteze limita inferioară a filtrului trece-banda la 2-3 Hz și limita superioară la 50 (100) Hz. Filtrarea "inferioară" ajută la suprimarea zgomotelor de frecvență joasă care pot apărea la ieșirea diferitelor tipuri de amplificatoare de măsurare a senzorilor. Filtrarea "superioară" elimină posibilitatea de interferență datorată frecvențelor combinate și vibrațiilor de rezonanță potențiale ale componentelor mecanice individuale ale mașinii.
4.3.2. Amplificarea semnalului analogic de la senzor În cazul în care este necesară creșterea sensibilității sistemului de măsurare al mașinii de echilibrare, semnalele de la senzorii de vibrații la intrarea unității de măsurare pot fi amplificate. Pot fi utilizate atât amplificatoare standard cu un câștig constant, cât și amplificatoare cu mai multe trepte, al căror câștig poate fi modificat în mod programabil în funcție de nivelul real al semnalului de la senzor. Un exemplu de amplificator programabil cu mai multe trepte include amplificatoare implementate în convertoare de măsurare a tensiunii, cum ar fi E154 sau E14-140 de către LLC "L-Card".
4.3.3. Integrare După cum s-a menționat anterior, se recomandă integrarea hardware și/sau integrarea dublă a semnalelor senzorilor de vibrații în sistemele de măsurare ale mașinilor de echilibrare. Astfel, semnalul inițial al accelerometrului, proporțional cu vibroaccelerația, poate fi transformat într-un semnal proporțional cu vibroviteza (integrare) sau cu vibrodeplasarea (dublă integrare). În mod similar, semnalul senzorului de vibro-viteză, după integrare, poate fi transformat într-un semnal proporțional cu vibro-deplasarea.
4.3.4. Filtrarea în bandă îngustă a semnalului analogic cu ajutorul unui filtru de urmărire Pentru a reduce interferențele și pentru a îmbunătăți calitatea procesării semnalelor de vibrații în sistemele de măsurare ale mașinilor de echilibrare, se pot utiliza filtre de urmărire în bandă îngustă. Frecvența centrală a acestor filtre este reglată automat la frecvența de rotație a rotorului echilibrat folosind semnalul senzorului de revoluție al rotorului. Circuitele integrate moderne, cum ar fi MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 de la "MAXIM", pot fi utilizate pentru a crea astfel de filtre.
4.3.5. Conversia analogică-digitală a semnalelor Conversia analog-digitală este o procedură crucială care asigură posibilitatea de a îmbunătăți calitatea procesării semnalului de vibrații în timpul măsurării amplitudinii și fazei. Această procedură este implementată în toate sistemele moderne de măsurare a mașinilor de echilibrare. Un exemplu de implementare eficientă a unor astfel de convertoare ADC include convertoarele de măsurare a tensiunii de tip E154 sau E14-140 de la LLC "L-Card", utilizate în mai multe sisteme de măsurare a mașinilor de echilibrare fabricate de LLC "Kinematics". În plus, LLC "Kinematics" are experiență în utilizarea unor sisteme de microprocesoare mai ieftine bazate pe controlere "Arduino", microcontrolerul PIC18F4620 de la "Microchip" și dispozitive similare.
Autorul articolului : Feldman Valery Davidovich
Editor și traducere : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Îmi cer scuze pentru eventualele erori de traducere.