4. Измерительные системы для балансировочных станков
Большинство производителей-любителей балансировочных станков, обращающихся в ООО "Кинематика", планируют использовать в своих конструкциях измерительные системы серии "Балансет", выпускаемые нашей компанией. Однако есть и такие заказчики, которые планируют изготавливать подобные измерительные системы самостоятельно. Поэтому имеет смысл остановиться на конструкции измерительной системы для балансировочного станка более подробно. Основным требованием к таким системам является необходимость обеспечения высокоточных измерений амплитуды и фазы вращательной составляющей колебательного сигнала, возникающего на частоте вращения балансируемого ротора. Эта цель обычно достигается путем использования комбинации технических решений, включая:
4.1. Выбор датчиков вибрации
В измерительных системах балансировочных станков могут использоваться различные типы датчиков вибрации (преобразователей), в том числе:
4.1.1. Датчики виброускорения
Среди датчиков виброускорения наибольшее распространение получили пьезо- и емкостные (чиповые) акселерометры, которые могут эффективно использоваться в балансировочных станках типа Soft Bearing. На практике обычно допускается использование датчиков виброускорения с коэффициентами преобразования (Кпр) в диапазоне от 10 до 30 мВ/(м/с²). В балансировочных станках, требующих особо высокой точности балансировки, целесообразно использовать акселерометры с Кпр, достигающим уровня 100 мВ/(м/с²) и выше. В качестве примера пьезоакселерометров, которые могут быть использованы в качестве датчиков вибрации для балансировочных станков, на рисунке 4.1 представлены пьезоакселерометры ДН3М1 и ДН3М1В6 производства ООО "Измеритель".
Рисунок 4.1. Пьезоакселерометры DN 3M1 и DN 3M1V6
Для подключения таких датчиков к виброизмерительным приборам и системам необходимо использовать внешние или встроенные усилители заряда.
Рисунок 4.2. Емкостные акселерометры АД1 производства ООО "Кинематика"
Следует отметить, что эти датчики, к которым относятся широко распространенные на рынке платы емкостных акселерометров ADXL 345 (см. рисунок 4.3), имеют ряд существенных преимуществ перед пьезоакселерометрами. В частности, они в 4-8 раз дешевле при схожих технических характеристиках. Кроме того, они не требуют использования дорогостоящих и привередливых усилителей заряда, необходимых для пьезоакселерометров.
В тех случаях, когда в измерительных системах балансировочных станков используются оба типа акселерометров, обычно выполняется аппаратное интегрирование (или двойное интегрирование) сигналов датчиков.
Рисунок 4.2. Емкостные акселерометры AD 1, в сборе.
Рисунок 4.3. Плата емкостного акселерометра ADXL 345.
В этом случае исходный сигнал датчика, пропорциональный виброускорению, соответственно преобразуется в сигнал, пропорциональный виброскорости или смещению. Процедура двойного интегрирования вибросигнала особенно актуальна при использовании акселерометров в составе измерительных систем низкоскоростных балансировочных станков, где нижний диапазон частот вращения ротора при балансировке может достигать 120 об/мин и ниже. При использовании емкостных акселерометров в составе измерительных систем балансировочных станков следует учитывать, что после интегрирования их сигналы могут содержать низкочастотные помехи, проявляющиеся в диапазоне частот от 0,5 до 3 Гц. Это может ограничить нижний частотный диапазон балансировки на станках, предназначенных для использования этих датчиков.
4.1.2. Датчики виброскорости 4.1.2.1. Индуктивные датчики виброскорости. Эти датчики включают в себя катушку индуктивности и магнитный сердечник. При колебаниях катушки относительно неподвижного сердечника (или сердечника относительно неподвижной катушки) в катушке индуцируется ЭДС, напряжение которой прямо пропорционально скорости колебаний подвижного элемента датчика. Коэффициенты преобразования (Кпр) индуктивных датчиков обычно достаточно высоки и достигают нескольких десятков и даже сотен мВ/мм/с. В частности, коэффициент преобразования датчика Schenck model T77 составляет 80 мВ/мм/сек, а датчика IRD Mechanalysis model 544M - 40 мВ/мм/сек. В некоторых случаях (например, в балансировочных станках Schenck) используются специальные высокочувствительные индуктивные датчики виброскорости с механическим усилителем, где Кпр может превышать 1000 мВ/мм/с. При использовании индуктивных датчиков виброскорости в измерительных системах балансировочных станков также может быть произведена аппаратная интеграция электрического сигнала, пропорционального виброскорости, с преобразованием его в сигнал, пропорциональный виброперемещению.
Рисунок 4.4. Датчик модели 544M от IRD Mechanalysis.
Рисунок 4.5. Модель датчика T77 фирмы Schenck Следует отметить, что из-за трудоемкости их производства индуктивные датчики виброскорости являются достаточно дефицитными и дорогостоящими изделиями. Поэтому, несмотря на очевидные преимущества этих датчиков, производители-любители балансировочных станков используют их крайне редко.
4.1.2.2. Датчики виброскорости на основе пьезоэлектрических акселерометров. Датчик такого типа отличается от стандартного пьезоэлектрического акселерометра тем, что в его корпус встроен усилитель заряда и интегратор, что позволяет ему выдавать сигнал, пропорциональный виброскорости. Например, пьезоэлектрические датчики виброскорости отечественных производителей (компании ZETLAB и ООО "Виброприбор") представлены на рисунках 4.6 и 4.7.
Рисунок 4.6. Модель датчика AV02 производства компании ZETLAB (Россия)
Рисунок 4.7. Модель датчика DVST 2 производства ООО "Виброприбор" Такие датчики выпускаются различными производителями (как отечественными, так и зарубежными) и в настоящее время широко используются, особенно в портативном виброоборудовании. Стоимость таких датчиков достаточно высока и может достигать 20 000 - 30 000 рублей за штуку даже у отечественных производителей.
4.1.3. Датчики перемещения В измерительных системах балансировочных станков также могут использоваться бесконтактные датчики перемещений - емкостные или индуктивные. Эти датчики могут работать в статическом режиме, позволяя регистрировать колебательные процессы, начиная с 0 Гц. Их использование может быть особенно эффективным при балансировке низкоскоростных роторов со скоростью вращения 120 об/мин и ниже. Коэффициенты преобразования этих датчиков могут достигать 1000 мВ/мм и выше, что обеспечивает высокую точность и разрешение при измерении перемещений даже без дополнительного усиления. Очевидным преимуществом этих датчиков является их относительно невысокая стоимость, которая у некоторых отечественных производителей не превышает 1000 рублей. При использовании данных датчиков в балансировочных станках необходимо учитывать, что номинальный рабочий зазор между чувствительным элементом датчика и поверхностью вибрирующего объекта ограничен диаметром катушки датчика. Например, для датчика, представленного на рисунке 4.8, модель ISAN E41A фирмы "TEKO", указанный рабочий зазор обычно составляет 3,8-4 мм, что позволяет измерять смещение вибрирующего объекта в диапазоне ±2,5 мм.
Рисунок 4.8. Индуктивный датчик перемещения модели ISAN E41A производства TEKO (Россия)
4.1.4. Датчики силы Как уже отмечалось ранее, в измерительных системах, установленных на балансировочных станках Hard Bearing, используются датчики силы. Эти датчики, в частности, из-за простоты изготовления и относительно низкой стоимости, обычно представляют собой пьезоэлектрические датчики силы. Примеры таких датчиков показаны на рисунках 4.9 и 4.10.
Рисунок 4.9. Датчик силы SD 1 от компании Kinematika LLC
Рисунок 4.10: Датчик силы для автомобильных балансировочных станков, продается компанией "СТО Маркет" Для измерения относительных деформаций опор балансировочных станков Hard Bearing также можно использовать тензометрические датчики силы, которые выпускаются широким спектром отечественных и зарубежных производителей.
4.2. Датчики фазового угла Для синхронизации процесса измерения вибрации с углом поворота сбалансированного ротора используются датчики фазового угла, например, лазерные (фотоэлектрические) или индуктивные датчики. Эти датчики выпускаются в различных исполнениях как отечественными, так и зарубежными производителями. Цена на такие датчики может существенно варьироваться, примерно от 40 до 200 долларов. Примером такого устройства является датчик фазового угла производства компании "Диамекс", показанный на рисунке 4.11.
Рисунок 4.11: Датчик фазового угла от "Diamex"
В качестве другого примера на рисунке 4.12 представлена модель, реализованная ООО "Кинематика", в которой в качестве датчиков фазового угла используются лазерные тахометры модели DT 2234C китайского производства. К очевидным преимуществам этого датчика относятся:
Рисунок 4.12: Лазерный тахометр модели DT 2234C
В некоторых случаях, когда использование оптических лазерных датчиков по каким-либо причинам нежелательно, их можно заменить индуктивными бесконтактными датчиками перемещения, например, упомянутой ранее моделью ISAN E41A или аналогичными изделиями других производителей.
4.3. Особенности обработки сигналов в датчиках вибрации Для точного измерения амплитуды и фазы вращательной составляющей вибрационного сигнала в балансировочном оборудовании обычно используется комбинация аппаратных и программных средств обработки. Эти средства позволяют:
4.3.1. Фильтрация широкополосных сигналов Эта процедура необходима для очистки сигнала датчика вибрации от возможных помех, которые могут возникать как на нижней, так и на верхней границе частотного диапазона прибора. Для измерительного прибора балансировочного станка целесообразно установить нижний предел полосового фильтра на 2-3 Гц, а верхний - на 50 (100) Гц. "Нижняя" фильтрация позволяет подавить низкочастотные шумы, которые могут появляться на выходе измерительных усилителей датчиков различных типов. "Верхняя" фильтрация устраняет возможность возникновения помех из-за комбинационных частот и возможных резонансных колебаний отдельных механических компонентов машины.
4.3.2. Усиление аналогового сигнала от датчика Если необходимо повысить чувствительность измерительной системы балансировочного станка, сигналы от датчиков вибрации, поступающие на вход измерительного блока, можно усилить. При этом могут использоваться как стандартные усилители с постоянным коэффициентом усиления, так и многокаскадные усилители, коэффициент усиления которых можно программно изменять в зависимости от реального уровня сигнала от датчика. Примером программируемого многоступенчатого усилителя могут служить усилители, реализованные в преобразователях измерения напряжения типа E154 или E14-140 фирмы LLC "L-Card".
4.3.3. Интеграция Как уже отмечалось ранее, в измерительных системах балансировочных станков рекомендуется аппаратное интегрирование и/или двойное интегрирование сигналов датчиков вибрации. Так, исходный сигнал акселерометра, пропорциональный виброускорению, может быть преобразован в сигнал, пропорциональный виброскорости (интегрирование) или виброперемещению (двойное интегрирование). Аналогично, сигнал датчика виброскорости после интегрирования может быть преобразован в сигнал, пропорциональный виброперемещению.
4.3.4. Узкополосная фильтрация аналогового сигнала с помощью следящего фильтра Для снижения помех и повышения качества обработки вибрационных сигналов в измерительных системах балансировочных станков можно использовать узкополосные следящие фильтры. Центральная частота этих фильтров автоматически настраивается на частоту вращения балансируемого ротора по сигналу датчика оборотов ротора. Для создания таких фильтров могут быть использованы современные интегральные схемы, например MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 фирмы "MAXIM".
4.3.5. Аналого-цифровое преобразование сигналов Аналого-цифровое преобразование - важнейшая процедура, обеспечивающая возможность повышения качества обработки вибросигнала при измерении амплитуды и фазы. Данная процедура реализована во всех современных измерительных системах балансировочных станков. Примером эффективной реализации таких АЦП могут служить измерительные преобразователи напряжения типа Е154 или Е14-140 производства ООО "Л-Кард", используемые в ряде измерительных систем балансировочных станков производства ООО "Кинематика". Кроме того, ООО "Кинематика" имеет опыт использования более дешевых микропроцессорных систем на базе контроллеров "Arduino", микроконтроллера PIC18F4620 фирмы "Microchip" и аналогичных устройств.
Автор статьи : Фельдман Валерий Давидович
Редактор и перевод: Николай Андреевич Шелковенко
Приношу извинения за возможные ошибки в переводе.
RU 
EN 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
EL 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UK 
VI