4. Meracie systémy pre vyvažovacie stroje
Väčšina amatérskych výrobcov vyvažovacích strojov, ktorí sa obracajú na spoločnosť LLC "Kinematics", plánuje vo svojich projektoch používať meracie systémy série "Balanset" vyrábané našou spoločnosťou. Sú však aj zákazníci, ktorí plánujú vyrábať takéto meracie systémy samostatne. Preto má zmysel diskutovať o konštrukcii meracieho systému pre vyvažovací stroj podrobnejšie. Hlavnou požiadavkou na tieto systémy je potreba zabezpečiť vysoko presné meranie amplitúdy a fázy rotačnej zložky vibračného signálu, ktorá sa objavuje pri frekvencii otáčania vyvažovaného rotora. Tento cieľ sa zvyčajne dosahuje použitím kombinácie technických riešení, vrátane:
4.1. Výber snímačov vibrácií
V meracích systémoch vyvažovacích strojov sa môžu používať rôzne typy snímačov vibrácií (snímače) vrátane:
4.1.1. Snímače zrýchlenia vibrácií
Spomedzi snímačov zrýchlenia vibrácií sa najčastejšie používajú piezoelektrické a kapacitné (čipové) akcelerometre, ktoré sa dajú efektívne použiť vo vyvažovacích strojoch typu Soft Bearing. V praxi je všeobecne prípustné používať snímače zrýchlenia vibrácií s prevodovými koeficientmi (Kpr) v rozsahu od 10 do 30 mV/(m/s²). Vo vyvažovacích strojoch, ktoré vyžadujú obzvlášť vysokú presnosť vyvažovania, sa odporúča používať snímače zrýchlenia s Kpr dosahujúcim hodnoty 100 mV/(m/s²) a vyššie. Ako príklad piezoelektrických akcelerometrov, ktoré možno použiť ako snímače vibrácií pre vyvažovacie stroje, sú na obrázku 4.1 znázornené piezoelektrické akcelerometre DN3M1 a DN3M1V6 vyrobené spoločnosťou LLC "Izmeritel".
Obrázok 4.1. Piezoakcelerometre DN 3M1 a DN 3M1V6
Na pripojenie takýchto snímačov k prístrojom a systémom na meranie vibrácií je potrebné použiť externé alebo zabudované zosilňovače náboja.
Obrázok 4.2. Kapacitné akcelerometre AD1 vyrobené spoločnosťou LLC "Kinematics"
Treba poznamenať, že tieto snímače, medzi ktoré patria aj na trhu široko používané dosky kapacitných akcelerometrov ADXL 345 (pozri obrázok 4.3), majú oproti piezoelektrickým akcelerometrom niekoľko významných výhod. Konkrétne sú 4 až 8-krát lacnejšie pri podobných technických vlastnostiach. Okrem toho nevyžadujú použitie nákladných a náročných zosilňovačov náboja, ktoré sú potrebné pre piezoelektrické akcelerometre.
V prípadoch, keď sa v meracích systémoch vyvažovacích strojov používajú oba typy akcelerometrov, sa zvyčajne vykonáva hardvérová integrácia (alebo dvojitá integrácia) signálov snímačov.
Obrázok 4.2. Kapacitné akcelerometre AD 1, zmontované.
Obrázok 4.3. Kapacitný akcelerometer ADXL 345.
V tomto prípade sa pôvodný signál snímača, úmerný vibračnému zrýchleniu, transformuje na signál úmerný vibračnej rýchlosti alebo posunu. Postup dvojitej integrácie vibračného signálu má význam najmä pri použití akcelerometrov ako súčasti meracích systémov nízkootáčkových vyvažovacích strojov, kde dolný rozsah frekvencie otáčania rotora počas vyvažovania môže dosahovať 120 otáčok za minútu a menej. Pri používaní kapacitných akcelerometrov v meracích systémoch vyvažovacích strojov treba vziať do úvahy, že po integrácii môžu ich signály obsahovať nízkofrekvenčné rušenie, ktoré sa prejavuje vo frekvenčnom rozsahu od 0,5 do 3 Hz. To môže obmedziť dolný frekvenčný rozsah vyvažovania na strojoch určených na používanie týchto snímačov.
4.1.2. Snímače rýchlosti vibrácií 4.1.2.1. Indukčné snímače rýchlosti vibrácií. Tieto snímače obsahujú indukčnú cievku a magnetické jadro. Keď cievka vibruje vzhľadom na nehybné jadro (alebo jadro vzhľadom na nehybnú cievku), v cievke sa indukuje EMP, ktorého napätie je priamo úmerné rýchlosti vibrácií pohyblivého prvku snímača. Prevodné koeficienty (Кпр) indukčných snímačov sú zvyčajne pomerne vysoké a dosahujú niekoľko desiatok alebo dokonca stoviek mV/mm/s. Konkrétne prevodový koeficient snímača Schenck model T77 je 80 mV/mm/s a v prípade snímača IRD Mechanalysis model 544M je to 40 mV/mm/s. V niektorých prípadoch (napríklad vo vyvažovacích strojoch Schenck) sa používajú špeciálne vysoko citlivé indukčné snímače rýchlosti kmitania s mechanickým zosilňovačom, kde Kпр môže presiahnuť 1000 mV/mm/sec. Ak sa v meracích systémoch vyvažovacích strojov používajú indukčné snímače rýchlosti vibrácií, môže sa vykonať aj hardvérová integrácia elektrického signálu úmerného rýchlosti vibrácií, čím sa tento signál premení na signál úmerný posunu vibrácií.
Obrázok 4.4. Model 544M snímača IRD Mechanalysis.
Obrázok 4.5. Senzor model T77 od spoločnosti Schenck Treba poznamenať, že vzhľadom na prácnosť ich výroby sú indukčné snímače rýchlosti vibrácií pomerne vzácnym a drahým tovarom. Preto napriek zjavným výhodám týchto snímačov ich amatérski výrobcovia vyvažovacích strojov používajú len veľmi zriedkavo.
4.1.2.2. Snímače rýchlosti vibrácií založené na piezoelektrických akcelerometroch. Snímač tohto typu sa od štandardného piezoelektrického akcelerometra líši tým, že má vo svojom puzdre zabudovaný zosilňovač náboja a integrátor, ktorý mu umožňuje vysielať signál úmerný rýchlosti vibrácií. Napríklad piezoelektrické snímače rýchlosti vibrácií, ktoré vyrábajú domáci výrobcovia (spoločnosť ZETLAB a LLC "Vibropribor"), sú znázornené na obrázkoch 4.6 a 4.7.
Obrázok 4.6. Model snímača AV02 od spoločnosti ZETLAB (Rusko)
Obrázok 4.7. Senzor DVST 2 od spoločnosti LLC "Vibropribor" Takéto snímače vyrábajú rôzni výrobcovia (domáci aj zahraniční) a v súčasnosti sa široko používajú najmä v prenosných vibračných zariadeniach. Cena týchto snímačov je pomerne vysoká a môže dosiahnuť 20 000 až 30 000 rubľov za kus, a to aj od domácich výrobcov.
4.1.3. Snímače posunutia V meracích systémoch vyvažovacích strojov sa môžu používať aj bezkontaktné snímače posunu - kapacitné alebo indukčné. Tieto snímače môžu pracovať v statickom režime, čo umožňuje registráciu vibračných procesov od 0 Hz. Ich použitie môže byť obzvlášť efektívne v prípade vyvažovania nízkootáčkových rotorov s rýchlosťou otáčania 120 ot/min a menej. Konverzné koeficienty týchto snímačov môžu dosahovať hodnotu 1000 mV/mm a vyššiu, čo zabezpečuje vysokú presnosť a rozlíšenie pri meraní posunu aj bez dodatočného zosilnenia. Zjavnou výhodou týchto snímačov je ich relatívne nízka cena, ktorá u niektorých domácich výrobcov nepresahuje 1000 rubľov. Pri použití týchto snímačov vo vyvažovacích strojoch je dôležité vziať do úvahy, že menovitá pracovná medzera medzi citlivým prvkom snímača a povrchom vibrujúceho objektu je obmedzená priemerom cievky snímača. Napríklad pre snímač zobrazený na obrázku 4.8, model ISAN E41A od spoločnosti "TEKO", je špecifikovaná pracovná medzera zvyčajne 3,8 až 4 mm, čo umožňuje meranie posunu vibrujúceho objektu v rozsahu ±2,5 mm.
Obrázok 4.8. Indukčný snímač posunutia model ISAN E41A od spoločnosti TEKO (Rusko)
4.1.4. Snímače sily Ako už bolo uvedené, snímače sily sa používajú v meracích systémoch inštalovaných na vyvažovacích strojoch Hard Bearing. Tieto snímače, najmä vzhľadom na ich jednoduchú výrobu a relatívne nízke náklady, sú bežne piezoelektrické snímače sily. Príklady takýchto snímačov sú znázornené na obrázkoch 4.9 a 4.10.
Obrázok 4.9. Snímač sily SD 1 od spoločnosti Kinematika LLC
Obrázok 4.10: Snímač sily pre automobilové vyvažovacie stroje, predávané spoločnosťou "STO Market" Tenzometrické snímače sily, ktoré vyrába široká škála domácich a zahraničných výrobcov, možno použiť aj na meranie relatívnych deformácií v podperách vyvažovacích strojov Hard Bearing.
4.2. Snímače fázového uhla Na synchronizáciu procesu merania vibrácií s uhlom otáčania vyváženého rotora sa používajú snímače fázového uhla, ako sú laserové (fotoelektrické) alebo indukčné snímače. Tieto snímače vyrábajú domáci aj zahraniční výrobcovia v rôznych vyhotoveniach. Cenové rozpätie týchto snímačov sa môže výrazne líšiť, približne od 40 do 200 dolárov. Príkladom takéhoto zariadenia je snímač fázového uhla vyrábaný spoločnosťou "Diamex", ktorý je znázornený na obrázku 4.11.
Obrázok 4.11: Snímač fázového uhla od spoločnosti Diamex
Ako ďalší príklad je na obrázku 4.12 znázornený model realizovaný spoločnosťou LLC "Kinematics", ktorý používa laserové tachometre modelu DT 2234C vyrobené v Číne ako snímače fázového uhla. Medzi zjavné výhody tohto snímača patria:
Obrázok 4.12: Laserový tachometer model DT 2234C
V niektorých prípadoch, keď je použitie optických laserových snímačov z nejakého dôvodu nežiaduce, možno ich nahradiť indukčnými bezkontaktnými snímačmi posunu, ako je napríklad už spomínaný model ISAN E41A alebo podobné výrobky od iných výrobcov.
4.3. Funkcie spracovania signálu v snímačoch vibrácií Na presné meranie amplitúdy a fázy rotačnej zložky vibračného signálu vo vyvažovacích zariadeniach sa zvyčajne používa kombinácia hardvérových a softvérových nástrojov na spracovanie. Tieto nástroje umožňujú:
4.3.1. Filtrovanie širokopásmového signálu Tento postup je nevyhnutný na očistenie signálu snímača vibrácií od potenciálnych rušivých vplyvov, ktoré sa môžu vyskytnúť na dolnej aj hornej hranici frekvenčného rozsahu zariadenia. Pre meracie zariadenie vyvažovacieho stroja sa odporúča nastaviť dolnú hranicu pásmového filtra na 2 - 3 Hz a hornú hranicu na 50 (100) Hz. "Dolná" filtrácia pomáha potlačiť nízkofrekvenčné šumy, ktoré sa môžu objaviť na výstupe rôznych typov meracích zosilňovačov snímačov. "Horná" filtrácia eliminuje možnosť rušenia spôsobeného kombinovanými frekvenciami a prípadnými rezonančnými vibráciami jednotlivých mechanických komponentov stroja.
4.3.2. Zosilnenie analógového signálu zo snímača Ak je potrebné zvýšiť citlivosť meracieho systému vyvažovačky, signály zo snímačov vibrácií na vstupe meracej jednotky sa môžu zosilniť. Možno použiť štandardné zosilňovače s konštantným zosilnením aj viacstupňové zosilňovače, ktorých zosilnenie možno programovo meniť v závislosti od skutočnej úrovne signálu zo snímača. Príkladom programovateľného viacstupňového zosilňovača sú zosilňovače implementované v prevodníkoch na meranie napätia, ako sú E154 alebo E14-140 od spoločnosti LLC "L-Card".
4.3.3. Integrácia Ako už bolo uvedené, v meracích systémoch vyvažovacích strojov sa odporúča hardvérová integrácia a/alebo dvojitá integrácia signálov zo snímačov vibrácií. Pôvodný signál akcelerometra, úmerný vibračnému zrýchleniu, sa tak môže transformovať na signál úmerný vibračnej rýchlosti (integrácia) alebo vibračnému posunutiu (dvojitá integrácia). Podobne možno signál snímača vibrootáčok po integrácii transformovať na signál úmerný vibrorozsahu.
4.3.4. Filtrovanie úzkopásmového analógového signálu pomocou sledovacieho filtra Na zníženie rušenia a zlepšenie kvality spracovania vibračného signálu v meracích systémoch vyvažovacích strojov sa môžu použiť úzkopásmové sledovacie filtre. Centrálna frekvencia týchto filtrov sa automaticky nastavuje na frekvenciu otáčania vyvažovaného rotora pomocou signálu snímača otáčania rotora. Na vytvorenie takýchto filtrov možno použiť moderné integrované obvody, ako sú MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 od spoločnosti "MAXIM".
4.3.5. Analógovo-digitálna konverzia signálov Analógovo-digitálna konverzia je kľúčový postup, ktorý zabezpečuje možnosť zlepšenia kvality spracovania vibračného signálu počas merania amplitúdy a fázy. Tento postup sa uplatňuje vo všetkých moderných meracích systémoch vyvažovacích strojov. Príkladom účinnej implementácie takýchto ADC sú prevodníky na meranie napätia typu E154 alebo E14-140 od spoločnosti LLC "L-Card", ktoré sa používajú vo viacerých meracích systémoch vyvažovacích strojov vyrábaných spoločnosťou LLC "Kinematics". Okrem toho má spoločnosť LLC "Kinematics" skúsenosti s používaním lacnejších mikroprocesorových systémov založených na radičoch "Arduino", mikrokontroléri PIC18F4620 od spoločnosti "Microchip" a podobných zariadeniach.
Autor článku : Feldman Valery Davidovich
Editor a preklad: Nikolaj Andrejevič Šelkovenko
Ospravedlňujem sa za prípadné chyby v preklade.