Pochopenie seizmických prevodníkov
A seizmický snímač — nazývaný tiež seizmický senzor alebo inerciálny snímač — je vibrácie snímač, ktorý využíva vnútornú seizmickú hmotu (tzv. „referenčnú hmotu“) zavesenú na pružinách alebo ohybných prvkoch ako inerciálny referenčný bod, čo mu umožňuje merať absolútny pohyb základne snímača. Keď telo snímača vibruje, zavesená hmotnosť má tendenciu zostať v priestore nehybná (za predpokladu, že frekvencia je vyššia ako frekvencia systému hmoty a pružiny) prirodzená frekvencia), pričom relatívny pohyb medzi pohyblivým puzdrom a takmer nehybnou hmotou sa premieňa na elektrický signál, ktorý reprezentuje vibrácie. Charakteristickým rysom je, že referenčný bod je prenášaný inside snímač, takže nie je potrebný žiadny pevný vonkajší referenčný bod.
Názov „seizmický“ pochádza z oblasti merania zemetrasení: zavesená hmotnosť seizmometra zostáva relatívne nehybná, zatiaľ čo sa zem pod ňou vlní. Pri monitorovaní strojov obidve prevodníky rýchlosti a akcelerometre sú v tomto zmysle seizmické snímače, hoci sa tento pojem najčastejšie spája s klasickým snímačom rýchlosti.
1. Princíp fungovania
Systém hmoty-pružiny-tlmiča
Každý seizmický snímač je v podstate malý mechanický oscilátor so štyrmi funkčnými časťami:
- Seismic mass: kalibrovaná kontrolná záťaž zavesená vo vnútri puzdra snímača.
- Jar: mechanické pružiny alebo tenké ohybové prvky, ktoré nesú hmotnosť.
- Tlmenie: vzduchové, magnetické (vírivé prúdy) alebo tekutinové tlmenie, ktoré potláča rezonanciu.
- Transdukcia: prvok, ktorý premieňa relatívny pohyb hmoty voči puzdru na napätie.
Oblasti frekvenčnej odozvy
Správanie senzora závisí výlučne od toho, kde sa nachádza budiaca frekvencia vo vzťahu k jeho vlastnej vlastnej frekvencii:
- Pod vlastnou frekvenciou: hmotnosť a puzdro sa pohybujú spoločne, takže dochádza len k malému relatívnemu pohybu a reakcia je slabá.
- Pri vlastnej frekvencii: systém rezonuje – výstup je zosilnený, ale skreslený a nespoľahlivý.
- Nad vlastnou frekvenciou: hmota zostáva v podstate na mieste, zatiaľ čo sa okolo nej chveje puzdro. Toto je oblasť, kde sa dajú vykonať kvalitné merania.
- Usable range: bežne sa za túto hodnotu považuje viac ako približne dvojnásobok vlastnej frekvencie, pri ktorej sa odozva ustálila a má rovný priebeh.
2. Druhy seizmických snímačov
Prevodníky rýchlosti (s pohyblivou cievkou)
- Magnet je zavesený na pružinách vnútri pevnej cievky (alebo naopak).
- Relatívna rýchlosť medzi magnetom a cievkou vytvára napätie prostredníctvom elektromagnetickej indukcie.
- Vlastná frekvencia sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 8–15 Hz.
- Použiteľné v rozsahu približne 16–30 Hz.
- Merá rýchlosť priamo, bez potreby integrácie signálu.
Akcelerometre
- Piezoelektrický Tieto typy využívajú piezoelektrický kryštál na snímanie zotrvačnej sily hmotnosti.
- Typy MEMS využívajú kapacitné alebo piezorezistívne snímanie na mikroobrábanom prvku.
- Omnoho vyššia vlastná frekvencia, zvyčajne 10–30 kHz.
- Použiteľné od približne 1 Hz nahor.
- Meria zrýchlenie, ktoré možno integrovať na rýchlosť alebo posunutie.
3. Seizmické vs. neseizmické senzory
Senzory na meranie seizmických vĺn najlepšie pochopíme v porovnaní so senzormi, ktoré využívajú externý referenčný signál.
Seizmické senzory (inerciálna referencia)
- Akcelerometre a snímače rýchlosti.
- Zmerajte absolútny pohyb v inerciálnom priestore.
- Namontujte priamo na vibrujúcu konštrukciu.
- Ako referenčnú hodnotu použite ich vlastnú vnútornú hmotnosť.
- Najčastejšia voľba pre monitorovanie strojov.
Neseizmické senzory (externá referencia)
- Bezdotykové sondy (vírivoprúdové snímače).
- Zmerajte relatívny pohyb medzi dvoma povrchmi.
- Je potrebný pevný montážny bod, z ktorého sa bude pozorovať.
- Zvyčajne sa meria pohyb hriadeľa vo vzťahu k ložisku.
- Norma pre meranie vibrácií hriadeľa na strojoch s klzné ložiská.
4. Výhody seizmického projektovania
Samostatný odkaz
- Nie je potrebný žiadny vonkajší referenčný rámec.
- Senzor je možné namontovať takmer kdekoľvek na vibrujúcej konštrukcii.
- Uvádza skutočný absolútny pohyb v inerciálnom priestore.
Všestrannosť
- Jeden typ senzora pokrýva širokú škálu použití.
- Hodí sa ako na dočasné prieskumy, tak aj na trvalé inštalácie.
- Ľahko prenosné z jedného zariadenia na druhé.
Práve vďaka tejto univerzálnosti sa na ne spoliehajú prenosné prístroje. Dvojkanálový Balanset-1Anapríklad získava údaje z akcelerometrov upevnených na ložiskových puzdrách – ide o seizmické senzory s vlastným referenčným bodom, ktoré nepotrebujú pevný referenčný bod, takže inžinier sa môže rýchlo pohybovať medzi meracími bodmi a strojmi, pričom sa na mieste udržuje v rovnováhe.
5. Obmedzenia
Obmedzenia frekvenčnej odozvy
- Pod hodnotou približne dvojnásobku vlastnej frekvencie nie je možné vykonávať spoľahlivé merania.
- Najmä snímače rýchlosti s pohyblivou cievkou majú slabú odozvu pri frekvenciách pod 15–20 Hz.
- Existuje tu neodmysliteľný kompromis: nižšia vlastná frekvencia poskytuje lepší dosah v nízkych frekvenciách, vyžaduje však väčší a ťažší senzor.
Opatrenia na bývanie
- Senzor zaznamenáva pohyb puzdra ložiska, nie priamo hriadeľa.
- Vibrácie skrine nie sú to isté ako vibrácie hriadeľa – sú tlmené tuhosťou ložísk a okolitej konštrukcie.
- Ak záleží na skutočnej dráhe hriadeľa, je potrebné použiť snímače priblíženia.
6. Aplikácie
Monitorovanie stavu strojov
- Meranie vibrácií puzdra ložiska.
- Celkový vývoj vibrácií.
- Bearing-defect detection.
- Všeobecná diagnostika rotačných strojov.
Štrukturálne vibrácie
- Merania vibrácií budov a základov.
- Seizmické monitorovanie zemetrasení.
- Vibrácie prenášané zemou, ktoré vyžarujú stroje.
Modálna analýza
- Meranie reakcie konštrukcie na kalibrovaný náraz.
- Determining prirodzené frekvencie a tvary módu.
- Building the funkcie frekvenčnej odozvy used in modálna analýza.
Seizmické snímače, ktoré využívajú vnútornú zavesenú hmotu ako inerciálny referenčný bod, tvoria základ merania vibrácií na rotujúcich strojoch. Pochopenie seizmického princípu – ako zavesená hmotnosť umožňuje meranie absolútneho pohybu a prečo je toto meranie platné len nad vlastnou frekvenciou snímača – vysvetľuje nielen silné stránky, ale aj obmedzenia akcelerometrov a snímačov rýchlosti, dvoch základných pilierov každého priemyselného programu analýzy vibrácií.
