Pochopenie seizmických prevodníkov
A seizmický snímač — nazývaný tiež seizmický senzor alebo inerciálny snímač — je vibrácie snímač, ktorý používa vnútornú seizmickú hmotu (“proof mass”) zavesenú na pružinách alebo poddajných pružných prvkoch ako zotrvačnú referenciu, čo mu umožňuje merať absolútny pohyb základne snímača. Keď teleso vibruje, relatívny pohyb medzi zavesenou hmotou a telesom sa premieňa na elektrický signál, ktorý predstavuje vibrácie. V závislosti od toho, kde sa meracia frekvencia nachádza vzhľadom na prirodzená frekvencia, snímač pracuje v jednom z dvoch režimov: nad rezonanciou má hmota tendenciu zostať v priestore nehybná a relatívny pohyb sleduje výchylku telesa (klasický režim seizmometra a snímača rýchlosti), zatiaľ čo pod rezonanciou je malá zvyšková výchylka hmoty úmerná zrýchleniu telesa (režim akcelerometra). Určujúcou vlastnosťou je, že referencia je nesená 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 seizmická hmota zavesená vo vnútri puzdra snímača.
- Pružina: 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
To, ako sa snímač správa, úplne závisí od toho, kde leží frekvencia budenia vzhľadom na jeho vlastnú vlastnú frekvenciu — a dve hlavné rodiny snímačov zámerne pracujú na opačných stranách rezonancie:
- Pod vlastnou frekvenciou (režim akcelerometra): hmota a teleso sa pohybujú v podstate spolu a malá zvyšková výchylka hmoty je úmerná zrýchlenie. Piezoelektrické a MEMS akcelerometre tu pracujú, pod svojou vysokou montážnou rezonanciou.
- Pri vlastnej frekvencii: systém rezonuje — výstup je zosilnený, ale skreslený a nespoľahlivý, preto sa meraniu v blízkosti rezonancie vyhýbame.
- Nad vlastnou frekvenciou (režim seizmometra): hmota účinne zostáva na mieste, zatiaľ čo teleso okolo nej vibruje, a relatívny pohyb sleduje výchylka (alebo rýchlosť) telesa. Snímače výchylky typu seizmometer a rýchlostné snímače s pohyblivou cievkou tu pracujú, nad svojou nízkou vlastnou frekvenciou.
- Usable ranges: snímač rýchlosti sa zvyčajne používa nad približne 2× jeho vlastnej frekvencie, kde sa jeho odozva ustálila a je plochá; akcelerometer sa používa dostatočne pod svojou montážnou rezonanciou — typicky približne do jednej tretiny tejto hodnoty pre dobrú presnosť.
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.
- Oveľa vyššia (montážna) vlastná frekvencia, typicky 10–30 kHz.
- Na rozdiel od snímačov rýchlosti, používaných pod rezonancia: použiteľné približne od 1 Hz až po zhruba jednu tretinu frekvencie montážnej rezonancie.
- Meria zrýchlenie, ktoré možno integrovať na rýchlosť alebo posunutie.
3. Seizmické vs. neseizmické senzory
Seizmické snímače najlepšie pochopíme v porovnaní so senzormi, ktoré využívajú externý referenčný bod.
Seizmické senzory (inerciálna referencia)
- Akcelerometre a snímače rýchlosti.
- Merajú absolútny pohyb v inerciálnom priestore.
- Montujú sa priamo na vibrujúcu konštrukciu.
- Ako referenčný bod používajú vlastnú vnútornú hmotnosť.
- Najčastejšia voľba pre monitorovanie strojov.
Neseizmické senzory (externá referencia)
- Bezdotykové sondy (vírivoprúdové snímače).
- Merajú 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
Nezávislá referencia
- 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
- Snímače rýchlosti nemôžu spoľahlivo merať pod približne 2× svojej vlastnej frekvencie; najmä typy s pohyblivou cievkou reagujú pod 15–20 Hz slabo. Existuje tu prirodzený kompromis: nižšia vlastná frekvencia zlepšuje dosah v nízkych frekvenciách, ale vyžaduje väčší a ťažší snímač.
- Akcelerometre strácajú presnosť, keď sa frekvencia merania približuje ich montážnej rezonancii; praktická horná hranica (typicky približne jedna tretina montážnej rezonancie) silno závisí od spôsobu montáže (pozri ISO 5348).
- Na úplne nízkom konci je odozva akcelerometra obmedzená snímacím prvkom a elektronikou zosilňovača skôr než seizmickým zavesením — typicky približne do 0.5–1 Hz pri štandardných priemyselných jednotkách.
Meranie pohybu telesa
- 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 prevodníky, ktoré využívajú vnútornú zavesenú hmotu ako zotrvačnú referenciu, tvoria základ merania vibrácií na rotačných strojoch. Pochopenie seizmického princípu — ako zavesená hmota umožňuje meranie absolútneho pohybu a prečo snímače rýchlosti pracujú nad svojou vlastnou frekvenciou, zatiaľ čo akcelerometre pracujú pod montážnou rezonanciou — vysvetľuje silné stránky aj limity týchto dvoch ťažných koní každého priemyselného programu analýzy vibrácií.
