4. Merilni sistemi za balansirne stroje
Večina ljubiteljskih proizvajalcev balansirnih strojev, ki se obrnejo na podjetje LLC "Kinematics", namerava v svojih projektih uporabiti merilne sisteme serije "Balanset", ki jih proizvaja naše podjetje. Vendar so tudi nekatere stranke, ki nameravajo take merilne sisteme izdelati samostojno. Zato je smiselno podrobneje obravnavati izdelavo merilnega sistema za balansirni stroj. Glavna zahteva za te sisteme je potreba po zagotavljanju zelo natančnih meritev amplitude in faze rotacijske komponente vibracijskega signala, ki se pojavi pri frekvenci vrtenja uravnoteženega rotorja. Ta cilj se običajno doseže z uporabo kombinacije tehničnih rešitev, ki vključujejo:
4.1. Izbira senzorjev vibracij
V merilnih sistemih balansirnih strojev se lahko uporabljajo različne vrste senzorjev vibracij (pretvornikov), vključno z:
4.1.1. Senzorji pospeška vibracij
Med senzorji pospeška vibracij se najpogosteje uporabljajo piezoelektrični in kapacitivni (čip) merilniki pospeška, ki jih je mogoče učinkovito uporabljati v strojih za uravnoteženje tipa Soft Bearing. V praksi je na splošno dovoljeno uporabljati senzorje pospeška vibracij s pretvorbenimi koeficienti (Kpr) od 10 do 30 mV/(m/s²). Pri strojih za uravnoteženje, ki zahtevajo posebno visoko natančnost uravnoteženja, je priporočljivo uporabiti senzorje pospeška s Kpr, ki dosegajo vrednosti 100 mV/(m/s²) in več. Kot primer piezoakcelerometrov, ki se lahko uporabljajo kot senzorji vibracij za balansirne stroje, so na sliki 4.1 prikazani piezoakcelerometri DN3M1 in DN3M1V6, ki jih proizvaja družba LLC "Izmeritel".
Slika 4.1. Piezoakcelerometri DN 3M1 in DN 3M1V6
Za povezavo takih senzorjev z instrumenti in sistemi za merjenje vibracij je treba uporabiti zunanje ali vgrajene ojačevalnike naboja.
Slika 4.2. Kapacitivni merilniki pospeška AD1, ki jih proizvaja družba LLC "Kinematics"
Opozoriti je treba, da imajo ti senzorji, med katerimi so tudi na trgu pogosto uporabljene plošče kapacitivnih merilnikov pospeška ADXL 345 (glej sliko 4.3), več pomembnih prednosti pred piezoelektričnimi merilniki pospeška. Zlasti so od 4- do 8-krat cenejši ob podobnih tehničnih značilnostih. Poleg tega ne potrebujejo dragih in zahtevnih ojačevalnikov naboja, ki so potrebni za piezoelektrične pospeškometre.
Kadar se v merilnih sistemih balansirnih strojev uporabljata obe vrsti merilnikov pospeška, se običajno izvede strojna integracija (ali dvojna integracija) signalov senzorjev.
Slika 4.2. Kapacitivni pospeškomeri AD 1, sestavljeni.
Slika 4.3. Kapacitivni merilnik pospeška ADXL 345.
V tem primeru se začetni signal senzorja, ki je sorazmeren z vibracijskim pospeškom, ustrezno pretvori v signal, ki je sorazmeren z vibracijsko hitrostjo ali premikom. Postopek dvojne integracije vibracijskega signala je zlasti pomemben pri uporabi merilnikov pospeška kot dela merilnih sistemov za izravnalne stroje z nizko hitrostjo, kjer lahko spodnji frekvenčni razpon vrtenja rotorja med izravnavo doseže 120 vrtljajev na minuto in manj. Pri uporabi kapacitivnih merilnikov pospeška v merilnih sistemih balansirnih strojev je treba upoštevati, da lahko njihovi signali po integraciji vsebujejo nizkofrekvenčne motnje, ki se kažejo v frekvenčnem območju od 0,5 do 3 Hz. To lahko omeji spodnje frekvenčno območje uravnoteženja na strojih, namenjenih uporabi teh senzorjev.
4.1.2. Senzorji hitrosti vibracij 4.1.2.1. Induktivni senzorji hitrosti vibracij. Ti senzorji vključujejo induktivno tuljavo in magnetno jedro. Ko tuljava vibrira glede na mirujoče jedro (ali jedro glede na mirujočo tuljavo), se v tuljavi inducira EMF, katerega napetost je neposredno sorazmerna s hitrostjo vibriranja gibljivega elementa senzorja. Pretvorbeni koeficienti (Кпр) induktivnih senzorjev so običajno precej visoki in dosegajo več deset ali celo več sto mV/mm/sek. Konverzijski koeficient senzorja Schenck, model T77, je 80 mV/mm/s, senzor IRD Mechanalysis, model 544M, pa 40 mV/mm/s. V nekaterih primerih (na primer v Schenckovih izravnalnih strojih) se uporabljajo posebni zelo občutljivi induktivni senzorji hitrosti vibracij z mehanskim ojačevalnikom, pri katerih lahko Kпр preseže 1000 mV/mm/sek. Če se v merilnih sistemih izravnalnih strojev uporabljajo induktivni senzorji hitrosti vibracij, se lahko izvede tudi strojna integracija električnega signala, ki je sorazmeren s hitrostjo vibracij, in se pretvori v signal, ki je sorazmeren s premikom vibracij.
Slika 4.4. Senzor modela 544M podjetja IRD Mechanalysis.
Slika 4.5. Senzor modela T77 podjetja Schenck Opozoriti je treba, da so induktivni senzorji hitrosti vibracij zaradi delovne intenzivnosti njihove proizvodnje precej redki in dragi izdelki. Zato jih kljub očitnim prednostim teh senzorjev ljubiteljski proizvajalci balansirnih strojev uporabljajo zelo redko.
4.1.2.2. Senzorji hitrosti vibracij na osnovi piezoelektričnih akcelerometrov. Senzor te vrste se od standardnega piezoelektričnega merilnika pospeška razlikuje po tem, da ima v ohišju vgrajen ojačevalnik naboja in integrator, ki mu omogočata oddajanje signala, sorazmernega s hitrostjo tresljajev. Na slikah 4.6 in 4.7 sta na primer prikazana piezoelektrična senzorja hitrosti vibracij, ki ju izdelujejo domači proizvajalci (podjetje ZETLAB in LLC "Vibropribor").
Slika 4.6. Model senzorja AV02 podjetja ZETLAB (Rusija)
Slika 4.7. Model senzorja DVST 2 podjetja LLC "Vibropribor" Takšne senzorje izdelujejo različni proizvajalci (domači in tuji) in se trenutno pogosto uporabljajo, zlasti v prenosni vibracijski opremi. Stroški teh senzorjev so precej visoki in lahko dosežejo 20.000 do 30.000 rubljev za vsakega, tudi pri domačih proizvajalcih.
4.1.3. Senzorji premikanja V merilnih sistemih balansirnih strojev se lahko uporabljajo tudi brezkontaktni senzorji premikanja - kapacitivni ali induktivni. Ti senzorji lahko delujejo v statičnem načinu in omogočajo registracijo vibracijskih procesov od 0 Hz naprej. Njihova uporaba je lahko še posebej učinkovita pri uravnoteženju nizkohitrostnih rotorjev s hitrostjo vrtenja 120 vrtljajev na minuto in manj. Pretvorbeni koeficienti teh senzorjev lahko dosežejo 1000 mV/mm in več, kar zagotavlja visoko natančnost in ločljivost pri merjenju premikov, tudi brez dodatnega ojačanja. Očitna prednost teh senzorjev je njihova razmeroma nizka cena, ki pri nekaterih domačih proizvajalcih ne presega 1000 rubljev. Pri uporabi teh senzorjev v strojih za uravnoteženje je treba upoštevati, da je nazivna delovna vrzel med občutljivim elementom senzorja in površino vibrirajočega predmeta omejena s premerom tuljave senzorja. Na primer, za senzor, prikazan na sliki 4.8, model ISAN E41A podjetja "TEKO", je določena delovna vrzel običajno 3,8 do 4 mm, kar omogoča merjenje premika vibrirajočega predmeta v območju ±2,5 mm.
Slika 4.8. Induktivni senzor premikanja model ISAN E41A podjetja TEKO (Rusija)
4.1.4. Senzorji sile Kot je bilo že omenjeno, se senzorji sile uporabljajo v merilnih sistemih, nameščenih na strojih za uravnoteženje trdih ležajev. Ti senzorji, zlasti zaradi preproste izdelave in relativno nizkih stroškov, so običajno piezoelektrični senzorji sile. Primeri takih senzorjev so prikazani na slikah 4.9 in 4.10.
Slika 4.9. Senzor sile SD 1 podjetja Kinematika LLC
Slika 4.10: Senzor sile za avtomobilske balansirne stroje, ki ga prodaja "STO Market" Za merjenje relativnih deformacij v nosilcih strojev za uravnoteženje trdih ležajev se lahko uporabljajo tudi tenzometrični senzorji sile, ki jih izdelujejo številni domači in tuji proizvajalci.
4.2. Senzorji faznega kota Za sinhronizacijo postopka merjenja vibracij s kotom vrtenja uravnoteženega rotorja se uporabljajo senzorji faznega kota, kot so laserski (fotoelektrični) ali induktivni senzorji. Te senzorje v različnih izvedbah izdelujejo domači in mednarodni proizvajalci. Cenovni razpon teh senzorjev je lahko zelo različen, od približno 40 do 200 dolarjev. Primer take naprave je senzor faznega kota, ki ga proizvaja podjetje "Diamex" in je prikazan na sliki 4.11.
Slika 4.11: Senzor faznega kota podjetja Diamex
Na sliki 4.12 je prikazan model, ki ga je izvedla družba LLC "Kinematics", ki kot senzorje faznega kota uporablja laserske tahometre modela DT 2234C, izdelane na Kitajskem. Očitne prednosti tega senzorja so:
Slika 4.12: Laserski tahometer, model DT 2234C
V nekaterih primerih, ko je uporaba optičnih laserskih senzorjev iz katerega koli razloga nezaželena, jih je mogoče nadomestiti z induktivnimi brezkontaktnimi senzorji premikanja, kot je prej omenjeni model ISAN E41A ali podobni izdelki drugih proizvajalcev.
4.3. Funkcije obdelave signalov v senzorjih vibracij Za natančno merjenje amplitude in faze rotacijske komponente vibracijskega signala v balansirni opremi se običajno uporablja kombinacija strojnih in programskih orodij za obdelavo. Ta orodja omogočajo:
4.3.1. Širokopasovno filtriranje signalov Ta postopek je bistvenega pomena za čiščenje signala senzorja vibracij od morebitnih motenj, ki se lahko pojavijo na spodnji in zgornji meji frekvenčnega območja naprave. Za merilno napravo balansirnega stroja je priporočljivo nastaviti spodnjo mejo tračnega filtra na 2-3 Hz in zgornjo mejo na 50 (100) Hz. "Spodnje" filtriranje pomaga zatreti nizkofrekvenčne šume, ki se lahko pojavijo na izhodu različnih vrst senzorskih merilnih ojačevalnikov. "Zgornje" filtriranje odpravlja možnost motenj zaradi kombiniranih frekvenc in morebitnih resonančnih vibracij posameznih mehanskih sestavnih delov stroja.
4.3.2. Ojačanje analognega signala iz senzorja Če je treba povečati občutljivost merilnega sistema balansirnega stroja, lahko signale iz senzorjev vibracij na vhodu merilne enote ojačate. Uporabijo se lahko tako standardni ojačevalniki s konstantnim ojačanjem kot tudi večstopenjski ojačevalniki, katerih ojačenje se lahko programsko spreminja glede na dejansko raven signala iz senzorja. Primer programabilnega večstopenjskega ojačevalnika so ojačevalniki, ki so vgrajeni v pretvornike za merjenje napetosti, kot sta E154 ali E14-140, ki jih uporablja LLC "L-Card".
4.3.3. Integracija Kot je bilo že omenjeno, je v merilnih sistemih balansirnih strojev priporočljiva strojna integracija in/ali dvojna integracija signalov senzorjev vibracij. Tako se lahko začetni signal merilnika pospeška, ki je sorazmeren z vibracijskim pospeškom, pretvori v signal, ki je sorazmeren z vibracijsko hitrostjo (integracija) ali vibracijskim pomikom (dvojna integracija). Podobno se lahko signal senzorja vibrohitrosti po integraciji pretvori v signal, ki je sorazmeren z vibroodmikom.
4.3.4. Ozkopasovno filtriranje analognega signala s sledilnim filtrom Za zmanjšanje motenj in izboljšanje kakovosti obdelave vibracijskih signalov v merilnih sistemih balansirnih strojev se lahko uporabljajo ozkopasovni sledilni filtri. Osrednja frekvenca teh filtrov se samodejno nastavi na frekvenco vrtenja uravnoteženega rotorja z uporabo signala senzorja vrtenja rotorja. Za izdelavo takih filtrov se lahko uporabijo sodobna integrirana vezja, kot so MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 podjetja "MAXIM".
4.3.5. Analogno-digitalno pretvarjanje signalov Analogno-digitalna pretvorba je ključni postopek, ki zagotavlja možnost izboljšanja kakovosti obdelave vibracijskega signala med merjenjem amplitude in faze. Ta postopek se izvaja v vseh sodobnih merilnih sistemih balansirnih strojev. Primer učinkovitega izvajanja takih ADC so pretvorniki za merjenje napetosti tipa E154 ali E14-140 podjetja LLC "L-Card", ki se uporabljajo v več merilnih sistemih izravnalnih strojev podjetja LLC "Kinematics". Poleg tega ima družba LLC "Kinematics" izkušnje z uporabo cenejših mikroprocesorskih sistemov, ki temeljijo na krmilnikih "Arduino", mikrokrmilniku PIC18F4620 podjetja "Microchip" in podobnih napravah.
Avtor članka : Feldman Valery Davidovich
Urednik in prevajalec: Nikolaj Andrejevič Šelkovenko
Opravičujem se za morebitne napake v prevodu.