4. Mätsystem för balanseringsmaskiner
De flesta amatörtillverkare av balanseringsmaskiner, som kontaktar LLC "Kinematics", planerar att använda mätsystemen i "Balanset"-serien som tillverkas av vårt företag i sina konstruktioner. Det finns dock även kunder som planerar att tillverka sådana mätsystem på egen hand. Därför är det meningsfullt att diskutera konstruktionen av ett mätsystem för en balanseringsmaskin mer i detalj. Huvudkravet för dessa system är behovet av att tillhandahålla högprecisionsmätningar av amplitud och fas för rotationskomponenten i vibrationssignalen, som visas vid rotationsfrekvensen för den balanserade rotorn. Detta mål uppnås vanligtvis genom att använda en kombination av tekniska lösningar, inklusive:
4.1. Val av vibrationssensorer
I mätsystemen för balanseringsmaskiner kan olika typer av vibrationsgivare (transducers) användas, t.ex:
4.1.1. Sensorer för vibrationsacceleration
Bland vibrationsaccelerationssensorer är piezo- och kapacitiva (chip) accelerometrar de mest använda, vilka kan användas effektivt i balanseringsmaskiner med mjuka lager. I praktiken är det i allmänhet tillåtet att använda vibrationsaccelerationsgivare med omvandlingskoefficienter (Kpr) på mellan 10 och 30 mV/(m/s²). I balanseringsmaskiner som kräver särskilt hög balanseringsnoggrannhet är det tillrådligt att använda accelerometrar med Kpr som når nivåer på 100 mV/(m/s²) och högre. Som exempel på piezoaccelerometrar som kan användas som vibrationsgivare för balanseringsmaskiner, visar figur 4.1 piezoaccelerometrarna DN3M1 och DN3M1V6 tillverkade av LLC "Izmeritel".
Bild 4.1. Piezo-accelerometrar DN 3M1 och DN 3M1V6
För att ansluta sådana sensorer till vibrationsmätinstrument och system är det nödvändigt att använda externa eller inbyggda laddningsförstärkare.
Bild 4.2. Kapacitiva accelerometrar AD1 tillverkade av LLC "Kinematics"
Det bör noteras att dessa sensorer, som inkluderar de på marknaden allmänt använda korten med kapacitiva accelerometrar ADXL 345 (se figur 4.3), har flera betydande fördelar jämfört med piezoaccelerometrar. De är t.ex. 4 till 8 gånger billigare med liknande tekniska egenskaper. Dessutom behöver man inte använda de kostsamma och känsliga laddningsförstärkare som krävs för piezoaccelerometrar.
I de fall där båda typerna av accelerometrar används i balanseringsmaskinernas mätsystem utförs vanligtvis hårdvaruintegration (eller dubbelintegration) av sensorsignalerna.
Figur 4.2. Kapacitiva accelerometrar AD 1, monterade.
Bild 4.3. Kort med kapacitiv accelerometer ADXL 345.
I detta fall omvandlas den ursprungliga sensorsignalen, som är proportionell mot vibrationsaccelerationen, till en signal som är proportionell mot vibrationshastigheten eller förskjutningen. Förfarandet med dubbel integrering av vibrationssignalen är särskilt relevant när accelerometrar används som en del av mätsystemen för balanseringsmaskiner med låg hastighet, där det lägre rotorrotationsfrekvensområdet under balansering kan nå 120 varv per minut och lägre. Vid användning av kapacitiva accelerometrar i mätsystem för balanseringsmaskiner bör man beakta att deras signaler efter integrering kan innehålla lågfrekventa störningar som uppträder i frekvensområdet 0,5 till 3 Hz. Detta kan begränsa det lägre frekvensområdet för balansering på maskiner som är avsedda att använda dessa sensorer.
4.1.2. Sensorer för vibrationshastighet 4.1.2.1. Induktiva vibrationshastighetsgivare. Dessa sensorer består av en induktiv spole och en magnetisk kärna. När spolen vibrerar i förhållande till en stationär kärna (eller kärnan i förhållande till en stationär spole) induceras en EMF i spolen, vars spänning är direkt proportionell mot vibrationshastigheten hos det rörliga elementet i sensorn. Omvandlingskoefficienterna (Кпр) för induktiva sensorer är vanligtvis ganska höga och når flera tiotals eller till och med hundratals mV/mm/sek. Omvandlingskoefficienten för Schencks sensor modell T77 är 80 mV/mm/sek och för IRD Mechanalysis sensor modell 544M är den 40 mV/mm/sek. I vissa fall (t.ex. i Schenck balanseringsmaskiner) används speciella högkänsliga induktiva vibrationshastighetssensorer med en mekanisk förstärkare, där Кпр kan överstiga 1000 mV/mm/sek. Om induktiva vibrationshastighetssensorer används i mätsystem för balanseringsmaskiner, kan hårdvaruintegration av den elektriska signal som är proportionell mot vibrationshastigheten också utföras, vilket omvandlar den till en signal som är proportionell mot vibrationsförskjutningen.
Bild 4.4. Modell 544M sensor från IRD Mekananalys.
Bild 4.5. Modell T77 sensor av Schenck Det bör noteras att på grund av arbetsintensiteten i deras produktion är induktiva vibrationshastighetssensorer ganska knappa och dyra föremål. Därför, trots de uppenbara fördelarna med dessa sensorer, använder amatörtillverkare av balanseringsmaskiner dem mycket sällan.
4.1.2.2. Vibrationshastighetssensorer baserade på piezoelektriska accelerometrar. En sensor av denna typ skiljer sig från en vanlig piezoelektrisk accelerometer genom att ha en inbyggd laddningsförstärkare och integrator i sitt hölje, vilket gör att den kan avge en signal som är proportionell mot vibrationshastigheten. Till exempel visas piezoelektriska vibrationshastighetssensorer som tillverkas av inhemska tillverkare (ZETLAB-företaget och LLC "Vibropribor") i figurerna 4.6 och 4.7.
Bild 4.6. Modell AV02 sensor från ZETLAB (Ryssland)
Figur 4.7. Modell DVST 2 sensor från LLC "Vibropribor" Sådana sensorer tillverkas av olika tillverkare (både inhemska och utländska) och används för närvarande i stor utsträckning, särskilt i bärbar vibrationsutrustning. Kostnaden för dessa sensorer är ganska hög och kan uppgå till 20 000 till 30 000 rubel styck, även från inhemska tillverkare.
4.1.3. Sensorer för förskjutning I mätsystemen för balanseringsmaskiner kan även beröringsfria förskjutningsgivare - kapacitiva eller induktiva - användas. Dessa sensorer kan arbeta i statiskt läge, vilket möjliggör registrering av vibrationsprocesser från 0 Hz. Deras användning kan vara särskilt effektiv vid balansering av lågvarviga rotorer med rotationshastigheter på 120 varv/min och lägre. Omvandlingskoefficienterna för dessa sensorer kan uppgå till 1000 mV/mm och högre, vilket ger hög noggrannhet och upplösning vid mätning av förskjutning, även utan ytterligare förstärkning. En uppenbar fördel med dessa sensorer är deras relativt låga kostnad, som för vissa inhemska tillverkare inte överstiger 1000 rubel. Vid användning av dessa sensorer i balanseringsmaskiner är det viktigt att tänka på att det nominella arbetsgapet mellan sensorns känsliga element och ytan på det vibrerande objektet begränsas av diametern på sensorspolen. För den sensor som visas i figur 4.8, modell ISAN E41A från "TEKO", är det specificerade arbetsavståndet typiskt 3,8 till 4 mm, vilket möjliggör mätning av förskjutningen av det vibrerande objektet i intervallet ±2,5 mm.
Figur 4.8. Induktiv förskjutningssensor Induktiv förskjutningssensor modell ISAN E41A från TEKO (Ryssland)
4.1.4. Kraftgivare Som tidigare nämnts används kraftsensorer i de mätsystem som är installerade på balanseringsmaskiner för hårda lager. Dessa sensorer, särskilt på grund av deras enkla tillverkning och relativt låga kostnad, är vanligen piezoelektriska kraftsensorer. Exempel på sådana givare visas i figurerna 4.9 och 4.10.
Bild 4.9. Kraftsensor SD 1 från Kinematika LLC
Figur 4.10: Kraftsensor för balanseringsmaskiner för fordon, säljs av "STO Market" Kraftgivare med trådtöjningsgivare, som tillverkas av ett stort antal inhemska och utländska tillverkare, kan också användas för att mäta relativa deformationer i stöden på balanseringsmaskiner för hårda lager.
4.2. Sensorer för fasvinkel För att synkronisera vibrationsmätprocessen med rotationsvinkeln hos den balanserade rotorn används fasvinkelsensorer, såsom laser (fotoelektriska) eller induktiva sensorer. Dessa sensorer tillverkas i olika utföranden av både inhemska och internationella tillverkare. Prisintervallet för dessa sensorer kan variera avsevärt, från cirka 40 till 200 dollar. Ett exempel på en sådan anordning är fasvinkelsensorn som tillverkas av "Diamex" och visas i figur 4.11.
Figur 4.11: Fasvinkelsensor från "Diamex"
Som ett annat exempel visar figur 4.12 en modell som implementerats av LLC "Kinematics", som använder laservarvräknare av modellen DT 2234C tillverkade i Kina som fasvinkelsensorer. De uppenbara fördelarna med denna sensor är bl.a:
Figur 4.12: Laser-drevmätare modell DT 2234C
I vissa fall, när användningen av optiska lasersensorer av någon anledning inte är önskvärd, kan de ersättas med induktiva beröringsfria förskjutningssensorer, såsom den tidigare nämnda ISAN E41A-modellen eller liknande produkter från andra tillverkare.
4.3. Funktioner för signalbehandling i vibrationssensorer För exakt mätning av amplitud och fas hos vibrationssignalens rotationskomponent i balanseringsutrustning används vanligtvis en kombination av hård- och mjukvaruverktyg. Dessa verktyg möjliggör:
4.3.1. Filtrering av bredbandssignaler Denna procedur är nödvändig för att rensa vibrationsgivarens signal från potentiella störningar som kan uppstå vid både den nedre och övre gränsen av enhetens frekvensområde. För mätinstrumentet på en balanseringsmaskin är det lämpligt att ställa in den nedre gränsen för bandpassfiltret till 2-3 Hz och den övre gränsen till 50 (100) Hz. "Nedre" filtrering hjälper till att dämpa lågfrekventa ljud som kan förekomma vid utgången från olika typer av sensormätförstärkare. "Övre" filtrering eliminerar risken för störningar på grund av kombinationsfrekvenser och potentiella resonansvibrationer hos enskilda mekaniska komponenter i maskinen.
4.3.2. Förstärkning av den analoga signalen från sensorn Om det finns behov av att öka känsligheten i balanseringsmaskinens mätsystem, kan signalerna från vibrationsgivarna till mätenhetens ingång förstärkas. Både standardförstärkare med konstant förstärkning och flerstegsförstärkare, vars förstärkning kan ändras programmatiskt beroende på den verkliga signalnivån från sensorn, kan användas. Ett exempel på en programmerbar flerstegsförstärkare inkluderar förstärkare implementerade i spänningsmätningsomvandlare som E154 eller E14-140 av LLC "L-Card".
4.3.3. Integration Som tidigare nämnts rekommenderas hårdvaruintegration och/eller dubbelintegration av vibrationssensorsignaler i mätsystem för balanseringsmaskiner. Således kan den ursprungliga accelerometersignalen, som är proportionell mot vibroaccelerationen, omvandlas till en signal som är proportionell mot vibrohastigheten (integration) eller vibroförskjutningen (dubbelintegration). På samma sätt kan vibrohastighetssensorns signal efter integration omvandlas till en signal som är proportionell mot vibroförskjutningen.
4.3.4. Smalbandsfiltrering av den analoga signalen med hjälp av ett spårningsfilter För att minska störningar och förbättra kvaliteten på vibrationssignalbehandlingen i mätsystemen på balanseringsmaskiner kan smalbandiga spårningsfilter användas. Centralfrekvensen för dessa filter anpassas automatiskt till rotationsfrekvensen för den balanserade rotorn med hjälp av rotorns varvtalssensorsignal. Moderna integrerade kretsar, som MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 från "MAXIM", kan användas för att skapa sådana filter.
4.3.5. Analog-till-digital omvandling av signaler Analog-till-digital omvandling är en avgörande procedur som säkerställer möjligheten att förbättra kvaliteten på vibrationssignalbehandlingen under mätningen av amplitud och fas. Denna procedur är implementerad i alla moderna mätsystem för balanseringsmaskiner. Ett exempel på effektiv implementering av sådana ADCs inkluderar spänningsmätningsomvandlarna typ E154 eller E14-140 från LLC "L-Card", som används i flera mätsystem för balanseringsmaskiner tillverkade av LLC "Kinematics". Dessutom har LLC "Kinematics" erfarenhet av att använda billigare mikroprocessorsystem baserade på "Arduino" styrenheter, PIC18F4620 mikrokontroller från "Microchip" och liknande enheter.
Artikelns författare : Feldman Valerij Davidovitj
Redaktör och översättning: Nikolai Andreevich Shelkovenko
Jag ber om ursäkt för eventuella översättningsfel.