Vad är en accelerometer? En guide för vibrationsanalys
En accelerometer är en givare (eller sensor) som omvandlar mekanisk rörelse — närmare bestämt acceleration som uppstår genom vibrationer eller stötar — till en proportionell elektrisk signal. Det är den absolut vanligaste sensorn inom prediktivt underhåll och tillståndsövervakning. Genom att mäta hur snabbt hastigheten förändras vid en viss punkt på en maskin levererar en accelerometer rådata som gör det möjligt för en analytiker att diagnostisera ett brett spektrum av mekaniska och elektriska fel — från lagerdefekter till obalans och feljustering.
1. Definition: Grunden för vibrationsmätning
Acceleration är den naturliga storheten att mäta på roterande maskiner, eftersom de dynamiska krafter som skadar en maskin – centrifugalkraft från en tung punkt, stötar från en skadad lagerring – är proportionella mot accelerationen. En accelerometer reagerar direkt på dessa krafter, vilket är anledningen till att den utgör hjärtat i nästan alla moderna vibrationsanalysator och datainsamlare.
En av accelerometerns praktiska fördelar är att dess accelerationssignal kan integreras elektroniskt integrerad once to give hastighet (mm/s), och två gånger för att ge förflyttning (µm). En enda, korrekt monterad givare täcker därför alla tre klassiska vibrationsenheterna, vilket gör att analytikern kan välja den som bäst avslöjar ett visst fel.
2. Hur fungerar accelerometrar? Den piezoelektriska principen
Även om det finns flera olika fysikaliska principer, bygger den överväldigande majoriteten av de accelerometrar som används i industrimaskiner på piezoelektrisk effekt. Arbetsgången är enkel:
- Piezoelektrisk kristall: Inuti sensorn är en liten seismisk massa fäst vid en piezoelectric element – vanligtvis ett keramiskt material som PZT, eller i högkvalitativa sensorer en precisionsslipad kvartskristall.
- Påförande av kraft: När maskinen vibrerar rör sig höljet med den. På grund av trögheten motverkar den inre massan denna rörelse och utövar en kraft på kristallen – som enligt Newtons andra lag är lika med massan gånger accelerationen.
- Att generera en signal: En piezoelektrisk kristall som utsätts för en kraft alstrar en liten elektrisk laddning som är direkt proportionell mot den pålagda kraften, och därmed mot accelerationen.
- Utgång: Den inbyggda elektroniken bearbetar denna signal och vidarebefordrar den via en kabel till en datainsamlare eller ett övervakningssystem som en analog återgivning av accelerationen vid den aktuella punkten.
Hur denna laddning bearbetas definierar två vanliga typer. En charge-output sensorn överför den råa laddningen till en extern laddningsförstärkare och tål mycket höga temperaturer. I industrin är det betydligt vanligare med IEPE (or voltage-mode) av den typen där förstärkaren är inbyggd i sensorn och ger ut en spänning med låg impedans som överförs väl via vanlig tvåtrådskabel. De mest robusta konstruktionerna använder en shear konstruktion som skyddar kristallen mot böjning av basen och termiska svängningar.
3. Olika typer av accelerometrar
Olika tillämpningar kräver olika sensorer, var och en med sina egna fördelar.
Allmänna accelerometrar
Dessa är arbetshästarna inom industriell övervakning. De erbjuder vanligtvis en känslighet på 100 mV/g och ett frekvensområde som passar de flesta vanliga maskiner, såsom pumpar, motorer och fläktar – ungefär 2 Hz till 10 kHz.
MEMS-accelerometrar
Accelerometrar av typen mikroelektromekaniska system (MEMS) är kiselbaserade, mycket små, strömsnåla och kostnadseffektiva. Även om de historiskt sett varit mindre känsliga än piezoelektriska modeller, utvecklas moderna MEMS-enheter snabbt och är vanliga i bärbar elektronik, fordonssystem, trådlös övervakning noder och kostnadseffektiva system för tillståndsövervakning.
Piezoresistiva accelerometrar
Dessa sensorer används för stötsprovning och lågfrekventa rörelser och reagerar ända ner till 0 Hz (likströmsacceleration), vilket gör dem användbara för att mäta den konstanta accelerationen i en centrifug eller ett fordons långsamma rörelse.
Högfrekventa accelerometrar
Dessa sensorer är utformade för att upptäcka högfrekventa händelser, såsom begynnande skador på kugghjul och lager. De utnyttjar en mindre seismisk massa och en högre resonansfrekvens, vilket möjliggör noggranna mätningar upp till 20 kHz eller högre – ett område där tekniker som enveloppanalys och chockpulsmetoden live.
4. Viktiga specifikationer och val
När ingenjörer väljer en accelerometer väger de in flera parametrar:
- Känslighet (mV/g): Högre känslighet ger en starkare utsignal, vilket är bättre för att registrera svaga vibrationer; 100 mV/g är den vanliga industristandarden.
- Frekvensrespons: Det intervall inom vilket sensorn ger korrekta mätvärden. Det måste täcka det förväntade felfrekvenser på maskinen, med en god marginal under sensorns egen egenfrekvens (resonansfrekvens).
- Temperaturintervall: Sensorn måste tåla yttemperaturen på den plats där den monteras; en temperaturgivare placeras ofta på samma plats för samordnad övervakning.
- Monteringsmetod: Hur sensorn fästs – med skruv, lim eller magnet – har stor inverkan på noggrannheten vid höga frekvenser. Vid skruvmontering ISO 5348 ger bästa koppling och bredast användbar bandbredd; en magnet är praktisk vid ruttmätning men sänker den övre frekvensgränsen. Dålig montering kan leda till en felaktig monteringsresonans som maskerar sig som ett maskinfel.
Du kan beräkna hur mycket bandbredd en viss bilaga tar i anspråk med hjälp av Accelerometermonteringsresonanskalkylator innan du bestämmer dig för ett monteringssätt.
5. Tillämpningar inom tillståndsövervakning
Accelerometrar ligger till grund för nästan alla vibrationsanalys uppgift, bland annat:
- Program för förebyggande underhåll: samla in rutinmässiga uppgifter om en rutt för att övervaka maskinernas tillstånd och förutse fel.
- Feldiagnos: upptäcka obalans, felinriktning, glapp och slitage på lager from the vibrationsspektrum.
- Acceptanstestning: kontrollera att nya eller reparerade maskiner uppfyller vibrationskraven, till exempel ISO 20816 (den moderna efterföljaren till ISO 10816).
- Modalanalys: studying the naturliga frekvenser och lägesformer hos en struktur.
Fältbalansering är ett av de mest krävande av dessa arbeten, eftersom det kräver både amplitud och den fas av den vibration som uppträder en gång per varv. Ett bärbart tvåkanalsinstrument såsom Balanset-1A tar sina två accelerometrar och låser dem till en varvräknare pulsen och mäter 1×-amplituden och fasen direkt i maskinens egna lager vid driftshastighet – vilket omvandlar accelerometerns råsignal till de influenskoefficienter och korrigeringsvikter som krävs för att balansera rotorn på plats.
