Förstå seismiska givare
A seismisk givare — även kallad seismisk sensor eller tröghetsgivare — är en vibrationer en sensor som använder en inbyggd seismisk massa (en ”referensmassa”) upphängd i fjädrar eller böjliga element som tröghetsreferens, vilket gör det möjligt att mäta den absoluta rörelsen hos sensorns bas. När höljet vibrerar tenderar den upphängda massan att förbli stilla i rymden (förutsatt att frekvensen ligger över mass-fjäder-systemets naturlig frekvens), och den relativa rörelsen mellan det rörliga höljet och den nästan stillastående massan omvandlas till en elektrisk signal som återger vibrationen. Det utmärkande draget är att referensen bärs inside sensorn, vilket innebär att ingen fast extern referenspunkt behövs.
Namnet ”seismisk” har sitt ursprung i jordbävningsmätning: en seismometers upphängda massa förblir relativt stilla medan marken skakar under den. Vid maskinövervakning är båda hastighetsgivare och accelerometrar är i denna mening seismiska givare, även om termen oftast förknippas med den klassiska hastighetsgivaren.
1. Funktionsprincip
Massfjäderdämparsystem
Varje seismisk givare är i grunden en liten mekanisk oscillator med fyra funktionella delar:
- Seismic mass: en kalibrerad provmassa som är upphängd inuti sensorns hölje.
- Fjädra: mekaniska fjädrar eller tunna böjliga element som bär upp massan.
- Dämpning: luftdämpning, magnetisk dämpning (virvelströmsdämpning) eller vätskedämpning som dämpar resonansen.
- Transduktion: den komponent som omvandlar den relativa rörelsen mellan massan och höljet till en spänning.
Frekvensresponsregioner
Hur sensorn beter sig beror helt på var drivfrekvensen ligger i förhållande till dess egenfrekvens:
- Under egenfrekvensen: Massa och hölje rör sig i takt, vilket innebär att den relativa rörelsen är liten och responsen dålig.
- Vid egenfrekvens: systemet resonerar – utsignalen förstärks men blir förvrängd och opålitlig.
- Över egenfrekvensen: massan förblir i princip stilla medan höljet vibrerar runt den. Detta är det område där mätningen fungerar bäst.
- Användbart område: som vanligtvis definieras som mer än ungefär två gånger den egna frekvensen, där svaret har stabiliserats och är plant.
2. Typer av seismiska givare
Hastighetsgivare (rörlig spole)
- En magnet är upphängd i fjädrar inuti en fast spole (eller tvärtom).
- Den relativa hastigheten mellan magneten och spolen alstrar en spänning genom elektromagnetisk induktion.
- Egenfrekvensen ligger vanligtvis mellan 8 och 15 Hz.
- Kan användas vid frekvenser på ungefär 16–30 Hz.
- Mäter hastigheten direkt utan att någon signalintegrering krävs.
Accelerometrar
- Piezoelektrisk Dessa typer använder en piezokristall för att avkänna massans tröghetskraft.
- MEMS-typerna använder kapacitiv eller piezoresistiv avkänning på ett mikromaskinerat element.
- Mycket högre egenfrekvens, vanligtvis 10–30 kHz.
- Kan användas från cirka 1 Hz och uppåt.
- Mäter acceleration, som kan integreras till hastighet eller förskjutning.
3. Seismiska sensorer kontra icke-seismiska sensorer
Den seismiska sensorfamiljen förstås bäst genom jämförelse med sensorer som är beroende av en extern referens.
Seismiska sensorer (tröghetsreferens)
- Accelerometrar och hastighetsgivare.
- Mäter absolut rörelse i inertialrummet.
- Monteras direkt på den vibrerande konstruktionen.
- Har sin egen inre massa som referens.
- Det vanligaste valet för maskinövervakning.
Icke-seismiska sensorer (extern referens)
- Närhetssonder (virvelströmsgivare).
- Mäter relativ rörelse mellan två ytor.
- Kräver en fast monteringspunkt att utgå ifrån.
- Mäter vanligtvis axelns rörelse i förhållande till lagret.
- Standard för mätning av axelvibrationer på maskiner med glidlager.
4. Fördelarna med den seismiska konstruktionen
Fristående referens
- Det behövs inget externt referenssystem.
- Sensorn kan monteras nästan var som helst på en vibrerande konstruktion.
- Den återger den verkliga absoluta rörelsen i inertialrummet.
Mångsidighet
- En enda sensortyp täcker ett stort antal användningsområden.
- Passar både till tillfälliga mätningar och permanenta installationer.
- Lätt att flytta mellan olika maskiner.
Det är just denna mångsidighet som gör att bärbara instrument bygger på dem. Den tvåkanaliga Balanset-la, hämtar till exempel sina mätvärden från accelerometrar som är fastsatta på lagerhusen – självrefererande seismiska sensorer som inte behöver någon fast referenspunkt, vilket gör att en ingenjör snabbt kan förflytta sig mellan mätpunkter och maskiner samtidigt som han eller hon balanserar på plats.
5. Begränsningar
Frekvensresponsbegränsningar
- Det går inte att göra tillförlitliga mätningar under ungefär två gånger den egna frekvensen.
- Särskilt hastighetsgivare av typen ”moving-coil” har dålig respons under 15–20 Hz.
- Det finns en inneboende avvägning: en lägre egenfrekvens ger bättre täckning i de lägre frekvenserna, men kräver en större och tyngre sensor.
Mäter lagerhusets rörelse
- Sensorn registrerar rörelsen hos lagerhuset, inte direkt hos axeln.
- Husvibrationer är inte detsamma som axelvibrationer – de filtreras av lagrets styvhet och den omgivande konstruktionen.
- När det är den faktiska axelbanan som är avgörande krävs istället närhetssensorer.
6. Tillämpningar
Övervakning av maskinernas tillstånd
- Vibrationsmätningar på lagerhus.
- Trendövervakning av totalvibration.
- Bearing-defect detection.
- Allmän diagnostik av roterande maskiner.
Strukturell vibration
- Undersökningar av vibrationer i byggnader och fundament.
- Seismisk övervakning av jordbävningar.
- Markvibrationer som avges från maskiner.
Modalanalys
- Mätning av en konstruktions reaktion på en kalibrerad stöt.
- Determining naturliga frekvenser och lägesformer.
- Building the frekvensresponsfunktioner used in modalanalys.
Seismiska givare, som använder en inbyggd upphängd massa som tröghetsreferens, utgör grunden för vibrationsmätning på roterande maskiner. Att förstå den seismiska principen – hur en upphängd massa möjliggör mätning av absolut rörelse, och varför denna mätning endast är giltig över sensorns egenfrekvens – förklarar både styrkorna och begränsningarna hos accelerometrar och hastighetsgivare, de två stöttepelarna i varje industriellt vibrationsanalysprogram.
