4. Balans Makineleri için Ölçüm Sistemleri
LLC "Kinematics" ile iletişime geçen çoğu amatör balans makinesi üreticisi, tasarımlarında şirketimiz tarafından üretilen "Balanset" serisi ölçüm sistemlerini kullanmayı planlamaktadır. Bununla birlikte, bu tür ölçüm sistemlerini bağımsız olarak üretmeyi planlayan bazı müşteriler de vardır. Bu nedenle, bir balans makinesi için bir ölçüm sisteminin yapımını daha ayrıntılı olarak tartışmak mantıklı olacaktır. Bu sistemler için temel gereksinim, dengelenmiş rotorun dönüş frekansında ortaya çıkan titreşim sinyalinin dönme bileşeninin genliği ve fazının yüksek hassasiyetli ölçümlerini sağlama ihtiyacıdır. Bu hedefe genellikle aşağıdakileri içeren teknik çözümlerin bir kombinasyonu kullanılarak ulaşılır:
4.1. Titreşim Sensörlerinin Seçimi
Balans makinelerinin ölçüm sistemlerinde, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli titreşim sensörleri (transdüserler) kullanılabilir:
4.1.1. Titreşim İvme Sensörleri
Titreşim ivme sensörleri arasında, Yumuşak Yatak tipi balans makinelerinde etkin bir şekilde kullanılabilen piezo ve kapasitif (çipli) ivmeölçerler en yaygın kullanılanlardır. Uygulamada, genellikle 10 ila 30 mV/(m/s²) arasında değişen dönüştürme katsayılarına (Kpr) sahip titreşim ivme sensörlerinin kullanılmasına izin verilir. Özellikle yüksek dengeleme hassasiyeti gerektiren dengeleme makinelerinde, Kpr değeri 100 mV/(m/s²) ve üzeri seviyelere ulaşan ivmeölçerlerin kullanılması tavsiye edilir. Balans makinelerinde titreşim sensörü olarak kullanılabilecek piezo ivmeölçerlere örnek olarak Şekil 4.1'de LLC "Izmeritel" tarafından üretilen DN3M1 ve DN3M1V6 piezo ivmeölçerler gösterilmektedir.
Şekil 4.1. Piezo İvmeölçerler DN 3M1 ve DN 3M1V6
Bu tür sensörleri titreşim ölçüm cihazlarına ve sistemlerine bağlamak için harici veya dahili şarj amplifikatörleri kullanmak gerekir.
Şekil 4.2. LLC "Kinematics" tarafından üretilen AD1 Kapasitif İvmeölçerler
Piyasada yaygın olarak kullanılan ADXL 345 kapasitif ivmeölçer kartlarını (bkz. Şekil 4.3) içeren bu sensörlerin piezo ivmeölçerlere göre birçok önemli avantaja sahip olduğu unutulmamalıdır. Özellikle, benzer teknik özelliklerle 4 ila 8 kat daha ucuzdurlar. Ayrıca, piezo ivmeölçerler için gerekli olan maliyetli ve hassas şarj amplifikatörlerinin kullanılmasını gerektirmezler.
Balans makinelerinin ölçüm sistemlerinde her iki tip ivmeölçerin de kullanıldığı durumlarda, sensör sinyallerinin donanım entegrasyonu (veya çift entegrasyon) genellikle gerçekleştirilir.
Şekil 4.2. Kapasitif İvmeölçerler AD 1, monte edilmiş.
Şekil 4.3. Kapasitif ivmeölçer kartı ADXL 345.
Bu durumda, titreşim ivmesi ile orantılı olan ilk sensör sinyali, titreşim hızı veya yer değiştirmesi ile orantılı bir sinyale dönüştürülür. Titreşim sinyalinin çift entegrasyon prosedürü, dengeleme sırasında alt rotor dönüş frekansı aralığının 120 rpm ve altına ulaşabildiği düşük hızlı dengeleme makinelerinin ölçüm sistemlerinin bir parçası olarak ivmeölçerler kullanıldığında özellikle önemlidir. Balans makinelerinin ölçüm sistemlerinde kapasitif ivmeölçerler kullanıldığında, entegrasyondan sonra sinyallerinin 0,5 ila 3 Hz frekans aralığında ortaya çıkan düşük frekanslı parazit içerebileceği dikkate alınmalıdır. Bu durum, bu sensörlerin kullanılması amaçlanan makinelerde balanslamanın alt frekans aralığını sınırlayabilir.
4.1.2. Titreşim Hızı Sensörleri 4.1.2.1. Endüktif Titreşim Hızı Sensörleri. Bu sensörler bir endüktif bobin ve bir manyetik çekirdek içerir. Bobin sabit bir çekirdeğe (veya çekirdek sabit bir bobine) göre titreştiğinde, bobinde voltajı sensörün hareketli elemanının titreşim hızıyla doğru orantılı olan bir EMF indüklenir. Endüktif sensörlerin dönüştürme katsayıları (Кпр) genellikle oldukça yüksektir, birkaç on hatta yüzlerce mV/mm/sn'ye ulaşır. Özellikle, Schenck model T77 sensörünün dönüşüm katsayısı 80 mV/mm/sn ve IRD Mechanalysis model 544M sensörü için 40 mV/mm/sn'dir. Bazı durumlarda (örneğin Schenck balans makinelerinde), Кпр'nin 1000 mV/mm/sn'yi aşabildiği mekanik amplifikatörlü özel yüksek hassasiyetli endüktif titreşim hızı sensörleri kullanılır. Dengeleme makinelerinin ölçüm sistemlerinde endüktif titreşim hızı sensörleri kullanılıyorsa, titreşim hızıyla orantılı elektrik sinyalinin donanım entegrasyonu da gerçekleştirilerek titreşim yer değiştirmesiyle orantılı bir sinyale dönüştürülebilir.
Şekil 4.4. IRD Mechanalysis tarafından üretilen Model 544M sensörü.
Şekil 4.5. Schenck tarafından üretilen Model T77 sensörü Üretimlerindeki emek yoğunluğu nedeniyle endüktif titreşim hızı sensörlerinin oldukça az bulunan ve pahalı ürünler olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle, bu sensörlerin bariz avantajlarına rağmen, amatör balans makinesi üreticileri bunları çok nadiren kullanmaktadır.
4.1.2.2. Piezoelektrik İvmeölçerlere Dayalı Titreşim Hızı Sensörleri. Bu tip bir sensörün standart bir piezoelektrik ivmeölçerden farkı, gövdesinde titreşim hızıyla orantılı bir sinyal vermesini sağlayan dahili bir şarj amplifikatörü ve entegratörüne sahip olmasıdır. Örneğin, yerli üreticiler (ZETLAB şirketi ve LLC "Vibropribor") tarafından üretilen piezoelektrik titreşim hızı sensörleri Şekil 4.6 ve 4.7'de gösterilmektedir.
Şekil 4.6. ZETLAB (Rusya) tarafından üretilen AV02 model sensör
Şekil 4.7. LLC "Vibropribor" tarafından DVST 2 sensör modeli Bu tür sensörler çeşitli üreticiler (hem yerli hem de yabancı) tarafından üretilmektedir ve şu anda özellikle taşınabilir titreşim ekipmanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sensörlerin maliyeti oldukça yüksektir ve yerli üreticilerden bile her biri 20.000 ila 30.000 rubleye ulaşabilir.
4.1.3. Deplasman Sensörleri Balans makinelerinin ölçüm sistemlerinde, temassız yer değiştirme sensörleri - kapasitif veya endüktif - de kullanılabilir. Bu sensörler statik modda çalışabilir ve 0 Hz'den başlayarak titreşim süreçlerinin kaydedilmesine olanak tanır. Bunların kullanımı özellikle 120 rpm ve altındaki dönüş hızlarına sahip düşük hızlı rotorların dengelenmesi durumunda etkili olabilir. Bu sensörlerin dönüştürme katsayıları 1000 mV/mm ve daha yüksek değerlere ulaşabilir, bu da ek amplifikasyon olmadan bile yer değiştirme ölçümünde yüksek doğruluk ve çözünürlük sağlar. Bu sensörlerin bariz bir avantajı, bazı yerli üreticiler için 1000 rubleyi aşmayan nispeten düşük maliyetleridir. Bu sensörleri balans makinelerinde kullanırken, sensörün hassas elemanı ile titreşen nesnenin yüzeyi arasındaki nominal çalışma boşluğunun sensör bobininin çapı ile sınırlı olduğunu dikkate almak önemlidir. Örneğin, Şekil 4.8'de gösterilen sensör için, "TEKO" tarafından ISAN E41A modeli, belirtilen çalışma boşluğu tipik olarak 3,8 ila 4 mm'dir, bu da titreşen nesnenin ±2,5 mm aralığında yer değiştirmesinin ölçülmesine izin verir.
Şekil 4.8. TEKO (Rusya) tarafından üretilen Endüktif Deplasman Sensörü Modeli ISAN E41A
4.1.4. Kuvvet Sensörleri Daha önce de belirtildiği gibi, Sert Yatak balans makinelerine monte edilen ölçüm sistemlerinde kuvvet sensörleri kullanılmaktadır. Bu sensörler, özellikle üretim kolaylığı ve nispeten düşük maliyetleri nedeniyle, genellikle piezoelektrik kuvvet sensörleridir. Bu tür sensörlerin örnekleri Şekil 4.9 ve 4.10'da gösterilmektedir.
Şekil 4.9. Kinematika LLC tarafından üretilen Kuvvet Sensörü SD 1
Şekil 4.10: "STO Market" Tarafından Satılan Otomotiv Balans Makineleri için Kuvvet Sensörü Çok çeşitli yerli ve yabancı üreticiler tarafından üretilen gerinim ölçer kuvvet sensörleri, sert yataklı balans makinelerinin mesnetlerindeki göreceli deformasyonları ölçmek için de kullanılabilir.
4.2. Faz Açısı Sensörleri Titreşim ölçüm işlemini dengeli rotorun dönüş açısı ile senkronize etmek için lazer (fotoelektrik) veya endüktif sensörler gibi faz açısı sensörleri kullanılır. Bu sensörler hem yerli hem de uluslararası üreticiler tarafından çeşitli tasarımlarda üretilmektedir. Bu sensörlerin fiyat aralığı yaklaşık 40 ila 200 dolar arasında önemli ölçüde değişebilmektedir. Bu tür bir cihaza örnek olarak şekil 4.11'de gösterilen "Diamex" tarafından üretilen faz açısı sensörü verilebilir.
Şekil 4.11: "Diamex" Faz Açısı Sensörü
Başka bir örnek olarak, Şekil 4.12'de Çin'de üretilen DT 2234C model lazer takometreleri faz açısı sensörleri olarak kullanan LLC "Kinematics" tarafından uygulanan bir model gösterilmektedir. Bu sensörün belirgin avantajları şunlardır:
Şekil 4.12: Lazer Takometre Model DT 2234C
Bazı durumlarda, optik lazer sensörlerin kullanımı herhangi bir nedenle istenmediğinde, bunlar daha önce bahsedilen ISAN E41A modeli veya diğer üreticilerin benzer ürünleri gibi endüktif temassız yer değiştirme sensörleri ile değiştirilebilir.
4.3. Titreşim Sensörlerinde Sinyal İşleme Özellikleri Dengeleme ekipmanındaki titreşim sinyalinin dönme bileşeninin genlik ve fazının hassas ölçümü için tipik olarak donanım ve yazılım işleme araçlarının bir kombinasyonu kullanılır. Bu araçlar şunları sağlar:
4.3.1. Geniş Bant Sinyal Filtreleme Bu prosedür, titreşim sensörü sinyalini cihazın frekans aralığının hem alt hem de üst sınırlarında oluşabilecek potansiyel parazitlerden arındırmak için gereklidir. Bir balans makinesinin ölçüm cihazı için bant geçiren filtrenin alt sınırının 2-3 Hz ve üst sınırının 50 (100) Hz olarak ayarlanması tavsiye edilir. "Alt" filtreleme, çeşitli sensör ölçüm amplifikatörlerinin çıkışında ortaya çıkabilecek düşük frekanslı gürültüleri bastırmaya yardımcı olur. "Üst" filtreleme, kombinasyon frekanslarından ve makinenin münferit mekanik bileşenlerinin potansiyel rezonans titreşimlerinden kaynaklanan parazit olasılığını ortadan kaldırır.
4.3.2. Sensörden Gelen Analog Sinyalin Yükseltilmesi Balans makinesinin ölçüm sisteminin hassasiyetinin artırılması gerekiyorsa, titreşim sensörlerinden ölçüm ünitesinin girişine gelen sinyaller yükseltilebilir. Hem sabit kazançlı standart amplifikatörler hem de sensörden gelen gerçek sinyal seviyesine bağlı olarak kazancı programlı olarak değiştirilebilen çok kademeli amplifikatörler kullanılabilir. Programlanabilir çok kademeli amplifikatörlere örnek olarak LLC "L-Card" tarafından E154 veya E14-140 gibi voltaj ölçüm dönüştürücülerinde uygulanan amplifikatörler verilebilir.
4.3.3. Entegrasyon Daha önce de belirtildiği gibi, dengeleme makinelerinin ölçüm sistemlerinde titreşim sensörü sinyallerinin donanım entegrasyonu ve/veya çift entegrasyonu önerilmektedir. Böylece, vibro-ivme ile orantılı ilk ivmeölçer sinyali, vibro-hız (entegrasyon) veya vibro-deplasman (çift entegrasyon) ile orantılı bir sinyale dönüştürülebilir. Benzer şekilde, entegrasyondan sonra vibro-hız sensörü sinyali vibro-deplasman ile orantılı bir sinyale dönüştürülebilir.
4.3.4. Bir İzleme Filtresi Kullanarak Analog Sinyalin Dar Bant Filtrelenmesi Balans makinelerinin ölçüm sistemlerinde paraziti azaltmak ve titreşim sinyali işleme kalitesini artırmak için dar bant izleme filtreleri kullanılabilir. Bu filtrelerin merkezi frekansı, rotorun devir sensörü sinyali kullanılarak dengelenmiş rotorun dönüş frekansına otomatik olarak ayarlanır. "MAXIM" tarafından üretilen MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 gibi modern entegre devreler bu tür filtreleri oluşturmak için kullanılabilir.
4.3.5. Sinyallerin Analogdan Dijitale Dönüştürülmesi Analogdan dijitale dönüştürme, genlik ve faz ölçümü sırasında titreşim sinyali işleme kalitesini iyileştirme imkanı sağlayan çok önemli bir prosedürdür. Bu prosedür, dengeleme makinelerinin tüm modern ölçüm sistemlerinde uygulanmaktadır. Bu tür ADC'lerin etkili bir şekilde uygulanmasına örnek olarak LLC "Kinematics" tarafından üretilen dengeleme makinelerinin çeşitli ölçüm sistemlerinde kullanılan LLC "L-Card" tarafından üretilen E154 veya E14-140 tipi voltaj ölçüm dönüştürücüleri verilebilir. Ayrıca LLC "Kinematics", "Arduino" kontrolörlerine, "Microchip" tarafından üretilen PIC18F4620 mikrodenetleyicisine ve benzer cihazlara dayanan daha ucuz mikroişlemci sistemlerini kullanma deneyimine sahiptir.
Makalenin yazarı : Feldman Valery Davidovich
Editör ve çeviri : Nikolai Andreevich Shelkovenko
Olası çeviri hataları için özür dilerim.