Розуміння сейсмічних перетворювачів
A сейсмічний датчик — який також називають сейсмічним датчиком або інерційним перетворювачем — це вібрація датчик, який використовує внутрішню сейсмічну масу (“proof mass”), підвішену на пружинах або податливих елементах, як інерційну опору, що дає змогу вимірювати абсолютний рух основи датчика. Коли корпус вібрує, відносний рух між підвішеною масою та корпусом перетворюється на електричний сигнал, який представляє вібрацію. Залежно від того, де частота вимірювання розташована відносно власна частота, датчик працює в одному з двох режимів: вище резонансу маса прагне залишатися нерухомою в просторі, а відносний рух відповідає переміщенню корпуса (класичний режим сейсмометра та вібродатчика швидкості), тоді як нижче резонансу невелике залишкове відхилення маси пропорційне прискоренню корпуса (режим акселерометра). Визначальною особливістю є те, що опорна маса розміщена inside датчик, тому фіксована зовнішня точка відліку не потрібна.
Назва «сейсмічний» походить від приладів для вимірювання землетрусів: підвішена маса сейсмометра залишається відносно нерухомою, тоді як земля під нею коливається. У моніторингу обладнання обидва датчики швидкості і акселерометри у цьому сенсі є сейсмічними перетворювачами, хоча цей термін найчастіше асоціюється з класичним датчиком швидкості.
1. Принцип дії
Система «маса-пружина-демпфер»
Кожен сейсмічний перетворювач — це, по суті, невеликий механічний осцилятор, що складається з чотирьох функціональних частин:
- Seismic mass: відкалібрований еталонний вантаж, підвішений усередині корпусу датчика.
- Пружина: механічні пружини або тонкі гнучкі елементи, що підтримують масу.
- Демпфування: повітряне, магнітне (вихрострумове) або рідинне демпфірування, яке пригнічує резонанс.
- Трансдукція: елемент, який перетворює відносний рух маси відносно корпусу на напругу.
Області частотної характеристики
Поведінка датчика повністю залежить від того, де частота збудження розташована відносно його власної частоти — і дві основні родини датчиків навмисно працюють по різні боки резонансу:
- Нижче власної частоти (режим акселерометра): маса та корпус рухаються практично разом, а невелике залишкове відхилення маси пропорційне прискорення. Тут працюють п'єзоелектричні та MEMS акселерометри, нижче свого високого резонансу в установленому стані.
- При власній частоті: система входить у резонанс — вихідний сигнал підсилюється, але спотворюється і стає ненадійним, тому вимірювання поблизу резонансу уникають.
- Вище власної частоти (режим сейсмометра): маса фактично залишається на місці, тоді як корпус вібрує навколо неї, а відносний рух відповідає зміщення (або швидкості) корпуса. Тут працюють сейсмометри переміщення та вібродатчики швидкості з рухомою котушкою, вище своєї низької власної частоти.
- Usable ranges: вібродатчик швидкості зазвичай використовують вище приблизно 2× його власної частоти, де його характеристика вже усталилася і є рівною; акселерометр використовують значно нижче його резонансу в установленому стані — як правило, до приблизно однієї третини цього значення для доброї точності.
2. Типи сейсмічних датчиків
Датчики швидкості (з рухомою котушкою)
- Магніт підвішений на пружинах усередині нерухомої котушки (або навпаки).
- Відносна швидкість між магнітом і котушкою створює напругу за рахунок електромагнітної індукції.
- Власна частота зазвичай становить 8–15 Гц.
- Придатний для використання в діапазоні частот приблизно від 16 до 30 Гц.
- Вимірює швидкість безпосередньо, без необхідності інтегрування сигналу.
Акселерометри
- П’єзоелектричний У таких типах для вимірювання інерційної сили маси використовується п'єзокристал.
- У пристроях типу MEMS використовується ємнісне або п'єзорезистивне зондування на мікромеханічному елементі.
- Значно вища власна частота (в установленому стані), зазвичай 10–30 kHz.
- На відміну від вібродатчиків швидкості, що використовуються нижче резонанс: придатний приблизно від 1 Hz до близько однієї третини частоти резонансу в установленому стані.
- Вимірює прискорення, яке можна інтегрувати до швидкості або переміщення.
3. Сейсмічні та несейсмічні датчики
Найкраще зрозуміти принцип роботи сейсмічних датчиків можна на прикладі порівняння з датчиками, що використовують зовнішнє еталонне джерело.
Сейсмічні датчики (інерційні опорні)
- Акселерометри та датчики швидкості.
- Вимірюють абсолютний рух в інерційному просторі.
- Монтуються безпосередньо на вібруючу конструкцію.
- Мають власну внутрішню масу як систему відліку.
- Найпопулярніший вибір для моніторингу обладнання.
Несейсмічні датчики (зовнішній еталон)
- Датчики наближення (вихрострумові датчики).
- Виміряти відносний рух між двома поверхнями.
- Потрібна стаціонарна точка кріплення, з якої можна спостерігати.
- Зазвичай вимірюють переміщення вала відносно підшипника.
- Стандарт щодо вимірювання вібрації валів на машинах з підшипники ковзання.
4. Переваги сейсмічної конструкції
Автономний еталон
- Зовнішня система відліку не потрібна.
- Датчик можна встановити практично в будь-якому місці на конструкції, що вібрує.
- Він відображає справжній абсолютний рух в інерційній системі відліку.
Універсальність
- Один тип датчика підходить для широкого спектра застосувань.
- Підходить як для тимчасових вимірювань, так і для постійних установок.
- Легко переноситься з одного пристрою на інший.
Саме завдяки цій універсальності їх так часто використовують у портативних приладах. Двоканальний Balanset-1A, наприклад, отримує дані від акселерометрів, закріплених на корпусах підшипників — це самореферентні сейсмічні датчики, які не потребують фіксованої системи відліку, тож інженер може швидко переміщатися між точками вимірювання та машинами, виконуючи балансування безпосередньо на місці.
5. Limitations
Обмеження частотної характеристики
- Вібродатчики швидкості не можуть надійно вимірювати нижче приблизно 2× їхньої власної частоти; типи з рухомою котушкою, зокрема, погано працюють нижче 15–20 Hz. Тут існує неминучий компроміс: нижча власна частота дає кращий вихід на низькі частоти, але вимагає більшого та важчого датчика.
- Акселерометри втрачають точність, коли частота вимірювання наближається до їхнього резонансу в установленому стані; практична верхня межа (зазвичай близько однієї третини цього резонансу) сильно залежить від способу монтажу (див. ISO 5348).
- На дуже низьких частотах відгук акселерометра обмежується чутливим елементом та електронікою підсилювача, а не сейсмічною підвіскою — зазвичай приблизно до 0.5–1 Hz для стандартних промислових виконань.
Вимірювання руху корпусу
- Датчик фіксує рух корпусу підшипника, а не безпосередньо вала.
- Вібрація корпусу — це не те саме, що вібрація вала: вона фільтрується жорсткістю підшипників та навколишньою конструкцією.
- Коли важливою є справжня орбіта вала, натомість потрібні датчики наближення.
6. Застосування
Моніторинг стану машин
- Вимірювання вібрації корпусу підшипника.
- Загальна динаміка вібрації.
- Bearing-defect виявлення.
- Загальна діагностика обертового обладнання.
Структурна вібрація
- Дослідження вібрації будівель та фундаментів.
- Сейсмічний моніторинг землетрусів.
- Вібрація, що передається по ґрунту від машин.
Модальний аналіз
- Вимірювання реакції конструкції на калібрований удар.
- Determining власні частоти і форми режиму.
- Building the функції частотної характеристики used in модальний аналіз.
Сейсмічні перетворювачі, які використовують внутрішню підвішену масу як інерційну опору, лежать в основі вимірювання вібрації обертових машин. Розуміння сейсмічного принципу — того, як підвішена маса забезпечує вимірювання абсолютного руху, і чому вібродатчики швидкості працюють вище своєї власної частоти, а акселерометри — нижче свого резонансу в установленому стані, — пояснює як сильні сторони, так і обмеження цих двох основних інструментів будь-якої промислової програми аналізу вібрації.
