4. Measurement Systems for Balancing Machines
Most amateur manufacturers of balancing machines, who contact LLC “Kinematics”, plan to use the “Balanset” series measurement systems manufactured by our company in their designs. However, there are also some customers who plan to manufacture such measuring systems independently. Therefore, it makes sense to discuss the construction of a measuring system for a balancing machine in more detail. The main requirement for these systems is the need to provide high-precision measurements of the amplitude and phase of the rotational component of the vibrational signal, which appears at the rotation frequency of the balanced rotor. This goal is usually achieved by using a combination of technical solutions, including:
4.1. Selection of Vibration Sensors
In the measurement systems of balancing machines, various types of vibration sensors (transducers) can be used, including:
4.1.1. Vibration Acceleration Sensors
Among vibration acceleration sensors, piezo and capacitive (chip) accelerometers are the most widely used, which can be effectively used in Soft Bearing type balancing machines. In practice, it is generally permissible to use vibration acceleration sensors with conversion coefficients (Kpr) ranging from 10 to 30 mV/(m/s²). In balancing machines that require particularly high balancing accuracy, it is advisable to use accelerometers with Kpr reaching levels of 100 mV/(m/s²) and above. As an example of piezo accelerometers that can be used as vibration sensors for balancing machines, Figure 4.1 shows the DN3M1 and DN3M1V6 piezo accelerometers manufactured by LLC “Izmeritel”.
Figure 4.1. Piezo Accelerometers DN 3M1 and DN 3M1V6
To connect such sensors to vibration measuring instruments and systems, it is necessary to use external or built-in charge amplifiers.
Figure 4.2. Capacitive Accelerometers AD1 Manufactured by LLC “Kinematics”
It should be noted that these sensors, which include widely used market boards of capacitive accelerometers ADXL 345 (see Figure 4.3), have several significant advantages over piezo accelerometers. Specifically, they are 4 to 8 times cheaper with similar technical characteristics. Moreover, they do not require the use of costly and finicky charge amplifiers needed for piezo accelerometers.
In cases where both types of accelerometers are used in the measurement systems of balancing machines, hardware integration (or double integration) of the sensor signals is usually performed.
Figure 4.2. Capacitive Accelerometers AD 1, assembled.
Figure 4.3. Capacitive accelerometer board ADXL 345.
In this case, the initial sensor signal, proportional to vibrational acceleration, is accordingly transformed into a signal proportional to vibrational velocity or displacement. The procedure of double integration of the vibration signal is particularly relevant when using accelerometers as part of the measuring systems for low-speed balancing machines, where the lower rotor rotation frequency range during balancing can reach 120 rpm and below. When using capacitive accelerometers in the measuring systems of balancing machines, it should be considered that after integration, their signals may contain low-frequency interference, manifesting in the frequency range from 0.5 to 3 Hz. This may limit the lower frequency range of balancing on machines intended to use these sensors.
4.1.2. Vibration Velocity Sensors 4.1.2.1. Inductive Vibration Velocity Sensors. These sensors include an inductive coil and a magnetic core. When the coil vibrates relative to a stationary core (or the core relative to a stationary coil), an EMF is induced in the coil, the voltage of which is directly proportional to the vibration velocity of the movable element of the sensor. The conversion coefficients (Кпр) of inductive sensors are usually quite high, reaching several tens or even hundreds of mV/mm/sec. In particular, the conversion coefficient of the Schenck model T77 sensor is 80 mV/mm/sec, and for the IRD Mechanalysis model 544M sensor, it is 40 mV/mm/sec. In some cases (for example, in Schenck balancing machines), special highly sensitive inductive vibration velocity sensors with a mechanical amplifier are used, where Кпр can exceed 1000 mV/mm/sec. If inductive vibration velocity sensors are used in the measuring systems of balancing machines, hardware integration of the electrical signal proportional to vibration velocity can also be performed, converting it into a signal proportional to vibration displacement.
Figure 4.4. Model 544M sensor by IRD Mechanalysis.
Figure 4.5. Model T77 sensor by Schenck It should be noted that due to the labor intensity of their production, inductive vibration velocity sensors are quite scarce and expensive items. Therefore, despite the obvious advantages of these sensors, amateur manufacturers of balancing machines use them very rarely.
4.1.2.2. Vibration Velocity Sensors Based on Piezoelectric Accelerometers. A sensor of this type differs from a standard piezoelectric accelerometer by having a built-in charge amplifier and integrator within its housing, which allows it to output a signal proportional to vibration velocity. For example, piezoelectric vibration velocity sensors manufactured by domestic producers (ZETLAB company and LLC “Vibropribor”) are shown in Figures 4.6 and 4.7.
Figure 4.6. Model AV02 sensor by ZETLAB (Russia)
Figure 4.7. Model DVST 2 sensor by LLC “Vibropribor” Such sensors are manufactured by various producers (both domestic and foreign) and are currently widely used, especially in portable vibration equipment. The cost of these sensors is quite high and can reach 20,000 to 30,000 rubles each, even from domestic manufacturers.
4.1.3. Displacement Sensors In the measurement systems of balancing machines, non-contact displacement sensors – capacitive or inductive – can also be used. These sensors can operate in static mode, allowing the registration of vibrational processes starting from 0 Hz. Their use can be particularly effective in the case of balancing low-speed rotors with rotation speeds of 120 rpm and below. The conversion coefficients of these sensors can reach 1000 mV/mm and higher, which provides high accuracy and resolution in measuring displacement, even without additional amplification. An obvious advantage of these sensors is their relatively low cost, which for some domestic manufacturers does not exceed 1000 rubles. When using these sensors in balancing machines, it is important to consider that the nominal working gap between the sensor’s sensitive element and the surface of the vibrating object is limited by the diameter of the sensor coil. For example, for the sensor shown in Figure 4.8, model ISAN E41A by “TEKO,” the specified working gap is typically 3.8 to 4 mm, which allows for the measurement of displacement of the vibrating object in the range of ±2.5 mm.
Figure 4.8. Inductive Displacement Sensor Model ISAN E41A by TEKO (Russia)
4.1.4. Force Sensors As previously noted, force sensors are used in the measurement systems installed on Hard Bearing balancing machines. These sensors, particularly due to their simplicity of manufacture and relatively low cost, are commonly piezoelectric force sensors. Examples of such sensors are shown in Figures 4.9 and 4.10.
Figure 4.9. Force Sensor SD 1 by Kinematika LLC
Figure 4.10: Force Sensor for Automotive Balancing Machines, Sold by “STO Market” Strain gauge force sensors, which are manufactured by a wide range of domestic and foreign producers, can also be used to measure relative deformations in the supports of Hard Bearing balancing machines.
4.2. Phase Angle Sensors For synchronizing the vibration measurement process with the rotation angle of the balanced rotor, phase angle sensors, such as laser (photoelectric) or inductive sensors, are used. These sensors are manufactured in various designs by both domestic and international producers. The price range for these sensors can vary significantly, from approximately 40 to 200 dollars. An example of such a device is the phase angle sensor manufactured by “Diamex,” shown in figure 4.11.
Figure 4.11: Phase Angle Sensor by “Diamex”
As another example, Figure 4.12 shows a model implemented by LLC “Kinematics”, which uses laser tachometers of the DT 2234C model made in China as phase angle sensors. The obvious advantages of this sensor include:
Figure 4.12: Laser Tachometer Model DT 2234C
Trong một số trường hợp, khi việc sử dụng cảm biến laser quang học là không mong muốn vì bất kỳ lý do gì, chúng có thể được thay thế bằng cảm biến dịch chuyển không tiếp xúc cảm ứng, chẳng hạn như mẫu ISAN E41A đã đề cập trước đó hoặc các sản phẩm tương tự của các nhà sản xuất khác.
4.3. Tính năng xử lý tín hiệu trong cảm biến rung Để đo chính xác biên độ và pha của thành phần quay của tín hiệu rung trong thiết bị cân bằng, người ta thường sử dụng kết hợp các công cụ xử lý phần cứng và phần mềm. Những công cụ này cho phép:
4.3.1. Lọc tín hiệu băng thông rộng Quy trình này rất cần thiết để làm sạch tín hiệu cảm biến rung khỏi các nhiễu tiềm ẩn có thể xảy ra ở cả giới hạn dưới và giới hạn trên của dải tần số của thiết bị. Thiết bị đo của máy cân bằng nên đặt giới hạn dưới của bộ lọc thông dải thành 2-3 Hz và giới hạn trên thành 50 (100) Hz. Bộ lọc “Thấp hơn” giúp ngăn chặn tiếng ồn tần số thấp có thể xuất hiện ở đầu ra của nhiều loại bộ khuếch đại đo cảm biến khác nhau. Bộ lọc “trên” loại bỏ khả năng nhiễu do tần số kết hợp và các rung động cộng hưởng tiềm ẩn của các bộ phận cơ khí riêng lẻ của máy.
4.3.2. Khuếch đại tín hiệu tương tự từ cảm biến Nếu có nhu cầu tăng độ nhạy cho hệ thống đo của máy cân bằng, các tín hiệu từ cảm biến rung đến đầu vào của thiết bị đo có thể được khuếch đại. Có thể sử dụng cả bộ khuếch đại tiêu chuẩn có mức tăng không đổi và bộ khuếch đại nhiều tầng, có mức tăng có thể được thay đổi theo chương trình tùy thuộc vào mức tín hiệu thực từ cảm biến. Một ví dụ về bộ khuếch đại nhiều tầng có thể lập trình bao gồm các bộ khuếch đại được triển khai trong các bộ chuyển đổi đo điện áp như E154 hoặc E14-140 của LLC “L-Card”.
4.3.3. Hội nhập Như đã lưu ý trước đó, nên tích hợp phần cứng và/hoặc tích hợp kép các tín hiệu cảm biến rung trong hệ thống đo của máy cân bằng. Do đó, tín hiệu gia tốc kế ban đầu, tỷ lệ thuận với gia tốc rung, có thể được chuyển đổi thành tín hiệu tỷ lệ với tốc độ rung (tích hợp) hoặc độ dịch chuyển rung (tích hợp kép). Tương tự, tín hiệu cảm biến tốc độ rung sau khi tích hợp có thể được chuyển thành tín hiệu tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển rung.
4.3.4. Lọc băng thông hẹp của tín hiệu tương tự bằng bộ lọc theo dõi Để giảm nhiễu và cải thiện chất lượng xử lý tín hiệu rung trong hệ thống đo của máy cân bằng, có thể sử dụng các bộ lọc theo dõi băng hẹp. Tần số trung tâm của các bộ lọc này được tự động điều chỉnh theo tần số quay của rôto cân bằng bằng tín hiệu cảm biến vòng quay của rôto. Các mạch tích hợp hiện đại, chẳng hạn như MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 của “MAXIM”, có thể được sử dụng để tạo các bộ lọc như vậy.
4.3.5. Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số Chuyển đổi tương tự sang số là một quy trình quan trọng đảm bảo khả năng cải thiện chất lượng xử lý tín hiệu rung trong quá trình đo biên độ và pha. Quy trình này được thực hiện trong tất cả các hệ thống đo lường hiện đại của máy cân bằng. Một ví dụ về việc triển khai hiệu quả các ADC như vậy bao gồm bộ chuyển đổi đo điện áp loại E154 hoặc E14-140 của LLC “L-Card”, được sử dụng trong một số hệ thống đo của máy cân bằng do LLC “Kinematics” sản xuất. Ngoài ra, LLC “Kinematics” có kinh nghiệm sử dụng các hệ thống vi xử lý rẻ hơn dựa trên bộ điều khiển “Arduino”, bộ vi điều khiển PIC18F4620 của “Microchip” và các thiết bị tương tự.
Author of the article : Feldman Valery Davidovich
Biên tập và dịch thuật: Nikolai Andreevich Shelkovenko
Tôi xin lỗi vì những lỗi dịch có thể xảy ra.
VI 
EN 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
EL 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UK 
HI