W niniejszym artykule przedstawiamy więcej informacji na temat akcelerometrów IEPE i ładowanych (znanych również jako mierniki przyspieszenia) oraz sposobów ich wykorzystania do pomiarów drgań w maszynach wirujących.
Istnieją różne metody pomiaru drgań, zazwyczaj realizowane za pomocą czujnika piezoelektrycznego lub akcelerometru. Akcelerometr to czujnik, który przekształca dynamiczne drgania obiektu fizycznego na napięcie. Akcelerometry są przetwornikami pełnokontaktowymi, które są bezpośrednio przymocowane do elementu, w którym spodziewane są drgania. Przykładami są łożyska kulkowe i przekładnie zębate. Ten wszechstronny czujnik może być wykorzystywany zarówno do pomiarów drgań o wysokiej, jak i niskiej częstotliwości. Zaletami akcelerometru są jego liniowość w szerokim zakresie częstotliwości oraz szeroki zakres dynamiczny.
Jak działa akcelerometr?
Większość akcelerometrów wykorzystuje efekt piezoelektryczny, co oznacza, że kryształ w czujniku wytwarza napięcie elektryczne pod wpływem nacisku. Przyspieszenie obudowy jest przenoszone na skalibrowaną masę (masę sejsmiczną), po czym na kryształ piezoelektryczny wywierany jest proporcjonalny nacisk. Napięcie zewnętrzne przyłożone do kryształu generuje opór elektryczny o wysokiej impedancji, proporcjonalny do przyłożonej siły, a zatem proporcjonalny do przyspieszenia.
Jak wybrać odpowiedni akcelerometr?
Ponieważ akcelerometry są tak wszechstronne, występują w różnych formach, rozmiarach, zakresach i innych specyficznych właściwościach. Tworząc wyobrażenie o sygnale, który ma być mierzony, w połączeniu z czynnikami środowiskowymi (takimi jak temperatura i wrażliwość na wybuchy), można rozważyć konkretne modele. Oczywiście zawsze można skontaktować się z nami w celu uzyskania porady przy wyborze odpowiedniego czujnika, ale poniżej wyjaśnimy, co należy wziąć pod uwagę.
Amplituda drgań
Maksymalna amplituda, czyli maksymalny zakres mierzonych drgań, określa wymagany zakres czujnika. Gdy drgania są mierzone za pomocą czujnika, który nie odpowiada temu zakresowi, sygnał wyjściowy staje się niewiarygodny. Zazwyczaj akcelerometry stosowane do monitorowania drgań o wysokiej częstotliwości charakteryzują się niższą czułością i masą.
Wrażliwość
Czułość jest ważnym parametrem przy wyborze odpowiedniego akcelerometru. Czułość to korelacja między drganiami a napięciem przy częstotliwości odniesienia. Dokładną czułość określa się poprzez kalibrację i zazwyczaj podaje się ją w certyfikacie kalibracji dołączonym do czujnika. Czułość zależy również od (oczekiwanej) częstotliwości. Ostatecznie konieczna jest pełna kalibracja w całym użytecznym zakresie częstotliwości, aby określić, w jaki sposób czułość koreluje z częstotliwością.
Ogólnie rzecz biorąc, akcelerometr o niskiej czułości służy do pomiaru sygnałów o dużej amplitudzie/częstotliwości, a akcelerometr o wysokiej czułości służy do pomiaru sygnałów o małej amplitudzie/niskiej częstotliwości. Kolejnym aspektem jest częstotliwość rezonansowa czujnika i można stwierdzić, że maksymalna mierzalna częstotliwość powinna zawsze być o współczynnik dwa niższa od częstotliwości rezonansowej czujnika.
Liczba osi
Jeśli chodzi o kierunek pomiaru, istnieją dwa rodzaje akcelerometrów. Najpopularniejszy akcelerometr mierzy drgania w jednym kierunku. Ten typ jest często wykorzystywany do pomiaru poziomów drgań mechanicznych w instalacjach i maszynach. Drugim typem jest akcelerometr trójosiowy. Akcelerometr ten może tworzyć trójwymiarową reprezentację przyspieszenia.
Waga
Akcelerometry muszą ważyć znacznie mniej niż monitorowana konstrukcja. Jeśli masa obiektu, do którego przymocowany jest akcelerometr, zostanie znacząco zwiększona przez czujnik, może to wpłynąć na charakterystykę drgań. Może to prowadzić do niedokładnych danych pomiarowych. Ogólnie rzecz biorąc, masa akcelerometru nie powinna przekraczać 10% masy obiektu. Dla każdego zastosowania istnieje konkretne rozwiązanie.
Montaż
Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniego akcelerometru, jest sposób montażu czujnika na powierzchni. Istnieją cztery rodzaje opcji montażu:
- Urządzenia przenośne
- Magnetyczny
- Kleje
- Mocowanie śrubowe
Mocowanie śrubowe jest zdecydowanie najlepszą metodą, ale wymaga wywiercenia otworu w maszynie, co wykonuje się tylko wtedy, gdy konieczna jest instalacja stała. Alternatywnie czujnik można przykleić, choć zapewnia to mniej skuteczne przenoszenie sygnału niż mocowanie śrubowe.
Pozostałe metody montażu są przeznaczone głównie do instalacji tymczasowych. Każda metoda montażu w pewien sposób wpływa na działanie akcelerometru. Ogólnie rzecz biorąc, im „luźniejszy” montaż, tym niższa jest mierzalna granica częstotliwości. Dodanie masy do akcelerometru, na przykład w przypadku montażu magnetycznego, obniża częstotliwość rezonansową, co może wpływać na dokładność i ograniczenia zakresu częstotliwości roboczej akcelerometru.
Czynniki środowiskowe
Przy wyborze akcelerometru należy uwzględnić czynniki środowiskowe, takie jak maksymalna temperatura pracy, narażenie na szkodliwe substancje chemiczne oraz wilgotność. Większość akcelerometrów może być stosowana w środowiskach niebezpiecznych dzięki swojej solidnej i niezawodnej konstrukcji. W celu zapewnienia dodatkowej ochrony akcelerometry przemysłowe mogą być wykonane ze stali nierdzewnej, co czyni je odpornymi na korozję i działanie substancji chemicznych.
Akcelerometr ładunkowy nadaje się do pracy w ekstremalnych temperaturach. Ponieważ akcelerometry te nie posiadają wbudowanej elektroniki, maksymalna temperatura robocza jest ograniczona jedynie przez element czujnikowy i materiały użyte do budowy. Ponieważ jednak akcelerometry te nie posiadają wbudowanego układu kondycjonowania i wzmocnienia sygnału, są wrażliwe na zakłócenia środowiskowe, co wymaga zastosowania okablowania o niskim poziomie szumów. W przypadku zbyt dużego poziomu szumów środowiskowych należy zastosować wbudowany konwerter sygnału lub czujnik IEPE z wbudowanym wzmacniaczem sygnału.
Specyfikacje dotyczące wilgotności zależą od rodzaju uszczelnienia akcelerometru. Typowe uszczelnienia są wykonane ze szkła lub żywicy epoksydowej. Większość z tych uszczelnień jest odporna na wysoki poziom wilgotności i długotrwałe narażenie na nadmierną wilgoć.
Koszt
Chociaż ceny akcelerometrów z trybem ładowania i akcelerometrów IEPE są porównywalne, akcelerometry IEPE charakteryzują się znacznie niższymi kosztami w przypadku stosowania w systemach wielokanałowych, ponieważ nie wymagają specjalnych kabli o niskim poziomie szumów ani wzmacniaczy ładunku. Ponadto akcelerometry IEPE są łatwiejsze w użyciu, ponieważ łatwiej je konserwować.
Sonda zbliżeniowa a akcelerometry
Innym rodzajem czujnika stosowanego do pomiaru drgań maszyn jest sonda zbliżeniowa, czyli czujnik odległości. W przeciwieństwie do akcelerometrów, które mierzą przyspieszenie w celu wykrycia drgań, sondy zbliżeniowe są czujnikami bezkontaktowymi, mierzącymi odległość do obiektu. Czujniki te są stosowane przede wszystkim do pomiaru drgań wału w dużych, ciężkich maszynach wirujących. Turbina parowa jest jedną z typowych maszyn, w których sondy zbliżeniowe są wykorzystywane do pomiaru drgań wału. Skupia się głównie na pomiarze drgań wału w łożysku ślizgowym. Ze względu na efekt tłumienia zapewniany przez warstwę oleju, w której umieszczony jest wał, oraz ciężką obudowę, drgania wału mogą znacznie wzrosnąć bez znaczącego zwiększenia drgań obudowy. Dlatego w takich sytuacjach lepiej jest stosować sondy zbliżeniowe, które bezpośrednio mierzą ruch wału. Często stosuje się kombinację obu rozwiązań.
