Избор на решение за вибрационен мониторинг

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2/2022 • 11.04.2022

  • Вибрациите могат да бъдат представени под различни форми, включително изместване, честота и ускорение

  • Важен фактор при избора на сензор е каква чувствителност към изменения ще бъде целесъобразна за даденото приложение

  • Когато става въпрос за защита на машини и съоръжения, най-ефективният начин е цялостна интегрирана система за наблюдение на състоянието

Вибрациите са физическо явление, което се проявява в работещи въртящи се машини и движещи се конструкции, независимо от тяхното състояние. Вибрациите могат да бъдат предизвикани от различни източници, включително въртящи се валове, зацепващи зъбни колела, търкалящи се лагерни елементи, електрическо поле, потоци флуиди, изгаряне, структурен резонанс и ъглови завъртания. Поради своята повсеместност, вибрациите са много добър метод за изследване на работните условия и състоянието на машини и конструкции.

Всяка машина има свой собствен вибрационен почерк, а промените във вибрационния й модел сочат за потенциални неизправности. Сензорите за вибрации могат да открият кога и как вибрациите в машината се променят. Тези данни за мониторинг на вибрациите се анализират, за да помогнат на екипите по поддръжка да планират и приоритизират своята работа. Налични са множество видове сензори за вибрации с опции за много приложения.

Вибрациите могат да бъдат представени под различни форми, включително изместване, честота и ускорение. Изместването описва разстоянието, на което точката на измерване се е преместила; скоростта описва честотата на движението; и ускорението се разбира от само себе си. Всичките три характеристики са широко използвани, по-специално ускорението, което се прилага широко за динамичен анализ на неизправности.

 

Фактори при избора на система за мониторинг на вибрациите

Вибрациите може да се измерват с няколко вида сензори според принципа им на работа. Въз основа на вида вибрации има сензори, предназначени за измерване на изместването, скоростта и ускорението, с различни техники на измерване, като пиезоелектрични (PZT) сензори, микроелектромеханични сензори (MEMS), сензори за близост, лазерен доплеров виброметър и много други.

Първото решение при избора на система за мониторинг, което потребителят трябва да вземе, е дали иска непрекъснато да наблюдава нивата на вибрации на машината или предпочита да извършва мониторинг и анализ на редовни интервали.
Когато става въпрос за защита на машини и съоръжения, най-ефективният метод е цялостна интегрирана система за наблюдение на състоянието. За този тип инсталация са по-подходящи акселерометри с DC изход.

Този тип акселерометър генерира мощност, пропорционална на скоростта или ускорението в диапазона от 4 – 20 mА. Това означава, че може да се използва с повечето PLC за непрекъснат мониторинг на оборудването. Разбира се, това може да се разшири и до задействане на автоматично изключване на всяка машина, ако е необходимо.

Следващото нещо, което трябва да се има предвид, са честотните характеристики на акселерометъра. Честотните характеристики на повечето сензори за вибрации с общо предназначение (както AC, така и DC) започват от малко под 1 Hz. Това ги прави подходящи за повечето индустриални приложения.
Въпреки това, ако се измерват вибрации в голяма конструкция, са необходими специални нискочестотни сензори, които могат да измерват до DC (0 Hz). Горната граница на акселерометър с общо предназначение обикновено е около 12 kHz. Ако трябва да се направят измервания над тази граница, се предлагат устройства със специално предназначение за честоти до 40 kHz.

След това трябва да се реши с каква чувствителност към изменения е целесъобразно да бъде сензорът.
Например, един конкретен модел акселерометър има работен обхват от ±80 g, но се предлага с различна чувствителност. Да предположим, че се използва устройство, което има работен обхват от ±80 g и чувствителност 100 mV/g. При пълен работен обхват този сензор ще изведе -8V~+8V, с промяна на ускорението от 1 g, съответстваща на промяна от 100 mV. Ако този сензор ще се използва само за наблюдение на вибрации от около ±8 g, тогава може да се окаже, че това не е достатъчно. В такъв случай e много по-добре да се избере акселерометър с чувствителност 1 V.

Изходният сигнал на акселерометъра в обхват 4 – 20 mA може да бъде свързан или към PLC, или към обикновен дисплей/контролер, така че при откриване на отклонение от нормалния вибрационен модел да се подаде аларма.
В приложения, в които се налага по-задълбочен анализ на състоянието на машината, се препоръчва използването на сензор за вибрации с два стандартни изхода 4 – 20 mA за вибрационен сигнал и изследване на формата на вълната при приложения с променлив ток. Сигналът може да се използва за мониторинг от PLC, а може да се използва например и за изключване на мотор на вентилатора, за да се предотвратят щети.

Формата на вълната на вибрациите в променливотокови приложения може да се изследва с анализатор с бърза трансформация на Фурие (Fast Fourier Transform – FFT), за да се видят различните честотни компоненти. Някои аномалии, като повреда на лагер например, ще генерират честоти, много по-високи от обичайната скорост на въртене. Ако сачмен лагер има 36 сачми в него, честотният компонент на повредена сачма ще бъде изходен вибрационен сигнал с хармоничен компонент, 36 пъти по-голям от основната честота на въртене. Въпреки че може да не увеличи много крайната амплитуда, което означава, че със сигнала 4 – 20 mA няма да установи голяма разлика, анализът на вибрационната вълна с FFT анализатор ще разкрие отклонението.

 

Сензорни технологии за мониторинг на вибрациите

Най-често срещаните акселерометри за променлив ток функционират на базата на пиезоелектрични елементи. Пиезоелектричните сензори за вибрации улавят промените във физическите параметри или сили. Приложената сила генерира електрически заряд, който след това се преобразува в измерими електрически сигнали.

Пиезосензорите за вибрации улавят изключително точно вибрационните изменения и са достатъчно здрави, за да издържат на тежка индустриална среда. Тези качества ги правят изключително популярен избор за индустриални приложения за следене на вибрации. Те работят много добре в широк диапазон от температури, имат компактни размери и висока чувствителност на изменения. Техен недостатък обаче е, че те имат по-висока консумация на енергия от някои други видове сензори за вибрации.

По-голямата част от пиезоелектричните сензори са базирани на керамичния материал оловен цирконат титанат, който покрива много широк температурен диапазон, широк динамичен диапазон и широка честотна лента (използваема до >10 kHz). Когато е снабден с херметичен, заварен метален корпус, акселерометърът може да се счита за един от най-издръжливите сензори поради изключителната способност да понася неблагоприятни условия на околната среда.
Базираните на MEMS вибрационни сензори представляват компоненти върху печатни платки, което позволява интегриране на сензорния двигател и поддържащата електроника на ниво чип. Тези предимства водят до компактни, здрави и икономични системи за наблюдение на вибрациите. Някога считани за екзотична технология, базираните на MEMS сензори за вибрации стават все по-популярни в резултат на напредъка в анализа на данни и обработката на сигнали.

Спецификите варират в зависимост от отчитането, но основната архитектура се състои от една или повече микроелектромеханични структури, фиксирани към корпуса, и отделни структури, прикрепени към свободно движеща се опробваща основа. Когато оборудването, което се наблюдава, вибрира, тази основа премества закрепените конструкции, така че те да взаимодействат с фиксираните елементи. Технологиите за отчитане включват капацитивни сензори, пиезоелектрични сензори, пиезорезистивни сензори и термосензори.

 

Анализ на данните от вибрационния мониторинг

Мониторингът на вибрациите е процес, който проследява нивата на вибрации и изследва моделите във вибрационните сигнали. Анализът на вибрациите е неизменна част от този процес и се провежда както директно върху времевите характеристики на вълните на вибрационния сигнал, така и върху честотния спектър, който се получава чрез прилагане на трансформация на Фурие върху формата на вълната във времето.

Анализът на времевата област върху хронологично записаните вибрационни вълни разкрива кога и в каква степен възникват анормалните вибрационни събития чрез извличане и изследване на параметри включително, но не само, средноквадратично (RMS), стандартно отклонение, пикова амплитуда, ексцес, асиметрия и много други. Анализът на времевата област може да даде оценка за цялостното състояние на наблюдаваните обекти.

Новият брой 5/2022

брой 5-2022

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top