Czym jest czujnik drgań?

Czujnik drgań to urządzenie, które mierzy drgania w maszynach takich jak silniki i pompy. Analizując te drgania inżynierowie utrzymania ruchu mogą stwierdzić, czy sprzęt działa normalnie. Jeśli pojawiają się nietypowe drgania, może to wskazywać na usterkę, która może wymagać konserwacji zapobiegawczej, aby uniknąć awarii. Istnieje wiele różnych typów czujników drgań, z których każdy nadaje się do konkretnych zastosowań.

Gdzie stosuje się czujniki drgań?

Czujniki drgań są najczęściej stosowane w urządzeniach obracających się, takich jak silniki, pompy, sprężarki, skrzynie biegów i turbiny gazowe.

Wiele gałęzi przemysłu — w tym przemysł samochodowy i lotniczy, spożywczy i napojów, celulozowo-papierniczy, naftowy i gazowy, górniczy i metalurgiczny — polega na sprzęcie obrotowym, aby umożliwić zastosowania, w tym systemy przenośników, piece i piece do wypalania, turbiny wiatrowe, suszarki i walcarki.

Coraz więcej branż stosuje monitoring drgań maszyn obracających się w celu zapewnienia właściwego stanu ich zakładów produkcyjnych i przetwórczych. Drgania systemów takich jak silniki i pompy są normalnym zjawiskiem, ale każde nietypowe zachowanie może wskazywać na usterki spowodowane takimi problemami jak zużyte łożyska lub źle ustawione wały napędowe.

Na przykład: wentylatory i sprężarki mają krytyczne znaczenie dla prawidłowego działania systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (ang. Heating, Ventilation & Air-Conditioning, HVAC). Monitorowanie drgań w tych systemach zapewnia prawidłowy przepływ powietrza i utrzymanie pomieszczenia lub maszyny w wymaganej temperaturze. W przemyśle chemicznym wiele substancji jest korozyjnych dla rurociągów i innych zbiorników dlatego muszą być utrzymywane w ruchu. Wymaga to pomp i silników, które są niezawodne i oferują nieprzerwaną pracę. Monitorowanie drgań zapewnia wczesne wykrycie problemów i podjęcie działań w celu utrzymania ich dostępności, co pozwala uniknąć uszkodzeń zbiorników zakładowych oraz ewentualnie kosztownych czyryzykownych procesów czyszczenia.

Jak działa czujnik drgań?

Czujniki drgań przetwarzają ruch na energię elektryczną za pomocą przetwornika. Istnieje kilka zjawisk fizycznych, które mogą być wykorzystane do osiągnięcia tej konwersji. Jedną z najbardziej popularnych metod jest efekt piezoelektryczny, gdzie nacisk mechaniczny na materiał krystaliczny powoduje generowanie odpowiedniego ładunku elektrycznego, który może być analizowany i wykorzystany do przedstawienia wartości oryginalnych drgań.

Inne metody obejmują urządzenia systemów mikroelektromechanicznych (ang. Micro-Electromechanical System, MEMS), które są technologią opartą na chipach. Pojemnościowe urządzenia MEMS mierzą drgania poprzez zmianę ich pojemności w odpowiedzi na przyspieszenie. Inna technika wykorzystuje prądy wirowe indukowane w mierzonym obiekcie przez cewkę. Zmiana odległości pomiędzy cewką a obiektem docelowym powoduje generowanie proporcjonalnego sygnału wyjściowego.

Stosowane są również czujniki mikrofonowe. Przekształcają one szumy generowane przez drgania w sygnały elektryczne.

Czym jest czujnik wstrząsów?

Czujnik wstrząsów jest podobny do czujnika drgań, ale reaguje na nagłe obciążenia wstrząsowe, zamiast mierzyć drgania ciągłe. Niektóre czujniki wstrząsów są oparte na zasadzie piezoelektrycznej, generując wyjście w odpowiedzi na naprężenie zginające.

Alternatywną metodą są magnetodynamiczne czujniki wstrząsów. Wykorzystują one magnes zamontowany na sprężynie, który indukuje prąd w cewce, gdy wstrząs porusza magnes.

Czujniki wstrząsów wytwarzają niewielki sygnał wyjściowy, gdy doświadczają powolnego przyspieszenia, np. gdy są przenoszone z jednego miejsca na drugie. Jednak w przypadku gwałtownych wstrząsów, takich jak upadek, będą one wytwarzać sygnał wyjściowy odpowiadający prędkości i wielkości doświadczonej siły. Mogą być również wykorzystane do wskazania kierunku siły uderzenia poprzez wytworzenie wyjścia plus lub minus.

Zastosowania czujników wstrząsów obejmują zapobieganie błędom odczytu i zapisu na dyskach twardych, które mogłyby być spowodowane upadkiem. Mogą być również wykorzystywane do pomiaru prędkości obrotowej opon, wzbudzając systemy monitorowania ciśnienia w oponach, aby zachować żywotność baterii.

Rodzaje czujników drgań

Popularnym typem czujnika drgań jest tensometr. Mogą one działać na zasadzie efektu piezorezystancyjnego lub piezoelektrycznego.

Tensometry piezorezystancyjne mają postać folii. Zawiera ona siatkę przewodzącą prąd elektryczny, która ulega deformacji, gdy na badany element, np. silnik, oddziaływają drgania. Odkształcenia te zmieniają opór elektryczny siatki i odczytując czas potrzebny na przejście przez nią prądu elektrycznego można ocenić drgania obiektu.

Typowym układem jest czujnik piezoelektryczny, który składa się z prostokątnego odcinka piezoelektrycznej folii, która jest przyklejona bezpośrednio do powierzchni elementu.

Innym głównym rodzajem tensometru jest czujnik piezoelektryczny, w którym siła mechaniczna przyłożona do pewnych materiałów powoduje powstanie ładunku biegnącego w poprzek materiału. Siła ta może być mierzona jako napięcie proporcjonalne do nacisku.

Ładunek w czujniku niekiedy jest rozpraszany z powodu takich czynników jak niedoskonała izolacja i opór wewnętrzny czujnika. To sprawia, że nie nadają się one do pomiaru ciśnienia statycznego. Są one jednak czułe na dynamiczne zmiany ciśnienia w szerokim zakresie częstotliwości i ciśnień, co czyni je idealnymi do stosowania jako czujniki drgań.

Tensometry mogą być często montowane w wolnej przestrzeni. Gdy zespół jest odchylany przez bezpośredni kontakt, urządzenie działa jak elastyczny „przełącznik”, który generuje prąd na wyjściu. Jeśli zespół jest podtrzymywany przez styki i pozostawiony w stanie drgań w wolnej przestrzeni, urządzenie będzie zachowywać się jak akcelerometr lub czujnik drgań.

Zdecydowanie najczęściej stosowanymi czujnikami drgań są akcelerometry. Działają one poprzez pomiar zmian prędkości elementu. Te zmiany prędkości są wskazywane przez drgania, które powodują, że akcelerometr wytwarza sygnał elektryczny. Sygnały te mogą być przetwarzane w celu uzyskania użytecznych danych o drganiach.

Akcelerometr działa w oparciu o czujnik elektromechaniczny, zaprojektowany do pomiaru przyspieszenia statycznego lub dynamicznego. Przyspieszenie statyczne to stała siła działająca na ciało, taka jak grawitacja lub tarcie. Siły przyspieszenia dynamicznego są niejednolite, czego najlepszym przykładem są drgania lub wstrząsy.

Akcelerometry piezoelektryczne są najczęściej stosowanym typem, wytwarzającym silny, wyraźny sygnał w większości częstotliwości, chociaż coraz częściej spotyka się również akcelerometry piezorezystancyjne. Są one zdolne do wykrywania wysokich i niskich częstotliwości, ale są znacznie droższe niż typ piezoelektryczny.

Akcelerometry jedno- i wieloosiowe mogą wykrywać zarówno wielkość, jak i kierunek właściwego przyspieszenia, które na nie oddziałuje. Jest ono wyrażone jako wielkość wektorowa i może być wykorzystane do wykrywania drgań, orientacji czujnika, przyspieszenia współrzędnościowego, wstrząsów i spadania w ośrodku oporowym.

Akcelerometry jednoosiowe mają pojedynczy kryształ i dlatego reagują na drgania w jednej płaszczyźnie. Akcelerometry trzyosiowe mierzą drgania w trzech osiach, X, Y i Z, wykorzystując trzy kryształy, z których każdy jest ustawiony tak, aby reagować na siły działające w innej płaszczyźnie. Na wyjściu akcelerometru znajdują się trzy sygnały, z których każdy reprezentuje drgania występujące na jednej z osi.

Dostępne są również akcelerometry MEMS, które występują w dwóch głównych typach — piezoelektryczne i pojemnościowe. Akcelerometr piezoelektryczny MEMS łączy w sobie sztywne ciało i masę fizyczną przymocowaną do kryształu piezoelektrycznego. Kiedy pojawia się ruch, masa tworzy naprężenie, rozciągając materiał piezoelektryczny i generując ładunek, który jest proporcjonalny do przyspieszenia. Są one najczęściej używane do pomiaru drgań i wstrząsów.

W akcelerometrze pojemnościowym MEMS zmiana przyspieszenia napędza ruch masy dowodowej, zmniejszając odległość między dwoma biegunami kondensatora z płytą równoległą. Przyspieszenie jest następnie obliczane poprzez pomiar zmiany pojemności. Jest to najczęściej używany typ akcelerometru, który jest znany ze swojej dokładności.

W porównaniu do standardowych akcelerometrów piezoelektrycznych akcelerometry MEMS mają szereg zalet. Oprócz stosunkowo niewielkich rozmiarów w porównaniu z urządzeniami standardowymi, akcelerometry MEMS mogą dokonywać pomiarów do poziomu DC, co czyni je bardzo przydatnymi do oceny wolno poruszających się maszyn. Cecha ta znajduje zastosowanie w pomiarach drgań w turbinach wiatrowych oraz w wolno obracających się urządzeniach stosowanych w takich branżach jak obróbka metali czy produkcja żywności i napojów, gdzie powszechne są prędkości obrotowe poniżej 60 obr./min.

Czujniki MEMS mogą również szybciej niż standardowe akcelerometry piezoelektryczne odzyskać sprawność po obciążeniach udarowych, co pozwala im na niezawodne wykrywanie zarówno zdarzeń udarowych, jak i późniejszych pomiarów drgań.

Inną opcją są czujniki mikrofonowe. Drgania powodują powstawanie dźwięku, który w części składa się z wysokich częstotliwości, niewykrywalnych przez człowieka. Czujniki mikrofonowe mogą wykrywać zmiany w tych dźwiękach o wysokiej częstotliwości i są opłacalną metodą dostarczania pewnych podstawowych informacji.

Dzięki szerokiemu zakresowi częstotliwości mikrofony mogą zapewnić wyraźną i dokładną reprezentację częstotliwości obecnych we wzorcu drgań maszyny. Jednakże, mimo iż mogą one wykryć zmiany w częstotliwościach, nie mogą dostarczyć wartości absolutnych.

Z tego powodu są one często używane razem z akcelerometrami. Typowym produktem jest mikrofon kontaktowy CM-01B firmy TE Connectivity. Wykorzystuje on czułą, a zarazem wytrzymałą folię piezoelektryczną PVDF, łącząc ją z niskoszumowym elektronicznym przedwzmacniaczem. Taka konstrukcja minimalizuje zewnętrzny hałas akustyczny, oferując jednocześnie niezwykle wysoką czułość na drgania. Cechy obejmują duże pasmo przenoszenia, wysoką czułość, dużą odporność na uderzenia, niewielką wagę i niski koszt.

Dostępnych jest kilka innych typów czujników drgań. Czujnik prądów wirowych jest rodzajem czujnika bezkontaktowego. Działa on poprzez indukowanie za pomocą cewki prądów wirowych w mierzonym obiekcie. Jeśli czujnik jest zamocowany w miejscu, a na obiekt oddziałują drgania, ruch ten zostaje zarejestrowany w polu magnetycznym. Zmiana odległości pomiędzy cewką a obiektem docelowym powoduje generowanie proporcjonalnego sygnału wyjściowego.

Ponieważ czujniki prądów wirowych mierzą ruch względem pozycji czujnika, muszą być zamocowane w miejscu. Fakt, że nie muszą się one stykać z obiektem, sprawia, że są idealne dla delikatnych obiektów lub konfiguracji.

Inna bezdotykowa technika, czyli przemieszczanie laserowe, wykorzystuje wiązkę laserową skierowaną na obiekt. Wiązka odbija się i powraca do detektora. Zmiany w położeniu obiektu powodują, że wiązka trafia w inną część detektora, co jest interpretowane jako pomiar ruchu obiektu.

Żyroskopy są techniką kontaktową, która mierzy prędkość kątową — czyli wartość obrazującą to, jaka jest prędkość obiektu obracającego się lub rotującego. Wykorzystują one technologię MEMS, aby uzyskać dokładny pomiar tego, o ile stopni obiekt obraca się w ciągu sekundy. Żyroskopy zazwyczaj nie są używane samodzielnie, lecz uzupełniają dane z akcelerometru o dane dotyczące orientacji.

• Tensometry
• Akcelerometry
• Mikrofonowe czujniki drgań
• Inne typy czujników drgań

Wybór czujnika drgań

Istnieje kilka czynników, które należy uwzględnić przy wyborze odpowiednich czujników drgań do danego zastosowania. Jednym z nich jest technologia, która ma zostać użyta. Może zachodzić potrzeba zastosowania technologii kontaktowej lub bezkontaktowej, potrzeba pomiaru drgań o bardzo niskiej lub bardzo wysokiej częstotliwości, potrzeba pomiaru drgań w więcej niż jednej płaszczyźnie lub potrzeba wykorzystania bardzo kompaktowego urządzenia. Te wymagania mogą ograniczyć technologie wykrywania drgań, które można zastosować.

Kolejną kwestią jest czułość. Czułość akcelerometrów przemysłowych, na przykład, wynosi 10–100 mV/g. Wybór właściwej czułości dla danej aplikacji wymaga znajomości zakresu poziomów amplitudy drgań, na które czujnik będzie narażony podczas pomiarów.

Jeśli maszyna wytwarza w punkcie pomiarowym drgania o dużej amplitudzie (większej niż 10 g RMS), preferowany jest czujnik o niskiej czułości (10 mV/g). I odwrotnie — jeśli drgania są mniejsze niż 10 g RMS, należy wybrać czujnik o czułości 100 mV/g. W żadnym wypadku szczytowy poziom g nie powinien przekraczać zakresu przyspieszenia czujnika.

Aby wybrać zakres częstotliwości, należy określić wymagania częstotliwościowe aplikacji. Zakres wysokich częstotliwości czujnika jest ograniczony przez czułość w miarę zbliżania się do rezonansu. Wiele wzmacniaczy czujników filtruje również wysoki koniec zakresu częstotliwości, aby stłumić amplitudę rezonansu.

Większość drgań maszyn przemysłowych zamyka się w przedziałach częstotliwości poniżej 1000 Hz, ale mogą występować istotne składowe przy częstotliwościach wyższych. Na przykład: w przypadku wału, najwyższą istotną częstotliwością może być częstotliwość harmoniczna, która jest wypadkową prędkości obrotowej i liczby łożysk na wale.

Kolejnym czynnikiem jest temperatura, przy czym czujnikdlatego muszą wytrzymać zakresy temperatur występujące w proponowanym zastosowaniu. Jest to ważne, gdyż rozszerzalność cieplna metalowej obudowy czujnika lub innych metalowych elementów może generować błędne wyniki.

Istnieje wiele różnych czujników i znalezienie odpowiedniego czujnika drgań dla danej aplikacji ma znaczenie. Uzyskanie dokładnego pomiaru drgań jest niezbędne, jeśli monitorowanie stanu maszyn obracających się ma przynieść wszystkie potencjalne korzyści.