Vibrația forțată are loc atunci când o structură vibrează deoarece este aplicată o forță de modificare. Mișcarea rotativă sau alternantă poate forța un obiect să vibreze la frecvențe nenaturale. Un exemplu în acest sens este dezechilibrul într-o mașină de spălat, unde mașina se scutură la o frecvență egală cu rotația tamburului. În monitorizarea stării, măsurătorile de vibrații sunt folosite pentru a indica sănătatea mașinilor rotative, cum ar fi compresoarele, turbinele sau pompele. Aceste mașini au o varietate de piese și fiecare parte contribuie la un model sau semnătura unică de vibrații. Prin trecerea în timp a diferitelor semnături de vibrații, puteți anticipa când o mașină se va defecta și se va programa planificarea corectă pentru o siguranță îmbunătățită și un cost redus.

2. Cum măsurați vibrațiile?

Vibrația este măsurată cel mai frecvent folosind un senzor piezoelectric ceramic sau un accelerometru. Un accelerometru este un senzor care măsoară accelerația dinamică a unui dispozitiv fizic ca o tensiune. Accelerome-trele sunt traductoare de contact complet, montate direct pe elemente de înaltă frecvență, cum ar fi rulmenți cu element de rulare, cutii de viteze sau lame de filare. Acești senzori versatil pot fi, de asemenea, utilizați în măsurători de șoc (explozii și teste de defecțiune) și măsurători de vibrații mai lente, cu frecvență joasă. Beneficiile unui accelerometru includ liniaritatea pe o gamă largă de frecvențe și o gamă dinamică mare.

Un alt senzor pe care îl puteți utiliza pentru măsurarea vibrațiilor este sonda de proximitate. Spre deosebire de accelerometre, care măsoară accelerația pentru a determina vibrațiile, sondele de proximitate sunt traductoare fără contact care măsoară distanța față de o țintă. Acești senzori sunt utilizați aproape exclusiv în mașini rotative pentru măsurarea vibrațiilor unui arbore. Un exemplu de aplicație comună este măsurarea de monitorizare și protecția mașinilor pentru sistemele mecanice cum ar fi mașinile turbo. Datorită rulmenților cu pelicule de fluid flexibile și a carcasei grele, vibrațiile nu se transmit bine carcasei exterioare, deci utilizați sonde de proximitate în loc de accelerometre pentru a măsura direct mișcarea arborelui.

3. Cum acționează accelerometrele?

Majoritatea accelerometrelor se bazează pe utilizarea efectului piezoelectric, care apare atunci când o tensiune este generată pe anumite tipuri de cristale în timp ce acestea sunt solicitate. Accelerația structurii testate este transmisă unei mase seismice din interiorul accelerometrului care generează o forță proporțională asupra cristalului piezoelectric. Această solicitare externă asupra cristalului generează apoi o sarcină electrică de mare impedanță proporțională cu forța aplicată și, deci, proporțională cu accelerația.

Figura 3. Semnale de tensiune de ieșire ale accelerometrelor IEPE
proporționale cu forța vibrațiilor pe cristalul piezoelectric.

Accelerometrele de mod piezoelectric sau de sarcină necesită un amplificator extern sau un convertor de sarcină in linie pentru a amplifica sarcina generată, pentru a reduce impedanța de ieșire pentru compatibilitatea cu dispozitivele de măsurare și pentru a minimiza susceptibilitatea la sursele externe de zgomot și la interferențe. Alte accelerometre au un amplificator sensibil la sarcină construit în interiorul lor. Acest amplificator acceptă o sursă constantă de curent și variază impedanța sa în raport cu o sarcină variabilă pe cristalul piezoelectric. Acești senzori sunt denumiți senzori piezoelectrici cu electronică integrată (IEPE). Hardware-ul de măsurare realizat pentru aceste tipuri de accelerometre oferă o excitație în curent integrată pentru amplificator. Apoi puteți măsura această modificare a impedanței ca o variație a tensiunii pe intrările accelerometrului.

Pentru a afla mai multe despre aceste și alte considerații hardware pentru măsurători cu accelerometrul, descărcați Ghidul inginerului pentru măsurători precise ale senzorilor.

4. Cum aleg accelerometrul potrivit?

Deoarece accelerometrele sunt atât de versatile, aveți o varietate de modele, dimensiuni și game pentru a alege. Cunoașterea caracteristicilor semnalului pe care vă așteptați să îl măsurați și a oricăror constrângeri de mediu vă poate ajuta să sortați toate specificațiile electrice și fizice diferite pentru accelerometre.

Amplitudinea vibrațiilor

Amplitudinea sau gama maximă a vibrațiilor pe care le măsurați determină gama senzorului pe care îl puteți utiliza. Dacă încercați să măsurați vibrațiile în afara gamei senzorului, acesta distorsionează sau ciuntește răspunsul. În mod tipic, accelerometrele utilizate pentru monitorizarea nivelurilor ridicate ale vibrațiilor au o sensibilitate mai scăzută și o masă mai mică.

Sensibilitate

Sensibilitatea este unul dintre cei mai importanți parametri pentru accelerometre. Acesta descrie conversia dintre vibrație și tensiune la o frecvență de referință, cum ar fi 160 Hz. Sensibilitatea este specificată în mV/G. Dacă sensibilitatea tipică a accelerometrului este de 100 mV/G și măsurați un semnal de 10 G, vă așteptați la o ieșire de 1000 mV sau 1 V. Sensibilitatea exactă este determinată de calibrare și este de obicei menționată în certificatul de calibrare livrat împreună cu senzorul. Sensibilitatea este de asemenea dependentă de frecvență. Este necesară o calibrare completă pe gama de frecvență utilizabilă pentru a determina cum variază sensibilitatea în funcție de frecvență. Figura 4 prezintă caracteristicile tipice de răspuns în frecvență ale unui accelerometru. În general, utilizați un accelerometru cu sensibilitate scăzută pentru a măsura semnale de amplitudine ridicată și un accelerometru cu sensibilitate ridicată pentru a măsura semnale de amplitudine scăzute.

Figura 4. Accelerometrele au o gamă largă de frecvențe utilizabile,
unde sensibilitatea este relativ plată.

Număr de axe

Puteți alege între două tipuri de accelerometre axiale. Cel mai frecvent accelerometru măsoară accelerația de-a lungul unei singure axe. Acest tip este adesea folosit pentru a măsura nivelurile de vibrații mecanice. Al doilea tip este un accelerometru triaxial. Acest accelerometru poate crea un vector 3D de accelerație în formă de componente ortogonale. Utilizați acest tip atunci când trebuie să determinați tipul vibrației, cum ar fi laterală, transversală sau rotativă.

Greutate

Accelerometrele ar trebui să cântărească mult mai puțin decât structura pe care o monitorizați. Adăugarea de mase la structură poate altera caracteristicile sale vibraționale și ar putea conduce la date și analize inexacte. Greutatea accelerometrului nu trebuie să depășească în general 10% din greutatea structurii testate.

Opțiuni de montare

O altă considerație pentru sistemul dvs. de măsurare a vibrațiilor este cum să montați accelerometrul pe suprafața țintă. Puteți alege dintre cele patru metode tipice de montare:

• Sisteme portabile sau sonde

• Magnetic

• Adeziv

• Cu șurub

Montarea cu șurub este de departe cea mai bună tehnică de montare, dar vă cere să găuriți în materialul țintă și este, în general, rezervată pentru instalarea permanentă a senzorilor. Celelalte metode sunt destinate atașării temporare. Diferitele metode de atașare afectează frecvența măsurabilă a accelerometrului. În general, cu cât conexiunea este mai slăbită, cu atât este mai mică limita de frecvență măsurabilă. Adăugarea oricărei mase la accelerometru, cum ar fi o bază adezivă sau de montare magnetică, scade frecvența de rezonanță, ceea ce poate afecta acuratețea și limitele gamei de frecvență utilizabilă a accelerometrului. Consultați specificațiile accelerometru-lui pentru a determina modul în care diferite metode de montare afectează limitele de măsurare a frecvenței. Tabelul 1 prezintă limite de frecvență tipice pentru un accelerometru de 100 mV/G.

Tabelul 1. Limitele de frecvență pentru montarea unui accelerometru
de 100 mv/G.

Figura 5 prezintă intervalele de frecvență aproximative ale diferitelor tehnici de montare, incluzând montanți cu șurub (stud mount), suporturi adezive, suporturi pentru magnet și suporturi pentru bloc triaxial.

Figura 5. Diferitele intervale de frecvență ale diferitelor tehnici de montare.

Constrângeri de mediu

Atunci când alegeți un accelerometru, acordați atenție parametrilor critici de mediu, cum ar fi temperatura maximă de funcționare, expunerea la substanțe chimice nocive și umiditatea. Puteți utiliza cele mai multe accelerometre în medii periculoase datorită construcției robuste și fiabile. Pentru protecție suplimentară, accelerometrele industriale construite din oțel inoxidabil pot proteja senzorii împotriva coroziunii și chimicalelor.

Utilizați un accelerometru în modul sarcină dacă sistemul trebuie să funcționeze la temperaturi extreme. Deoarece aceste accelerometre nu conțin electronică încorporată, temperatura de funcționare este limitată numai de elementul de detectare și de materialele folosite în construcție. Cu toate acestea, deoarece nu au încorporat condiționarea și amplificarea de sarcină, accelerometrele în modul sarcină sunt sensibile la interferențele de mediu și necesită cabluri cu zgomot redus. Dacă mediul este zgomotos, ar trebui să utilizați un convertor de sarcină în linie sau un senzor IEPE cu un amplificator de sarcină încorporat.

Specificațiile de umiditate sunt definite de tipul de etanșare pe care un accelerometru îl are. Garniturile uzuale includ ermetic, epoxidic sau mediu. Majoritatea acestor garnituri pot rezista la niveluri ridicate de umiditate, însă se recomandă o etanșare ermetică pentru imersia în fluid și expunerea lungă la umiditate excesivă.

Cost

Deși modul sarcină și accelerometrele IEPE au costuri similare, accelerometrele IEPE au un cost semnificativ mai mic pentru sistemele mai mari, multicanal, deoarece nu necesită cabluri speciale cu zgomot redus și amplificatoare de sarcină. În plus, accelerometrele IEPE sunt mai ușor de utilizat, deoarece necesită mai puțină grijă, atenție și efort de a funcționa și de a le întreține.

Opțiuni pentru accelerometru

NI oferă următoarele accelerometre axiale și triaxiale. Pentru a vă ajuta să alegeți între accelerometrele oferite de NI, vă rugăm să consultați tabelul de mai jos.

5. Condiționarea semnalului pentru accelerometre

Când pregătiți un accelerometru care trebuie măsurat în mod corespunzător de un dispozitiv DAQ, trebuie să luați în considerare următoarele aspecte pentru a vă asigura că îndepliniți toate cerințele de condiționare a semnalului:

• Amplificare pentru a crește rezoluția măsurătorilor și pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot

• Excitația de curent pentru alimentarea amplificatorului de sarcină în senzorii IEPE

• Cuplare AC pentru a elimina offset-ul DC, pentru a crește rezoluția și pentru a profita de întreaga gamă a dispozitivului de intrare

• Filtrare pentru eliminarea zgomotului extern, de înaltă frecvență

• Împământarea adecvată pentru a elimina zgomotul din fluxul de curent între potențialele diferite ale masei

• Gama dinamică pentru măsurarea intervalului de amplitudine maxim al accelerometrului

Pentru a afla mai multe despre cum să condiționați, să achiziționați, să analizați și să afișați măsurători ale accelerometrului, descărcați Ghidul inginerului pentru măsurători precise ale senzorilor.

Magazin hardware de măsurare vibrații NI

6. Referințe

https://www.pcb.com/techsupport/docs/vib/TN_17_VIB-0805.pdf

http://www.pcb.com/techsupport/tech_accel

https://www.endevco.com/news/newsletters/2012_07/tp327.pdf