В этой статье мы поближе познакомимся с датчиками вибрации, их видами и характеристиками, обозначим их роль в системах вибромониторинга и защиты, а также рассмотрим примеры датчиков абсолютной вибрации производства НПП «ТИК».
Датчики как основа системы контроля вибрации оборудования
Если представить систему контроля параметров оборудования как дерево, то листья — это датчики температуры, давления, вибрации и прочих показателей, которые анализирует система на конкретном агрегате. Крупные системы вибромониторинга, защиты и диагностики могут включать в себя сотни и даже тысячи датчиков различных типов. От них идет первичная информация, которая затем собирается в ядре системы (стволе дерева). Поэтому целесообразно начать знакомство с самого "чувствительного" уровня системы, а затем подниматься дальше.
Датчик вибрации, он же вибропреобразователь или первичный измерительный преобразователь, предназначен для преобразования одной физической величины в другую. Обычно преобразуются параметры механических колебания в электрический сигнал, удобный для дальнейшего преобразования и передачи.
Вибрация бывает разная. Говоря про измерение вибрации, имеют в виду одно из базовых понятий вибродиагностики – виброускорение, виброскорость или виброперемещение. (Вы можете подробнее ознакомиться с ними
В ОТДЕЛЬНОЙ СТАТЬЕ, если еще этого не сделали). Иногда, зная один параметр, можно рассчитать остальные два, поэтому большинство датчиков замеряют что-то одно, а выдают наружу уже нечто другое. Например, датчик измеряет ускорения, а выдает скорость.
Одна из классификаций датчиков вибрации разделяет их на две большие группы:
- датчики абсолютной вибрации;
- датчики относительной вибрации.
Датчики абсолютной вибрации устанавливаются на корпус агрегата и вибрируют вместе с ним, выдавая показания суммы всех вибраций в данной точке. В том числе вибрацию корпуса, основания, здания и земли.
Датчики относительной вибрации измеряют зазор между датчиком, жестко закрепленным в корпусе машины и её валом. Поэтому их часто называют датчиками вибрации вала. Относительная вибрация не зависит от вибрации корпуса, основания, здания и земли.
Данная статья посвящена первому типу и сейчас мы немного глубже изучим виды датчиков абсолютной или как их по-другому называют - датчиков корпусной вибрации.
Важный параметр датчиков вибрации - частотный диапазон. Он показывает, колебания какой частоты можно измерять этим датчиком. Если представить на примере со стиральной машиной, то можно сказать так: для режима полоскания нужен низкочастотный датчик, для стирки – датчик со средним частотным диапазоном, а для отжима нужен уже высокочастотный, который сможет измерять самые быстрые колебания. Измеряется частота в герцах (1 раз в секунду) и обозначается Гц.
Вибрация и, в частности, виброскорость, для разных машин бывает разная не только по частоте, но и по уровню. Для какой-то машины 2 мм/с уже много, а для какой-то 20 мм/с еще допустимо. Поэтому и датчики для этих машин нужны разные, отличающиеся между собой диапазонами измерения.
Диапазон измерения – это разница между минимальными максимальным значениями измеряемой величины.
Самый популярный диапазон измерения виброскорости среди датчиков, выпускаемых НПП «ТИК» – от 0 до 30 мм/с. Этот диапазон с небольшим запасом перекрывает все указанные в ГОСТ 20816 предельные значения виброскорости для большинства роторных машин.
Для разных величин вибрации за значение параметра принято принимать разные параметры сигнала. Давайте представим графически, так будет проще:
Выходной сигнал обычно представлен в виде гармонического (повторяющегося) сигнала (не такого правильного как идеальная синусоида на нашем графике из-за шума и наложений разных по частоте и амплитуде вибраций). Датчик может выдавать значение размаха виброперемещения – (Пик-Пик) или амплитуды виброперемещения (Пик). Это значение позволяет понять, насколько сильно колеблется агрегат в пределах точки равновесия (обычно в микрометрах) и часто используется на практике.
Для параметра виброскорости чаще используется среднеквадратичное значение (СКЗ) амплитуды или просто её среднее значение. Сравнение этих методов выходит за рамки данной статьи, но каждый из них работает в соответствии со своими целями. Мы еще вернемся к этому вопросу.
Наконец следует отметить, что тип выходного сигнала также может быть разным: может быть выход по постоянному току 4-20 мА (т.н. токовая петля), может быть выход по постоянному или переменному напряжению. Может быть цифровой выход (в соответствии со стандартом RS-485) и другие разновидности. У каждого типа сигнала есть свои преимущества и недостатки.
Конечно, у датчиков могут быть разные способы крепления к контролируемому агрегату: крепление на шпильку с резьбой, крепление на магниты, монтаж на клей, винтовое крепление и др. Крепление выбирают в зависимости от типа поверхности, на которую устанавливается датчик, частоты замеряемой вибрации, возможности внесения изменений в корпус машины, частоты монтажа/демонтажа датчика. Качество крепления - один из важнейших этапов монтажа датчика, и ошибка может свести к нулю эффективность анализа вибрации агрегата и нарушить всю систему вибродиагностики. В таких вещах мелочей не бывает!
Большинство видов датчиков абсолютной вибрации можно поделить по принципу действия на две группы:
- Электронные;
- Пьезоэлектрические.
Электронные датчики вибрации
Электронные датчики вибрации обычно основаны на технологии MEMS (МЭМС - микроэлектромеханические). Принцип действия датчиков МЭМС основан на изменении емкости микроконденсатора, одна из обкладок которого подвижна. Простейшая модель работы представлена на картинке:
Электронные датчики детектируют ускорение в плоскости, параллельной поверхности кристаллов микросхем, на которых они установлены. Простыми словами, МЭМС-датчик преобразует механическую реакцию конструкции в электрический сигнал.
МЭМС-датчики получили наибольшее распространение по сравнению со своими аналогами на пьезоэффекте, поскольку более универсальны и доступны по стоимости. Такие датчики сейчас активно применяются в телефонах, автомобилях, квадрокоптерах и другой технике. При этом они имеют целый ряд эксплуатационных преимуществ:
- Высокая чувствительность в более узком диапазон рабочих частот;
- Стабильность измерения статического ускорения;
- Малый дрейф нуля;
- Температурная стабильность;
- Измерение даже ускорения свободного падения
- Низкая стоимость.
По причине низкой стоимости и простоты эксплуатации данный вид акселерометров активней используют для анализа общего уровня вибрации
в системах противоаварийной защиты динамического оборудования. Но в то же время следует отметить, что они непригодны для работы при высоких температурах и низких частотах.
Примеры продукции НПП ТИК:
Все три вида датчиков построены по технологии МЭМС, но отличаются почти по всем остальным параметрам: типу выходного сигнала, параметру выдаваемой величины и выдаваемому значению. Датчик DVA 111 на выходе выдает параметр виброскорость, DVA 241 - виброускорение, DVA 331 - виброперемещение. Типы корпусов датчиков также различаются.
Больше количество решений позволяет акселерометрам НПП ТИК решить практически любую задачу по контролю вибрации, работать в различных средах и с различными видами оборудования. Для тех, кто хочет ознакомиться
с продукцией более подробно - добро пожаловать НА САЙТ КОМПАНИИ.
Пьезоэлектрические датчики вибрации
Пьезоэлектрические датчики вибрации
Принцип действия таких датчиков основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте: при механическом воздействии на чувствительном пьезоэлементе (кристалле кварца или пьезокерамике) формируется электрический заряд, пропорциональный силе воздействия.
Проще говоря, если такой кристалл начать растягивать или сжимать в определённой плоскости, то на гранях образуется электрический заряд с небольшой разностью потенциалов. Если же на эти грани подключить проводники, то в момент сжатия или растяжения по ним пройдёт небольшой электрический импульс.
Посмотрим на устройство таких датчиков:
Основанием датчик крепится к агрегату, на основании смонтированы пьезоэлементы в виде шайб, к которым присоединяются проводники, а сверху на них давит инерционная масса. Когда агрегат колеблется, масса давит на пьезоэлементы, они деформируются и на их полюсах как раз и формируется электрический заряд, выдаваемый датчиком в систему.
Пример продукции НПП ТИК:
В качестве примера можем привести датчик DVA 252, выдаваемый мгновенное значение виброускорения и имеющий выход по напряжению.
Пьезоэлектрические акселерометры имеют следующие преимущества (в сравнении с датчиками МЭМС):
- Широкий диапазон измерений (высшие уровни ограничены пределом разрушения самого пьезоэлемента);
- Широкий частотный диапазон (до 20000 Гц. и даже более);
- Высокая точность;
- Температурная устойчивость.
В последние годы по причине развития МЭМС-технологий разница в возможностях этих двух видов акселерометров постепенно снижается, но тем не менее, в некоторых областях, пьезодатчики не могут быть заменены ни на какие другие. Например, при работе свыше 100-120 градусах Цельсия, при работе с высокочастотным оборудованием, либо с оборудованием с широким частотным диапазоном. У каждого из видов датчиков на сегодняшний день есть своя ниша и они успешно ее заполняют.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Спасибо, что дочитали до конца ♡
Подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые публикации.