Датчики вибрации. Акселерометры.

Акселерометры преобразуют механические колебания в электрический сигнал, пропорциональный виброускорению

Основные принципы

• Акселерометры выдают виброускорение
• Устанавливаются на поверхности подшипниковых опор как стационарно, так и подключив акселерометр к переносному прибору при обходе по маршруту или вне маршрута

Применение акселерометров

• Самый распространённый тип датчика вибрации для вибродиагностики динамического оборудования
• Любое динамическое оборудование, кроме подшипников скольжения
• Широко используются в системах онлайн-мониторинга и системах защиты
• Во всех портативных виброанализаторах, виброметрах и виброручках

Типы акселерометров

• Пьезоэлектрические
• Ёмкостные
• Индуктивные
• MEMS

Выбор типа акселерометра зависит от задач измерений: частотного диапазона вибрации, требуемой чувствительности, условий эксплуатации и способа монтажа.

Тем не менее, для вибродиагностики динамического оборудования чаще всего используют пьезоэлектрические акселерометры.

С точки зрения выходного сигнала, пьезоэлектрические акселерометры бывают двух видов: с выходом по току и по напряжению. Отсюда самые популярные для вибродиагностики пьезоэлектрические акселерометры:

• CLD (Current Line Drive - "Линейный усилитель тока") - на выходе ток (мА)
• ICP (Integrated Circuit Piezoelectric - "Пьезоэлектрическая интегральная схема") - на выходе напряжение (мВ)

CLD-акселерометр от компании PRÜFTECHNIK, Германия. Акселерометр установлен на магнитном основании на поверхность электродвигателя.

В чём разница между CLD и ICP акселерометрами?

В обоих типах акселерометрах внутри пьезоэлементы и одинаковая конструкция в целом. Разница заключается во встроенной электронике. Конструкция и принцип действия пьезоэлектрического акселерометра приведены ниже. По отличиям вот что:

CLD-акселерометры

• Имеют встроенный электронный усилитель, который усиливает сигнал вибрации, что позволяет использовать длинные кабели (до 1000 м) без потери сигнала
• Имеют низкоомный выход, что позволяет применять недорогие кабели
• Низкая чувствительность к повреждениям и электромагнитным помехам (кабельные шумы, электромагнитные источники, петлевое заземление)
• Рассчитаны на продолжительную работу при высоких температурах, обладают стабильным напряжением смещения
• Прекрасно подходят для измерения вибрации, ударных импульсов (состояние подшипников качения) и кавитации в насосах
• Пример CLD-акселерометра: VIB 6.122 R от PRÜFTECHNIK, Германия

ICP-акселерометры

• Имеют встроенный электронный усилитель сигнала, который требует источника постоянного тока 2–20 мА при напряжении 18–30 В
• При таком условии можно использовать стандартные коаксиальные кабели большой длины без потери качества сигнала
• Питание усилителя осуществляется по тому же кабелю, по которому передаётся измерительный сигнал
• Имеют возможность самодиагностики измерительного канала: при обрыве кабеля или неисправности датчика ток прекращается, что немедленно обнаруживается системой мониторинга или портативным прибором
• Прекрасно подходят для измерения вибрации с малыми уровнями, а также для высокочастотной вибрации

Устройство и принцип действия пьезоэлектрического акселерометра

Устройство

• Чувствительный элемент — пьезоэлемент (пьезокристалл), который жёстко крепится к основанию и инерционному элементу. Сжимается инерционным элементом.
• Инерционный элемент — обеспечивает деформацию кристалла при приложении ускорения (во время вибрации). Перемещается вверх-вниз.
• Прижимная гайка и пружина под ней — обеспечивают предварительное сжатие пьезоэлемента и ограничивают колебания инерционного элемента.
• Усилитель — усиливает сигнал, накопленный между основанием и прижимной гайкой.

Основные элементы пьезоэлектрического акселерометра

Принцип действия

• Основан на пьезоэлектрическом эффекте.
• Из-за вибрации инерционный элемент двигается вверх-вниз и вызывает деформацию пьезоэлемента.
• Пьезоэлемент выполнен из определённого материала (кристаллы кварца, турмалина, пьезокерамика, пьезополимеры), который имеет свойство вырабатывать электрический заряд просто при сжатии или растяжении пьезоэлемента. То есть, если нажать на пьезоэлемент, то он уже будет вырабатывать электрический заряд (ток или напряжение).
• Таким образом, при сжатии пьезоэлемента инерционным элементом, он вырабатывает электрический заряд, величина которого напрямую зависит от ускорения поверхности, на которой стоит акселерометр, т.е. от величины вибрации.
• Далее встроенный электронный усилитель преобразует электрический заряд в виде напряжения или тока. Напряжение или ток передаётся по кабелю на анализатор вибрации.

Установка акселерометров

На подшипниках, корпусах подшипников или других элементах конструкции, которые в максимальной степени реагируют на динамические силы и характеризуют общее вибрационное состояние машины

На данном рисунке акселерометр установлен в горизонтальном направлении на корпусе подшипника

Трёхосевые акселерометры

• Измеряют виброускорение по трём взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z одновременно
• По конструкции бывают пьезоэлектрического или МЭМС типа
• Имеют разный частотный диапазон по осям X, Y, Z
• При установке трёхосевого акселерометра одна из осей должна совпадать с осью ротора машины
• Полезно, когда важно отслеживать виброускорение в различных направлениях одновременно
• Подходят для контроля вибрации в электродвигателях, насосах, вентиляторах

Преимущества пьезоэлектрических акселерометров

• Широкий частотный диапазон измерения: от 0,1 Гц до 30 кГц. Акселерометры PRÜFTECHNIK обеспечивают и более высокочастотные измерения.
• Широкий температурный диапазон: до +135°C, существуют специальные высоко- и низкотемпературные модели
• Прочность конструкции и множество исполнений для самых разных машин
• Выходной сигнал по виброскорости или виброперемещению можно получить, переключившись на самом виброанализаторе
• Стабильность коэффициента преобразования во времени

Недостатки пьезоэлектрических акселерометров

• Температурные ограничения из-за встроенной электроники

________________________________

Контакты

Корпоративные тренинги Андрея Буракова

Центровка валов / Вибродиагностика / Балансировка / Выверка геометрии

mailbox@aburakov.ru