Měření vibrací strojů v rámci preventivní údržby

Jindy mohou být vibrace stroje neúmyslné a vést k jeho poškození.

Vibrace je pohyb nebo mechanické kmitání stroje nebo součásti kolem rovnovážné polohy. Může být periodické, jako je pohyb kyvadla, nebo náhodné, jako je pohyb pneumatiky na štěrkové cestě. Vibrace lze vyjádřit v metrických jednotkách (m/s2) nebo v jednotkách gravitační konstanty g, kde 1 g = 9,81 m/s². Objekt může vibrovat dvěma způsoby: volným kmitáním a nuceným kmitáním.
Volné kmitání nastává, když je objekt nebo konstrukce přemístěna nebo na ni je působeno nárazem a poté je jí umožněno přirozeně kmitat. Vlastní frekvence často označuje frekvenci, při které konstrukce "chce" kmitat po nárazu nebo posunutí. Rezonance je tendence systému kmitat při některých frekvencích silněji než při jiných. Vynucené kmitání na vlastní frekvenci objektu nebo v její blízkosti způsobuje hromadění energie uvnitř konstrukce. V průběhu času mohou vibrace nabýt značných rozměrů, i když jsou vstupní vynucené vibrace velmi malé. Pokud má konstrukce vlastní frekvence odpovídající běžným vibracím prostředí, vibruje konstrukce silněji a předčasně selhává.
K vynuceným vibracím dochází, když konstrukce vibruje v důsledku působení měnící se síly. Otáčivý nebo střídavý pohyb může objekt přinutit vibrovat na nepřirozených frekvencích. Příkladem takového pohybu je nevyváženost hřídele motoru, kdy se motor chvěje s frekvencí rovnající se otáčení hřídele. Při monitorování stavu lze měření vibrací využít k indikaci stavu rotujících strojů, jako jsou kompresory, turbíny nebo čerpadla. Tyto stroje mají řadu součástí a každá součást přispívá jedinečným vibračním vzorem nebo signaturou. Trendy různých vibračních signatur v průběhu času umožňují předvídat, kdy dojde k poruše stroje, a správně naplánovat údržbu pro zvýšení bezpečnosti a snížení nákladů.

Měření vibrací

Vibrace se nejčastěji měří pomocí akcelerometrů. Akcelerometry jsou konstruovány na základě různých principů snímání. Zde je jejich stručný přehled a shrnutí, které vám umožní lépe se orientovat v problematice jejich pochopení:

• Piezoelektrické – Fungují na základě schopnosti piezoelektrických materiálů měnit svůj elektrický potenciál, když jsou pod vlivem napětí. Oproti jiným akcelerometrům nabízejí jedinečné výhody. Mají široký dynamický rozsah, vynikající linearitu, široký frekvenční rozsah (od několika Hz do 30 kHz), jako jediné akcelerometry jsou schopny měřit frekvenci od několika Hz do 30 kHz. střídavé zrychlení, ale nejsou schopny měřit stejnosměrné odezvy. Protože nemají žádné pohyblivé části, jejich životnost je vysoká. A na rozdíl od jiných snímačů nevyžadují externí zdroj napájení.
• Piezorezistivní – Fungují podobně jako piezoelektrické materiály, s tím rozdílem, že mění elektrický odpor materiálu, nikoliv elektrický potenciál. Tyto snímače jsou schopny měřit vibrace až do vysokých hodnot, mají skutečnou stejnosměrnou odezvu a obvykle se používají v mikrotvarovaných strukturách.
• Kapacitní – kovový paprsek nebo jiný prvek na mikrotvarovkách vytváří kapacitu, která se mění, když je snímač urychlován. Nejčastěji se používají v akcelerometrech MEMS a mají podobné vlastnosti jako potenciometrické snímače, pokud jde o frekvenci, dynamický rozsah a stejnosměrnou odezvu.
• Potenciometrické – rameno stěrače potenciometru je připojeno k pružinovému tělesu, což má za následek změnu, resp. odporu při pohybu pružiny. Vlastní frekvence těchto zařízení je obecně nižší než 30 Hz, což je omezuje na měření nízkofrekvenčních vibrací. Mají také omezený dynamický rozsah, ale mohou měřit i stejnosměrnou odezvu.
• Hallův jev – k pružině je připojen magnet, který se při působení síly pohybuje a způsobuje změnu elektrického napětí.
• Magnetorezistivní – Fungují podobně jako snímač s Hallovým jevem, s tím rozdílem, že místo Hallova prvku se používá magnetický rezistivní prvek.
• Vláknová braggova mřížka – jakákoli změna rozteče mřížky optického vlákna má za následek změnu Braggovy vlnové délky, a od ní lze vypočítat zrychlení.
• Přenos tepla – Jeden zdroj tepla je soustředěn v substrátu. Termorezistory jsou umístěny rovnoměrně po všech čtyřech stranách zdroje tepla. Při zrychlování snímače bude tepelný gradient nesymetrický v důsledku konvekčního přenosu tepla.

Výběr správného akcelerometru

Protože jsou akcelerometry velmi univerzální, můžete si vybrat z různých provedení, velikostí a rozsahů. Porozumění charakteristikám signálu, který očekáváte, že budete měřit, a případným environmentálním omezením vám pomůže roztřídit všechny různé elektrické a fyzické specifikace akcelerometrů.

Amplituda vibrací
Maximální amplituda nebo rozsah měřených vibrací určuje rozsah snímače, který můžete použít. Pokud se pokusíte měřit vibrace mimo rozsah snímače, dojde ke zkreslení nebo zkrácení odezvy. Obvykle byste ke sledování vysokých úrovní vibrací použili akcelerometry s nižší citlivostí a nižší hmotností.

Citlivost
Citlivost je jedním z nejdůležitějších parametrů akcelerometrů. Popisuje převod mezi vibracemi a napětím při referenční frekvenci, například 160 Hz. Citlivost se udává v mV na G. Pokud je typická citlivost akcelerometru 100 mV/G a měříte signál 10 G, očekáváte výstup 1000 mV nebo 1 V. Přesná citlivost je určena na základě kalibrace a obvykle je uvedena v kalibračním certifikátu dodávaném se snímačem. Citlivost je také závislá na frekvenci. K určení toho, jak se citlivost mění s frekvencí, je nutná úplná kalibrace v celém použitelném frekvenčním rozsahu. Obecně platí, že k měření signálů s vysokou amplitudou se používá akcelerometr s nízkou citlivostí
a k měření signálů s nízkou amplitudou akcelerometr s vysokou citlivostí.

Počet os
Můžete si vybrat ze dvou osových typů akcelerometrů. Nejběžnější akcelerometr měří zrychlení pouze podél jedné osy. Tento typ se často používá k měření úrovně mechanických vibrací. Druhým typem je tříosý akcelerometr. Tento akcelerometr dokáže vytvořit 3D vektor zrychlení v podobě ortogonálních složek. Tento typ použijte, pokud potřebujete určit typ vibrací, například příčné, příčné nebo rotační.

Hmotnost
Akcelerometry by měly vážit podstatně méně než sledovaná konstrukce. Přidání hmotnosti ke konstrukci může změnit její vibrační charakteristiky a potenciálně vést k nepřesným údajům a analýze. Hmotnost akcelerometru by obecně neměla být větší než 10 % hmotnosti konstrukce měřené části.

Příčné vibrace
Piezoelektrické akcelerometry jsou citlivé na vibrace působící v jiných směrech, než je jejich hlavní osa. V příčné rovině, kolmé na hlavní osu, je citlivost menší než 3 až 4 % citlivosti hlavní osy (obvykle < 1 %).
Vzhledem k tomu, že příčná rezonanční frekvence obvykle leží přibližně na 1/3 rezonanční frekvence hlavní osy, měla by se tato skutečnost vzít v úvahu tam, kde jsou přítomny vysoké úrovně příčných vibrací.

Možnosti montáže
Senzory lze namontovat různými způsoby. Šířka pásma senzoru je zvláště citlivá na způsob jeho montáže. Způsob montáže akcelerometru k měřicímu bodu je jedním z nejdůležitějších faktorů pro získání přesných výsledků z praktických měření vibrací. Nedbalá montáž má za následek snížení namontované rezonanční frekvence, což může značně omezit užitečný frekvenční rozsah akcelerometru. Můžete si vybrat ze čtyř typických způsobů montáže:

• Sonda držená v ruce – vodné pro místa, která jsou těžko dostupná, ale šířka pásma bude snížena na 1-2 kHz.
• Magnetické uchycení – Velmi rozšířená montážní technika pro diagnostiku strojů je montáž snímače na magnet. Snímač bude stále poskytovat dobrou šířku pásma, ale povrch musí být samozřejmě feromagnetický.
• Přidělání pomocí lepidla – Další typ uchycení, který tolik neovlivňuje šířku pásma, je tenká oboustranná lepicí páska nebo použití lepidla (může zde být ale omezení kvůli teplotnímu rozsahu lepidla).
• Uchycení na čepy – Do měřené části stroje je nejlepší vyvrtat otvor a snímač připevnit k povrchu šroubem. To by nemělo ovlivnit žádnou vlastnost senzoru. Je zřejmé, že v některých případech tuto metodu použít nelze.

Akcelerometr by měl být namontován tak, aby se požadovaný směr měření shodoval s jeho hlavní osou citlivosti. Akcelerometry jsou také mírně citlivé na vibrace v příčném směru, ale to lze normálně ignorovat, protože příčná citlivost je obvykle menší než 1 % citlivosti hlavní osy.