Snímače pro monitorování stavu vibrací strojů

Měření vibrací pro monitorování stavu může být prováděno mnoha způsoby, od velmi jednoduchého až po velmi složité a může zahrnovat kontinuální nebo periodická měření. Avšak všechna tato měření mají společný cíl, přesně a spolehlivě ohodnotit stav strojů.

Typy snímačů

Existují dva základní typy snímačů pro monitorování vibračního stavu, a to:

• a) seismická zařízení, která se normálně montují na konstrukci stroje a jejichž výstup je mírou absolutních vibrací konstrukce;
• b) snímače relativní výchylky, které měří vibrační výchylku a střední polohu mezi rotujícími a nerotujícími elementy stroje.

Existují jistá měření na strojích, která vyžadují jiné typy snímačů, jako jsou tenzometry. Avšak jejich použití pro monitorování stavu je méně obvyklé.

Výběr snímačů

Výběr odpovídajících snímačů závisí na dané aplikaci. Snímače pro monitorování stavu jsou:

• akcelerometr, jehož výstup může být zpracován tak, aby dával libovolný ze tří parametrů (zrychlení, rychlost, výchylka);
• snímač rychlosti, jehož výstup lze integrovat na výchylku, a
• bezdotykový snímač, jehož výstup je přímo úměrný relativní výchylce mezi rotujícími a nerotujícími elementy stroje.

Na obrázku 1 jsou směrnice pro výběr z těchto tří typů snímačů a závislost dynamického rozsahu na frekvenci. Uvedené rozsahy zahrnují většinu aplikací pro monitorování stavu. Za zvláštních okolností mohou být rozsahy jednotlivých snímačů rozšířeny, zejména pro diagnostické účely.
Níže uvedené hodnoty jsou typické příklady. Zvláštní snímače mohou mít odlišné, zejména širší rozsahy.

Akcelerometry

Akcelerometr je seismické zařízení, které generuje výstupní signál úměrný mechanickému vibračnímu zrychlení měřeného tělesa. Obecně se akcelerometry montují na stacionární konstrukci stroje. Akcelerometry mají různé rezonanční frekvence podle druhu montáže, v typickém případě od 1 kHz výše. Obecně se doporučuje, aby lineární rozsah namontovaného akcelerometru pokrýval sledované frekvence. Je obvyklé integrovat výstup z akcelerometru tak, aby dával signál úměrný rychlosti. Avšak je nezbytné dávat pozor při dvojnásobné integraci na výchylku, zejména při nízkých frekvencích.
Následují typické rozsahy frekvence, hmotnosti, amplitudy a teploty pro akcelerometry:

• frekvenční rozsah 0,1 Hz až 30 kHz;
• u snímačů typicky používaných pro monitorování stavu je hmotnost v rozsahu od 10 g do 200 g;
• akcelerometry pro speciální účely mohou měřit 100krát menší amplitudu, než je na obrázku 1;
• typický rozsah teploty pro snímač s interním nábojovým zesilovačem je do 125 °C;
• typický rozsah teploty pro snímač s externím nábojovým zesilovačem je do 250 °C.

Akcelerometry jsou dostupné v různých velikostech. Jsou charakterizovány velkým dynamickým rozsahem (od 1 až do 106) a širokým frekvenčním rozsahem. Jsou přednostně používány v aplikacích s malými objekty majícími malou montážní plochu, při vysokých teplotách prostředí nebo v silných magnetických polích. Nevýhodou externích nábojových zesilovačů je citlivost na poškození izolace, na velké teplotní fluktuace a na pohyb spojovacích kabelů.

Legenda:

1. piezoelektrický akcelerometr
2. bezdotykový snímač na principu vířivých proudů
3. elektromechanický snímač rychlosti a až po nulovou frekvenci

Snímače rychlosti

Snímač rychlosti je seismické zařízení, které generuje napěťový signál úměrný mechanické vibrační rychlosti měřeného tělesa. Obecně se snímače rychlosti montují na stacionární (nerotující) konstrukci stroje. Když je požadovaným parametrem výchylka, je obvyklé integrovat výstup ze snímače rychlosti tak, aby dával výstup úměrný výchylce.
Charakteristika poměru tuhosti a hmoty u snímače rychlosti obecně dává rezonanční frekvenci snímače asi 4 Hz až 20 Hz. Dostatečně nízko pod vlastní frekvencí snímače je jeho výstup úměrný jerku, což je první derivace zrychlení, a ne rychlosti. Ve frekvenčním pásmu blízko jeho vlastní frekvence je výstup snímače závislý na vnitřním tlumení. Ve většině případů je proporcionálnost skutečné rychlosti a fáze stanovena pouze dostatečně nad vlastní frekvencí snímače.
Pokud je nezbytné použít snímač rychlosti pod jeho vlastní frekvencí, musí být vhodně kalibrován pro danou aplikaci. Moderní elektrodynamické snímače rychlosti s vlastními frekvencemi nad 10 Hz mají zabudovanou korekční elektroniku, která koriguje citlivost ve frekvenčním pásmu pod vlastní frekvencí až po 1 Hz.
Následují typické rozsahy frekvence, hmotnosti, amplitudy a teploty pro snímače rychlosti:

• frekvenční rozsah 1 Hz až 2000 Hz;
• typický rozsah teploty je od -50 °C do 125 °C;
• typická hmotnost je 50 g až 200 g.

Snímače rychlosti jsou zvlášť vhodné pro měření nízkofrekvenčních vibrací. Většina snímačů rychlosti používaných pro monitorování má rezonanční frekvenci nad 10 Hz.
Výhodou snímačů rychlosti je relativně vysoké výstupní napětí při nízkém odporu zdroje. Snímače jsou proto relativně necitlivé na poškození izolace a na elektrická pole. Avšak v důsledku přítomnosti vnitřních pohyblivých částí mohou být citlivé na mechanické poškození nebo opotřebení, je-li překročen jejich provozní rozsah. Jsou rovněž velmi citlivé na velké vibrace v rovinách, které jsou kolmé k ose měření a mohou dávat chybné odečty v důsledku narážení pohyblivých částí.
Elektrodynamické snímače s jedinou cívkou jsou velmi citlivé na okolní magnetická pole a vyžadují dobré magnetické stínění.
I při existenci stínění lze pozorovat významnou interferenci, když jsou měření prováděna na otevřených elektrických strojích. Většina elektrodynamických snímačů má v současnosti dvě cívky a je mnohem méně citlivá na okolní magnetická pole, což umožňuje použití zmenšeného magnetického stínění a dosažení menší hmotnosti.

Snímače výchylky hřídele

U rotačních strojů, zejména u velkých rozhodujících turbinových strojů a u strojů, u nichž hmotnost nosné konstrukce je velká ve srovnání s hmotností rotoru, může být nezbytné měřit relativní výchylku mezi rotorem a konstrukcí statoru. Snímač výchylky je bezdotykové zařízení, které může přímo měřit vibrační výchylku rotujícího hřídele vůči stacionárnímu ložisku nebo skříni stroje. Snímač výchylky dává střídavou složku pro vibrační pohyb a stejnosměrnou složku pro polohu.
Když je snímač výchylky použit v kombinaci se seismickým snímačem na skříni, jehož signál je integrován tak, aby dával výchylku, lze získat měření absolutní výchylky hřídele tak, že se vektorově sečtou dva signály výchylky. Pokud je fázový posun výstupních signálů seismického snímače a snímače výchylky různý, musí být tento kompenzován v zařízení na úpravu signálů pro kombinaci snímačů.
Většina používaných snímačů výchylky pracuje na principu vířivých proudů. Cívka, kterou prochází vysokofrekvenční střídavý proud, generuje vysokofrekvenční magnetické pole. Pokud jsou do tohoto pole vloženy elektricky vodivé materiály (například hřídel stroje), jsou v materiálu generovány vířivé proudy, které berou energii z vysokofrekvenčního magnetického pole. Obvod oscilátoru, který je vázán na cívku, generuje napětí, jež je úměrné vzdálenosti mezi snímačem a hřídelem. Oscilátor může být umístěn uvnitř snímače nebo může představovat externí část.
Následují typické rozsahy frekvence, měření a teploty pro snímače výchylky:

• frekvenční rozsah od 0 Hz až do 10 kHz;
• rozsah měření od 1 mm do 10 mm;
• typický rozsah teploty je od -50 °C do 200 °C;
• typický rozsah teploty s interním oscilátorem je od -50 °C do 125 °C.

Obecně jsou všechny parametry ovlivněny změnami teploty prostředí. Avšak při použití elektronické kompenzace, například na teplotní dilataci, se tento vliv normálně udrží v přípustných mezích.
Kromě toho se při použití snímačů výchylky doporučuje dodržet tato předběžná opatření.

• a) Oblast kolem špičky sondy musí být bez vodivého materiálu.
• b) Měřená plocha musí být bez nánosů vodivého materiálu a doporučuje se, aby tam nebyly žádné diskontinuity.
• c) Když jsou použity různé materiály hřídele, musí být snímač výchylky rekalibrován.
• d) Nehomogenní materiál hřídele, povlaky na hřídeli a reziduální magnetizmus produkují signál, který je superponován na vibrační signál (elektrická házivost). Nepravidelnosti povrchu hřídele (neokrouhlost, drážky apod.) musí být zaznamenány, protože budou také ovlivňovat výsledky měření (mechanická házivost).
• e) Elektrická házivost je minimalizována, když jsou použity metody na vyrovnání vlastností povrchu hřídele, jako je kuličkování, mikrokuličkování, válečkování, indukční kalení nebo abrazivní metody.

Připevnění snímače

Správné měření vibrací strojů je v rozhodující míře závislé na správném přenosu pohybu na snímač. Nejširší rozsah věrnosti se získá pomocí pevných připevnění snímačů. Avšak v některých případech postačí rukou držený snímač.
Úplný popis metod připevnění akcelerometrů a jejich vlivu na výkonnost je v ČSN ISO 5348. Obecné směrnice jsou uvedeny níže.
Přednostní metodou připevnění fixních snímačů je pevné mechanické uchycení, kterého se obvykle dosáhne pomocí vyvrtaných otvorů se závity ve snímači a ve stroji a jejich spojení pomocí šroubu. Šroubové připojení má schopnost přenášet vysokofrekvenční signály s malou nebo žádnou ztrátou signálu. Doporučuje se, aby povrch stroje byl hladký, plochý a čistý. Rovněž se doporučuje aplikace tenké vrstvy silikonového maziva nebo ekvivalentní látky na všechny dosedací plochy, aby se zlepšil přenos a přesnost signálu odezvy, zejména ve vysokých frekvencích.
Tam, kde je nepraktické nebo nemožné použít šroubový mechanický spoj, používají se pro připevnění snímače na stroj lepidla. Použité lepidlo musí být takového typu, který má po vytvrzení vysokou charakteristiku pevnosti. Nedoporučuje se používat měkká lepidla, protože snižují věrnost přenosu signálu.
Jinou obvyklou metodou připevnění snímače bez narušení povrchu je použití permanentního magnetu. Avšak je třeba poznamenat, že u této metody je rozhodující rovinnost montážních ploch. Jak metoda použití lepidla, tak metoda použití magnetu mohou být vystaveny omezením frekvencí, teplotou a amplitudou a proto mají být opatrně používány pro monitorování stavu.

Vliv připevnění snímače
V některých případech může být nezbytné namontovat snímač(-e) na držák, který je připevněn ke stroji.
V těchto případech je extrémně důležité, aby všechna mechanická spojení byla pevná a zajištěná. Kromě toho lineární rozsah namontovaného snímače a držáku má pokrýt sledované frekvence.
Kde nejsou trvale namontované snímače, je možné použít ruční sondy. Ruční sondy jsou frekvenčně omezené a normálně se nedoporučují pro použití nad 1 kHz. Při použití ručních sond je omezená přesnost i opakovatelnost. Kromě toho některé strukturní pohyby při vyšších frekvencích mohou narušit platnost měření ruční sondou, i když takové pohyby nemusí být sondou zjistitelné.
Aby byl demonstrován vliv různých výše popsaných metod připevnění snímače na výkonnost snímače, je v tabulce 1 uvedeno typické snížení montážní rezonanční frekvence u akcelerometru s vnitřní rezonanční frekvencí 30 kHz.
Snímače rychlosti jsou vystaveny stejnému omezení výkonnosti. Avšak v současnosti neexistuje žádná mezinárodní norma, která by kvantifikovala velikost zhoršení.