تبلیغات
وبلاگ مهندسی مکانیک - سنسورهای رایج در ارتعاش سنجی

 




نوشته شده توسط : سهیل پوررحیمی

سنسورهای رایج در ارتعاش سنجی

سنسورهایی که در MMS مورد استفاده قرار می گیرد تاریخچه بسیار مفصلی داشته و طیف وسیعی را شامل می شود، اما بعنوان آنچه که در سیستم های امروزی بیشتر مورد توجه قرار می گیرد، می توان به سه نوع اصلی زیر اشاره نمود:


1-      سنسورهای پروکسی میتی پروب
2-      سنسورهای سرعت ارتعاشی
3-      شتاب سنج ها

 

سنسورهای غیر تماسی جابجایی نسبی (Proximity Prob)

عمومی ترین سنسوری که برای اندازه گیری جابجایی ارتعاشی در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد از نوع سنسورهای جریان گردابی غیر تماسی هستند که علاوه بر قابلیت اندازه گیری جابجایی های لرزشی(AC)، توانایی اندازه گیری جابجایی ثابت (DC)را نیز دارند.

این سنسورها از دو قسمت اصلی پروب و ترانسمیتر (پروکسی میتور) تشکیل شده است. پروکسی میتور یک ولتاژ DC (معمولاً 24 ولت) را دریافت نموده و یک سیگنال فرکانس بالا RF برای ارسال به پروب تولید می کند. این سیگنال تنها توسط کابل کو اکسیال خاص با طول مشخص ( مثلا 5 یا 8 متری) قابل انتقال است و معمولاً هر پروکسی میتور و پروب با یک کابل مشخص کالیبره شده است. در نوک پروب یک سیم پیچ وجود دارد که سیگنال دریافتی را بصورت یک میدان مغناطیسی در جلوی پیشانی پروب انتشار می دهد. مادامی که هیچ جسم هادی مقابل پروب قرار نگیرد، هیچ تاثیری روی میدان مغناطیسی و بنابراین هیچ کاهشی در سیگنال RF ایجاد نخواهد شد. با توجه به اینکه تنها اجسام هادی روی میدان های مغناطیسی تاثیر دارند با نزدیک شدن یک جسم هادی به ناحیه میدان مغناطیسی، این میدان در جسم هادی نفوذ پیدا کرده و باعث ایجاد جریان های گردابی درون آن می شود. ایجاد این جریان ها باعث مصرف میدان مغناطیسی و کاهش دامنه سیگنال RF می گردد و میزان این کاهش رابطه مستقیم با عکس فاصله جسم تا پروب دارد. هر چقدر جسم نزدیک تر شود قدرت بیشتری از سیگنال RF مصرف می شود تا جایی که جسم به فاصله 0.2 میلیمتری (بعنوان نمونه) رسید آنگاه میزان قدرت جذب شده به حداکثر مقدار خود می رسد.



بنابراین برای هر سنسور یک ناحیه خطی مشخص وجود دارد و در این ناحیه به ازاء یک فاصله مشخص یک خروجی ولتاژ (منفی) توسط ترانسمیتور بعنوان خروجی سیستم فراهم می گردد. این مقدار ولتاژ براساس میزان انرژی جذب شده از سیگنال RF در  سیم پیچ نوک پروب توسط ترانسمیتور ایجاد می گردد. اگر فاصله بین جسم تا پروب ثابت بماند مقدار جابجایی بصورت یک مقدار خروجی ثابت DC تولید می شود و اگر جابجایی تغییرات داشته باشد (وجود لرزش) این مقدار بصورت یک سیگنال AC به روش دمودولاسیون از سیگنال RF استخراج شده و بعنوان سیگنال خروجی لرزش قابل استفاده است.



سنسورهای پروکسی میتی تنها سنسورهایی هستند که علاوه بر جابجایی استاتیکی (DC) جابجایی ارتعاشی (AC) را نیز اندازه گیری می کنند. از این رو این سنسورها کاربرد بسیار وسیعی در MMS دارند.

در بعضی از ترانسمیترها مقدار پیک تا پیک این سیگنال لرزشی محاسبه و به سیگنال 4-20 mA تبدیل می شود در این صورت این سیگنال دیگر قابلیت آنالیز توسط آنالیزر را از دست می دهد و فقط بعنوان سیگنال ارزیابی دامنه ارتعاش کل قابل استفاده در سیستم های فقط حفاظتی است.

کالیبراسیون سنسورهای پروکسی از اهمیت زیادی برخوردار است و لازم است هنگام کالیبره کردن این نوع سنسورها با توجه به گرافهایی که توسط سازندگان ارائه شده است، عوامل متعددی را مد نظر قرار داد. برخی از این عوامل عبارتند از:

1- نمودار ضریب حساسیت.
2- خطای ضریب حساسیت در بازه های مختلف
3- اثرات حرارت
4- اثرات طول کابل
5- اثرات انحراف متریال شافت (شافت استاندارد فولاد 4140 در نظر گرفته شده است)
6- خطای ناشی از محدودیت فضای پیرامون سنسور
7- خطای ناشی از اندازه سطح هدف
8- خطای ناشی از اثرات سنسورهای نزدیک به هم (متعامد)
9- خطای ناشی از تغییر ولتاژ تغذیه

برای کالیبره کردن سنسورهای پروکسی میتی باید هر سنسور را با طول کابل مشخص خود و ترانسمیتر خاص خود کالیبراسیون را انجام داد. معمولاً سازندگان این نوع سنسورها تجهیزات کالیبراسیون را نیز ارائه می دهند بعنوان مثال شرکت Bently Nevada دستگاه کالیبراسیون TK3 را برای این منظور ارائه می دهد.


این دستگاه شامل دو قسمت است، یکی کالیبراسیون استاتیکی جهت استخراج منحنی ضریب خروجی سنسور SF و ISF که سنسور، کابل و  ترانسمیتور را شامل می شود و تنها مقدار موجود را بدست می آورد و دیگری برای کالیبراسیون دینامیکی برای تست کالیبراسیون کل زنجیره اندازه گیری از سنسور تا مانیتور نمایشگر ارتعاش را شامل شده و بوسیله آن می توان کل سیستم را کالیبره نمود.


سنسورهای سرعت ارتعاشی Velocity Pickup

سنسورهای سرعت ارتعاشی اولین نوع سنسورهای لرزش سنج بدنی هستند که برای اندازه گیری بدنه ماشین مورد استفاده قرار گرفته است. این سنسورها سرعت ارتعاشی مطلق بدنه ماشین (یاتاقان) را اندازه گیری می کند. سنسورهای بدنی (سرعت سنج و شتاب سنج) برای اندازه گیری لرزش خود باید مرتعش گردند به همین لحاظ مسئله فرکانس طبیعی خود سنسور اهمیت پیدا می کند. به عبارتی دیگر خروجی سنسور باید نسبت به کلیه فرکانس ها یکسان و برابر با حساسیت تعیین شده برای سنسور باشد. بنابراین محدوده فرکانسی قابل استفاده برای سنسور محدوده خارج از ناحیه فرکانس طبیعی سنسور است. در ناحیه ای که پاسخ فرکانسی آن اصطلاحاً مسطح است.

سرعت سنج های لرزشی از یک هسته مرتعش حاوی سیم پیچ که توسط فنر وسط یک میدان مغناطیسی معلق شده است. تشکیل می گردد. ارتعاش وارد شده به بدنه سنسور از طریق فنر ها به هسته رسیده و سرعت لرزشی هسته نسبت به بدنه متناسب با سرعت لرزشی بدنه سنسور است. حرکت سیم پیچ با سرعت V درون میدان مغناطیسی ثابت، نیروی الکتروموتوری E را که متناسب با سرعت V طول سیم پیچ l و شدت میدان مغناطسی B است تولید نموده و از آنجایی که شدت میدان و طول سیم پیچ ثابت است، نیروی الکتروموتوری E متناسب با سرعت لرزشی بدنه سنسور است. از این رو به این سنسور سرعت سنج می گویند.



 

نکته مهم در رابطه با این نوع سنسورها این است که کار کرد این سنسور بالای فرکانس طبیعی آن است و محدوده بسیار بسته تری نسب به شتاب سنج ها دارد ( بعنوان نمونه بین 10 تا 1000 هرتز). اما ویژگی مهم آن خروجی امپدانس پایین آن است که براحتی می توان آن را نمایش داد بعبارتی این سنسور مانند یک ژنراتور عمل کرده و نیاز به تغذیه و یا تقویت ندارد و خروجی آن را می توان در سایر دستگاه ها براحتی استفاده نمود. علاوه براین سرعت ارتعاشی معیار اصلی ارزیابی شدت ارتعاش ماشین ها است و شاید به همین دلایل است که هنوز از این نوع سنسورها مخصوصاً برای مقاصد حفاظتی بسیار استفاده می شود. اما مشکل وجود المان های مرتعش در این نوع سنسور معمولاً باعث کاهش عمر آن شده و باعث خرابی زودتر آن نسبت به سایر سنسورها می گردد. بنابراین در جاهایی که از این نوع سنسورها استفاده می شود بازرسی کالیبراسیون دوره ای برای آنها، حداقل هر یک سال یک بار الزامی است.

محدودیت های دیگری از جمله جهت نصب (افقی یا عمودی) طول کابل و میدان های مغناطیسی قوی از دیگر نقاط ضعف این نوع سنسورها است.

این نوع سنسورها را بدلیل محدودیت پاسخ فرکانسی نمی توان برای شناسایی لرزش های فرکانس بالا ( چرخ دنده ها و بلبرینگ ها) استفاده نمود. معمولاً این سنسورها را برای نصب های دائم و فقط به منظور حفاظت دامنه ارتعاشات ناشی از نابالانسی، لقی، ناهمراستایی و .. در ماشین های بزرگ و یاتاقان های ژرنال مورد استفاده قرار می گیرد.

 

شتاب سنج ها Accelerometers

شتاب سنج ها عمومی ترین سنسورهای اندازه گیری لرزش های بدنی هستند. امروزه این نوع سنسورها بصورت گسترده ای جای سنسورهای سرعت سنج را گرفته و علاوه براینکه در تمامی سیستم های پرتابل از شتاب سنج استفاده می شود، در سیستم های نصب دائم حفاظتی/ پایش وضعیتی نیز این سنسور بطور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرد.

در یک شتاب سنج از عکس العمل یک جرم مشخص به شتاب وارد بر سنسور استفاده شده و نیرویی بر المان پیزوالکتریک وارد می شود. المان پیزوالکتریک متناسب با نیروی وارد برآن بارهای الکتریکی در دو سطح خود ایجاد می کند. در طرح اولیه شتاب سنج ها، این بار الکتریکی که در حد PC می باشد بعنوان خروجی سنسور استفاده می گردید. در طرح های امروزی با استفاده از تقویت کننده های درون سنسور، این بار الکتریکی تقویت شده و بصورت mV بعنوان خروجی سنسور استفاده می شود.




شتاب سنج ها در مدل های مختلف و اندازه های مختلف ارائه می گردد. این تنوع را می توان از نقطه نظرهای زیر دسته بندی نمود:

1- نیروی وارد بر المان پیزو الکتریک :
1- طرح فشاری – سادگی طرح ولی اثرات اتساع پایه و ارتعاشات جانبی.
2- طرح برشی – حذف اثرات اتساع پایه و سادگی تولید.

2- خروجی شتاب سنج:
1- خروجی بار الکتریکی (مستقیم) Pc – احتیاج به کابل های ویژه و پیش تقویت کننده خارجی دارد.
2- خروجی ولتاژ (تقویت کننده داخلی) mV- انتقال با کابل های معمولی و بدون احتیاج به پیش تقویت کننده خارجی.

3- سیگنال دینامیکی یا استاتیکی (سرعت یا شتاب).
1- خروجی شتاب، با قابلیت آنالیز سیگنال دینامیکی.
2- خروجی سرعت، استفاده از انتگرال گیری داخلی و معمولاً همراه با دتکتور RMS و مبدل 4-20 mA با خروجی جریان جهت استفاده مستقیم در سیستم های DCS به منظور حفاظت. از خروجی این نوع سنسورها دیگر نمی توان جهت آنالیز و عیب یابی استفاده نمود و فقط برای مقایسه با حدود هشدار و خطر در سیستم حفاظتی مناسب است.

4- پاسخ فرکانسی
فرکانس طبیعی شتاب سنج تعیین کننده محدوده فرکانسی آن است. شتاب سنج های بزرگ تر محدودیت فرکانسی بالاتری دارند ( مثلاً 1KHz) و شتاب سنج های کوچک تر می توانند تا فرکانس 40 KHz (بعنوان نمونه) پاسخ فرکانسی خطی داشته باشند. شتاب سنج های معمولی که در پایش وضعیت استفاده می شود دارای حد بالای فرکانس 10-20 KHz می باشند.

5- ظرفیت دامنه
میزان تولید بار الکتریکی در شتاب سنج ها بستگی به حجم مواد پیزوالکتریک دارد، بنابراین شتاب سنج های کوچک خروجی بسیار پایینی داشته ولی قادر به تحمل شوک های بسیار بالا هستند و از سویی دیگر شتاب سنج های بزرگ دارای خروجی بنابراین حساسیت بسیار بالا ولی تحمل ارتعاشات بالا را ندارند.

براساس ویژگی هایی که در بالا توضیح داده شد، شتاب سنج ها کاربردهای بسیار وسیعی در تجهیزات و صنایع مختلف داشته که سیستم های پایش وضعیت بخشی از آن را تشکیل می دهد.




:: مرتبط با: پروژه,جزوه و تحقیق مهندسی ,
:: برچسب‌ها: سنسورهای رایج در ارتعاش سنجی 1- سنسورهای پروکسی میتی پروب 2- سنسورهای سرعت ارتعاشی 3- شتاب سنج ها سنسورهای غیر تماسی جابجایی نسبی (Proximity Prob)سیگنال خروجی لرزش- نمودار ضریب حساسیت. 2- خطای ضریب حساسیت در بازه های مختلف 3- اثرات حرارت 4- اثرات طول کابل 5- اثرات انحراف متریال شافت (شافت استاندارد فولاد 4140 در نظر گرفته شده است) 6- خطای ناشی از محدودیت فضای پیرامون سنسور 7- خطای ناشی از اندازه سطح هدف 8- خطای ناشی از اثرات سنسورهای نزدیک به هم (متعامد) 9- خطای ناشی از تغییر ولتاژ تغذیه کالیبره کردن سنسورهای پروکسی میتیکالیبراسیون استاتیکی سنسور SF و ISF سنسورهای سرعت ارتعاشی Velocity Pickupسرعت سنج های لرزشیشتاب سنج ها سیگنال دینامیکی یا استاتیکی (سرعت یا شتاب). , پاسخ فرکانسی فرکانس طبیعی شتاب سنج تعیین کننده محدوده فرکانسی آن است. شتاب سنج های بزرگ تر محدودیت فرکانسی بالاتری دارند ( مثلاً 1KHz) و شتاب سنج های کوچک تر می توانند تا فرکانس 40 KHz (بعنوان نمونه) پاسخ فرکانسی خطی داشته باشند. شتاب سنج های معمولی که در پایش وضعیت استفاده می شود دارای حد بالای فرکانس 10-20 KHz می باشند. 5- ظرفیت دامنه میزان تولید بار الکتریکی در شتاب سنج ها بستگی به حجم مواد پیزوالکتریک دارد , بنابراین شتاب سنج های کوچک خروجی بسیار پایینی داشته ولی قادر به تحمل شوک های بسیار بالا هستند و از سویی دیگر شتاب سنج های بزرگ دارای خروجی بنابراین حساسیت بسیار بالا ولی تحمل ارتعاشات بالا را ندارند. براساس ویژگی هایی که در بالا توضیح داده شد , شتاب سنج ها کاربردهای بسیار وسیعی در تجهیزات و صنایع مختلف داشته که سیستم های پایش وضعیت بخشی از آن را تشکیل می دهد. ,

تاریخ انتشار : 1394/07/19 | نظرات
می توانید دیدگاه خود را بنویسید
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر