در این مقاله، می‌خواهیم در مورد انواع سنسور شتاب‌سنج ارتعاشات (Vibration) و پارامترها مهم برای انتخاب مناسب این سنسورها صحبت کنیم. ارتعاشات یکی از پدیده‌های بسیار رایج در ماشین آلات صنعتی است و اگر خارج از کنترل باشد میتواند دستگاه آسیب بزند، سنجش و نظارت پیوسته بر آن اهمیت بسیاری دارد.
سنسور ارتعاش چیست؟
در این مقاله، می‌خواهیم در مورد انواع مختلف ارتعاشات صحبت کنیم. همچنین انواع مختلف سنسورهای ارتعاش‌سنج و پارامترهای کلیدی برای انتخاب دستگاه تشخیص ارتعاش مناسب را بررسی خواهیم کرد.
برای بهره‌گیری از عملکرد بهینه ماشین آلات، لازم است به طور پیوسته پارامترهایی مانند سرعت، دما، فشار و ارتعاش را کنترل شوند. نظارت بر تغییرات هر یک از این پارامترها میتواند باعث جلوگیری از خرابی یا آسیب‌دیدگی دستگاه شود. در میان این پارامترها بررسی ارتعاشات دستگاه یکی از بهتری پارامترها برای بررسی و کنترل است.
انواع ارتعاشات و تعاریف
پیش از هر چیز و قبل از اینکه خیلی وارد بحث شویم، باید تعریفی از ارتعاش داشته باشیم. ارتعاش را می‌توان به عنوان نوسان مکانیکی نسبت به موقعیت تعادل یک ماشین یا قطعه تعریف کرد. ارتعاش در تجهیزات صنعتی گاهی بخشی از عملکرد طبیعی دستگاه است اما گاهی اوقات میتواند نشانه ای از بروز مشکل باشد. در نظارت بر ماشین آلات با دو نوع ارتعاش روبرو هستیم. این دو عبارتند از:
- ارتعاش محوری (Axial Vibration)
- ارتعاش شعاعی (Radial Vibration)
ارتعاش محوری (Axial Vibration)
ارتعاش محوری، یک لرزش شفت طولی یا موازی با شفت موتور است. برای مثال، عدم همراستایی شفت موتور و محور انتقال قدرت میتواند باعث ارتعاش محوری شود.
ارتعاش شعاعی (Radial Vibration)
ارتعاش "شعاعی" به عنوان نیرویی است که از شافت به سمت خارج وارد می شود. ارتعاش شعاعی در صورت وجود نقطه‌ای (لکه) سنگین در قطعات دوار موتور و به هنگام چرخش رخ میدهد. برای مثال اگر یک تیغه فن تغییر شکل داده باشد، با چرخش فن تیغه تغییر شکل یافته نیرویی به سمت خارج به شافت موتور وارد می‌کند و باعث بروز لرزش‌های شعاعی میشود.
انواع سنسور شتاب‌سنج ارتعاشات
اکنون که فهمیدیم ارتعاش چیست، انواع مختلف سنسورها برای شناسایی و کنترل ارتعاش را بررسی خواهیم کرد. اما ابتدا بایستی با شتاب‌سنج (Accelerometer) آشنا شویم. شتابسنجها دستگاه‌هایی هستند که ارتعاش یا شتاب حرکت سازه را اندازهگیری می‌کنند. به عبارت دیگر شتابسنجها یک مبدل (Transducer) دارند که نیروی مکانیکی ناشی از ارتعاش یا تغییر سرعت را با استفاده از اثر پیزوالکتریک به جریان الکتریکی (ولتاژ) تبدیل می‌کند. علاوه بر اندازه‌گیری‌های ارتعاش‌سنجی از سنسورهای شتاب‌سنج می‌توان در اندازه‌گیری‌های شوک (ماندد انفجارها و تست‌های خرابی)، اندازهگیری لرزش با فرکانس پایین و آهسته استفاده کرد. از مزایای شتابسنجها می‌توان به خطی بودن رفتار آنها در یک دامنه فرکانس گسترده و یک دامنه دینامیکی بزرگ اشاره کرد. منظور ازدامنه دینامیکی حداکثر بازه‌ای است که شتاب‌سنج میتواند بدون اعوجاج (Distorting) یا قطع سیگنال خروجی اندازهگیری کند. این بازه معمولا برحسب شتاب g بیان میشود.
سنسور شتاب‌سنج پیزوالکتریک
یکی از ویژگی‌های غیرمعمولی که برخی سرامیک‌ها و پلیمر‌ها از خود نشان می‌دهند، پدیدهٔ پی‌اِیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. بر اثر این پدیده با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این سرامیک‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی بوجود می‌آورد. با وارونه کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان معکوس میشود.
دو نوع شتاب‌سنج پیزوالکتریکی داریم:
1- شتاب‌سنچ پیزوالکتریکی امپدانس بالا (High Impedance Piezoelectric Accelerometer)
2- شتاب‌سنچ پیزوالکتریکی امپدانس پایین (Low Impedance Piezoelectric Accelerometer)
شتاب‌سنج‌های امپدانس بالا، یک بار الکتریکی تولید می کنند که مستقیماً به ابزار اندازه گیری متصل است. در این نوع شتاب‌سنج بار الکتریکی تولید شده توسط کریستال پیزوالکتریک مستقیماً به ابزار اندازهگیری متصل میشود. در این مدل‌ها پالس الکتریکی خروجی از سنسور به امکانات و تجهیزات ویژه‌ای نیاز دارد که معمولاً در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی یافت می‌شوند. این نوع شتابسنجها همچنین در کاربرد‌هایی با درجه حرارت بالا (بیشتر از 120 درجه سانتیگراد) که نمی‌توان از مدلهای امپدانس پایین استفاده کرد، بکار می‌روند.
نوع دیگر شتابسنجها، شتاب‌سنج‌های با امپدانس پایین هستند. شتاب‌سنج امپدانس پایین دارای یک شتاب‌سنج شارژ در قسمت جلویی و یک مدار میکرو و ترانزیستور داخلی هست که این پالس الکترونیکی تولید شد را به یک ولتاژ امپدانس پایین تبدیل می‌کند. ولتاژ امپدانس پایین تولید شده به راحتی با دستگاه‌های اندازهگیری معمول در بازار قابل اندازهگیری است. این نوع شتاب‌سنج معمولاً در صنعت استفاده میشود. معمولا ولتاژ خروجی این نوع شتابسنجها در بازه +/- 5 ولت هستند.
شتاب‌سنج‌های Strain Gauge
نوع دیگر سنسورهای اندازهگیری ارتعاش، سنسورهایی برپایه strain Gauge هستند. سنسورهای Strain Gauge عموما در اندازهگیری فشار کاربرد دارند. در این نوع سنسورها یک صفحه بسیار نازکی وجود دارد و متناسب بار نیرویی که بواسطه کشش ناشی از فشار یا ارتعاش به آن وارد میشود، ولتاژ تولید می‌کند.
شتاب‌سنج‌های جریان گردابی (Eddy-Current)
آخرین نوع سنسور ارتعاش که در مورد آن صحبت خواهیم کرد، یک سنسورهای جریان گردابی (Eddy-Current) یا سنسور جابجایی خازنی (Capacitive Displacement sensor) است. سنسورهای جریان گردابی سنسورهایی غیرتماسی هستند. این سنسورها موقعیت (یا تغییر موقعیت) را نسبت به یک رسانا اندازهگیری می‌کنند. این سنسورها با میدان‌های مغناطیسی کار می‌کنند.
این سنسورها تقریباً به طور انحصاری در ماشین آلات چرخشی (دوار) برای اندازهگیری ارتعاش شافت استفاده میشود. مثالی از یک کاربرد معمول استفاده از این مدل سنسورهای اندازهگیری ارتعاش، نظارت و حفاظت توربو ماشین‌ها است. بدلیل اینکه ساچمه‌های یاتاقان‌های درون یک محفظه سخت و لایه‌ای از روغن (گریس) احاطه شده‌اند، ارتعاشات به خوبی به محفظه خارجی منتقل نمی‌شوند. بنابراین برای اندازهگیری حرکت شافت از سنسورهای جریان گردابی بجای انواع دیگر شتابسنجها استفاده میشود.
از آنجا که شتابسنجها بسیار متنوع هستند، شما تنوع گسترده‌ای براساس طرح، اندازه و بازه اندازهگیری سنسورها برای انتخاب دارید. درک ویژگی‌های سیگنالی که انتظار دارید اندازهگیری کنید و محدودیت‌های محیطی، میتواند به شما کمک کند تا انتخابی مناسب داشته باشید. در ادامه برخی از این پارامترها را بیشتر بررسی می‌کنیم.
حداکثر دامنه یا بازه ارتعاشی که اندازهگیری می‌کنید، محدوده سنسوری را که می‌توانید استفاده کنید تعیین می‌کند. اگر سعی کنید ارتعاشی خارج از محدوده توانایی سنسور را اندازه بگیرید، سنسور یا آسیب میبیند یا نتایجی غلط نمایش میدهد. به طور معمول، شتاب‌سنج‌هایی که برای ارتعاشات با شدت زیاد استفاده می‌شوند، حساسیت (Sensitivity) و جرم (Mass) کمتری دارند.
حساسیت یکی از مهمترین پارامترهای شتاب‌سنج است. این پارامتر تبدیل ارتعاش به ولتاژ در یک فرکانس مرجع مانند 160 هرتز را توصیف می‌کند. حساسیت شتاب‌سنج برحسب میلی‌ولت بر G (شتاب گرانش) تعریف میشود. برای مثال اگر حساسیت یک شتاب‌سنج معمولی 100 میلی‌ولت بر شتاب گرانش (mV/G) است و شما شتابی 10G را اندازهگیری می‌کنید، انتظار خروجی 1000 میلی‌ولت یا 1 ولت را دارید. مقدار دقیق حساسیت توسط کالیبراسیون تعیین شده و معمولاً در گواهی کالیبراسیون همراه سنسور ذکر میشود. از طرفی حساسیت وابسته به فرکانس نیز است. برای تعیین چگونگی تغییرات حساسیت با فرکانس، باید یک کالیبراسیون کامل در سراسر دامنه فرکانس سنسور انجام شود. شکل زیر مشخصات معمولی پاسخ فرکانس یک شتاب‌سنج را نشان میدهد. به طور کلی برای اندازهگیری ارتعاشات با دامنه نوسان بزرگ از شتاب‌سنج با حساسیت پایین و برای اندازهگیری ارتعاشات با دامنه نوسان کم از شتاب‌سنج با حساسیت زیاد استفاده میشود.
همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنیم، در بازه‌ای خارج از بازه فرکانس سنسور رابطه حساسیت و فرکانس غیرخطی میشود.
تعداد محور (Number of Axes)
براساس اینکه شتاب در چه جهتی اندازهگیری میشود، دو نوع فشارسنج داریم. شایعترین شتابسنجها فقط در راستای یک محور شتاب را اندازهگیری می‌کند. این مدل‌ها اغلب برای اندازهگیری سطح ارتعاشات مکانیکی استفاده میشود. نوع دوم شتابسنجها در راستای سه محور عمل می‌کنند. این شتابسنجها میتواند بردار سه بعدی شتاب را در راستای محورهای x,y,z اندازهگیری کنند. در جاییکه نیاز به تعیین نوع لرزش، مانند جانبی (Lateral)، عرضی (Transverse) یا چرخشی (Rotational) است از این نوع استفاده میشود.
چگونگی قابلیت نصب (Mounting Option)
یکی دیگر از پارامترهای موثر به هنگام انتخاب سنسور شتاب‌سنج، چگونگی نصب آن است. در حالت کلی 4 روش نصب وجود دارد.
- دستی یا کاوشگر (Handheld or probe tips)
- مغناطیسی (Magnetic)
- چسب پایه (Adhesive)
- پیچی یا رزوه‌دار (Stud mount)
مدل پیچی (رزوه دار) تا حد زیادی بهترین روش نصب است. اما این روش نیاز به سوراخکاری در ماده هدف دارد و به طور کلی برای نصب سنسور بصورت دائمی استفاده میشود. روشهای دیگر برای استفاده‌های موقت بکار می‌روند. روشهای مختلف اتصال همگی بر روی فرکانس قابل اندازهگیری توسط شتاب‌سنج تأثیر می گذارند. به طور کلی، هرچه اتصال ضعیفتر باشد، اندازهگیری در فرکانس‌های پایینتر محدودتر میشود. با افزودن هر جرم به شتاب‌سنج، مانند روشهای نصب چسبی یا مغناطیسی، فرکانس تشدید را کاهش میابد، که ممکن است بر روی دقت و بازه دامنه فرکانس قابل اندازهگیری توسط شتاب‌سنج تأثیر بگذارد. برای تعیین بهترین روش نصب مشخصات شتاب‌سنج را با جزئیات بررسی کنید. در جدول زیر روشهای مختلف نصب و فرکانس کاری مناسب برای هر روش بیان میشود.
محدودیت های محیطی (Environmental Constraints)
هنگام انتخاب شتاب‌سنج، به پارامترهای مهم محیطی مانند حداکثر دمای کار، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی مضر و رطوبت توجه کنید. عموما بدلیل جنس بدنه محکم (Rugged) و قابل اعتماد (Reliable) می‌توان از بیشتر شتابسنجها در محیط‌های پرخطر استفاده کرد. برای محافظت بیشتر، شتاب‌سنج‌های صنعتی ساخته شده از فولاد ضدزنگ می‌توانند از سنسورها در برابر خوردگی و مواد شیمیایی محافظت کنند.
اگر سیستم باید در دماهای بالا کار کند، از شتاب‌سنج حالت شارژ (امپدانس بالا) استفاده کنید. از آنجایکه این شتابسنجها شامل مدار الکترونیکی داخلی نیستند، دمای کار فقط با ماده سنجش (سرامیک یا پلیمر داخلی) و مواد استفاده شده در ساخت بدنه محدود میشود. با این حال، از آنجا که این مدل شتابسنجها مطلوب‌سازی سیگنال (Signal Conditioning) و تقویت شارژ داخلی (Internal Charge Amplifier) ندارند، شتاب‌سنج‌های (امپدانس بالا) به تداخل محیطی حساس هستند و به کابل اتصال با نویز کم نیاز دارند. اگر نویز محیط زیاد است، باید در طول مسیر سنسور تا دستگاه داده‌برداری از مبدل شارژ و یا از سنسور IEPE با تقویت‌کننده شارژ داخلی استفاده کنید.
مشخصات رطوبت با توجه به نوع درزگیری شتاب‌سنج تعریف میشود. درزگیری‌های معمول شامل هرمتیک، اپوکسی یا محیطی هستند. بیشتر این روشهای درزگیری می‌توانند سطح بالایی از رطوبت را تحمل کنند، اما برای حالت‌هایی که سنسور باید در مایعات غوطه‌ور باشد و یا شرایطی که سنسور برای مدتی طولانی در معرض رطوبت زیاد است، سنسورهایی با درزگیری هرمتی توصیه میشود.
قیمت
اگرچه شتاب‌سنج‌های امپدانس بالا و مدلهای IEPE قیمت‌های مشابهی دارند، اما برای سیستم‌های بزرگ و چند کاناله که تعداد زیادی سنسور نیاز دارند، شتاب‌سنج‌های IEPE به شکل قابل توجهی هزینه کمتری دارند. زیرا به کابل‌های نویز پایین و تقویت‌کننده خاصی احتیاج ندارند. بعلاوه، استفاده از شتاب‌سنج‌های IEPE آسانتر است زیرا برای کارکرد و نگهداری آنها به مراقبت، توجه و تلاش کمتری نیاز دارند.
مطلوب‌سازی سیگنال در شتابسنجها (Signal conditioning for accelerometers)
هنگام تهیه یک شتاب‌سنج برای اندازهگیری صحیح توسط دستگاه DAQ باید اطمینان حاصل کنید که تمام شرایط مطلوب‌سازی سازی سیگنال را برآورده می کنید:
- تقویت سیگنال برای افزایش وضوح اندازه گیری و بهبود نسبت سیگنال به نویز
- استفاده از جریان تحریک مناسب (Current Excitation) برای تقویت بیشتر سیگنال در سنسورهای IEPE
- استفاده از کوپل AC برای حذف افست DC، افزایش رزولوشن و استفاده از محدوده کامل دستگاه
- فیلتر کردن مناسب برای حذف نویزهای خارجی با فرکانس بالا
- محدوده دینامیکی مناسب برای اندازهگیری دامنه کامل شتاب‌سنج
دسته‌ای از کارت‌های داده‌برداری شرکت NI به صورت تخصصی برای اندازهگیری ارتعاشات طراحی و ساخته شده‌اند. مدلهای USB-4431 و USB-4432 و PCI-4474 از این دسته محصولات هستند. شرکت نشنال اینسترومنتز ایران آمادگی دارد در زمینه تامین و خدمات انواع کارت‌های داده برداری برند National Instruments و انواع سنسورهای شتاب‌سنج نیاز‌های شمار را تامین نماید.
منبع: سایت ni-daq.ir
