Zkušenosti s měřením akcelerometrickými snímači TLA05 a TLA50 v praxi

Zkušenosti s měřením akcelerometrickými snímači TLA05 a TLA50 v praxi

V roce 1997 byly ve společnosti TECHLAB vyvinuty akcelerometrické snímače, které umožňují měřit jak dynamická zrychlení typická pro vibrace, tak konstantní zrychlení, jako jsou odstředivé síly nebo tíha. Snímače jsou osazeny jednočipovým integrovaným obvodem se silově vyváženým kapacitním senzorem zrychlení a jsou vyráběny ve dvou rozsazích: ±50 m/s² (±5 g)¹⁾ a ±500 m/s² (±50 g). První generace snímačů měla typický práh šumu 500 µg·Hz^–1/2, resp. 125 µg·Hz^–1/2, takže rozlišovací schopnost byla lepší než 2,25 mg, resp. 0,05 g. Frekvenční rozsah těchto snímačů je 0 až 1 500 Hz, typická citlivost snímače s rozsahem 5 g, resp. 50 g je 400 mV/g, resp. 40 mV/g, nelinearita je 0,2 % z rozsahu. Snímače je nutné napájet stejnosměrným napětím 5 ±0,25 V. Rozsah pracovních teplot je 0 až +70 °C, popř. –40 až +85 °C, snímač je schopen odolávat rázům až do 1 000 g. Rozměry snímače jsou zřejmé z obr. 1, jeho hmotnost je 16 g. Pro uchycení je základna snímače opatřena standardním závitem M5, umožňujícím přímé uchycení svorníkem nebo magnetickou příchytkou.

Snímače se mohou uplatnit při snímání vibrací větších konstrukcí a potrubních systémů. Jejich hlavní předností v těchto aplikacích je skutečnost, že pro měření není nutný pevný bod v prostoru, jenž je zapotřebí pro relativní snímače posuvů a jehož realizace je mnohdy velmi obtížná. Akcelerometry většinou stačí upevnit magnetickou příchytkou na měřený objekt. Snímače se však uplatní i při měření běžných vibrací v průmyslu, stavebnictví, na vozidlech apod. Velkými přednostmi snímače jsou možnost měřit velmi nízké frekvence a jednoduchá kalibrace otočením snímače o 180° (±1 g), nezanedbatelnou výhodou je i příznivá cena. Od roku 1997 bylo vyrobeno přibližně 80 snímačů, jejichž převážná část nesla označení TLA05. Snímače byly dodány uživatelům z vysokých škol i z praxe. Největší dodávka osmi snímačů TLA05 se uskutečnila do Škoda Liaz Mnichovo Hradiště, kde byly využívány při zkouškách podvozků a kabin. Zkušenosti z provozu v těchto náročných podmínkách jsou vesměs příznivé. Snímači TLA05 jsou vybaveny některé katedry ČVUT Praha, TU v Plzni a Liberci nebo PF v Ústí nad Labem.

Četné zkušenosti s těmito snímači jsme získali sami, při měření v nejrůznějších provozních podmínkách. Mezi největší přednosti snímačů, kromě možnosti jejich snadné kalibrace v libovolném okamžiku, patří skutečnost, že pro měření není nutný zesilovač. Výstup ze snímačů je možné připojit přímo na měřicí kartu, kde obvykle bývá k dispozici i potřebné napájecí napětí. Při měření bez nutnosti záznamu lze výstup ze snímače připojit přímo na osciloskop nebo multimetr (měření efektivní hodnoty). Je-li třeba místo zrychlení hodnot rychlosti nebo výchylky, je možné použít jednoduchou nebo dvojitou integraci signálu. Integrace může být hardwarová nebo softwarová.

Hardwarová integrace byla použita např. pro multiparametrickou diagnostiku ventilátorových mlýnů a kouřových ventilátorů tepelných elektráren. U mlýnů s frekvencí otáček pouze 8,5 Hz se po určité době rozváží lopatkové kolo a poškodí se ložiska. Aby byl tento provozně nebezpečný stav včas zachycen, byla navržena metoda současného sledování zrychlení, efektivní hodnoty rychlosti i výchylky, takže mohl být diagnostikován nejen nežádoucí stav vyvážení nebo počínající poškození ložiska, ale mohlo být určeno i místo a velikost nevyváženosti. Dlouhodobým sledováním stavu ventilátorových mlýnů byly ušetřeny značné prostředky za výměnu ložisek, která by se poškodila v důsledku velké nevyváženosti. Získané zkušenosti umožnily navrhnout diagnostickou jednotku pro sledování stavu ventilátorových mlýnů se snímačem TLA05. Dvojitá hardwarová integrace je limitována minimální frekvencí, při které je ještě použitelná, což je podle našich zkušeností přibližně 8 Hz.

Softwarová integrace je běžně používána pro měření vibrací, jestliže je třeba stanovit např. efektivní hodnoty rychlosti nebo výchylky rotoru. Pro doklad kvality snímače a softwarové integrace lze uvést srovnávací měření snímače TLA05, uskutečněné ve zkušebně TU v Liberci. Jako srovnávací etalon byl použit snímač Brüel&Kjaer 4384, připojený na dvoukanálový analyzátor frekvence B&K 2148, jenž pracoval v režimu FFT. Snímač TLA05 byl připojen na měřicí kartu TEDIA PCA 1208, ze které byl rovněž napájen. Oba snímače byly uchyceny na pístu hydraulického válce, který byl rozkmitáván harmonickými průběhy různých amplitud a frekvencí výchylky od 0,5 do 10 Hz. Na obr. 2 a obr. 3 jsou záznamy kmitání hydraulického válce s frekvencí 4 Hz a amplitudou 10 mm získané oběma snímači. Ze záznamů je patrná velmi dobrá shoda obou naměřených signálů.

Na obr. 4 je znázorněn průběh uvedeného signálu ze snímače TLA05 po dvojnásobné softwarové integraci programem ScopeWin. Z obrázku je zřejmá nejen dobrá kvalita integrovaného signálu, ale i přesnost vyhodnocené amplitudy.

Vibrační signály v běžném provozu jsou jen zřídka čistě harmonické a dvojí integraci je u nich možné realizovat pouze na určitých vybraných úsecích. Přesto lze touto cestou získat cenné údaje o chování stroje.

Široký rozsah použitelnosti snímačů TLA05 je možné demonstrovat na dvou extrémních příkladech. V prvním případě byly s pomocí snímačů měřeny vibrace potrubního systému s dominantní frekvencí 6 až 8 Hz. Tehdy bylo použito osm snímačů, takže bylo možné simultánně měřit chvění čtyř potrubních větví ve dvou různých lokalitách, což bylo pro vyhodnocení výsledků důležité. V jednom měřeném místě bylo možné signál ze snímačů TLA05 porovnávat s relativním snímačem posuvů, pracujícím na tenzometrickém principu. Naměřené vibrační signály posuvu a zrychlení jsou uvedeny na obr. 5 a obr. 6, frekvenční spektra z obou snímačů jsou na obr. 7 a obr. 8. Ze srovnání je opět patrná velmi dobrá shoda obou způsobů měření.

Za druhý extrém měřené frekvence vibrací lze považovat kontrolu vibrací textilního vřetene s maximálními otáčkami 50 000 min^–1, tj. odpovídající frekvencí 833 Hz. Také v tomto případě byly hodnoty měřeny současně na několika vřetenech, což umožnilo zmapovat náhodné vlivy. Záznam vibračního signálu při otáčkách 50 000 min^–1 je uveden na obr. 9, jeho frekvenční spektrum je na obr. 10. Ve spektru se objevuje dosti výrazně druhá harmonická signálu otáček.

Počátkem roku 2000 byly snímače inovovány, přičemž byl výrazně snížen šum. Šum byl především u snímačů s vyšším rozsahem dosti vysoký, což komplikovalo měření nižších úrovní vibrací. Šum u nové generace snímačů s označením TLA05N, resp. TLA50N je v podstatě o řád nižší. Současný typický práh šumu je 225 µg·Hz^–1/2, resp. 1 mg·Hz^–1/2, rozlišovací schopnost se tak zvýšila na 2,25 mg, resp. 10 mg. Snížení šumu umožní posunout spodní hranici dvojnásobné hardwarové integrace až na 6 Hz. Nové akcelerometry jsou koncipovány jako poměrové, tzn. že jejich citlivost je přímo úměrná napájecímu napětí. Přípustné rozmezí napájecího napětí U_N je 2,7 až 5,25 V, citlivost pro U_N = 5 V je 250 mV/g, resp. 38 mV/g. Frekvenční rozsah nových snímačů je vyšší, do 5 kHz je pokles citlivosti menší než 2 dB. Napájecí proud 2 mA dovoluje napájet bez problémů až pět snímačů z jedné měřicí karty. S ohledem na jiný tvar čipu bylo nutné zvětšit výšku snímače o 3,5 mm, takže celková výška snímače je 27,5 mm, ostatní rozměry zůstaly zachovány (obr. 1). Snížení šumu umožní použít snímače TLA05N i pro měření náklonu. Měřit náklon snímačem TLA05 bylo sice možné, ale pouze při vyhodnocování statistickými funkcemi. Kromě oblasti kolem náklonu osy snímače 0° od svislého směru, kde je citlivost snímače malá, lze očekávat přesnost měření náklonu lepší než 1°.

Závěr
Akcelerometrické snímače TLA05 a TLA50, resp. jejich inovované typy, jsou účinným prostředkem pro měření vibrací ve strojírenství a dalších odvětvích průmyslu. Ve spojení s měřicí kartou tuzemské provenience, např. TEDIA PCA 1208 nebo PCA 1238, a softwarovými produkty INMES nebo ScopeWin představují mnohem levnější a přitom výkonem srovnatelnou variantu speciálních aparatur pro analýzu vibrací.

TECHLAB, s. r. o.,
Sokolovská 207,
190 00 Praha 9
tel./fax: 02/83 89 05 81,
e-mail: techlab@czn.cz
http://stranky.czn.cz/techlab/