Na początek, przyszło mi do głowy, aby podzielić się podstawowymi informacjami na temat czujników drgań stosowanymi w systemach monitorowania drgań maszyn wirujących, choć nie tylko takich. Postaram się to przedstawić w sposób maksymalnie przystępny, być może trywialny dla niektórych znawców tematu, ale ufam, że pomocny dla początkujących w temacie.
Przez 25 lat pracowałem jako inżynier serwisu w firmie Bruel & Kjaer Polska. Część mojej kariery spędziłem w dziale dotyczącym systemów monitorowania drgań maszyn wirujących. Głównie oparte są one na monitorowaniu pomiarów z dwóch typów czujników drgań:
czujniki drgań absolutnych (bezwzględnych), w większości są to akcelerometry, montowane na obudowach łożysk, korpusach turbin i generatorów (i tym podobnych) oraz czujników wiroprądowych (proximity probes), zdolnych do pomiaru drgań dynamicznych jak i do pomiarów statycznych, wizualizujących przemieszczenia obserwowanych powierzchni, np. obracających się wałów – np. orbitę wału. Zwane są czujnikami drgań względnych, gdyż w odróżnieniu od akcelerometrów, montowanych mechanicznie bezpośrednio na mierzonym obiekcie (przykręcone do obiektu), mierzą zachowanie elementu obracającego się względem punktu mocowania nie związanego z tym elementem, czyli nie posiadając mechanicznego połączenia z obserwowanym elementem (prościej mówiąc nie dotyka np. wału, lecz „obserwuje” go z pewnej odległości). I tu dochodzimy do zagadnień związanych ze sprawdzaniem członów systemu monitorującego drgania. O ile można założyć, że hardware, czyli kasety monitorujące (elektronika) oraz software, oprócz sytuacji, że przestały działać nie wymagają specjalnych działań sprawdzających, a jeśli już tak, to są to zwykle bardzo proste testy, to zalecane jest i nawet przewidziane jest przez normy okresowe sprawdzanie czujników drgań.
W przypadku akcelerometrów – czujników drgań bezwzględnych – procedury sprawdzenia mogą być dwojakie:
Hmmm… teraz czujniki wiroprądowe i ich kalibracja. Sytuacja jest bardziej złożona. Jak wspomniałem, czujnik ten mierzy coś bezkontaktowo; jego ceramiczna lub spiekana końcówka „obserwuje” obiekt. Zajmę się tu kalibracją statyczną, czyli opcją uzyskania zależności między napięciem na wyjściu czujnika, a odstępem czoła czujnika od obiektu (nazwę to szczeliną). Czyli zależność U [VDC], a szczelina [mm]. W tym miejscu dla ułatwienia sobie rozważań przyjmę, że czujniki te zasilane są plusem (+VDC), bo tak łatwiej mi opisywać, że coś jest większe (chodzi o to, że większa wartość ujemna jest arytmetycznie mniejsza). W rzeczywistości, ze względów chyba historycznych (ale tak naprawdę to nie wiem, dlaczego) zasilane są minusem (-VDC). Przyjęcie dodatniej polaryzacji ułatwia dywagacje; mam nadzieję. Typowe zasilanie czujników wiroprądowych to -24VDC, a typowy zakres liniowej pracy to zakres od -2VDC do -22VDC. Idąc dalej, w typowych zastosowaniach ustawiamy czujnik tak, aby mierzył przemieszczenia symetrycznie w obydwóch kierunkach. Np. dla czujnika o zakresie pomiarowym 2mm, aby potrafił mierzyć +/- 1mm od położenia „zerowego” (to tzw. napięciowy bias czujnika), trzeba ten bias ustawić. Więc jaki jest ten bias? W tym przypadku należy mechanicznie umocować tak czujnik, aby napięcie na wyjściu w stanie spoczynku obiektu mierzonego wynosiło -10VDC. Dlaczego? Bo ten punt znajduje się w połowie użytecznego, liniowego zakresu pomiarowego. Arytmetycznie: (22V – 2V)/2= 10V (tu właśnie użyłem dla ułatwienia logiki dodatnich napięć). I czujnik będzie poprawnie wskazywał zbliżanie i oddalanie się obiektu w zakresie +/- 1mm. To tak w typowych zastosowaniach, ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby czujnik ustawić na -2VDC (0mm) i aby mierzył oddalanie się obiektu do 2mm (-22VDC). Przy okazji, czy zakres 2mm to trochę nie za mizernie? Otóż nie, nawet duże wały turbin mają dopuszczalne „bicie” wału na poziomie 20-30-50-100 góra 200um (0,2mm). Gdyby stosować czujnik 100mm (takich nie ma 😊) to jego rozdzielczość byłaby bezużyteczna; wykrycie odchylenia o 10um (1um to 1mikrometr=1/1000mm) byłaby problematyczna.
Jak wygląda taka kalibracja? A raczej układ do pomiaru? Wystarczy wpisać w Google frazę „proximity probe calibrator”, żeby zobaczyć jak prosty jest ten układ, choć pomiar trochę czasochłonny, bo charakterystykę wykonuje się ręcznie, krok po kroku, zapisując wyniki np. na kartce papieru. Sorry, są też zaawansowane, drogie układy wykonujące taką pseudokalibrację (bo w małej rozdzielczości, rzędu kilku dziesiątych mm). Aż dziwne, że nie ma systemu automatycznej kalibracji, wykonującej zdjęcie takiej charakterystyki automatycznie, w gęstej rozdzielczości np. co 0,1mm albo 0,01mm (wręcz dowolnie, zależy od upodobań choć bez przesady).
Errata😊: Chyba jednak jeden taki system jest, skonstruowany przeze mnie (brawo ja), wykonany prawie z niczego, bo to prototyp, więc ma prawo być prymitywny. Mechaniczna baza to kawałek deski, kawałek szyny do wieszania szafek kuchennych, z poprzylepianymi taśmą izolacyjną chińskim mikrometrem, z którego „wydobyłem” na zewnątrz złącze RS232, dorobiłem układ adaptujący poziomy logiczne do standardu TTL, silnik krokowy (znalazłem w szufladzie) napędzający mikrometr (też na taśmę montowany), układ woltomierza do pomiaru napięcia z czujnika wiroprądowego, a ponieważ nie jestem zbyt biegły w programowaniu to wszystko to zaprogramowałem w Visual Basic 6 (tak, tak, wiem, ale dla początkujących to idealne narzędzie do graficznego programowania, choć bez potu też się nie da). Najważniejsze, że działa i to fajnie, zdejmuje śliczne charakterystyki (oczywiście pośrednio, bo najpierw ładuje pomiary do pliku Excel’a a potem sobie trzeba zrobić wykresik; ale to już fraszka). Może zrobię jakiś filmik demonstrujący, bo nic nie robi większego wrażenia niż migające diody i skaczące cyferki😊.
Powrót do kalibracji, bo została jeszcze kalibracja dynamiczna czujnika wiroprądowego, czyli odpowiedź jego na szybkozmienne zmiany drgań, rzędu do 10kHz. Bo taki pomiar jest nie do zastąpienia dla drgań np. wału, który się obraca i nie da się do niego przymocować akcelerometru (chyba nikomu się to nie udało jak na razie) Zwykle, jeśli czujnik działa poprawnie dla zmian statycznych, wolnozmiennych, wspomnianych wyżej, to jeśli jest to czujnik znanej, sprawdzonej firmy, np. Bruel & Kjaer, Bently Nevada, bez urazy dla innych firm, bo ich może nie znam, itp. to nie ma powodu przypuszczać, że jest coś nie tak. Z tego powodu nie będę zabierał miejsca na opisywanie tego rodzaju układu. Choć dla informacji też „stworzyłem” taki układ do jednopunktowego sprawdzenia wykorzystującego kalibrator drgań o wspomnianym poziomie drgań przemieszczenia f=159,12 Hz, d=10um, talerzyk przykręcony do kalibratora i uchwyt mocujący czujnik wiroprądowy, obserwujący ten talerzyk (ustawiony mechanicznie oczywiście na odległość spoczynkową bias = -10V).
Jest też w fazie eksperymentalnej układ do kalibracji w funkcji częstotliwościowej, ale zatrzymał się, bo jako czujnik referencyjny próbowałem zastosować akcelerometr z dwukrotnym całkowaniem do przemieszczenia (nie wiem co mnie podkusiło zamiast od razu zastosować jako referencję też czujnik wiroprądowy?). Chyba nadmierna skłonność do eksperymentów.
… i to by było na tyle.