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, generatorów (i tym podobnych) oraz czujników wiroprądowych (proximity probes), zdolnych do pomiaru drgań dynamicznych jak i do pomiarów statycznych, wizualizujących przemieszczenia obserwowanych powierzchni, np. obracającego się wału i dla przykładu „rysującego” tzw. 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 posiadającego mechanicznego połączenia z obserwowanym elementem (prościej mówiąc nie dotykają np. wału, lecz „obserwują” 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, a nawet przewidziane przez normy, okresowe sprawdzanie czujników drgań.
W przypadku akcelerometrów – czujników drgań bezwzględnych – procedury sprawdzenia mogą być dwojakie:
- Procedura uproszczona. Czujnik umieszcza się na wzbudniku kalibracyjnym, jednopunkowym, generującym drgania o jednej częstotliwości, zwykle 159,12 Hz (czasem 80 Hz), jednym poziomie drgań, najczęściej o amplitudzie przyspieszenia a=10m/s*s i pomiar podłączonego do niego miernika drgań (lub odczyt w systemie) dla weryfikacji poprawnego działania. Warto wspomnieć, że wybór częstotliwości 159,12 Hz podyktowany jest wygodą przeliczania wartości amplitudy dla całkowanych wartości drgań do prędkości v(velocity) i dwukrotnego całkowania do przemieszczenia d(displacement). W najprostszym ujęciu całkowanie odnosi się do podzielenia amplitudy przez wartość w=2π *f, czyli 6,28 *159,12 = 1000. Dla a =10 m/s*s, odpowiednio wartość prędkości drgań v= a/w = 10mm/s, a dla przemieszczenia d=v/w = 10um. (czyli zawsze 10 coś😊). Kalibrator taki jest najczęściej przenośny, lekki i umożliwia weryfikację w terenie (bardzo wygodne).
- Procedura zdjęcia charakterystyki częstotliwościowej akcelerometru, czyli przy użyciu zaawansowanego systemu pomiarowego (są też przenośne kalibratory, ale moim zdaniem mniej dokładne). Procedura wygląda podobnie, czujnik jest umieszczany na wzbudniku drgań (w sąsiedztwie akcelerometru referencyjnego), generującym drgania tym razem nie jednopunktowo, ale w zadanym pasmie częstotliwości. Porównanie odpowiedzi amplitudowej tych dwóch wartości, z akcelerometru referencyjnego (będącego laboratoryjnym, wzorcowanym, o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej) i akcelerometru badanego, pozwala na ocenę jakości tego ostatniego. Otrzymuje się charakterystykę w funkcji koherencji (pokazanie rozbieżności amplitudy drgań w funkcji częstotliwości). Proste, prawda 😊.
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 2,5mm, aby potrafił mierzyć +/- 1,25mm 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 -12VDC. Dlaczego? Bo ten punt znajduje się w połowie użytecznego, liniowego zakresu pomiarowego (dla przypomnienia, zakres wynosi -2V do -22V). I czujnik będzie poprawnie wskazywał zbliżanie i oddalanie się obiektu w zakresie +/- 1,25mm. Gwoli sprawiedliwości, muszę dodać, że zwykle zalecane jest ustawianie napięcia bias na wartość -10VDC i zawężenie zakresu pomiarowego do +/- 1mm. A wynika to z faktu, że liniowość czujnika na końcu zakresu, poniżej -18VDC jest nieco zaburzona. Pomiar dokonywany jest w zakresie +/- 8VDC od wartości bias = -10VDC, co dla standardowej czułości czujnika wiroprądowego równej 8VDC/mm, spełnia wymóg pomiaru we wspomnianym 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 (-18VDC). 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 montowany na taśmę), 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😊. Poprawka: już zrobiłem, jest na sąsiedniej zakładce.
Powrót do kalibracji, bo została jeszcze kalibracja dynamiczna czujnika wiroprądowego, czyli odpowiedź jego na szybkozmienne zmiany drgań, rzędu do 10kHz. Zwykle, jeśli czujnik działa poprawnie dla wspomnianych wyżej zmian statycznych, wolnozmiennych, to jeśli jest to czujnik znanej, sprawdzonej firmy, np. Bruel & Kjaer, Bently Nevada (bez urazy dla innych firm, bo ich może nie znam), 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 zbudowałem taki układ do jednopunktowego sprawdzenia wykorzystującego kalibrator drgań (typ 4294 firmy Bruel & Kjaer) 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 = -12V).
Jest też w fazie eksperymentalnej, układ do kalibracji w funkcji częstotliwościowej, ale projekt zatrzymał się, bo jako czujnik referencyjny próbowałem zastosować akcelerometr z dwukrotnym całkowaniem do przemieszczenia. Nie wziąłem pod uwagę, że dwukrotne całkowanie sygnału przyspieszenia ma sens tylko do około kilkuset Hz (może do 500 Hz), dalej to tylko szum. Nie wiem co mnie podkusiło, zamiast od razu zastosować jako referencję też czujnik wiroprądowy? Być może fakt, że właściwie nie istnieją laboratoryjne czujniki wiroprądowe, które można uważać za referencyjne. No, ale do porównań znanych nam czujników metoda ta byłaby wystarczająca.
… i to by było na tyle.