Wibrometry

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Zdjęcie: PRUFTECHNIK

 

 

Idealna pod względem stanu technicznego maszyna wirująca to taka, która nie generuje żadnych drgań. Oznacza to, że jej łożyska są w idealnym stanie, wszystkie współpracujące elementy są dokładnie wyważone, pracują osiowo, a przekładnie pracują zgodnie teoretycznymi założeniami. Ale w praktyce takich maszyn nie ma.

 

Jak działa i jakie szkody może poczynić źle działająca maszyna wirująca najlepiej widać na przykładzie pralki. Przy niewyważeniu bębna z zawartością (praniem) można zaobserwować wiele destrukcyjnych „zachowań” takiego urządzenia podczas wirowania – wskutek wibracji pralka potrafi się przemieszczać po posadzce, obijać ściany, wyrwać wąż – o ile jest zamocowany zbyt sztywno lub jest zbyt krótki. Do tego dochodzi szybsze zużycie łożysk (włącznie z ich wybiciem). Aby temu zapobiec producenci pralek wprowadzają coraz lepsze rozwiązania powodujące równomierne (na ile jest to możliwe) rozmieszczenie zawartości bębna przed wirowaniem.

Maszyny zainstalowane w przedsiębiorstwach produkcyjnych są konstruowane tak, aby sprostać znacznie większym wyzwaniom (większe masy wirujące, większe obciążenia). Gdy urządzenie jest nowe nie powinno przysparzać problemów służbom Utrzymania Ruchu. Jednakże w miarę upływu czasu pogarszają się jej właściwości eksploatacyjne, co jest skutkiem przede wszystkim zużywania się podzespołów. Najczęściej są to łożyska i przekładnie zębate. Jest to normalne i dopuszczalne, o ile cały proces zużycia znajduje się pod kontrolą. Jednym z pierwszym symptomów nadchodzących problemów jest pojawienie się drgań. Dzięki temu, że są one przenoszone na obudowę, można w prosty i skuteczny sposób diagnozować stan maszyny – także jej zabudowanych elementów.

 

Pruftechnik 1_m

VIBROTIP. Zdjęcie: Pruftechnik

 

Analiza drgań to jedna z najstarszych metod analizy stanu maszyny. Początkowo intuicyjnie wyczuwano, że zwiększone drgania mają określoną przyczynę, jednak analiza drgań nie była nauką w ścisłym tego znaczeniu. Maszyny osłuchiwano, drgania oceniano za pomocą dotyku, a najwięcej do powiedzenia mieli operatorzy maszyn, którzy byli w stanie ocenić stan maszyny po zmianach (drganiach) następujących w określonym czasie. Jednakże nie były to metody ścisłe – polegano jedynie na doświadczeniu i obserwacji. Wyniki nie były porównywane – nie było metod ani przyrządów do pomiaru drgań.

Pierwszymi miernikami drgań były przyrządy mechaniczne. Za pomocą pisaka umieszczonego na końcu dźwigni umocowanej do obudowy czujnika za pomocą sprężyny nanoszony był ślad drgań na taśmie papierowej. Wadą takiego rozwiązania był brak elektrycznego przetwarzania sygnału, a więc brak jakiejkolwiek automatycznej możliwości analizy takiego sygnału. Analiza polegała wyłącznie na przeglądaniu taśmy i obserwowaniu zmian w zapisie. Należy dodać, że miarą drgań w takich przyrządach było przemieszczenie.

Prawdziwy przełom nastąpił w momencie pojawienia się przetworników elektrycznych. Pojawiły się bezdotykowe czujniki przemieszczeń (indukcyjne lub pojemnościowe), które stały się podstawą wibrometrii. Wadą takich systemów była konieczność zastosowania niezależnego układu odniesienia.

Kolejnym etapem w rozwoju wibrometrów było zastosowanie akcelerometrów, a więc czujników mierzących nie przemieszczenie, ale przyspieszenie. Dzięki temu wyeliminowano konieczność stosowania niezależnych układów odniesienia (a więc izolowania czujnika od badanego urządzenia) przy pomiarach drgań – czujnik może być zamontowany bezpośrednio na maszynie i bardzo precyzyjnie wskazuje wielkość drgań.

 

Fluke F810_06a_c_m

Zdjęcie: Fluke

 

Spotyka się trzy podstawowe rodzaje akcelerometrów, a w zasadzie – przetworników w nich stosowanych:

– piezoelektryczne,

– piezooporowe,

– pojemnościowe.

Przetworniki piezoelektryczne wykorzystują zjawisko piezoelektryczne w kryształach (przy pojawieniu się obciążenia mechanicznego w krysztale powstaje ładunek elektryczny). W przetwornikach piezooporowych mierzy się wartość oporu elektrycznego, który zmienia się w zależności od obciążenia mechanicznego. Przetworniki pojemnościowe wykorzystują zmieniającą się pojemność w zależności od położenia ruchomych płytek.

 

A może laser?

Ostatnią nowością w dziedzinie pomiarów wibracji są wibrometry laserowe. W największym uproszczeniu – zasada działania typowego wibrometru laserowego polega na detekcji i analizie promieniowania laserowego rozproszonego na obiekcie drgającym. W sytuacji, gdy obiekt się porusza, częstotliwość światła zmienia się w wyniku efektu Dopplera. Mierząc tę różnicę częstotliwości można odczytać prędkość badanego obiektu. Dalsza cyfrowa obróbka sygnału pozwala uzyskać informacje o amplitudzie drgań, przyspieszeniu i widmie częstotliwościowym.

Wibrometry laserowe występują w różnych odmianach. Zastosowanie konkretnego zależy od rodzaju pomiaru, jaki należy zastosować w celu osiągnięcia jak najlepszych wyników. Wyróżnić zatem można:

– wibrometry laserowe jednopunktowe,

– wibrometry różnicowe,

– wibrometry do pomiarów drgań skrętnych,

– wibrometry in-plane,

– wibrometry do pomiarów wysokich prędkości,

– wibrometry wysokoczęstotliwościowe,

– wibrometry do pomiarów mikrostruktur,

– wibrometry skanujące,

– wibrometry 3D.

Załączona ilustracja pokazuje, do jakich pomiarów służą poszczególne wibrometry.

 

Wibrometry przeznaczenie_m

 

 

Rynek

Wśród producentów wibrometrów piezoelektrycznych i magnetycznych należy wymienić takie firmy jak Extech (przedsiębiorstwo należące do firmy Flir), Voltcraft, Fluke, Pruftechnik, Lutron, SPM, HT (HuaTec). Wibrometry laserowe produkują firmy takie jak MetroLaser, Polytec, SKF, SIOS. Dostępne są w firmach takich jak Conrad Electronic, ENVIBRA, EC Test Systems, Matbor, LABSOFT, Elfa Distrelec, Merazet, SKF, Fluke, TME. AS Instrument Polska.

Do wyboru mamy wibrometry od niewielkich, wielkości niewiele większej od pendrive’a (VB300 firmy Extech), aż do dużego urządzenia, jakim jest Fluke 810 czy VIBXPERT firmy Pruftechnik. Oczywiście możliwości tych urządzeń są nieporównywalne – instrumenty Fluke i Pruftechnika to zaawansowane stacje diagnostyczne, w których wibrometr uzupełniono o analizator drgań i odpowiednie oprogramowanie.

Na rynku dostępne są też urządzenia z Chin – firmy np. HuaTec. Co ciekawe wibrometr HT HG-6360 można spotkać także pod ogólną nazwą VM-6360 (Vibration Meter), bez nazwy firmy, lub jako sprzęt firmy Landtek Instruments czy REED. Praktycznie trudno dociec, kto jest źródłem tych urządzeń. Identyczna sytuacja występuje przy urządzeniu HG-6320, obecnym na rynku także jako VM-6320.

Wibrometry, jako urządzenia pomiarowe, są podobne. W większości przypadków opis będzie niemal identyczny – różnić się będą jedynie zastosowaną baterią oraz dodatkowymi funkcjami, na które warto zwrócić uwagę przy zakupie. Poza pomiarem przyspieszenia oraz prędkości oferują obrotomierz. Różnią się także sondą – niektóre mają sondę (zwykle magnetyczną lub piezoelektryczną) na kablu o długości ok. 1 m, natomiast niektóre mają sondę zamocowaną bezpośrednio na obudowie miernika, w kształcie metalowego stożka (Fluke 805, HT HG-6400). Wibrometry zwykle są wyposażone w rejestrator danych (z kartą pamięci), wymienne sondy, obudowy w różnych klasach szczelności IP.

Extech VB300_m

VB300. Zdjęcie: Extech

Jak wspomniano szczególnym urządzeniem jest wibrometr VB300 firmy Extech w formie pendrive’a. Rejestruje on wartości pomiaru wstrząsów, wibracji i przyspieszenia a zakresie pomiaru ±18 G (przyspieszenie ziemskie). Rejestrator danych rejestruje siły przyspieszenia w 3 osiach (X/Y/Z) i występujące wartości maksymalne. Wszystkie dane ze stemplem czasowym, aby umożliwić precyzyjną analizę. Błędy, niewłaściwe warunki itp. mogą być wykazane. Interwał rejestracji (prędkość zapisu), alarm przekroczenia wartości granicznych (maks./min) i tryb startu może zostać skonfigurowany w komputerze. Zapisane dane można łatwo odczytać poprzez podłączenie VB300 do portu USB w komputerze oraz analizować i przetwarzać je za pomocą oprogramowania. Dane pomiarowe można przedstawić graficznie, wydrukować i eksportować do korzystania z innymi aplikacjami, jak programy do edycji tekstu i tabeli. Rejestrator danych wyposażony w baterię litową samowystarczalną do maksymalnie 1000 godzin. Urządzenie VB300 wykorzystuje pamięć Flash 4 MB, która pozwalana na rejestrację danych normalnych 168042 lub 112028 danych wykrywania ruchu na osi. Należy wspomnieć, że rejestrator VB300 jest niemal trzykrotnie tańszy od typowych wibrometrów. Wynika to m.in. z braku wyświetlacza LCD (są tylko dwie diody LED wskazujące stan urządzenia)

Na drugim końcu, jeśli chodzi o możliwości, jest Fluke 810. Tester wibracji Fluke 810 jest najbardziej zaawansowanym przyrządem do diagnostyki dla zespołów konserwacji mechanicznej, które muszą szybko reagować. Unikatowa technologia diagnostyczna bazująca na doświadczeniach analityków zajmujących się wibracjami, pomaga szybko określać i ustalać priorytety postępowania przy usuwaniu awarii mechanicznych.

 

Fluke 810_m

Fluke 810. Zdjęcie: Fluke

 

Przyrząd umożliwia rozpoznawanie oraz lokalizowanie najczęściej występujących usterek mechanicznych (łożyska, niewspółosiowość, asymetria, luzy), dzięki czemu pozwala skupić się na ich przyczynach, skracając tym samym nieplanowane przestoje w ich pracy. Ogólny poziom wibracji pozwala szybko ocenić ogólny stan maszyny bezpośrednio z ekranu diagnostyki. Czteropoziomowa skala powagi usterek pozwala ustalać priorytety dla prac konserwacyjnych. Zalecenia naprawcze proponują technikom konkretne działania zaradcze. Szczegółowe raporty diagnostyczne oraz wykresy widmowe pomagają potwierdzić jakość danych i skonkretyzować źródłową przyczynę awarii. Elastyczna konfiguracja prędkości maszyny umożliwia przetestowanie szerokiego zakresu zasobów, w tym napędów pasowych, skrzyni biegów i przekładni stożkowych. Wewnętrzna pamięć 2 GB (z możliwością rozszerzenia) zapewnia dość miejsca na informacje o sprzęcie. Funkcja autotestu zapewnia optymalną wydajność i dłuższy czas pracy. Laserowy tachometr do precyzyjnych pomiarów prędkości pracy maszyn gwarantuje wiarygodną diagnostykę. Trójosiowy akcelerometr zmniejsza czas pomiaru o 2/3 w porównaniu do akcelerometrów jednoosiowych. Oprogramowanie komputerowe Viewer zwiększa możliwości zapisywania oraz analizy danych.

Innym zaawansowanym urządzeniem jest VIBXPERT II firmy Pruftechnik. Jest to zbieracz danych i analizator sygnałów, który ma intuicyjną obsługę oraz – co istotne – krótki czas pomiaru. VIBXPERT II łączy sprawdzone cechy poprzedniej wersji z zaletami szybszego procesora oraz kolorowego energooszczędnego wyświetlacza. Jest to zaawansowane urządzenie, a nie tylko wibrometr – VIBXPERT II wyposażono w 4 tryby pracy: wielozadaniowy (z charakterystycznymi wartościami sumarycznymi takimi jak drgania, przepływy, napięcie, stan łożysk, temperatura i moment obrotowy), tryb ścieżki (dla którego charakterystyczne są zbieranie danych w ścieżce pomiarowej, drzewo ścieżki pomiarowej / w formie listy lub w formie graficznej oraz optymalizacja ścieżki pomiarowej dla trendu i widma), tryb zapamiętywania oraz tryb wyważania.

 

Pruftechnik VIBXPERT_II_press_photo_1_m

VIBXPERT II. Zdjęcie: Pruftechnik

 

 

Wibrometry laserowe

Na polskim rynku dostępnych jest kilkanaście modeli wibrometrów laserowych. W zależności od zastosowań należy dobrać odpowiednie urządzenie, gdyż – jak wspomniano – wykorzystują one różne metody pomiaru. Możliwości wibrometrów najlepiej poznać na kilku przykładach.

Wibrometr VibroMet 500V firmy MetroLaser z oferty firmy ENVIBRA to jednopunktowy, ekonomiczny wibrometr laserowy ogólnego zastosowania, mobilny i kompaktowy, bardzo łatwy w instalacji i obsłudze. Wystarczy 10–15minut od otwarcia walizki transportowej do realizacji pomiaru.

Kolejne urządzenie to VibroMet 500SLDV (Scanning Laser Doppler Vibrometer) – także firmy MetroLaser, będący w ofercie ENVIBRA. Jest to wibrometr skanujący klasy ekonomicznej – ogólnego zastosowania, mobilny i kompaktowy, bardzo łatwy w instalacji i obsłudze. Nie wymaga czasochłonnego ustawiania optyki i ostrości, nie wymaga przygotowania powierzchni pomiarowej, mierzy praktycznie na każdej powierzchni poza materiałami silnie refleksyjnymi.

Wibrometry laserowe firmy SIOS GmbH z oferty firmy LABSOFT to urządzenia do precyzyjnego, bezkontaktowego pomiaru przesunięcia, przyspieszenia lub prędkości ciał  drgających z częstotliwościami od 0 do 500 kHz. Pomiar odbywa się z wykorzystaniem interferencji światła – wiązka laserowa po odbiciu od drgającego obiektu jest przesunięta w fazie względem wiązki referencyjnej i interferuje z nią. Chwilowa różnica w fazie zależy od parametrów ruchu drgającego, które można wyznaczyć na podstawie analizy uzyskanych prążków interferencyjnych. Wibrometry te wykorzystują sprawdzone, miniaturowe i światłowodowe interferometry serii SP-S. Kompletny system pomiarowy składa się z modułowej jednostki zasilająco-sterującej zawierającej stabilizowany laser He-Ne, kompaktowej głowicy pomiarowej oraz różnych modułów przyłączeniowych. Te łatwe w obsłudze i justowaniu urządzenia mierzą przesunięcia w zakresie do ±20 mm z dokładnością 0,1 nm. Oprogramowanie INFAS Vibro efektywnie przetwarza dane pomiarowe, koryguje je, przeprowadza analizę FFT i wyświetla wyniki. Główne zastosowania to precyzyjne pomiary wielkości charakteryzujących ruch drgający, wyznaczanie mod drgań płyt oraz częstotliwości rezonansowych obiektów mikro- i makroskopowych. Dostępne są dwa modele, różniące się głównie zakresem odległości roboczej: SP-S (odległość robocza 30–70 mm, 240 mm), LSV (240–2500 mm).

 

SIOS LSV_m

SIOS LSV. Zdjęcie: LABSOFT

 

Wibrometry POLYTEC oferuje firma EC Test Systems. Kompaktowy wibrometr laserowy CLV-2534 to urządzenie charakteryzujące się zarówno kompaktową budową jak i dużą elastycznością dającą możliwość dostosowania go do wielu aplikacji pomiarowych. Wibrometr daje możliwość pomiaru zarówno prędkości jak i przemieszczenia drgań w paśmie częstotliwości do 3,2 MHz. Szeroki zakres opcji dodatkowych takich jak zintegrowana kamera video, czy obiektywy mikroskopowe sprawiają, że CLV-2534 to idealne narzędzie do prac badawczo-rozwojowych zarówno w przypadku badań mikrostruktur jak i dużych obiektów przemysłowych. Plamka lasera wielkości 1,5 µm sprawia, że możliwe są pomiary mikrostruktur bez użycia mikroskopu. Z drugiej strony duża czułość optyczna i odporność na ostre warunki środowiskowe sprawiają, że CLV-2534 doskonale nadaje się również do pomiarów na dużych strukturach w przemyśle. Dostępna jest obecnie nowa cyfrowa wersja CLV-2534 oznaczona jako CLV-2534-3, która oferuje znakomitą rozdzielczość w paśmie częstotliwości do 350 kHz.

Podstawowe cechy CLV-2534 to: kompaktowa głowica umieszczona w szczelnej obudowie (IP 64), 3 zakresy prędkości drgań do 10 m/s i zakres częstotliwości do 3,2 MHz (CLV-2534-2), 5 cyfrowych zakresów częstotliwości do 500 mm/s i najwyższa rozdzielczość 0,02 µm/s (CLV-2534-3), znakomita liniowość dzięki wyszukanej konstrukcji elektroniki, szeroki integrator pasma z 7 zakresami dostępny jako opcja (CLV-2534-2), wysoka czułość optyczna dla dużego zakresu odległości roboczych i obniżenia poziomu szumów. Opcjonalnie można dołączyć kamerę wideo CCD. Urządzenie wspomaga dedykowane oprogramowanie VibSoft ze zintegrowanymi możliwościami obsługi funkcji wideo. Możliwe jest także wyposażenie wibrometru w obiektywy mikroskopowe dla pomiarów małych struktur.

 

Polytec CLV-2534_m

POLYTEC CLV-2534. Zdjęcie: EC Test Systems

 

Inny model tej samej firmy to PDV-100. Bezkontaktowe pomiary drgań przy użyciu tego wibrometru odbywają się przy użyciu zaledwie dwóch przycisków służących do ustawienia zakresów. Wybrany zakres odczytywany jest na wyświetlaczu, który pokazuje również ilość światła, jaka wraca do PDV-100 po odbiciu od mierzonego obiektu, przekroczenie zakresu oraz ostrzeżenia o niskim stanie naładowania baterii. Sterowane filtry dolno i górnoprzepustowe pozwalają na wyeliminowanie sygnałów niepożądanych.

PDV-100 to pierwszy w pełni samodzielny dopplerowski wibrometr laserowy, który został wyposażony w cyfrową elektronikę dekodującą. Wyjście analogowe umożliwia podłączenie wibrometru do klasycznych analogowych urządzeń rejestrujących. Wyjście cyfrowe daje możliwość współpracy z cyfrowymi analizatorami i systemami akwizycji danych pomiarowych. Wibrometr PDV-100 w skrajnych przypadkach można podłączyć nawet do wejścia karty dźwiękowej unikając konieczności stosowania drogich systemów akwizycji danych pomiarowych.

 

Polytec PDV-100_m1

POLYTEC PDV-100. Zdjęcie: EC Test Systems

 

Podstawowe cechy PDV-100 to: bezstykowy pomiar drgań w zakresie częstotliwości od 0 do 22 kHz, trzy zakresy prędkości, cyfrowy procesor sygnałowy, wyjścia analogowe i cyfrowe, pomiary z odległości od 0,2 m do 30 m, laser bezpieczny dla oka, ergonomiczna stylistyka, hermetyczna budowa i niska waga, mały pobór mocy baterii.

 

Wibrometry Tab1_m

 

Wibrometry Tab3_m

 

Autor: Tomasz Kurzacz

 

Artykuł pochodzi z czasopisma Główny Mechanik 6/2015

GM 6_2015 Okladka 400x565

 

Authors
Tagi

Related posts

Góra
English