...każdy ptak lubi słuchać swojego śpiewu... 4. NARZĘDZIA I SYSTEMY DO POMIARU DRGAŃ Współczesne maszyny i urządzenia to złożone układy dynamiczne zarówno pod względem funkcjonalnym, jak i konstrukcyjnym oraz przestrzennym. Proces ich wytwarzania i eksploatacji pochłania ogromne ilości pracy, surowców i energii. Szybki wzrost wymagań w stosunku do technicznych parametrów maszyn i urządzeń, przy równoczesnym dążeniu do zmniejszenia kosztów wytwarzania i eksploatacji, spowodował zasadnicze przeobrażenia w metodach projektowania, kontroli produkcji i eksploatacji. Liczne przypadkowe uszkodzenia, niespodziewane awarie oraz zagadnienia związane z uszkodzeniami spowodowanymi procesami życiowymi i starzeniowymi uzasadniają potrzebę prowadzenia badań drganiowych, stanowiących podstawowe źródło informacji o zmieniającym się stanie. 4.1. POMIARY I ANALIZA DRGAŃ Zasady pomiarów Pomiarem nazywa się proces poznawczy, polegający na porównaniu drogą doświadczenia fizycznego danej wielkości z pewną jej wartością przyjętą za jednostkę odniesienia. Tę definicję można rozszerzyć, uwzględniając, że niektóre automatyczne przyrządy pomiarowe spełniają także zadania wykonawcze. Pomiarem nazywa się więc proces odbioru i przekształcenia informacji o wielkości mierzonej w celu otrzymania, przez porównanie z jednostką pomiarową, ilościowego wyniku w postaci przez jej najbardziej wygodnej do odbioru przez organy czucia człowieka, przekazania w przestrzeni lub w czasie (rejestracji), matematycznego opracowania lub wykorzystania do sterowania. Przeprowadzenie takich pomiarów potrzebne jest do : - wyznaczenia przebiegów drgań i ich parametrów w czasie celem okreś1enia rodzaju drgań, ich wielkości charakterystycznych i przeprowadzenia szczegółowej analizy; - wykrywania źródeł drgań, tzn. ustalania przyczyny powstawania drgań i miejsca ich występowania; - ustalania cech charakterystycznych układów mechanicznych ( np. okreś1anie zmienności obciążeń w czasie podczas drgań i ich zależności od parametrów obiektu, jego kształtu, wymiarów, własności materiałów itp.); - izolowania i zmniejszania drgań szkodliwych d1a niezawodnej pracy urządzeń i obsługujących ludzi; - określenia szkodliwości występujących drgań d1a obsługi urządzeń mechanicznych i przeprowadzenia pewnych zabiegów profilaktycznych. Często bardzo istotne jest wyznaczenie przebiegów drgań własnych i wymuszonych układów mechanicznych. Tylko dla prostych układów można te przebiegi określić analitycznie. Dla bardziej złożonych układów przebiegi te są wynikiem superpozycji drgań własnych i trzeba je wyznaczyć eksperymentalnie na podstawie pomiarów w różnych punktach układu. Przebiegi drgań własnych zależą od warunków początkowych i parametrów mechanicznych danego układu. Przebiegi drgań wymuszonych są uzależnione od zmian wymuszenia w czasie. Na podstawie otrzymanych przebiegów drgań można określić ich rodzaj (okresowe, przypadkowe, nie ustalone itp.) i przeprowadzić analizę.
19
Embed
4. NARZĘDZIA I SYSTEMY DO POMIARU DRGAŃpojazdy.utp.edu.pl/ksiazki/Diagnostyka DM/R.5.pdf · Drgania obiektu można określić wektorem chwilowych wartości prędkości v. Dla wyznaczenia
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
...każdy ptak lubi słuchać
swojego śpiewu...
4. NARZĘDZIA I SYSTEMY DO POMIARU DRGAŃ
Współczesne maszyny i urządzenia to złożone układy dynamiczne zarówno pod
względem funkcjonalnym, jak i konstrukcyjnym oraz przestrzennym. Proces ich wytwarzania
i eksploatacji pochłania ogromne ilości pracy, surowców i energii. Szybki wzrost wymagań w
stosunku do technicznych parametrów maszyn i urządzeń, przy równoczesnym dążeniu do
zmniejszenia kosztów wytwarzania i eksploatacji, spowodował zasadnicze przeobrażenia w
metodach projektowania, kontroli produkcji i eksploatacji. Liczne przypadkowe uszkodzenia,
niespodziewane awarie oraz zagadnienia związane z uszkodzeniami spowodowanymi
procesami życiowymi i starzeniowymi uzasadniają potrzebę prowadzenia badań drganiowych,
stanowiących podstawowe źródło informacji o zmieniającym się stanie.
4.1. POMIARY I ANALIZA DRGAŃ
Zasady pomiarów
Pomiarem nazywa się proces poznawczy, polegający na porównaniu drogą
doświadczenia fizycznego danej wielkości z pewną jej wartością przyjętą za jednostkę
odniesienia. Tę definicję można rozszerzyć, uwzględniając, że niektóre automatyczne
przyrządy pomiarowe spełniają także zadania wykonawcze.
Pomiarem nazywa się więc proces odbioru i przekształcenia informacji o wielkości
mierzonej w celu otrzymania, przez porównanie z jednostką pomiarową, ilościowego wyniku
w postaci przez jej najbardziej wygodnej do odbioru przez organy czucia człowieka,
przekazania w przestrzeni lub w czasie (rejestracji), matematycznego opracowania lub
wykorzystania do sterowania.
Przeprowadzenie takich pomiarów potrzebne jest do :
- wyznaczenia przebiegów drgań i ich parametrów w czasie celem okreś1enia rodzaju drgań,
ich wielkości charakterystycznych i przeprowadzenia szczegółowej analizy;
- wykrywania źródeł drgań, tzn. ustalania przyczyny powstawania drgań i miejsca ich
występowania;
- ustalania cech charakterystycznych układów mechanicznych ( np. okreś1anie zmienności
obciążeń w czasie podczas drgań i ich zależności od parametrów obiektu, jego kształtu,
wymiarów, własności materiałów itp.);
- izolowania i zmniejszania drgań szkodliwych d1a niezawodnej pracy urządzeń i
obsługujących ludzi;
- określenia szkodliwości występujących drgań d1a obsługi urządzeń mechanicznych i
przeprowadzenia pewnych zabiegów profilaktycznych.
Często bardzo istotne jest wyznaczenie przebiegów drgań własnych i wymuszonych
układów mechanicznych. Tylko dla prostych układów można te przebiegi określić
analitycznie. Dla bardziej złożonych układów przebiegi te są wynikiem superpozycji drgań
własnych i trzeba je wyznaczyć eksperymentalnie na podstawie pomiarów w różnych
punktach układu. Przebiegi drgań własnych zależą od warunków początkowych i parametrów
mechanicznych danego układu. Przebiegi drgań wymuszonych są uzależnione od zmian
wymuszenia w czasie. Na podstawie otrzymanych przebiegów drgań można określić ich
rodzaj (okresowe, przypadkowe, nie ustalone itp.) i przeprowadzić analizę.
Celem analizy jest otrzymanie informacji o parametrach drgań danego układu.
Ważnym zagadnieniem jest wyznaczenie węzłów drgań (punktów, linii lub powierzchni,
które nie biorą udziału w drganiach) i punktów, których amplitudy drgań dla danej
częstotliwości są największe. Zbiór amplitud drgań poszczególnych punktów układu
przedstawia kształt (przebieg) drgań. Zagadnienia te są przedmiotem analizy geometrycznej.
Analiza czasowa polega na określeniu, w jaki sposób zmieniają się w czasie
poszczególne wielkości (przemieszczenie linearne, prędkość, przyśpieszenie, odkształcenie
itp.). Jeżeli zmiany są okresowe, to wyznacza się także ich częstotliwość. Jeżeli zmiany mają
charakter przypadkowy, to do analizy stosuje się metody statystyczne.
Interesujące wnioski można wyciągnąć także na podstawie analizy częstotliwościowej,
tzn. określeniu zmian charakterystycznych wielkości i parametrów w funkcji częstotliwości.
Źródła drgań mogą powstawać z przyczyn konstrukcyjnych (np. mechanizmy korbowe,
krzywkowe i inne wykonujące ruchy, napędy maszyn wibracyjnych), technologicznych
(niedokładności wykonania i montażu maszyny, np. niewyważenie mas wirujących,
owalizacja elementów łożysk i części obrotowych, niepożądane luzy i inne wady) lub
eksploatacyjnych (w wyniku zużycia się elementów i zniekształceń powierzchni w czasie
ruchu).
Przeprowadzając pomiary drgań poszczególnych elementów badanego obiektu można
znaleźć podzespół, który jest źródłem szkodliwych drgań. Przez jego wymianę często można
zmniejszyć drgania całego obiektu. Stosunkowo łatwe jest wykrywanie drgań będących
wynikiem wymuszenia kinematycznego, tzn. wywołanych wskutek ruchu danego elementu
(np. drgania wskutek ruchu samochodu po nierównej drodze), lub wymuszenia
dynamicznego, tzn. wskutek działania na dany element sił zewnętrznych lub sił będących
wynikiem oddziaływania innych podzespołów. Wartość siły może zmieniać się (okresowo lub
nie okresowo) lub być stała, a zmieniać się w czasie może tylko jej kierunek lub punkt
przyłożenia (np. siły odśrodkowe powstałe w wyniku ruchu obrotowego niewyważonej
masy). Trudniejsze jest wykrywanie drgań samowzbudnych, których przyczynami są
przeważnie zmienne opory tarcia, siły hydro- i aerodynamiczne lub występowanie sprzężeń
zwrotnych i drgań parametrycznych, których przyczyną często jest okresowa zmienność
sztywności elementów.
Wyznaczanie zmienności obciążeń pod wpływem drgań pozwala określić występujące
naprężenia i odkształcenia będące wynikiem sił zewnętrznych i sił bezwładności. Mierząc w
miejscach działania obciążeń, w miejscach połączeń itp. występujące siły i momenty można
otrzymać przebieg obciążeń dynamicznych poszczególnych elementów obiektu [14,47,58,81].
Za pomocą pomiarów drgań można badać wpływ wymiarów i kształtów elementów (a
tym samym masy, sztywności itp.), sposobów mocowania i materiałów na parametry drgań.
Występujące drgania obiektów, z wyjątkiem układów techniki drgań, są szkodliwe. Zakłócają
one prawidłową pracę urządzeń, powodując ich szybkie zużywanie oraz straty energetyczne.
Jeżeli występują drgania, wówczas dąży się do ustalenia przyczyny i zlokalizowania ich, a
następnie zmniejszenia. Jeżeli nie da się zmniejszyć drgań, wówczas stosuje się elementy
izolacyjne, które powodują ich tłumienie.
Pomiary drgań polegają na mierzeniu pewnych wielkości fizycznych,
charakteryzujących drgania obiektu. Do takich wielkości zalicza się przemieszczenie,
prędkość i przyspieszenie. Przemieszczenie punktu określa jednoznacznie wektor
przemieszczenia s. Przy pomiarach wektora s określamy jego współrzędne sx, sy lub sz.
Drgania obiektu można określić wektorem chwilowych wartości prędkości v. Dla
wyznaczenia wektora v należy pomierzyć jego składowe: vx, vy, vz. Pomiary prędkości są
celowe w wielu przypadkach. Należy pamiętać, że amplituda prędkości cząstki drgającej
harmonicznie równa jest amplitudzie przemieszczenia pomnożonego przez częstotliwość
kątową .
Ruch drgający można określić także wektorem chwilowego przyspieszenia a. Wektor
ten można wyznaczyć przez pomiar jego współrzędnych: ax, ay, az. Przyspieszenie jest
proporcjonalne do działającej siły, w związku z tym dla jednoznacznego scharakteryzowania
drgań można mierzyć przyśpieszenie wyznaczające położenie danego punktu i przyspieszenie
określające oddziaływującą na obiekt siłę. Amplituda przyśpieszenia każdej składowej widma
równa się amplitudzie przemieszczenia pomnożonej przez częstotliwość kątową do kwadratu.
Im wyższa jest harmoniczna przebiegu drgań, tym bardziej jest ona odzwierciedlana w
widmie przyspieszenia. Jak wiadomo, szeregi Fouriera dla pochodnych rozkładanej funkcji są
tym wolniej zbieżne, im jest wyższy rząd pochodnej. Ponieważ amplitudy przyśpieszeń
wyższych harmonicznych są duże, więc do pomiarów należy używać aparaturę posiadającą
szeroki zakres częstotliwości pracy.
Przy pomiarach przemieszczeń wymagania dotyczące zakresu częstotliwości są
mniejsze, ponieważ amplitudy wyższych harmonicznych są pomijalne. Należy zaznaczyć, że
w niektórych przypadkach przebiegi przemieszczeń mogą być prawie sinusoidalne, prędkości
odkształcone, a przyśpieszenia mogą mieć charakter przypadkowych procesów.
Dla każdej z trzech wyżej wymienionych wielkości można mierzyć jej wartości
chwilowe, średnie lub szczytowe. Najpełniejszą informację daje zapis wartości chwilowych w
funkcji czasu. Pomiary wartości średnich przeprowadza się wtedy, gdy chodzi nam o ogólne,
uśrednione informacje o danych drganiach. W niektórych układach są wprowadzone
ograniczenia odnośnie do maksymalnych chwilowych wartości drgań. Dla ich wyznaczenia
wystarczy mierzyć szczytowe wartości drgań.
Często zależy nam na określeniu częstotliwości występujących drgań. Przy drganiach
harmonicznych częstotliwość można wyznaczyć bardzo łatwo, np. z widma chwilowych
wartości przemieszczeń. Można także zmierzyć ją bezpośrednio miernikiem częstotliwości.
Dla drgań okresowych, ale nie harmonicznych, wymagane jest często określenie
częstotliwości podstawowej (drgania harmonicznego o najniższej częstotliwości).
Bezpośrednie wyznaczenie jej z widma jest przeważnie niemożliwe i należy w tym celu
zastosować specjalną aparaturę (filtry przestrajane lub przełączane) albo przeprowadzić
analizę przebiegu analitycznie (szereg Fouriera). Dla pełnego obrazu występujących
częstotliwości należy przeprowadzić szczegółową analizę i wyznaczyć dyskretne widmo
drgań. Jeżeli występują drgania nieokresowe, widmo drgań jest ciągłe. Wyznaczenie tego
widma wymaga skomplikowanej aparatury pomiarowej. Przy drganiach przypadkowych
wymagany jest pomiar rozkładów prawdopodobieństw, który najpełniej charakteryzuje
zachodzący proces. Ze względu na to, że pomiar ten jest bardzo skomplikowany, często
ogranicza się do pomiaru funkcji korelacyjnej drgań. Funkcja ta pozwala wyznaczyć
parametry pierwszego i drugiego rzędu drgań przypadkowych. Na podstawie przekształcenia
Fouriera z funkcji korelacyjnej można wyznaczyć gęstość widmową mocy procesu. Za
pomocą odpowiedniej aparatury można bezpośrednio wyznaczyć widmo amplitudowe.
Pomiar widma fazowego jest rzadko wymagany.
Przy drganiach wywołanych impulsami często wymaga się określenia nachylenia
czoła i czasu trwania działających impulsów. Jeżeli impulsy występują okresowo, to określa
się ich częstotliwość.
Układ pomiarowy służy do przetworzenia ruchu drgającego badanego obiektu na
wskazania miernika lub na postać dogodną do rejestracji. Na obiekcie, którego drgania mają
być mierzone, mocuje się czujniki. Są one przetwornikami wielkości wejściowej (drgań) na
sygnał wyjściowy informujący o mierzonej wielkości. Przetworniki przekształcają drgania
mechaniczne na inną postać drgań mechanicznych lub na drgania elektryczne.
Jeżeli przewody łączące czujniki z pozostałą aparaturą są długie, wówczas dla
zapewnienia lepszych warunków pomiaru stosuje się wtórniki katodowe. Zadaniem ich jest
dopasowanie linii do czujnika. Sygnał wyjściowy z wtórnika katodowego doprowadza się do
pozostałej aparatury pomiarowej liniami połączeniowymi. Urządzenie dodatkowe może
zawierać różne zespoły w zależności od wybranej metody pomiarowej, stosowanych
czujników, mierzonych wielkości i parametrów, własności drgań oraz wymaganej postaci
sygnału wyjściowego. Mogą tutaj wchodzić mostki, różne rodzaje wzmacniaczy, układy
całkujące lub różniczkujące itp. w zależności od tego, czy przewiduje się bezpośredni odczyt,
czy przebieg ma być rejestrowany, stosuje się mierniki wskazówkowe lub rejestratory. Jako
rejestratorów używa się wielokanałowe oscylografy pętlicowe, wielostrumieniowe
oscylografy z kamerami fotograficznymi lub magnetofony pomiarowe. w niektórych
przypadkach zamiast przyrządów wskazówkowych lub rejestratorów używa się analizatorów,
które przeprowadzają od razu analizę drgań i podają gotowe wyniki. Gdy są przeprowadzane
pomiary układów, w pobliżu których ze względu na bezpieczeństwo nie może znajdować się
człowiek, wówczas stosuje się zdalne sterowanie [3,6,14,24,25,27,34].
4.2. UKŁADY POMIAROWE DRGAŃ MECHANICZNYCH
Układ pomiarowy służy do przetworzenia ruchu drgającego badanego obiektu na
wskazania miernika lub na postać dogodną do rejestracji. Na obiekcie, którego drgania mają
być mierzone, mocuje się czujniki. Są one przetwornikami wielkości wejściowej (drgań) na
sygnał wyjściowy informujący o mierzonej wielkości. Przetworniki przekształcają drgania
mechaniczne na inną postać drgań mechanicznych lub na drgania elektryczne. Podstawową
strukturę układu pomiarowego można otrzymać przez odpowiednie połączenie kilku
przyrządów pomiarowych. Przykładowy układ pokazano na rysunku 4.1.
Rys 4.1. Schemat układu pomiarowego drgań mechanicznych
Zasadniczym elementem układu pomiarowego jest czujnik, który umożliwia określenie
przebiegu drgań w czasie w postaci sygnału analogowego. Obecnie są stosowane do pomiaru
drgań rożnego typu przetworniki wielkości mechanicznych na wielkości elektryczne.
Generalnie można wyodrębnić czujniki do pomiarów drgań bezwzględnych oraz drgań
względnych. Do klasy czujników do pomiaru drgań bezwzględnych należą akcelerometry
piezoelektryczne i czujniki elektrodynamiczne z masą sejsmiczną. Natomiast pomiar drgań
względnych wykonuje się najczęściej czujnikami bezstykowymi takimi jak: czujniki
zbliżeniowe elektromagnetyczne i indukcyjne, czujniki zbliżeniowe wiroprądowe, czujniki
zbliżeniowe pojemnościowe. Większość z czujników zbliżeniowych może być stosowana do
pomiaru drgań elementów tylko o własnościach ferromagnetycznych.
Uzyskany z czujnika sygnał elektryczny jest sygnałem małej mocy rzędu mikro lub
miliwatów wymagającym dużej oporności wejściowej, aby zapewnić właściwe ich działanie.
Napięcie sygnału osiąga wartość od kilku do kilkudziesięciu mV. Przyrządem, który zapewni
właściwe działanie czujnika i umożliwia zwiększenie napięcia wyjściowego sygnału z
czujnika jest wzmacniacz ładunku (lub napięcia) sygnału elektrycznego. W najnowszych
rozwiązaniach są stosowane wzmacniacze zintegrowane z czujnikiem, które umożliwiają
znaczne zwiększenie stosunku poziomu sygnału pomiarowego do poziomu zakłóceń. Nie
wyklucza to jednak stosowania w połączeniu kaskadowym wzmacniacza końcowego sygnału.
W układzie pomiarowym stosowanym do monitorowania maszyn wirnikowych włącza się
dodatkowo moduł znacznika fazy, który umożliwia zidentyfikowanie fazy drgań w
odniesieniu do położenia kątowego wału, a także może posłużyć do śledzenia obrotów wału i
zmian prędkości obrotowej wału. Bardzo ważnym elementem układu pomiarowego jest
zespół filtrów sygnału analogowego. Filtr umożliwia eliminowanie składowych
harmonicznych z widma amplitudowego sygnału w wybranym zakresie częstotliwości. Ma to
duże znaczenie w badaniach spektralnych i minimalizowaniu zakłóceń.
Wzmacniacze, filtry i zasilacze połączone szeregowo tworzą układ kondycjonowania
sygnałów. Analogowe sygnały elektryczne z tego układu są przesyłane do elektronicznego
układu przetwarzającego sygnał analogowy w dyskretny sygnał cyfrowy. Układ ten jest
zwany przetwornikiem analogowo cyfrowym (konwerterem AC). Zespół, najczęściej
kilkunastu przetworników mogących obsługiwać kilka kanałów analogowych, tworzy kartę
analogowo-cyfrową. Możliwość, a także i potrzeba stosowania przetworników AC pojawiła
się wraz z powszechną dostępnością przenośnych komputerów. Karta analogowo-cyfrowa
bardzo często jest tak konstruowana aby mogła być bezpośrednio podłączona do magistrali
komputera (BUS). Jest ona umieszczana w 16-bitowych złączach (ISA lub PCI) płyty głównej
komputera.
Najważniejszymi parametrami kart analogowo – cyfrowych są częstotliwość
próbkowania i szybkość transmisji danych do pamięci operacyjnej. Parametry te mają
zasadnicze znaczenie przy wyborze filtrów w układzie kondycjonowania sygnału
analogowego [1].
Przetwarzanie drgań na postać elektryczną, to zamiana energii drgań źródła na energię
sygnału elektrycznego. Przetwarzanie to jest realizowane za pośrednictwem czujników drgań.
Czujnik drgań lub wibracji jest zwykle przetwornikiem mechano - akustycznym
przyspieszeniowym lub prędkościowym. Jego siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do
składowej przyspieszenia (lub prędkości), równoległej do kierunku ruchu elementu czynnego
czujnika. Czujniki przyspieszeń, zwane też akcelerometrami, są najczęściej przetwornikami
piezoelektrycznymi, które na zaciskach wyjściowych wytwarzają sygnał elektryczny –
proporcjonalny do przyspieszenia, któremu został poddany. Akcelerometry pracują w
szerokim zakresie częstotliwości od ułamków herca do około 20000Hz. Czujniki prędkości są
zwykle przetwornikami magnetoelektrycznymi lub elektromagnetycznymi. Odznaczają się
gorszymi parametrami niż czujniki przyspieszeń i z tego powodu, w technice pomiarowej są
prawie nie stosowane. Czujniki drgań muszą współpracować z odpowiednim typem
przedwzmacniacza, co umożliwia zastosowanie np.: długich kabli pomiędzy przetwornikiem
a stopniem wejściowym przyrządu pomiarowego lub rejestratora. Różnorodność rozwiązań
konstrukcyjnych akcelerometrów może na pierwszy rzut oka utrudnić właściwy wybór
przetwornika, jednakże akcelerometry uniwersalne ogólnego przeznaczenia zaspokajają dużą
część zapotrzebowania na czujniki drgań systemów diagnostycznych [1].
Przy pomiarach i rejestracji drgań o bardzo niskich lub bardzo wysokich poziomach
należy uwzględnić zakres dynamiki akcelerometru. Dolna granica jest spowodowana
szumami przedwzmacniacza, natomiast górna jest określona wytrzymałością mechaniczną
samego akcelerometru. Typowy czujnik przyspieszenia ma liniową dynamikę w zakresie 50 ÷
100000 m/s2. Tak wysoki poziom występuje przy pomiarach udarów mechanicznych. Bardzo
ważnym czynnikiem, mającym wpływ na jakość przetwarzania za pomocą akcelerometru, jest
jego zamocowanie. Akcelerometr powinien być zamocowany w ten sposób, by jego główna
oś czułości pokrywała się z kierunkiem pomiaru. Czułość poprzeczna jest niewielka i wynosi
zwykle 1 ÷ 2 % poniżej czułości wzdłuż osi. Luźne zamocowanie akcelerometru powoduje
obniżenie częstotliwości rezonansowej czujnika, co z kolei implikuje zmniejszenie
użytecznego zakresu częstotliwości. Optymalny sposób montażu czujnika przyspieszeń
polega na jego przykręceniu (o ile to możliwe) do powierzchni pomiarowej za pomocą
specjalnego wkrętu.
Pod wpływem drgań na wyjściu czujnika drgań pojawia się sygnał elektryczny jako
odwzorowanie zmian procesu drganiowego. Sygnał na wyjściu akcelerometru może być
wykorzystywany w następujący sposób:
a) może być poddany przetwarzaniu i analizie w czasie rzeczywistym, co jest
realizowane za pomocą przyrządów pomiarowych i analizujących współpracujących
z danym przetwornikiem,
b) może być zarejestrowany w oryginalnej postaci analogowej, na odpowiednim
nośniku magnetycznym lub pamięci masowej typu USB flash,
c) może zostać zarejestrowany w postaci cyfrowej. Ze względu na fakt, że pewna część pomiarów diagnostycznych musi być wykonywana
w terenie bądź w miejscach i sytuacjach oddalonych od aparatury diagnostycznej, istnieje potrzeba rejestracji sygnału diagnostycznego w postaci analogowej. Rejestracja analogowych sygnałów diagnostycznych ma wiele zalet:
a) istnieje możliwość łatwego usunięcia poprzedniego, zbędnego zapisu sygnału, b) stosowanie pamięci typu USB flash pozwala na długi czas rejestracji, c) zapis analogowy jest mało kosztowny, d) łatwy sposób archiwizowania i analizy sygnałów pomiarowych.
Zarejestrowany sygnał analogowy u(t) zawiera, oprócz sygnału użytecznego, składowe
zniekształcające, pochodzące od źródeł zakłócających oraz parametrów czujników. Zatem
zapisany sygnał, w dalszych procedurach przetwarzania i analizy, będzie poddawany
przekształceniom, mającym na celu wydobycie z niego interesujących informacji
diagnostycznych a jednocześnie usunięcie informacji nadmiarowych lub szkodliwych. Należy
pamiętać o podstawowej zasadzie w trakcie pomiarów, że jeśli na wyjściu przyrządu
pomiarowego nie uzyskaliśmy odpowiednich informacji diagnostycznych, to dalsze operacje
na tym sygnale tej informacji nie zwiększą [1]. Kolejnym etapem procesu komputerowego przetwarzania sygnału diagnostycznego,
najczęściej po analogowych procedurach wstępnej obróbki, jest wprowadzenie tego sygnału do pamięci komputera. Pamięć komputera składa się z tzw. komórek, w których można umieścić kody reprezentujące np. liczby z określonego przedziału wartości odwzorowane z określoną dokładnością. Ze względu na to, że sygnał wibroakustyczny jest przebiegiem ciągłym, trwającym określony czas i przyjmującym wartości napięcia z czujnika zmieniające się też w sposób ciągły, to występuje oczywista konieczność przetworzenia informacji z postaci ciągłego sygnału do postaci kodów komputerowych. Przetwarzanie to składa się na ogół z trzech etapów:
a) próbkowania, czyli dyskretyzacji czasowej sygnału, b) dyskretyzacji amplitudowej, czyli inaczej kwantyzacji, c) kodowania sygnału do postaci akceptowanej przez komputer. Realizację przetwarzania uzyskuje się za pośrednictwem ważnego urządzenia zwanego
przetwornikiem analogowo-cyfrowym (A/C). Przetwornik analogowo-cyfrowy jest
urządzeniem, które przetwarza wejściowy ciągły sygnał elektryczny w sygnał cyfrowy,
będący sekwencją liczb aproksymujących (przybliżających) odpowiednie próbki sygnału
wejściowego. W dyskretyzacji czasowej sygnału mowy (i każdego innego sygnału) istotnym
problemem jest określenie tzw. kroku próbkowania, czyli przedziału czasu, co jaki mają być
pobierane przez komputer pomiary chwilowych wartości, ponieważ tylko te chwilowe
wartości zostaną następnie zamienione na kody i wprowadzone do określonych komórek
pamięci komputera. Ustalenie zbyt dużej wartości kroku próbkowania, czyli zbyt rzadkie
pobieranie próbek spowoduje, że pewne informacje zostaną pominięte i nastąpi utrata
informacji, niemożliwa do odrobienia przez dalsze procedury. Zbyt mały krok dyskretyzacji
spowoduje z kolei wprowadzenie informacji nadmiarowych, zajmujących miejsce w
nośnikach pamięci i wydłużających obliczenia. Idea przetwarzania analogowo – cyfrowego
przedstawiona została na rysunku 4.2.
Rys.4.2. Idea przetwarzania analogowo – cyfrowego [1]
Przy wyborze kroku próbkowania t, wyrażanym najczęściej pod postacią
częstotliwości próbkowania fp = l/t, opieramy się na twierdzeniu Shannona. Krok
próbkowania określa się na podstawie znajomości górnej częstotliwości sygnału.
Częstotliwość tę ustalamy za pomocą filtru anty-aliasowego, dolnoprzepustowego o
częstotliwości granicznej fn = l/2t. Inaczej mówiąc, krok próbkowania zapewniający
optymalne przeniesienie potrzebnych informacji do dalszej analizy jest równy co najwyżej
połowie odwrotności maksymalnej częstotliwości sygnału mowy. Wiąże się to np. z
koniecznością pobierania próbek sygnału co 0,000142857 sekundy dla częstotliwości górnej
sygnału mowy (fn = 3,5 kHz), a w sytuacji odwzorowywania pełnego pasma akustycznego
(20 kHz) co 0,000025 s. Dyskretyzacja amplitudowa lub inaczej kwantyzacja potrzebna jest w
tym celu, aby wartość próbki sygnału wyrazić w postaci liczby o skończonej liczbie cyfr,
gdyż tylko taka liczba może być wprowadzona do komputera.
Problem liczby cyfr, za pomocą których odwzorowuje się wartości próbek sygnału jest
pod pewnymi względami podobny do problemu wyboru kroku próbkowania. Tu również
obowiązuje zasada, że im więcej cyfr opisuje daną próbkę, tym dokładniej sygnał jest
odwzorowany. Z kolei zajętość pamięci komputera rośnie proporcjonalnie do liczby cyfr i
stąd również wynika potrzeba rozsądnego kompromisu w dokładności odwzorowania
poziomów próbek. Trzeci etap – kodowanie, jest przy dostępnych obecnie środkach
technicznych prosty i łatwy, a wybór możliwych kodów jest bogaty. Zazwyczaj dobierając
kod, kierujemy się właściwościami systemu wejściowego używanego komputera.
W wyniku przetwarzania analogowo-cyfrowego powstaje charakterystyczne zakłócenie
sygnału zwane szumem kwantyzacji. Poza szumem kwantyzacji przetwarzanie analogowo-
cyfrowe może wprowadzać jeszcze inne błędy i zniekształcenia: a) migotanie, czyli efekt powstający z losowych wahań długości okresu próbkowania t,
które ma wpływ na kształt widma gęstości mocy G ( f ) , b) zniekształcenia aperturowe, tzn. błędy wynikające ze skończonego czas pobrania próbki, c) nieliniowość, czyli błędy powstające na skutek niedomagań przetwornika a/c, np. na
skutek przekłamania bitów, złego rozmieszczania kwantyzacji itp. Zapis cyfrowy sygnałów drganiowych charakteryzuje się wysokim stopniem
standaryzacji, umożliwiającym wymianę danych pomiędzy różnymi urządzeniami i systemami komputerowymi oraz ma następujące zalety:
a) nie wymaga dużego zakresu dynamiki (pamiętanie jedynie dwóch poziomów),
b) zapisane dane mogą być odczytywane synchronicznie, co zmniejsza błędy czasowe,
c) pozwala na uzyskanie bardzo dużej dokładności odwzorowania sygnału.
Posługując się zapisem cyfrowym należy pamiętać, że każdy sygnał jest zapisany i odbierany jako jedna liczba, a nie jak w zapisie analogowym, że jest to wartość z ciągu zależnych wartości. W zapisie analogowym była możliwość wygładzania sygnału w przypadku zaistnienia chwilowego zakłócenia. W zapisie cyfrowym taka regeneracja jest niemożliwa [1].
4.3. CZUJNIKI DRGAŃ
Różnorodność celów i warunków prowadzenia eksperymentu pomiarowego, jak również
żądań co do wyników metod ich opracowywania pociągają za sobą ogromną liczbę
możliwych wariantów budowy informacyjnych systemów pomiarowych, przez co nie można
mówić o ich unifikacji. Do podstawowych elementów pomiarowych zaliczymy przetwornik
pomiarowy, który służy do przetworzenia z określoną dokładnością i według określonego
prawa wartości wielkości mierzonej na wartości innej wielkości. Przetworniki zbudowane są
z trzech rodzajów elementów podstawowych:
elementy powodujące straty energii (generowanej przez badany obiekt) rozpraszanej na
energię cieplną, np. w wyniku tarcia, występowania rezystancji w układach
elektrycznych, oporu przepływu gazów i cieczy,
elementy magazynujące energię z obiektu w postaci kinetycznej (masa, indukcyjność w
układach elektrycznych),
elementy magazynujące energię obiektu w postaci potencjalnej (sprężyny w układach
mechanicznych, pojemność w układach elektrycznych, sprężony gaz).
W układach pomiarowych wielkości nieelektrycznych stosowane są przetworniki, w
których następuje przetworzenie tej wielkości na wielkość elektryczną. Najbardziej
rozpowszechnionym przetwornikiem do pomiaru drgań jest akcelerometr piezoelektryczny.
Najistotniejszą częścią piezoelektrycznego czujnika jest płytka materiału piezoelektrycznego.
Element piezoelektryczny poddany działaniu sił mechanicznych (rozciąganie – ściskanie)
generuje ładunek elektryczny, proporcjonalny do działających sił. Sygnał wyjściowy jest
proporcjonalny do przyspieszeń i mieści się w granicach od 1 do 10 mV∙ms-2
(czułość
czujnika).
Ciężar czujnika jest istotny przy pomiarze drgań lekkich konstrukcji, gdzie przyłożenie
dodatkowej masy (w postaci masy czujnika) może znacząco zmienić zarówno częstotliwość,
jak i poziom drgań, co ma wpływ na wnioskowanie. Stąd też do badań powinno się używać
czujników, których masa nie przekracza 1/10 masy badanego elementu [32].
Element piezoelektryczny w czujniku umieszczony jest w ten sposób, że podczas
wibracji poddawany jest działaniu siły reakcji masy. Siła ta jest proporcjonalna do
przyspieszenia i określona drugim prawem Newtona: siła = masa x przyspieszenie. Dla
częstotliwości znacznie niższych niż częstotliwość rezonansowa całkowitego układu (typu
masa – sprężyna) przetwornika, przyspieszenie masy równa się przyspieszeniu podstawy.
Oznacza to, że wartość sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do przyspieszenia, któremu
poddawany jest przetwornik. Najbardziej rozpowszechnione są dwa rozwiązania
konstrukcyjne:
przetwornik działający na zasadzie kompresji, w którym masa wywiera siłę kompresji
działającą na piezo-czuły element.
przetwornik typu nożycowego, w którym masa wywiera siłę tnącą na piezoelektryczny
element czujnika.
Różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych akcelerometrów może pozornie utrudnić
właściwy wybór przetwornika, jednakże akcelerometry uniwersalne ogólnego przeznaczenia
zaspokajają na ogół większość wymagań pomiarowych. Czułość ich zawiera się w granicach
od 1 do 10mV lub pC∙ms-2
, a konstrukcja umożliwia zarówno boczne, jak i górne podłączenie
kabla.
Czułość w typach Uni – Gain® jest znormalizowana do okrągłej liczby 1 lub 10 pC∙ms-2
,
co znacznie ułatwia kalibrację systemu pomiarowego. Dostępne są również akcelerometry
innych typów przystosowane do specjalnych wymagań, jak np. miniaturowe przetworniki
przeznaczone do pomiarów wysokich poziomów wibracji lub wysokich częstotliwości
delikatnych konstrukcji, paneli itp. Ich ciężar wynosi zaledwie 0,5 – 2 gramów. Inne typy
przetworników przeznaczone do pomiarów specjalnych obejmują akcelerometry do:
jednoczesnego pomiaru drgań w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach, pomiarów przy
wysokich temperaturach, pomiarów bardzo niskich poziomów drgań, pomiarów udarów,
porównawczej kalibracji innych akcelerometrów oraz ciągłego monitorowania maszyn
przemysłowych.
Zwykle pożądany jest wysoki poziom sygnału wyjściowego; niestety, pociąga to za sobą
zwiększone wymiary fizyczne, a co za tym idzie - masę. Niezbędny jest więc pewien
kompromis w trakcie doboru akcelerometru do pomiarów. Na ogół czułość nie jest
parametrem krytycznym, gdyż współczesne przedwzmacniacze przystosowane są do
współpracy z sygnałami o niskim poziomie.
Masa akcelerometru staje się istotna przy pomiarach przeprowadzanych na lekkich
strukturach. Dodatkowa masa może znacznie zmienić zarówno częstotliwość, jak i poziom
wibracji w punkcie pomiarowym. Przyjmuje się, że masa akcelerometru nie powinna
przewyższać 1/10 dynamicznej masy wibrującej części, do której czujnik jest przymocowany.
Przy pomiarach sygnałów o bardzo niskich lub wysokich poziomach przyspieszenia należy
także wziąć pod uwagę zakres dynamiczny akcelerometru. Dolna granica spowodowana jest
zwykle szumami wzmacniacza oraz kabli i jest rzędu 1/100 m∙s-2
. Górna granica określona
jest poprzez wytrzymałość samego akcelerometru. Typowy czujnik uniwersalny posiada
liniową dynamikę od 50 do 100.000 m∙s-2
. Tak wysokimi poziomami sygnału charakteryzują
się przyspieszenia typu udarowego. Do pomiarów udarów mechanicznych stosuje się
specjalnie skonstruowane akcelerometry liniowe, do 1000 km∙s-2
(100.000 g) [32].
Na rysunku 4.3. przedstawiono schemat konstrukcji typowego piezoelektrycznego
czujnika ICP z kwarcowymi kryształami piezoelektrycznymi, powszechnie stosowanego w
laboratoriach do testów strukturalnych.
Rys.4.3. Schemat czujnika piezoelektrycznego w konfiguracji nożycowej [32]
Mimo, że zakres częstotliwości energii większości systemów mechanicznych wynosi od
10 do 1000Hz, to jednak bardzo często przeprowadza się pomiary do 10kHz. Zakres
częstotliwości jest istotnym parametrem przy wyborze czujnika przyspieszeń. W zakresie
niskich częstotliwości na otrzymanie prawdziwego i dokładnego sygnału drgań ma wpływ
przedwzmacniacz współpracujący z czujnikiem. Górna częstotliwość graniczna określona jest
rezonansem mechanicznym samego akcelerometru. W praktyce maksymalna górna
częstotliwość przyjmowana jest jako 1/3 częstotliwości rezonansowej przetwornika. Błąd
pomiaru składowych drgań o częstotliwościach zbliżonych do tej granicy nie przekroczy
wówczas 12%. Częstotliwość rezonansowa dla czujników uniwersalnych wynosi zwykle 20 –