دیتالاگرها و آنالیز ارتعاش (ارتعاش سنجی)

ارتعاش سنجی یا vibration analysis-

ارتعاش سنجی پروسه‌ی نظارت بر شدت ارتعاش و بررسی الگوی رخ دادن ارتعاشات است.

ارتعاش یا vibration-

ارتعاش به نوعي از حركت سيستم‌هاي ديناميكي اطلاق مي‌شود كه به صورت نوساني صورت پذيرفته و در يك بازه زماني تكرار شود.

ارتعاش در انواع ماشين آلات دوار و متحرک، سالم و یا ناسالم دیده می‌شود و عوامل مختلفی مي‌تواند داشته باشد. شدت ارتعاشات اطلاعات خوبی درباره‌ی وضعيت ماشين آلات دوار به ما مي‌دهد.

در ارتعاش سنجی پارامترهای مختلفی را میتوان اندازه گرفت، از جمله جابه‌جایی فيزيکی، سرعت حرکت و شتاب حرکت. مورد استفاده ترين پارامتر اندازه‌گيری در ارتعاش سنجی، شتاب است که بيشترين دامنه فرکانسی را به ما مي‌دهد و برای تشخيص و آناليز خطاهای دايناميک بيشترين کاربرد را دارد.

ارتعاش را چگونه می‌توان اندازه گرفت؟

ارتعاش با انواع مختلفی از سنسورها قابل اندازه‌گيری است. سنسورهای گوناگون برای اندازه‌گيری جابه‌جایی، سرعت و شتاب ارتعاش طراحی شده‌اند که از روش‌های مختلفی برای اندازه‌گيری استفاده مي‌کنند. از جمله سنسورهای پیزوالکتریک (PZT) و سنسورهای ميکرو الکترو مغناطيسی.

سنسورهای پیزوالکتریکی متداول ترين سنسور برای اندازه‌گیری ارتعاش است. با اعمال نيروی خارجی اين سنسورها، ميدان و ولتاژ ایجاد می‌شود. اين سيگنال‌های ولتاژ دریافت شده مي‌توانند نشانه‌ی شدت ارتعاشات باشند. در انتخاب سنسور مناسب شدت ارتعاش، فرکانس و پهنای باند بیشینه و همچنين پارامترهای محيطی چون دما و رطوبت بايد در نظر گرفته شود.

ویژگی‌های قابل اندازه‌گيری ارتعاش-

شدت ارتعاش را ميتوان با اندازه‌گيری دامنه و تناوب آن را ميتوان با اندازه‌گيری فرکانس به دست آورد. ارتعاش سنجی در حوزه‌ی زمان شدت ارتعاش را نشان مي‌دهد و شدت آن با شدت استاندارد از پیش تعیین شده مقایسه می‌شود. ارتعاش سنجی در حوزه‌ی فرکانس برای پيدا کردن الگو های ارتعاش غيرطبیعی و نامنظم استفاده مي‌شود.

دو نمودار که اندازه گیری ارتعاش یک سیگنال را در دو حوزه‌ی زمان و فرکانس نشان می‌دهند.

خطاهای قابل تشخيص با ارتعاش سنجی-

با تکنيک های ارتعاش سنجی تقريباً تمامی خطاهای يک ماشين قابل شناسایی هستند. اما معمولا به روش‌های مکمل برای تایيد تشخيص خطا نياز است. از چند نمونه از متداول‌ترين خطا هایی که با استفاده از ارتعاش سنجی قابل شناسی است در زیر نام می‌بریم:

عدم تعادل، خطا در بلبرينگ ها، سستی مکانيکی، فرکانس تشديد، خطای الکتريکی در موتورها، خميدگی محور ها، مشکل در جعبه دنده، کاويتاسيون يا حفره‌زایی در پمپ ها و سرعت بحرانی.

سيستم آناليز ارتعاش-

سيستمی که توانایی ثبت سيگنال‌های ارتعاش را بر اساس پارامترهای از پيش تعیين شده چون فرکانس نمونه برداری شده، شدت ارتعاش و پهنای باند فرکانس جمع آوری کند یک سیستم آنالیز ارتعاش است. سيستم بايد بتواند اطلاعات جمع‌آوری شده را پردازش کرده و به اطلاعات مورد نياز برای استفاده‌ و نگهداری بهينه از ماشين ها ترجمه کند. این سيستم نبايد در عملکرد طبيعی ماشين تداخل ايجاد کند و فایده‌ی اقتصادی اين سيستم بايد بيشتر از هزینه‌ی آن باشد.

ديتالاگر چيست؟

دیتالاگر دستگاهی الکترونيکی است که وظيفه‌ی مانيتور و ثبت پارامترهای مختلف را در گذر زمان برعهده دارد. این دستگاه اجازه‌ی اندازه گيری، ثبت و آناليز شرايط کار را به ما می‌دهد. ساختمان ديتالاگر شامل نوعی سنسور برای دریافت اطلاعات و يک تراشه برای ذخيره‌ی اطلاعات است. پس از ذخيره اطلاعات ديتالاگر برای بررسی به کامپيوتر منتقل مي‌شود.

دیتالاگر ها پارامترهای مختلف چون دما، رطوبت، برق مصرفی سه فاز يا تک فاز، درصد گاز   CO2، ولتاژ، جريان و غيره را مانيتور مي‌کنند.

جمع‌آوری داده يا Data Acquisition (DAQ)  –

عمل جمع‌آوری داده عبارت است از نمونه برداری از آنچه در واقعيت رخ مي‌دهد و تبديل آن به داده اي است که توسط کامپيوتر قابل بررسی باشد. به طور کلی جمع‌آوری داده شامل نمونه‌برداری از سيگنال و شکل موج و پردازش سيگنال به گونه‌ای که به دست آوردن اطلاعات دلخواه را ممکن سازد.

هر سيستم جمع‌آوری داده بايد سنسورهای مناسب برای تبديل پارامترهای اندازه گيری شده به سيگنال الکتريکی را دارا باشد. داده های جمع آوری شده روی پی سی ذخيره شده، آناليز مي‌شوند و نمايش داده مي‌شوند.

ديتالاگر نوعی سيستم جمع‌آوری داده است.

فوايد استفاده از ديتالاگر-

میتوان کار دیتالاگر را به صورت دستی توسط نيروی انسانی نیز انجام داد. مثال آن ثبت تغيرات دمای يک اتاق در طی يک ساعت با استفاده از تايمر، دماسنج، قلم و کاغذ است. اما استفاده از ديتالاگر الکترونيکی روشی موثرتر، دقيق‌تر و قابل اعتمادتر است و موجب صرفه‌جویی در زمان و هزينه مي‌شود.

ديتالاگر اندازه‌گيری ارتعاش یا  – Vibration Data Logger

ديتالاگر تکان و يا ارتعاش دستگاهی برای اندازه‌گيری خودکار تکان و ارتعاشات در مدت زمانی از پيش تعیین شده است. داده‌های ديجيتال معمولاً به شکل شتاب و زمان اندازه‌گيری مي‌شوند. داده‌های تکان و ارتعاش قابل بازيابی، نمايش و ارزيابی پس از ضبط شدن است.

دیتالاگر ارتعاش سنج معمولاً دارای نوعی سنسور شتاب سنج است (ميتواند يک يا چند محوره باشد.) ديتالاگر ارتعاش با سنسور شتاب سنج سه محوره ارتعاش را در سه محور مختصات بطور همزمان انجام مي‌دهد. اين ديتالاگر شتاب، ارتعاش، جابه‌جایی و اضافه بار را به طور مداوم در شرايط  مختلفی چون بی باری و حمل و نقل اندازه مي‌گيرد. و وقتی شدت ارتعاش از آستانه‌ی تعريف شده عبور کرد و دستگاه در معرض آسیب دیدن قرار گرفت اخطار مي‌دهد.

اجزای تشکيل دهنده‌ی اين دیتالاگر:

این دیتالاگر دارای یک سنسور، معمولاً سنسور شتاب سنج، حافظه‌ی داخلی، پردازشگر و منبع تغذيه است.

سنسور: سنسورها يا شکل موج ارتعاشات را به صورت کامل ثبت مي‌کنند و يا تنها در صورت گذاشتن ارتعاشات از آستانه گزارش مي‌کنند. برخی دستگاه ها دارای سنسور تعبیه شده هستند و برخی ديگر به سنسورهای خارجی متصل مي‌شوند. معمولاً از دیتالاگرها با سنسور خارجی برای اندازه‌گيری و ذخيره‌ی داده در ماشين ها و تجهيزات استفاده مي‌شود و از دیتالاگرها با سنسورهای داخلی برای نظارت بر انتقال استفاده مي‌شود.

سنسورهای خارجی بطور مستقيم با کمک پيچ يا آهنربا به ياتاقان و يا موتور وصل مي‌شوند. سنسورها با کابل به ديتالاگر وصل مي‌شود. ديتالاگرها با سنسورهای تعبیه شده مي‌توانند دارای چند نوع سنسور برای اندازه‌گيری همزمان دما، رطوبت هوا و فشار باشند. که اجازه‌ی ثبت شرایط محيط اطراف ماشین را می‌دهد و در صورت بروز خطا آناليز ارتعاشات تحت شرایط محيطی مختلف و تأثير آن بر موج ارتعاش را ممکن می‌سازد.

پردازشگر: پردازشگر داده‌های اندازه‌گيری شده را پردازش کرده و همراه با بازه های زمانی مربوطه روی حافظه ذخيره مي‌کند. بعد از پايان اندازه‌گيری ميتوان از اين داده‌ها استفاده کرد.

حافظه: تمامی ديتالاگر های لرزش دارای حافظه هستند که توسط سيم رابط و يا به شکل کارت حافظه قابل خواندن هستند. مزيت ديتالاگرهای دارای سیم رابط استفاده از نرم‌افزار جمع آوری داده بطور همزمان با جمع‌آوری آن است که به آناليز کمک مي‌کند. مزيت استفاده از کارت اس دی خواندن اطلاعات با ا‌ستفاده از نرم‌افزارهای ديگری چون اکسل است.

سه نوع سنسور اصلی برای اندازه‌ گیری ارتعاش در این دیتالاگرها استفاده می‌شود:

1-سنسور ژئوفون   ،    2- سنسور شتاب‌سنج پیزوالکتریکی ،  3- سنسور شتاب‌سنج ممز

1- ژئوفون

ژئوفون يک مبدل است که نوسانات زمين را به سيگنال ولتاژ تبديل مي‌کند. یک ژئوفون بطور ساده سيم‌پيچی است با هسته‌ی آهنربا که در دو سر آن فنر قرار داده شده است. وظيفه‌ی ژئوفون اندازه‌گيری سرعت برداری است. هسته‌ی آهنربایی به محفظه‌ی نگهدارنده متصل است و همراه با آن حرکت مي‌کند ولی سيم‌پيچ ثابت مي‌ماند. حرکت آهنربا ايجاد ميدان الکتريکی مي‌کند که اندازه‌ی آن با سرعت برداری ارتعاشات مرتبط است.

مزیت:

ژئوفون ها برای عمل کردن نیازی به توان الکتریکی ندارند بسیار کم حجم و سبک و ارزان هستند و از دقت و حساسیت بالایی برخوردارند.

2-شتاب‌سنج پیزوالکتریک-

سنسور شتاب‌سنج یا accelerometer –

سنسور شتاب سنج، سنسوری است که برای ارتعاش‌سنجی در ديتالاگرهای ارتعاش سنج مورد استفاده قرار مي‌گيرد. شتاب سنج نوعی سنسور است که شتاب را اندازه مي‌گيرد و به سيگنال الکتريکی تبديل مي‌کند. شتاب سنج دارای انواع يک محوری يا چند محوری است. يک شتاب سنج چند محوری مي‌تواند شتاب را به صورت برداری در چند راستا اندازه گيرد.

دو نوع نيروی شتابی موجود است نيروی استاتيک و دايناميک. ارتعاش نيروی دايناميک نيروی متغیری است که در سطوح مختلفی به شی وارد مي‌شود. سه نوع شتاب سنج وجود دارد که هر یک دارای عملکرد متفاوتی هستند. پيزوالکتريکی، پيزومقاومتی و خازنی. از سنسورهای پیزوالکتریکی در دیتالاگرهای ارتعاش سنج استفاده می‌شود.

سنسور پيزوالکتريک –

سنسور يا مبدل پيزوالکتريک از پديده‌ی پيزوالکتریک يا اثر فشار برقی برای اندازه‌گيری تغیيرات فشار، شتاب، دما، کشش، يا نيرو با تبديل اين پارامترها به سیگنال الکتريکی استفاده مي‌کند. مواد پيزوالکتريک توانایی تبديل فشار مکانيکی به بار الکتريکی را دارا مي‌باشند.

دو ماده‌ای که برای ساخت سنسورهای پيزوالکتريک استفاده مي‌شود، سراميک‌های پيزوالکتريک و تک بلورهایی چون کوارتز است. حساسيت مواد سراميکی بيشتر است که با گذشت زمان از آن کاسته مي‌شود.

3-شتاب‌سنج‌های ممز

ممز یا MEMS (Microelectromechanical systems) –

ممز یا سيستم‌های ميکروالکترومکانيکی فناوری تولید سيستم‌های مکانیکی در ابعاد بسيار کوچک ميکرومتری است. در ممز المان‌های مکانيکی در ابعاد ميکروالکترونيک توليد مي‌شوند. این سیستم‌ها اکثر اوقات با استفاده از سيليکون ساخته مي‌شوند. مزيت اين تکنولوژی ساخت ماشين‌های موجود در ابعاد مينياتوری است.

سنسورهای ممز در کنار مدارهای ميکروالکترونيک قادر به اندازه‌گيری پارامترهای فيزيکی چون شتاب هستند.

شتاب سنج ممز-

از روش‌های اندازه‌گيری شتاب اندازه‌گيری تغيیرات خاصيت خازنی(capacitance) است.

ماده‌ای بين دو صفحه‌ی موازی به شکل معلق قرار مي‌گيرد. فاصله‌ی هوایی بين ماده و دو صفحه باعث ايجاد دو خازن مي‌شود. وقتی ماده شتاب دار شده و شروع به حرکت مي‌کند، اندازه‌ی فاصله‌ی هوایی تغيير مي‌کند و تغيیری در ظرفيت خازن به وجود مي‌آورد که با شتاب متناسب است.

شکل زیر طرز کار یک شتاب‌سنج ممز را نشان‌ می‌دهد.