Wstęp
Inercyjne sensory MEMS odgrywają ogromną rolę w szybkiej ekspansji nowoczesnych, podręcznych urządzeń elektronicznych, jaką obserwujemy aktualnie. Ich niewielki rozmiar, niskie zużycie mocy, łatwość integracji z istniejącymi systemami, wysoka funkcjonalność oraz doskonałe parametry elektromechaniczne zachęcają projektantów do stosowania ich w nowatorskich gadżetach, takich jak smartfony, kontrolery do gier komputerowych, ale także w urządzeniach takich jak cyfrowe ramki do zdjęcia czy urządzenia monitorujące ruch. Dodatkowo inercyjne sensory MEMS charakteryzują się wysoką niezawodnością, co przy ich niewielkiej cenie skłania do stosowania ich w przemyśle motoryzacyjnym w samochodowych systemach bezpieczeństwa.
Ciągły rozwój na polu integracji wielu funkcji oraz poprawa parametrów elektromechanicznych układów pozwoliła układom MEMS takim jak akcelerometry czy żyroskopy odnaleźć się w wielu innych dziedzinach przemysłu. W niektórych z tych aplikacji stosowane są z uwagi na przewagę cenową zapewnianą przez tego typu sensory nad klasycznymi rozwiązaniami, z kolei w innych gałęziach przemysłu wykorzystanie systemów MEMS pozwala na integracje sensorów inercyjnych po raz pierwszy. Monitorowanie wibracji mechanicznych jest nowatorską dziedziną przemysłu, która wykorzystuje sensory MEMS z obu tych powodów. Tradycyjne oprzyrządowanie do monitorowania wibracji, stosowane do diagnozowania stanu maszynerii podczas pracy a także dodatkowego zabezpieczania na wypadek awarii, bazowało na sensorach piezoelektrycznych. Zastosowanie sensorów MEMS pozwala zwiększyć szybkość działania systemów monitorujących, co pozwala na bardzo sprawne monitorowanie stanu maszyn przemysłowych, pod kątem awarii związanych z brakiem smarowania, nadmierną prędkością czy np. niepoprawnym naciągiem pasków klinowych itp.. Pozwala to na natychmiastowe zatrzymanie urządzenia w przypadku awarii lub kontroli operatora.
Jakkolwiek układy bazujące na efekcie piezoelektrycznym są już bardzo dojrzałą technologią, dobrze zintegrowaną z resztą elektroniki akcelerometry wyprodukowane w technice MEMS oferują łatwą integrację z istniejącymi systemami przy jednoczesnej redukcji kosztów sensorów. Dodatkowo, wysoki stopień integracji tych układów, takich jak na przykład ADIS16229 firmy Analog Devices, składający się z sensora MEMS oraz zintegrowanego przekaźnika radiowego, pozwala zapewnić kompletne rozwiązanie konkretnej kwestii w postaci pojedynczego układu scalonego. Ten typ programowalnego układu sensorowego zaprojektowany jest do okresowego wybudzania się z stanu uśpienia, zbierania czasoworozdzielczych danych, dotyczących np. wibracji otoczenia, wyznaczania transformaty Fouriera zebranych danych (wykorzystując do tego algorytm FFT) i dokonania prostej, zdefiniowanej przez użytkownika, analizy otrzymanego widma częstotliwościowego. Rezultaty przeprowadzonej analizy, w postaci informacji zero-jedynkowych, transmitowane są następnie z pomocą zintegrowanego transceivera radiowego, umożliwiając natychmiastowy do nich dostęp (a także do danych). Po zebraniu danych, ich analizie i przesłaniu wyników do stacji bazowej układ przechodzi ponownie do stanu uśpienia w celu minimalizacji zużycia mocy. System ten pozwala na łatwą adaptację w istniejącej infrastrukturze, przy niewielkich kosztach, co czyni go bardzo kuszącym w aplikacji, szczególnie dla środowisk nie korzystających dotychczas z technologii MEMS do badania wibracji.
Aplikacje monitorwania wibracji
Jeśli wykorzystujemy sensory wibracji do monitorowania zużycia elementów mechanicznych celem jest korelacja obserwowanych wibracji z typowymi elementami ulegającymi zużyciu, takimi jak łożyska, przekładnie, pasy łańcuchowe, klinowe i zębate, a także szczotkami, zaworami i sprężynami. W typowej maszynie co najmniej jeden z tych mechanizmów ulegać będzie zużyciu i wymagać będzie regularnego serwisowania. Poniższy wykres przedstawia typową zależność natężenia wibracji w funkcji czasu, obrazując postępujące zużywanie się elementów mechanicznych. Jakkolwiek rozpoznanie tych korelacji wymaga dużego nakładu czasu i środków, a także sporego doświadczenia to umożliwia zrezygnowanie z regularnych przestojów związanych z serwisowaniem i kontrolą mechaniki w krótkich odstępach czasu. Pozwala to oszczędzić środki i zminimalizować przestoje maszyny. Obserwacja realnego zużycia elementów, poprzez monitorowanie poziomu wibracji, zapewnia możliwość szybkiego podejmowania koniecznych kroków, gdy krzywa osiągnie czerwony obszar, oznaczający konieczność serwisowania. Pozwala to na uniknięcie regularnego serwisowania i sprawdzania stanu części podczas ich normalnej pracy.
Wykres ten prezentuje także dwa rodzaje alarmów - ostrzegawcze i krytyczne (warning i critical), odpowiadające trzem etapom cyklu serwisowania ustrojów mechanicznych (wczesny, średni i końcowy). Poziom ostrzegawczy definiuje normalne natężenie wibracji podczas pracy urządzenia, który nie powoduje problemów w jego działaniu, ani zagrożenia dla obsługi. Poziom krytyczny z kolei wskazuje na wysokie natężenie wibracji, sugerujące iż maszyna może ulec uszkodzeniu, powodując zagrożenie dla obsługi lub swojego otoczenia. Zazwyczaj w takim wypadku maszyna zostaje zatrzymana i poddana serwisowaniu. Gdy natężenie znajduje się pomiędzy poziomami ostrzegawczym i krytycznym jest ona w stanie pracować, jednakże wskazane jest częstsze monitorowania jej pracy z uwagi na zwiększone ryzyko.
Czasami te trzy strefy zużycia (normalna, ostrzegawcza, krytyczna) korelować mogą się z trzema etapami zużycia elementów mechanicznych - wczesnym, średnim i późnym, oznaczającym koniec eksploatacji, co może mieć wpływ na strategię monitorowania wibracji urządzenia. Na przykład gdy urządzenie jest w wczesnej fazie eksploatacji wymagać może jedynie kontroli raz dziennie, raz na tydzień albo nawet raz na miesiac, aby zaobserwować kluczowe parametry wibracji. Gdy ustrój mechaniczny zużywa się przechodzi do środkowego (średniego) etapu zużycia, gdzie obserwacje można prowadzić nawet co godzinę, gdy układ zbliża się do końca życia. Możliwe są nawet częstsze pomiary natężenia wibracji, szczególnie jeśli awaria układu doprowadzić może do strat personalnych lub materialnych. W takich przypadkach stosowanie klasycznych rozwiązań wykorzystujących przenośne monitory wibracji powoduje znaczny wzrost kosztów eksploatacji i monitorowania urządzenia, przekraczający nawte koszty serwisowania. W szeregu przypadków jest to usprawiedliwione, jednakże bardzo często taka strategia jest nieopłacalna - chyba że skorzystamy z tanich, zintegrowanych systemów opartych o układy MEMS, co pozwala na redukcję kosztów monitorowania maszyny, nawet w czasie rzeczywistym.
Natura wibracji
Wibracje to powtarzające się mechaniczne ruchy. Podczas projektowania systemu monitorowania wibracji istotny jest szereg atrybutów. Po pierwsze, ruch oscylacyjny ma zazwyczaj składową liniową i rotacyjny. Większość korelacji w pomiarze wibracji jednakże skupia się jedynie na natężeniu oscylacji, nie na śledzeniu realnej pozycji, co oznacza iż sensory liniowe, takie jak produkuje się w technologii MEMS, są dostateczne di prowadzenia pomiarów i zbierania informacji. Jakkolwiek ruch jest zazwyczaj liniowy, zrozumienie i poznanie kierunkowości wibracji może być niezwykle istotne, szczególnie jeśli projektowana aplikacja wykorzystuje sensor o zaledwie jednej osi. Dużo wygodniejsze jest stosowanie sensorów z trzema ortogonalnymi osiami, gdyż pozwala to na elastyczniejsze ich montowanie w urządzeniu, gdyż ilość osi umożliwia lepsze sprzęganie się z wibracjami, niezależnie od ich kierunkowości.
Jako że wibracje są okresowe, analiza częstotliwościowa oferuje wygodną metodą ich charakteryzacji poprzez możliwość wyznaczania natężenia wibracji w funkcji częstotliwości. Zaprezentowane poniżej widmo przedstawia przykładowy rozkład natężeń wibracji. Charakteryzuje się ono udziałem tak wąskopasmowych jak i szerokopasmowych składowych. Widmo posiada maksimum wibracji - wibrację podstawową - przypadające na około 1350 Hz oraz cztery harmoniczne i pewną ilość składowych szerokopasmowych. Każdy element mechaniczny charakteryzuje się swoim własnym widmem wibracji, gdzie wąskopasmowe wibracje odpowiadają naturalnym częstotliwościom rezonansowym układu.
Przetwarzanie sygnałów
Dobór sensora i toru przetwarzania zmierzonych sygnałów zależny jest od konkretnej aplikacji. Na poniższej ilustracji pokazano przykład toru pomiarowego, gdzie monitorowana jest w sposób ciągły konkretna częstotliwość wibracji, a odczyty wyświetlane są w postaci światełek na panelu kontrolnym, informujących o stanie ostrzegawczym lub krytycznym. Wiedza którą podzielił się producent maszyny pomaga w dobraniu odpowiedniego filtra pasmowoprzepustowego do tej aplikacji, gdyż znany jest zakres częstotliwości do monitorowania i konieczne nachylenie pasm filtra. Prędkość obrotowa, naturalne częstotliwości rezonansowe struktury mechanicznej i charakterystyczne częstotliwości wibracji oznaczające uszkodzenie to czynniki które pomagają w dobraniu filtra pasmowoprzepustowego. Jakkolwiek to podejście jest bardzo proste i niezwykle skuteczne, po zgromadzeniu danych z dłuższego czasu działania maszyny konieczne może być przeprojektowanie filtra. Zmiany wprowadzane w tor sygnałowy wiążą się często z koniecznością zmiany jego struktury, co generuje koszty. Projektanci tego typu sensorów mogą uprościć projekt digitalizując przebieg, co pozwala na uelastycznienie projektu poprzez przeprowadzanie obliczeń na procesorze sygnałowym, który pozwala na sformowanie filtra, obliczenie wartości RMS wibracji i ustalenie poziomów ostrzegawczych i krytycznych. W takiej sytuacji możliwe jest wykorzystanie bardziej kompleksowego systemu informacji, podającego nie tylko poziom ale także wartość liczbową natężenia wibracji.
Poniższy schemat z kolei prezentuje wykorzystanie układu ADIS16228 do przeprowadzenia analizy. Układ ten wykorzystuje jako sensor trójosiowy czujnik wibracji wykonany w technologii MEMS i posiada w swojej strukturze zintegrowany procesor przeprowadzający analizę FFT i zachowujący dane do dalszej prezentacji.
Sensor
Sensorem znajdującym się w jądrze systemu pomiarowego może być akcelerometr MEMS. Kluczowymi aspektami doboru sensora jest ilość osi, dostępne obudowy i ich kompatybilność z maszynerią, interfejs elektryczny - analogowy lub cyfrowy, odpowiedź częstotliwościowa i pasmo, zakres pomiarowy, poziom szumu i liniowość. Jakkolwiek większość sensorów MEMS o trzech osiach swobody wyposażona jest w interfejsy pozwalające na bezpośrednie z procesorami, w celu zmaksymalizowania parametrów pracy urządzenia konieczne może być wykorzystanie sensorów o jednej lub dwóch osiach swobody, wyposażonych jedynie w wyjścia analogowe. Na przykłąd ADXL001, jest szerokopasmowym sensorem z rodziny układów iMEMS®, zapewniającym, przy częstotliwości rezonansowej 22 kHz, jedną z najszybszych odpowiedzi i najszersze pasmo pracy, jednakże produkowany jest tylko z wyjściem analogowym jako sensor jednoosiowy. Wyjście analogowe nie jest problemem w systemach wyposażonych w kanały z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, jednakże aktualne trendy faworyzują rozwiązania w pełni cyfrowe.
Odpowiedź częstotliwościowa i zakres pomiarowy sensora determinują maksymalną częstotliwość i amplitudę wibracji, które można będzie monitorować zanim dojdzie do nasycenia wyjścia. Efekty nasyceniowe zmniejszają osiągi układów pomiarowych, degradując pasmo i powodując powstawanie rzekomych przebiegów, które mogą powodować fałszywe alarmy, nawet jeśli częstotliwość która jest nasycana nie jest bliska tej która jest monitorowana. Zakres pomiarowy i częstotliwość związane są zależnością:
Gdzie D to fizyczne przemieszczenie, ω to częstość wibracji a A to przyspieszenie.
Odpowiedź częstotliwościowa i zakres dynamiki sensora ograniczają zakres pomiarowy od góry. Z kolei od dołu ogranicza go poziom szumu i liniowość, mające negatywny wpływ na rozdzielczość. Poziom szumu definiuje jaki jest najniższy poziom wibracji które powodować będą odpowiedź na wyjściu, a liniowość sensora określa jak dużo sygnałów harmonicznych obecne będzie w sygnale wyjściowym.
Filtr analogowy
Filtr analogowy, zaimplementowany w układzie, ogranicza widmo sygnału do jednej strefy Nyquista, co odpowiada połowie częstotliwości próbkowania w przykładowym systemie. Nawet jeżeli częstotliwość odcięcia filtra znajduje się w strefie Nyquista to niemożliwym jest pełne tłumienie składowych o wyższych częstotliwościach, które nadal sprzęgać się będą z sygnałem. Należy pamiętać o tym, gdyż składowe o wyższej częstotliwości mogą powodować fałszywe alarmy lub zniekształcenie sygnału przy konkretnej częstotliwości.
Okienkowanie
Próbkowanie spójne w czasie nie jest praktyczne w aplikacjach pomiaru natężenia wibracji, gdyż niezerowe próbki na końcu i początku rekordu poddawanego analizie FFT mogą doprowadzić do tak zwanego przeciekania spektralnego, co z kolei powoduje obniżenie rozdzielczości samej analizy. Stosowanie funkcji okienkowych na zebranych danych podczas obliczania transformaty Fouriera metodą FFT pozwala na zminimalizowanie tego efektu. To jaką funkcję okienkową zastosować dla konkretnego sygnału zależne jest od jego charakteru.
Szybka transformata Fouriera (FFT)
Szybka transformata Fouriera (FFT) to efektywny algorytm dostosowany do analizy dyskretnych w czasie próbek. Proces ten przekształca zbiór próbek w funkcji czasu w dyskretny zbiór natężeń częstotliwości w strefie Nyquista. Całkowita liczba próbek widma równa jest liczbie próbek sygnału, która zazwyczaj jest potęgą dwójki (2, 4, 8, 16 etc). Dane spektralne posiadają w sobie tak amplitudę jak i fazę dla każdej częstotliwości, co można prezentować na szereg sposobów.
W niektórych przypadkach tak amplituda jak i faza może być użyteczna, jednakże ich stosunek najczęściej zawiera dostatecznie dużo informacji, aby detekować kluczowe zmiany. Dla układów które podają tylko amplitudę liczba próbek widma FFT równa jest połowie próbek oryginalnego przebiegu. Szerokość każdego z kubełków widma równa jest częstotliwości próbkowania podzielonej przez całkowitą liczbę próbek. W pewien sposób widmo FFT przypomina zespół filtrów pasmowoprzepustowych. Poniższa ilustracja prezentuje rzeczywiste wyniki z sensora MEMS zbierającego dane z prędkością 20480 próbek na sekundę, w 512 punktowych rekordach. W tym przypadku sensor dostarcza jedynie informacji o amplitudzie, co oznacza iż szerokość widmowa kubełka wynosi 40 Hz (20480/512), a liczba kubełków równa jest 256.
Szerokość kubełka jest istotna ponieważ jest ona równoznaczan z rozdzielczością gdyż oznacza jaka częstotliwość dzieli kubełki i jednocześnie wyznacza jaki jest poziom szumu w pojedynczym kubełku. Całkowity szum RMS równy jest iloczynowi gęstości spektralnej szumu (równej około 240 μg/√Hz) i pierwiastka szerokości spektralnej kubełka (√40 Hz), co oznacza ok. 1,5 mg RMS. Dla aplikacji z niską częstotliwością, gdzie szum ma największy wkład, filtr decymacyjny przed wejściem do FFT polepsza rozdzielczość częstotliwościową i natężeniową sygnału, bez zmiany częstotliwości próbek. Decymacja 20480 próbek przez czynnik 256 poprawia rozdzielczość 256 krotnie i zmniejsza szum 16 krotnie.
Alarmy spektralne
Kluczową zaletą wykorzystywania FFT jest to iż pozwala na proste zdefiniowanie alarmów spektralnych. Poniższa ilustracja prezentuje pięć niezależnych alarmów spektralnych, monitorujących naturalną częstotliwość rezonansową układu (#1), jej harmoniczne (#2, #3 i #4) oraz szerokopasmową składową sygnału (#5). Poziomy ostrzegawcze i krytyczne ustalone zostały na podstawie profili znanych poziomów wibracji w funkcji czasu. Zakresy alarmów spektralnych dopełniają obraz koniecznych do zdefiniowania zmiennych. W opisywanych układach firmy Analog Devices parametry te definiuje się w konfigurowalnych rejestrach cyfrowych w układzie.
Zarządzanie zebranymi pomiarami
Jedną z kluczowych funkcji związanych z analizowaniem pomiarów jest możliwość zbierania danych z długiego okresu. Przechowywanie wyników analiz FFT z różnych etapów zużycia mechanizmów, pozwala na precyzyjniejszą analizę zachowania systemu i pozwala na wyznaczanie krzywych zużycia, przyczyniających się do polepszania jakości i bezpieczeństwa pracy. Dodatkowo odnaleźć można zależności prędkości zużycia mechanizmów od innych czynników, takich jak systemy zasilające, temperatura, czas i inne.
Interfejs komunikacyjny
Interfejs zależny jest od infrastruktury komunikacyjnej istniejącej w konkretnym miejscu. W niektórzy przypadkach dostępne jest okablowanie zgodne z standardami przemysłowymi, takimi jak Ethernet lub RS-485, zatem wskazuje to na konkretny rodzaj komunikacji pomiędzy inteligentnym sensorem a stacją bazową. W wielu innych przypadkach wskazane będzie zintegrowanie sensora z procesorem komunikacyjnym, mogącym wykorzystywać protokoły bezprzewodowe, takie jak Wi-Fi, ZigBee lub inne. Niektóre zintegrowane sensory, takie jak ADIS16000 i ADIS16229 wyposażone są w kompletny interfejs do transmisji bezprzewodowej.
Podsumowanie
Technologia sensorów inercyjnych MEMS otwiera nową erę w pomiarach nateżenia wibracji i umożliwia szerszy dostęp do tej technologii. Jakkolwiek parametry, obudowy i podstawy tej technologii nie zmieniają się od czasów wykorzystania sensorów piezoelektrycznych, jednakże sama idea rozrasta się i ewoluuje. Poprzez funkcjonalną integrację z innymi podzespołami i łatwość adaptacji technika MEMS zdobywa coraz szersze zainteresowanie w świecie aplikacji do monitorowania wibracji. Łatwość jej aplikacji, poprzez wykorzystanie układów monitorujących i analizujących sygnały redukuje skomplikowanie systemu do poziomu gdzie konieczne jest odczytywanie tylko trzech binarnych zmiennych. Dodatkowo możliwość zdalnego dostępu do danych pomiarowych i wyników analiz ułatwia powstawanie nowych aplikacji wykorzystujących monitorowanie wibracji. Nadchodzące zmiany w technologii MEMS, przyczyniające się do polepszania jakości pomiarów, poprzez zmniejszenie poziomu szumów, zwiększenie pasma i zakresu dynamiki sprawiają iż trend ten utrzyma się przez długi czas w najbliższej przyszłości.
Źródła:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-06/vibration_monitoring.html
Inercyjne sensory MEMS odgrywają ogromną rolę w szybkiej ekspansji nowoczesnych, podręcznych urządzeń elektronicznych, jaką obserwujemy aktualnie. Ich niewielki rozmiar, niskie zużycie mocy, łatwość integracji z istniejącymi systemami, wysoka funkcjonalność oraz doskonałe parametry elektromechaniczne zachęcają projektantów do stosowania ich w nowatorskich gadżetach, takich jak smartfony, kontrolery do gier komputerowych, ale także w urządzeniach takich jak cyfrowe ramki do zdjęcia czy urządzenia monitorujące ruch. Dodatkowo inercyjne sensory MEMS charakteryzują się wysoką niezawodnością, co przy ich niewielkiej cenie skłania do stosowania ich w przemyśle motoryzacyjnym w samochodowych systemach bezpieczeństwa.
Ciągły rozwój na polu integracji wielu funkcji oraz poprawa parametrów elektromechanicznych układów pozwoliła układom MEMS takim jak akcelerometry czy żyroskopy odnaleźć się w wielu innych dziedzinach przemysłu. W niektórych z tych aplikacji stosowane są z uwagi na przewagę cenową zapewnianą przez tego typu sensory nad klasycznymi rozwiązaniami, z kolei w innych gałęziach przemysłu wykorzystanie systemów MEMS pozwala na integracje sensorów inercyjnych po raz pierwszy. Monitorowanie wibracji mechanicznych jest nowatorską dziedziną przemysłu, która wykorzystuje sensory MEMS z obu tych powodów. Tradycyjne oprzyrządowanie do monitorowania wibracji, stosowane do diagnozowania stanu maszynerii podczas pracy a także dodatkowego zabezpieczania na wypadek awarii, bazowało na sensorach piezoelektrycznych. Zastosowanie sensorów MEMS pozwala zwiększyć szybkość działania systemów monitorujących, co pozwala na bardzo sprawne monitorowanie stanu maszyn przemysłowych, pod kątem awarii związanych z brakiem smarowania, nadmierną prędkością czy np. niepoprawnym naciągiem pasków klinowych itp.. Pozwala to na natychmiastowe zatrzymanie urządzenia w przypadku awarii lub kontroli operatora.
Jakkolwiek układy bazujące na efekcie piezoelektrycznym są już bardzo dojrzałą technologią, dobrze zintegrowaną z resztą elektroniki akcelerometry wyprodukowane w technice MEMS oferują łatwą integrację z istniejącymi systemami przy jednoczesnej redukcji kosztów sensorów. Dodatkowo, wysoki stopień integracji tych układów, takich jak na przykład ADIS16229 firmy Analog Devices, składający się z sensora MEMS oraz zintegrowanego przekaźnika radiowego, pozwala zapewnić kompletne rozwiązanie konkretnej kwestii w postaci pojedynczego układu scalonego. Ten typ programowalnego układu sensorowego zaprojektowany jest do okresowego wybudzania się z stanu uśpienia, zbierania czasoworozdzielczych danych, dotyczących np. wibracji otoczenia, wyznaczania transformaty Fouriera zebranych danych (wykorzystując do tego algorytm FFT) i dokonania prostej, zdefiniowanej przez użytkownika, analizy otrzymanego widma częstotliwościowego. Rezultaty przeprowadzonej analizy, w postaci informacji zero-jedynkowych, transmitowane są następnie z pomocą zintegrowanego transceivera radiowego, umożliwiając natychmiastowy do nich dostęp (a także do danych). Po zebraniu danych, ich analizie i przesłaniu wyników do stacji bazowej układ przechodzi ponownie do stanu uśpienia w celu minimalizacji zużycia mocy. System ten pozwala na łatwą adaptację w istniejącej infrastrukturze, przy niewielkich kosztach, co czyni go bardzo kuszącym w aplikacji, szczególnie dla środowisk nie korzystających dotychczas z technologii MEMS do badania wibracji.
Aplikacje monitorwania wibracji
Jeśli wykorzystujemy sensory wibracji do monitorowania zużycia elementów mechanicznych celem jest korelacja obserwowanych wibracji z typowymi elementami ulegającymi zużyciu, takimi jak łożyska, przekładnie, pasy łańcuchowe, klinowe i zębate, a także szczotkami, zaworami i sprężynami. W typowej maszynie co najmniej jeden z tych mechanizmów ulegać będzie zużyciu i wymagać będzie regularnego serwisowania. Poniższy wykres przedstawia typową zależność natężenia wibracji w funkcji czasu, obrazując postępujące zużywanie się elementów mechanicznych. Jakkolwiek rozpoznanie tych korelacji wymaga dużego nakładu czasu i środków, a także sporego doświadczenia to umożliwia zrezygnowanie z regularnych przestojów związanych z serwisowaniem i kontrolą mechaniki w krótkich odstępach czasu. Pozwala to oszczędzić środki i zminimalizować przestoje maszyny. Obserwacja realnego zużycia elementów, poprzez monitorowanie poziomu wibracji, zapewnia możliwość szybkiego podejmowania koniecznych kroków, gdy krzywa osiągnie czerwony obszar, oznaczający konieczność serwisowania. Pozwala to na uniknięcie regularnego serwisowania i sprawdzania stanu części podczas ich normalnej pracy.
Wykres ten prezentuje także dwa rodzaje alarmów - ostrzegawcze i krytyczne (warning i critical), odpowiadające trzem etapom cyklu serwisowania ustrojów mechanicznych (wczesny, średni i końcowy). Poziom ostrzegawczy definiuje normalne natężenie wibracji podczas pracy urządzenia, który nie powoduje problemów w jego działaniu, ani zagrożenia dla obsługi. Poziom krytyczny z kolei wskazuje na wysokie natężenie wibracji, sugerujące iż maszyna może ulec uszkodzeniu, powodując zagrożenie dla obsługi lub swojego otoczenia. Zazwyczaj w takim wypadku maszyna zostaje zatrzymana i poddana serwisowaniu. Gdy natężenie znajduje się pomiędzy poziomami ostrzegawczym i krytycznym jest ona w stanie pracować, jednakże wskazane jest częstsze monitorowania jej pracy z uwagi na zwiększone ryzyko.
Czasami te trzy strefy zużycia (normalna, ostrzegawcza, krytyczna) korelować mogą się z trzema etapami zużycia elementów mechanicznych - wczesnym, średnim i późnym, oznaczającym koniec eksploatacji, co może mieć wpływ na strategię monitorowania wibracji urządzenia. Na przykład gdy urządzenie jest w wczesnej fazie eksploatacji wymagać może jedynie kontroli raz dziennie, raz na tydzień albo nawet raz na miesiac, aby zaobserwować kluczowe parametry wibracji. Gdy ustrój mechaniczny zużywa się przechodzi do środkowego (średniego) etapu zużycia, gdzie obserwacje można prowadzić nawet co godzinę, gdy układ zbliża się do końca życia. Możliwe są nawet częstsze pomiary natężenia wibracji, szczególnie jeśli awaria układu doprowadzić może do strat personalnych lub materialnych. W takich przypadkach stosowanie klasycznych rozwiązań wykorzystujących przenośne monitory wibracji powoduje znaczny wzrost kosztów eksploatacji i monitorowania urządzenia, przekraczający nawte koszty serwisowania. W szeregu przypadków jest to usprawiedliwione, jednakże bardzo często taka strategia jest nieopłacalna - chyba że skorzystamy z tanich, zintegrowanych systemów opartych o układy MEMS, co pozwala na redukcję kosztów monitorowania maszyny, nawet w czasie rzeczywistym.
Natura wibracji
Wibracje to powtarzające się mechaniczne ruchy. Podczas projektowania systemu monitorowania wibracji istotny jest szereg atrybutów. Po pierwsze, ruch oscylacyjny ma zazwyczaj składową liniową i rotacyjny. Większość korelacji w pomiarze wibracji jednakże skupia się jedynie na natężeniu oscylacji, nie na śledzeniu realnej pozycji, co oznacza iż sensory liniowe, takie jak produkuje się w technologii MEMS, są dostateczne di prowadzenia pomiarów i zbierania informacji. Jakkolwiek ruch jest zazwyczaj liniowy, zrozumienie i poznanie kierunkowości wibracji może być niezwykle istotne, szczególnie jeśli projektowana aplikacja wykorzystuje sensor o zaledwie jednej osi. Dużo wygodniejsze jest stosowanie sensorów z trzema ortogonalnymi osiami, gdyż pozwala to na elastyczniejsze ich montowanie w urządzeniu, gdyż ilość osi umożliwia lepsze sprzęganie się z wibracjami, niezależnie od ich kierunkowości.
Jako że wibracje są okresowe, analiza częstotliwościowa oferuje wygodną metodą ich charakteryzacji poprzez możliwość wyznaczania natężenia wibracji w funkcji częstotliwości. Zaprezentowane poniżej widmo przedstawia przykładowy rozkład natężeń wibracji. Charakteryzuje się ono udziałem tak wąskopasmowych jak i szerokopasmowych składowych. Widmo posiada maksimum wibracji - wibrację podstawową - przypadające na około 1350 Hz oraz cztery harmoniczne i pewną ilość składowych szerokopasmowych. Każdy element mechaniczny charakteryzuje się swoim własnym widmem wibracji, gdzie wąskopasmowe wibracje odpowiadają naturalnym częstotliwościom rezonansowym układu.
Przetwarzanie sygnałów
Dobór sensora i toru przetwarzania zmierzonych sygnałów zależny jest od konkretnej aplikacji. Na poniższej ilustracji pokazano przykład toru pomiarowego, gdzie monitorowana jest w sposób ciągły konkretna częstotliwość wibracji, a odczyty wyświetlane są w postaci światełek na panelu kontrolnym, informujących o stanie ostrzegawczym lub krytycznym. Wiedza którą podzielił się producent maszyny pomaga w dobraniu odpowiedniego filtra pasmowoprzepustowego do tej aplikacji, gdyż znany jest zakres częstotliwości do monitorowania i konieczne nachylenie pasm filtra. Prędkość obrotowa, naturalne częstotliwości rezonansowe struktury mechanicznej i charakterystyczne częstotliwości wibracji oznaczające uszkodzenie to czynniki które pomagają w dobraniu filtra pasmowoprzepustowego. Jakkolwiek to podejście jest bardzo proste i niezwykle skuteczne, po zgromadzeniu danych z dłuższego czasu działania maszyny konieczne może być przeprojektowanie filtra. Zmiany wprowadzane w tor sygnałowy wiążą się często z koniecznością zmiany jego struktury, co generuje koszty. Projektanci tego typu sensorów mogą uprościć projekt digitalizując przebieg, co pozwala na uelastycznienie projektu poprzez przeprowadzanie obliczeń na procesorze sygnałowym, który pozwala na sformowanie filtra, obliczenie wartości RMS wibracji i ustalenie poziomów ostrzegawczych i krytycznych. W takiej sytuacji możliwe jest wykorzystanie bardziej kompleksowego systemu informacji, podającego nie tylko poziom ale także wartość liczbową natężenia wibracji.
Poniższy schemat z kolei prezentuje wykorzystanie układu ADIS16228 do przeprowadzenia analizy. Układ ten wykorzystuje jako sensor trójosiowy czujnik wibracji wykonany w technologii MEMS i posiada w swojej strukturze zintegrowany procesor przeprowadzający analizę FFT i zachowujący dane do dalszej prezentacji.
Sensor
Sensorem znajdującym się w jądrze systemu pomiarowego może być akcelerometr MEMS. Kluczowymi aspektami doboru sensora jest ilość osi, dostępne obudowy i ich kompatybilność z maszynerią, interfejs elektryczny - analogowy lub cyfrowy, odpowiedź częstotliwościowa i pasmo, zakres pomiarowy, poziom szumu i liniowość. Jakkolwiek większość sensorów MEMS o trzech osiach swobody wyposażona jest w interfejsy pozwalające na bezpośrednie z procesorami, w celu zmaksymalizowania parametrów pracy urządzenia konieczne może być wykorzystanie sensorów o jednej lub dwóch osiach swobody, wyposażonych jedynie w wyjścia analogowe. Na przykłąd ADXL001, jest szerokopasmowym sensorem z rodziny układów iMEMS®, zapewniającym, przy częstotliwości rezonansowej 22 kHz, jedną z najszybszych odpowiedzi i najszersze pasmo pracy, jednakże produkowany jest tylko z wyjściem analogowym jako sensor jednoosiowy. Wyjście analogowe nie jest problemem w systemach wyposażonych w kanały z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, jednakże aktualne trendy faworyzują rozwiązania w pełni cyfrowe.
Odpowiedź częstotliwościowa i zakres pomiarowy sensora determinują maksymalną częstotliwość i amplitudę wibracji, które można będzie monitorować zanim dojdzie do nasycenia wyjścia. Efekty nasyceniowe zmniejszają osiągi układów pomiarowych, degradując pasmo i powodując powstawanie rzekomych przebiegów, które mogą powodować fałszywe alarmy, nawet jeśli częstotliwość która jest nasycana nie jest bliska tej która jest monitorowana. Zakres pomiarowy i częstotliwość związane są zależnością:
Gdzie D to fizyczne przemieszczenie, ω to częstość wibracji a A to przyspieszenie.
Odpowiedź częstotliwościowa i zakres dynamiki sensora ograniczają zakres pomiarowy od góry. Z kolei od dołu ogranicza go poziom szumu i liniowość, mające negatywny wpływ na rozdzielczość. Poziom szumu definiuje jaki jest najniższy poziom wibracji które powodować będą odpowiedź na wyjściu, a liniowość sensora określa jak dużo sygnałów harmonicznych obecne będzie w sygnale wyjściowym.
Filtr analogowy
Filtr analogowy, zaimplementowany w układzie, ogranicza widmo sygnału do jednej strefy Nyquista, co odpowiada połowie częstotliwości próbkowania w przykładowym systemie. Nawet jeżeli częstotliwość odcięcia filtra znajduje się w strefie Nyquista to niemożliwym jest pełne tłumienie składowych o wyższych częstotliwościach, które nadal sprzęgać się będą z sygnałem. Należy pamiętać o tym, gdyż składowe o wyższej częstotliwości mogą powodować fałszywe alarmy lub zniekształcenie sygnału przy konkretnej częstotliwości.
Okienkowanie
Próbkowanie spójne w czasie nie jest praktyczne w aplikacjach pomiaru natężenia wibracji, gdyż niezerowe próbki na końcu i początku rekordu poddawanego analizie FFT mogą doprowadzić do tak zwanego przeciekania spektralnego, co z kolei powoduje obniżenie rozdzielczości samej analizy. Stosowanie funkcji okienkowych na zebranych danych podczas obliczania transformaty Fouriera metodą FFT pozwala na zminimalizowanie tego efektu. To jaką funkcję okienkową zastosować dla konkretnego sygnału zależne jest od jego charakteru.
Szybka transformata Fouriera (FFT)
Szybka transformata Fouriera (FFT) to efektywny algorytm dostosowany do analizy dyskretnych w czasie próbek. Proces ten przekształca zbiór próbek w funkcji czasu w dyskretny zbiór natężeń częstotliwości w strefie Nyquista. Całkowita liczba próbek widma równa jest liczbie próbek sygnału, która zazwyczaj jest potęgą dwójki (2, 4, 8, 16 etc). Dane spektralne posiadają w sobie tak amplitudę jak i fazę dla każdej częstotliwości, co można prezentować na szereg sposobów.
W niektórych przypadkach tak amplituda jak i faza może być użyteczna, jednakże ich stosunek najczęściej zawiera dostatecznie dużo informacji, aby detekować kluczowe zmiany. Dla układów które podają tylko amplitudę liczba próbek widma FFT równa jest połowie próbek oryginalnego przebiegu. Szerokość każdego z kubełków widma równa jest częstotliwości próbkowania podzielonej przez całkowitą liczbę próbek. W pewien sposób widmo FFT przypomina zespół filtrów pasmowoprzepustowych. Poniższa ilustracja prezentuje rzeczywiste wyniki z sensora MEMS zbierającego dane z prędkością 20480 próbek na sekundę, w 512 punktowych rekordach. W tym przypadku sensor dostarcza jedynie informacji o amplitudzie, co oznacza iż szerokość widmowa kubełka wynosi 40 Hz (20480/512), a liczba kubełków równa jest 256.
Szerokość kubełka jest istotna ponieważ jest ona równoznaczan z rozdzielczością gdyż oznacza jaka częstotliwość dzieli kubełki i jednocześnie wyznacza jaki jest poziom szumu w pojedynczym kubełku. Całkowity szum RMS równy jest iloczynowi gęstości spektralnej szumu (równej około 240 μg/√Hz) i pierwiastka szerokości spektralnej kubełka (√40 Hz), co oznacza ok. 1,5 mg RMS. Dla aplikacji z niską częstotliwością, gdzie szum ma największy wkład, filtr decymacyjny przed wejściem do FFT polepsza rozdzielczość częstotliwościową i natężeniową sygnału, bez zmiany częstotliwości próbek. Decymacja 20480 próbek przez czynnik 256 poprawia rozdzielczość 256 krotnie i zmniejsza szum 16 krotnie.
Alarmy spektralne
Kluczową zaletą wykorzystywania FFT jest to iż pozwala na proste zdefiniowanie alarmów spektralnych. Poniższa ilustracja prezentuje pięć niezależnych alarmów spektralnych, monitorujących naturalną częstotliwość rezonansową układu (#1), jej harmoniczne (#2, #3 i #4) oraz szerokopasmową składową sygnału (#5). Poziomy ostrzegawcze i krytyczne ustalone zostały na podstawie profili znanych poziomów wibracji w funkcji czasu. Zakresy alarmów spektralnych dopełniają obraz koniecznych do zdefiniowania zmiennych. W opisywanych układach firmy Analog Devices parametry te definiuje się w konfigurowalnych rejestrach cyfrowych w układzie.
Zarządzanie zebranymi pomiarami
Jedną z kluczowych funkcji związanych z analizowaniem pomiarów jest możliwość zbierania danych z długiego okresu. Przechowywanie wyników analiz FFT z różnych etapów zużycia mechanizmów, pozwala na precyzyjniejszą analizę zachowania systemu i pozwala na wyznaczanie krzywych zużycia, przyczyniających się do polepszania jakości i bezpieczeństwa pracy. Dodatkowo odnaleźć można zależności prędkości zużycia mechanizmów od innych czynników, takich jak systemy zasilające, temperatura, czas i inne.
Interfejs komunikacyjny
Interfejs zależny jest od infrastruktury komunikacyjnej istniejącej w konkretnym miejscu. W niektórzy przypadkach dostępne jest okablowanie zgodne z standardami przemysłowymi, takimi jak Ethernet lub RS-485, zatem wskazuje to na konkretny rodzaj komunikacji pomiędzy inteligentnym sensorem a stacją bazową. W wielu innych przypadkach wskazane będzie zintegrowanie sensora z procesorem komunikacyjnym, mogącym wykorzystywać protokoły bezprzewodowe, takie jak Wi-Fi, ZigBee lub inne. Niektóre zintegrowane sensory, takie jak ADIS16000 i ADIS16229 wyposażone są w kompletny interfejs do transmisji bezprzewodowej.
Podsumowanie
Technologia sensorów inercyjnych MEMS otwiera nową erę w pomiarach nateżenia wibracji i umożliwia szerszy dostęp do tej technologii. Jakkolwiek parametry, obudowy i podstawy tej technologii nie zmieniają się od czasów wykorzystania sensorów piezoelektrycznych, jednakże sama idea rozrasta się i ewoluuje. Poprzez funkcjonalną integrację z innymi podzespołami i łatwość adaptacji technika MEMS zdobywa coraz szersze zainteresowanie w świecie aplikacji do monitorowania wibracji. Łatwość jej aplikacji, poprzez wykorzystanie układów monitorujących i analizujących sygnały redukuje skomplikowanie systemu do poziomu gdzie konieczne jest odczytywanie tylko trzech binarnych zmiennych. Dodatkowo możliwość zdalnego dostępu do danych pomiarowych i wyników analiz ułatwia powstawanie nowych aplikacji wykorzystujących monitorowanie wibracji. Nadchodzące zmiany w technologii MEMS, przyczyniające się do polepszania jakości pomiarów, poprzez zmniejszenie poziomu szumów, zwiększenie pasma i zakresu dynamiki sprawiają iż trend ten utrzyma się przez długi czas w najbliższej przyszłości.
Źródła:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-06/vibration_monitoring.html
Cool? Ranking DIY
.