اندازه گیری های لرزش (ارتعاشی)

برای عیب یابی نمی توان تنها با یک نوع اندازه گیری به همه عیوب دست پیدا نمود. به همین منظور سنسورهای متنوعی تا کنون ارائه شده که برای اندازه گیری های موقت و دائم مورد استفاده قرار می گیرند. تصویر ۲ معمول ترین سنسورهای اندازه گیری را نمایش داده است .

سنسورهای رایج در ارتعاش سنجی

سنسورهایی که درMachine Monitoring System (MMS)مورد استفاده قرار می گیرد تاریخچه بسیار مفصلی داشته و طیف وسیعی را شامل می شود، اما بعنوان آنچه که در سیستم های امروزی بیشتر مورد توجه قرار می گیرد، می توان به سه نوع اصلی زیر اشاره نمود :

1. سنسورهای پروکسی میتی پروب
2. سنسورهای سرعت ارتعاشی
3. شتاب سنج ها

 سنسورهای غیر تماسی جابجایی نسبی (Proximity Probe)

ماشین های دوار که عموماً در صنایع مختلف نفت ، گاز ، پتروشیمی ، معدن ، سیمان وفولاد تحت عنوان ماشین آلات وتجهیزات بسیارحساس شناخته می  شوند، بخش بزرگی از سرمایه های یک شرکت تولیدی را تشکیل میدهد. علاوه بربالا بودن قیمت و هزینه های تعمیراتی توقف ناشی از خرابی آنها می تواندباعث توقف تولید گردد، و از همه مهم تر ادامه کار ماشین با لرزش بالا باعث شکست و انهدام آن ماشین و ایجاد خطرات جانی می گردد. از این روی باید این ماشین ها را بطور پیوسته و با دقت بالاتری تحت حفاظت قرار داد. به همین دلیل ارتعاش فن های بزرگ، توربین ژنراتورها، یاتاقان های بزرگ ، پمپ ها وموتورها با نصب سنسورهای لرزش سنج القایی اندازه گیری می شوند و در صورت گذر از حد هشدار با اعلان های متفاوت اپراتوررا متوجه نموده و در صورت افزاش بیشتر دامنه و گذر از حد خطر باعث توقف خودکار ماشین می شود تا از حوادث ناگوار جلوگیری شود .

عمومی ترین سنسوری که برای اندازه گیری جابجایی ارتعاشی در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد از نوع سنسورهای جریان گردابی غیر تماسی هستند که علاوه بر قابلیت اندازه گیری جابجایی های لرزشی (AC) ، توانایی اندازه گیری جابجایی ثابت  (DC)را نیز دارند .حرکت های لرزشی شافت روتور نسبت به یاتاقان در روتورهای حاوی یاتاقان های ، موقعیت محوری شافت های که در مجاورت یاتاقان تراست اندازه گیری می شود، خارج از مرکزی ناشی ازخمش استاتیکی شافت در اثر نیروی وزن و یا گرم شدن غیر یکنواخت هنگام راه اندازی دستگاه وانبساط مطلق بدنه درجایی که احتمال وقوع انبساط های بزرگ ممکن است بوجود آید ( مانند توربین های بخار) توسط سنسور جابجایی غیر تماسی قابل دستیابی است. این نوع اندازه گیری تنها بصورت دائم در سیستم  MMS استفاده می شود .

مهم ترین شاخص برای نمایش وضعیت ماشین است. این ارتعاشات با استفاده از سنسورهای اندازه گیری جابجایی نسبی که بر روی یاتاقان نصب می شود اندازه گیری می گردد. برای بدست آوردن اوربیت صحیح شافت ( مسیری که مرکز شافت طی می کند) باید از دو سنسور که به فاصله ۹۰ درجه از یکدیگر نصب شده اند استفاده نمود. ارزیابی میزان لرزش یا براساس معیار حداکثر مقدار جابجایی شافت حاصل از دو سنسور، و یا براساس معیار پیک تا پیک هر سنسور بصورت مستقل صورت می گیرد. این نوع اندازه گیری عموماً بصورت دائم در سیستم  MMS استفاده می شود.

این سنسورها از دو قسمت اصلی پروب و ترانسمیتر (پروکسی میتور) تشکیل شده است . پروکسیمیتور یک ولتاژ  DC )معمولاً ۲۴ ولت) را دریافت نموده و یک سیگنال فرکانس بالاRF برای ارسال به پروب تولید می کند. این سیگنال تنها توسط کابل کواکسیال خاص با طول مشخص ( مثلا ۵ یا ۸ متری) قابل انتقال است و معمولاً هر پروکسی میتور و پروب با یک کابل مشخص کالیبره شده است. در نوک پروب یک سیم پیچ وجود دارد که سیگنال دریافتی را بصورت یک میدان مغناطیسی در جلوی پیشانی پروب انتشار می دهد. مادامی که هیچ جسم هادی مقابل پروب قرار نگیرد، هیچ تاثیری روی میدان مغناطیسی و بنابراین هیچ کاهشی در سیگنال RF ایجاد نخواهد شد. با توجه به اینکه تنها اجسام هادی روی میدان های مغناطیسی تاثیر دارند با نزدیک شدن یک جسم هادی به ناحیه میدان مغناطیسی، این میدان در جسم هادی نفوذ پیدا کرده و باعث ایجاد جریان های گردابی درون آن می شود. ایجاد این جریان ها باعث مصرف میدان مغناطیسی و کاهش دامنه سیگنال  RF می گردد و میزان این کاهش رابطه مستقیم با عکس فاصله جسم تا پروب دارد. هر چقدر جسم نزدیک تر شود قدرت بیشتری از سیگنال RF مصرف می شود تا جایی که جسم به فاصله ۰.۲ میلیمتری (بعنوان نمونه) رسید آنگاه میزان قدرت جذب شده به حداکثر مقدار خود می رسد .

 بنابراین برای هر سنسور یک ناحیه خطی مشخص وجود دارد و در این ناحیه به ازاء یک فاصله مشخص یک خروجی ولتاژ (منفی) توسط ترانسمیتور بعنوان خروجی سیستم فراهم می گردد. این مقدار ولتاژ براساس میزان انرژی جذب شده از سیگنال  RF در  سیم پیچ نوک پروب توسط ترانسمیتور ایجاد می گردد. اگر فاصله بین جسم تا پروب ثابت بماند مقدار جابجایی بصورت یک مقدار خروجی ثابت  DC تولید می شود و اگر جابجایی تغییرات داشته باشد (وجود لرزش) این مقدار بصورت یک سیگنال AC به روش دمودولاسیون از سیگنال  RF استخراج شده و بعنوان سیگنال خروجی لرزش قابل استفاده است .

 سنسورهای پروکسی میتی تنها سنسورهایی هستند که علاوه بر جابجایی استاتیکی  (DC) جابجایی ارتعاشی  (AC) را نیز اندازه گیری می کنند. از این رو این سنسورها کاربرد بسیار وسیعی در  MMS دارند .

در بعضی از ترانسمیترها مقدار پیک تا پیک این سیگنال لرزشی محاسبه و به سیگنال ۴-۲۰ mA تبدیل می شود در این صورت این سیگنال دیگر قابلیت آنالیز توسط آنالیزر را از دست می دهد و فقط بعنوان سیگنال ارزیابی دامنه ارتعاش کل قابل استفاده در سیستم های فقط حفاظتی است .

عیوب قابل شناسایی با آنالیز ارتعاش

می توان ادعا نمود که بیش از ۸۰% از عیوب ماشین های دوار از طریق آنالیز ارتعاش قابل شناسایی هستند. علاوه براین آنالیز ارتعاش قدرت شگرفی در آشکار سازی عیوب در مراحله اولیه پیدایش دارد. عیب هایی که با استفاده از روش آنالیز ارتعاشات قابل شناسایی هستند را بصورت خلاصه به شرح زیر معرفی می کنیم :

۱.     نا بالانسی

۲.     همراستایی

۳.     خرابی کوپلینگ

۴.     خمش شافت

۵.     مالش روتور

۶.     لقی های مکانیکی (یاتاقان، شافت، تکیه گاه یاتاقان ، سازه)

۷.     خرابی یاتاقان ژرنال ( استهلاک، لقی، چرخش روغن، شلاق روغن، تخلیه الکتریکی، مالش و…)

۸.     خرابی یاتاقان های المان غلطکی (خرابی های رینگ داخلی، خارجی، ساچمه، قفسه، لقی و…)

۹.     خرابی چرخ دنده ها ( عدم تنظیم، سایش و استهلاک، خارج از مرکزی، ترک، شکستگی، و…)

۱۰.عیوب پولی و تسمه ( خارج از مرکزی،استهلاک، عدم تنظیم و…)

۱۱.عیوب الکتروموتورها ( لقی یاتاقان، اتصال کوتاه در سیم پیچ های استاتور یا روتور، شکستگی یا لق بودن میله های روتور، خارج از مرکزی روتور یا استاتور، اتصال کوتاه لامینیشن هاو…)

۱۲.درگیری پره ها و گرفتگی فضای بین پره و محفظه (فن، پمپ، کمپرسور، توربین و…)

۱۳.کاویتاسیون در پمپ و سرج در کمپرسورهاو…

۱۴.استهلاک سیلندر و افتادگی میله کمپرسور رفت و برگشتی

۱۵. رزنانس (سرعت بحرانی روتور، تشدید در بدنه، هیسترزیس روتور، تشدید تکیه گاه هاو…)

۱۶.ترک و شکستگی ها (شافت، روتور، بدنه، تکیه گاه و…)

۱۷. انتقال ارتعاش ( انتقال از فونداسیون، لوله ها، تحریک نقاط ضعف و…)

۱۸.ضعف دینامیکی سازه ها (وجود رزنانس، انعطاف پذیری بیش از حد و…)

۱۹.عیوب ترکیبی (اثر گذاری عیوب بر یکدیگر و تشدید )

کلیه عیوب فوق الذکر را می توان با استفاده از تکنیک های صحیح آنالیز ارتعاش در ماشین های دوار آشکار نمود.

سیستم مانیتورینگ ماشین های دوار  MMS

برای عیب یابی هر نوع ماشینی روش های خاصی وجود دارد و بهترین ابزار عیب یابی ماشین های دوار سیستم مانیتورینگ ماشین های دوار است. این سیستم می تواند یک سیستم حفاظتی/ پایش وضعیتی پیوسته کامل تحت عنوان  Machine Monitoring  System (MMS) باشد و یا از یک آنالیزر لرزش پرتابل و نرم افزار مربوطه تشکیل شده باشد. بسیاری از عیوب را می توان توسط هر دو سیستم آشکار نمود اما طبیعی است که یک سیستم  MMS کامل علاوه بر عهده دار بودن حفاظت ماشین، دارای ویژگی های منحصر بفرد خود در عیب یابی است. در یک سیستم  MMS علاوه بر اندازه گیری های لرزشی سایر اندازه گیری های غیر لرزشی نیز لحاظ می گردد . مثلاً در سیستم  MMSشرکت بنتلی نوادا یا شنک می توان مانیتورهای لرزش، سرعت چرخشی، موقعیت شعاعی و محوری، خارج از مرکزی، درجه حرارت، انبساط های مطلق و نسبی و .. را نیز در یک سیستم واحد مشاهده نمود. برای آشنایی بیشتر با روش های عیب یابی ابتدا به شناخت سنسورهای اندازه گیری لرزش و همچنین انواع اندازه گیری لرزشی و غیر لرزشی که در یک سیستم  MMS وجود دارد می پردازیم .

رفتار ارتعاشی قطعات می تواند از جنبه های مختلف مورد توجه قرار گیرد. یکی از نقطه نظر اثرات تخریبی ارتعاش و دیگری از نقطه نظر رفتاری که از آن قطعه انتظار می رود با کمترین اشکال ایجاد شود و در حقیقت قطعه مورد نظر برای ایجاد آن رفتار ارتعاشی طراحی شده است .

پاسخ ارتعاشی هر قطعه مکانیکی می تواند دو اثر مهم نامطلوب داشته باشد، اول اثر نامطلوب روی خود قطعه که مهم ترین آن بوجود آمدن تنش معکوس در قطعه، بروز پدیده خستگی و نهایتاً شکست قطعه است یا حداقل شل شدن اتصالات، ترک در مدارات الکترونیکی یا کنده شدن المان های برد های الکترونیکی و .. که عموماً با پدیده های تشدید در فرکانس طبیعی همراه است. دوم اثر ارتعاشی قطعه بر محیط پیرامون خود از جمله انسان که باعث صدمه، ناراحتی و سلب آسایش انسان و محیط زیست می گردد. اثرات صوتی که البته از ارتعاش ریشه می گیرد بیشترین اثرات نا مطلوب را بر انسان و محیط زیست دارد و تحلیل های صوتی نیز مشابه تحلیل های ارتعاشی است به همین دلیل عموماً صوت و ارتعاش دارای یک آزمایشگاه و تیم های تحقیقاتی می باشند. از طرفی تجهیزاتی که برای ایجاد لرزش های خاص طراحی شده اند نیز باید با صرف کمترین انرژی و کمترین اثر تخریبی روی اجزاء خود عملکرد مورد انتظار از خود را ارائه کنند .

کالیبراسیون سنسورهای پروکسی از اهمیت زیادی برخوردار است و لازم است هنگام کالیبره کردن این نوع سنسورها با توجه به گرافهایی که توسط سازندگان ارائه شده است، عوامل متعددی را مد نظر قرار داد. برخی از این عوامل عبارتند از :

1.  نمودار ضریب حساسیت.
2. خطای ضریب حساسیت در بازه های مختلف
3. اثرات حرارت
4. اثرات طول کابل
5. اثرات انحراف متریال شافت (شافت استاندارد فولاد ۴۱۴۰ در نظر گرفته شده است(
6. خطای ناشی از محدودیت فضای پیرامون سنسور
7. خطای ناشی از اندازه سطح هدف
8. خطای ناشی از اثرات سنسورهای نزدیک به هم (متعامد(
9. خطای ناشی از تغییر ولتاژ تغذیه برای کالیبره کردن سنسورهای پروکسی میتی باید هر سنسور را با طول کابل مشخص خود و ترانسمیتر خاص خود کالیبراسیون را انجام داد. معمولاً سازندگان این نوع سنسورها تجهیزات کالیبراسیون را نیز ارائه می دهند بعنوان مثال شرکتBently Nevada دستگاه  کالیبراسیون TK3 را برای این منظور ارائه می دهد.

این دستگاه شامل دو قسمت است، یکی کالیبراسیون استاتیکی جهت استخراج منحنی ضریب خروجی سنسور  SF و  ISF که سنسور، کابل و  ترانسمیتور را شامل می شود و تنها مقدار موجود را بدست می آورد و دیگری برای کالیبراسیون دینامیکی برای تست کالیبراسیون کل زنجیره اندازه گیری از سنسور تا مانیتور نمایشگر ارتعاش را شامل شده و بوسیله آن می توان کل سیستم را کالیبره نمود.

الزامات استاندارهای ایزو و بطور کلی برای اطمینان از صحت عملکرد سیستم های اندازه گیری لرزش اعم از سنسورها و تقویت کننده ها و نمایشگرها و آنالیزرهای ارتعاشی نیاز کالیبراسیون تجهیزات ارتعاش سنجی را الزامی می سازدکالیبراتورهای دستی می توانند بصورت عمومی توسط کاربران تجهیزات ارتعاش سنجی استفاده شود اما برای انجام کالیبراسیون های دقیق تر و همچنین اندازه گیری های پاسخ فرکانسی سنسورها و سیستم اندازه گیری نیاز به انجام کالیبراسیون در آزمایشگاه ارتعاشات می باشد .

سنسورهای سرعت ارتعاشی  Velocity Pickup

سنسورهای سرعت ارتعاشی اولین نوع سنسورهای لرزش سنج بدنی هستند که برای اندازه گیری بدنه ماشین مورد استفاده قرار گرفته است. این سنسورها سرعت ارتعاشی مطلق بدنه ماشین (یاتاقان) را اندازه گیری می کند. سنسورهای بدنی (سرعت سنج و شتاب سنج) برای اندازه گیری لرزش خود باید مرتعش گردند به همین لحاظ مسئله فرکانس طبیعی خود سنسور اهمیت پیدا می کند. به عبارتی دیگر خروجی سنسور باید نسبت به کلیه فرکانس ها یکسان و برابر با حساسیت تعیین شده برای سنسور باشد. بنابراین محدوده فرکانسی قابل استفاده برای سنسور محدوده خارج از ناحیه فرکانس طبیعی سنسور است. در ناحیه ای که پاسخ فرکانسی آن اصطلاحاً مسطح است .

سرعت سنج های لرزشی از یک هسته مرتعش حاوی سیم پیچ که توسط فنر وسط یک میدان مغناطیسی معلق شده است. تشکیل می گردد. ارتعاش وارد شده به بدنه سنسور از طریق فنر ها به هسته رسیده و سرعت لرزشی هسته نسبت به بدنه متناسب با سرعت لرزشی بدنه سنسور است. حرکت سیم پیچ با سرعت  V درون میدان مغناطیسی ثابت، نیروی الکتروموتوری  E را که متناسب با سرعت  V طول سیم پیچ  l و شدت میدان مغناطسی  B است تولید نموده و از آنجایی که شدت میدان و طول سیم پیچ ثابت است، نیروی الکتروموتوری  E متناسب با سرعت لرزشی بدنه سنسور است. از این رو به این سنسور سرعت سنج می گویند

.

نکته مهم در رابطه با این نوع سنسورها این است که کار کرد این سنسور بالای فرکانس طبیعی آن است و محدوده بسیار بسته تری نسب به شتاب سنج ها دارد ( بعنوان نمونه بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ هرتز). اما ویژگی مهم آن خروجی امپدانس پایین آن است که براحتی می توان آن را نمایش داد بعبارتی این سنسور مانند یک ژنراتور عمل کرده و نیاز به تغذیه و یا تقویت ندارد و خروجی آن را می توان در سایر دستگاه ها براحتی استفاده نمود. علاوه براین سرعت ارتعاشی معیار اصلی ارزیابی شدت ارتعاش ماشین ها است و شاید به همین دلایل است که هنوز از این نوع سنسورها مخصوصاً برای مقاصد حفاظتی بسیار استفاده می شود. اما مشکل وجود المان های مرتعش در این نوع سنسور معمولاً باعث کاهش عمر آن شده و باعث خرابی زودتر آن نسبت به سایر سنسورها می گردد. بنابراین در جاهایی که از این نوع سنسورها استفاده می شود بازرسی کالیبراسیون دوره ای برای آنها، حداقل هر یک سال یک بار الزامی است .

محدودیت های دیگری از جمله جهت نصب (افقی یا عمودی) طول کابل و میدان های مغناطیسی قوی از دیگر نقاط ضعف این نوع سنسورها است .

این نوع سنسورها را بدلیل محدودیت پاسخ فرکانسی نمی توان برای شناسایی لرزش های فرکانس بالا ( چرخ دنده ها و بلبرینگ ها) استفاده نمود. معمولاً این سنسورها را برای نصب های دائم و فقط به منظور حفاظت دامنه ارتعاشات ناشی از نابالانسی، لقی، ناهمراستایی و .. در ماشین های بزرگ و یاتاقان های ژرنال مورد استفاده قرار می گیرد .

شتاب سنج ها  Accelerometers

شتاب سنج ها عمومی ترین سنسورهای اندازه گیری لرزش های بدنی هستند. امروزه این نوع سنسورها بصورت گسترده ای جای سنسورهای سرعت سنج را گرفته و علاوه براینکه در تمامی سیستم های پرتابل از شتاب سنج استفاده می شود، در سیستم های نصب دائم حفاظتی/ پایش وضعیتی نیز این سنسور بطور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرد .

در یک شتاب سنج از عکس العمل یک جرم مشخص به شتاب وارد بر سنسور استفاده شده و نیرویی بر المان پیزوالکتریک وارد می شود. المان پیزوالکتریک متناسب با نیروی وارد برآن بارهای الکتریکی در دو سطح خود ایجاد می کند. در طرح اولیه شتاب سنج ها، این بار الکتریکی که در حد  PC می باشد بعنوان خروجی سنسور استفاده می گردید. در طرح های امروزی با استفاده از تقویت کننده های درون سنسور، این بار الکتریکی تقویت شده و بصورت  mV بعنوان خروجی سنسور استفاده می شود .

شتاب سنج ها در مدل های مختلف و اندازه های مختلف ارائه می گردد. این تنوع را می توان از نقطه نظرهای زیر دسته بندی نمود:

نیروی وارد بر المان پیزو الکتریک :

طرح فشاری  –سادگی طرح ولی اثرات اتساع پایه و ارتعاشات جانبی . طرح برشی  –حذف اثرات اتساع پایه و سادگی تولید .

خروجی شتاب سنج :

خروجی بار الکتریکی (مستقیم ( Pc – احتیاج به کابل های ویژه و پیش تقویت کننده خارجی دارد . خروجی ولتاژ (تقویت کننده داخلی ( mV- انتقال با کابل های معمولی و بدون احتیاج به پیش تقویت کننده خارجی .

سیگنال دینامیکی یا استاتیکی (سرعت یا شتاب (

خروجی شتاب، با قابلیت آنالیز سیگنال دینامیکی . خروجی سرعت، استفاده از انتگرال گیری داخلی و معمولاً همراه با دتکتور  RMS و مبدل ۴-۲۰  mA با خروجی جریان جهت استفاده مستقیم در سیستم هایDCS به منظور حفاظت. از خروجی این نوع سنسورها دیگر نمی توان جهت آنالیز و عیب یابی استفاده نمود و فقط برای مقایسه با حدود هشدار و خطر در سیستم حفاظتی مناسب است .    

پاسخ فرکانسی

فرکانس طبیعی شتاب سنج تعیین کننده محدوده فرکانسی آن است. شتاب سنج های بزرگ تر محدودیت فرکانسی بالاتری دارند ( مثلاً ۱KHz) و شتاب سنج های کوچک تر می توانند تا فرکانس ۴۰  KHz (بعنوان نمونه) پاسخ فرکانسی خطی داشته باشند . شتاب سنج های معمولی که در پایش وضعیت استفاده می شود دارای حد بالای فرکانس ۱۰-۲۰  KHz می باشند .

ظرفیت دامنه

میزان تولید بار الکتریکی در شتاب سنج ها بستگی به حجم مواد پیزوالکتریک دارد، بنابراین شتاب سنج های کوچک خروجی بسیار پایینی داشته ولی قادر به تحمل شوک های بسیار بالا هستند و از سویی دیگر شتاب سنج های بزرگ دارای خروجی بنابراین حساسیت بسیار بالا ولی تحمل ارتعاشات بالا را ندارند . براساس ویژگی هایی که در بالا توضیح داده شد، شتاب سنج ها کاربردهای بسیار وسیعی در تجهیزات و صنایع مختلف داشته که سیستم های پایش وضعیت بخشی از آن را تشکیل می دهد