Thiết kế thiết bị đo rung động

mô tả mức độ rung động và tần số mô tả tốc độ dao động của rung động. Cả biên độ và tần số rung động cung cấp cơ sở cho việc xác định nguyên nhân gốc rễ của rung động. Biên độ rung động là độ lớn của sự rung động.Một máy với biên độ rung động lớn thì sẽ có một chuyển động dao động mạnh, nhanh và lớn.Nếu biên độ càng lớn thì chuyển động này càng lớn hoặc ứng suất gây ra bởi máy càng lớn và khả năng dẫn đến hƣ hỏng máy càng lớn.Vì thế mà biên độ cho thấy mức độ “khốc liệt” của rung động.Nói chung, mức độ hay biên độ của rung động còn liên hệ tới: (a) khoảng chuyển động rung động (b) tốc độ của chuyển động (c) lực kết hợp với chuyển động Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 16 Nhƣng trong hầu hết các trƣờng hợp, tốc độ và biên độ vận tốc (velocity amplitude) của máy cho thông tin hữu ích về tình trạng của máy. Vậy vận tốc là gì? Nó đơn giản là tốc độ đƣợc đo theo một chiều xácđịnh. Xem hình: Biên độ vận tốc có thể biểu diễn theo các thuật ngữ nhƣ peak value (giá trị đỉnh) hoặc RMS (root-mean-square value – giá trị hiệu dụng). Biên độ vận tốc tối đa hay đỉnh (peak) của một máy đang rung động đơn giản là giá trị tốc độ rung động maximum (peak) có đƣợc của máy trong một chu kỳ thời gian : Trái ngƣợc với biên độ vận tốc tối đa, biên độ vận tốc RMS của rung động máy cho chúng ta biết năng lƣợng rung động của máy. Năng lƣợng rung động càng cao,biên độ RMS càng lớn. Cụm từ „root-mean-square‟ thƣờng viết tắt là RMS và nên nhớ rằng biên độ RMS luôn luôn thấp hơn biên độ tối đa hay biên độ đỉnh (peak amplitude). Hai đơn vị biên độ vận tốc đƣợc sử dụng phổ biến là inches/second (in/s) và millimeters/second (mm/s). Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 17 Tần số (Frequency) là khi một thành phần của máy đang rung động nó sẽ lặp lại các chu kỳ chuyển động. Phụ thuộc vào lực gây ra sự rung động, thành phần của máy đó sẽ dao động nhanh hay chậm. Ở tốc độ mà một thành phần của máy dao động đƣợc gọi là tần số dao động hay tần số rung động. Tần số rung động càng nhanh thì dao động càng nhanh. Chúng ta có thể xác định tần số của một thành phần đang rung động bằng cách đếm số chu kỳ dao động sau mỗi giây. Ví dụ, m ột thành phần đi qua 5 chu kỳ trong 1 giây có nghĩa là nó đang rung động ở một tần số 5 chu kỳ/giây (5cps). Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 18 . Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 19 Những thông tin mà một waveform cho biết, phụ thuộc vào khoảng thời gian và độ phân giải của một waveform. Thời khoảng của một waveform là tổng chu kỳ thời gian qua đi mà có thể biết đƣợc từ một waveform. Trong hầu hết các trƣờng hợp, một vài giây Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 20 là đủ.Độ phân giải của một waveform là một số đ o mức độ chi tiết trong waveform và đƣợc xácđịnh bằng số điểm d ữliệu mô tả hình dạng của m ột waveform. Nếu càng nhiều điểm thì biểu đồwaveform càng chi tiết. - Biểu đồ dạng phổ là : Một loại biểu diễn khác thƣờng đƣợc sử dụng phổ biến trong phân tích rungđộng là biểu đồ spectrum. Một spectrum là một biểu đồ biểu diễn các tần số ở một thành phần máy đang rung động cùng với các biên độ ởmỗi t ần s ố đó. Hình dƣới đây là một ví dụvềmột spectrum vận tốc. Nhƣng tại sao một thành phần máy duy nhất mà lại có đồng thời rung động ở nhiều hơn một tần số. Trả lời nằm trong thực tế rằng, sự rung động máy, khác với sự chuyển động dao động đơn giản của một quả lắc, nó không chỉ có một chuyển động rung động đơn giản mà thông thƣờng nó bao gồm nhiều chuyển động rung động xảy ra đồng thời. Lấy ví dụ : spectrum vận tốc của một gối đỡ thƣờng cho thấy rằng vòng bi đang rung Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 21 động không chỉ ở một tần số mà ở nhiều tần số khác nhau. Sự rung động ở một vài tần số có thể là do chuyển động của các chi tiết trong vòng bi, ngoài ra còn ở các tần số khác là do sự tác động của các răng của bánh răng hoặc có các tần s ố khác là do sự quay tròn của cánh quạt làm mát motor. Một spectrum cho thấy các tần số mà ở đ ó xảy ra sự rung động nên nó là công cụ phân tích rung động rất hữu ích. Bằng việc phân tích các tần số riêng của một thành phần máy đang rung động cũng nhƣ các biên độ tƣơng ứng với mỗi tần số đ ó, và chúng ta có thể tìm ra có sự liên hệ với nguyên nhân gây ra rung động và tình trạng của máy. Ngƣợc lại, một waveform lại không cho thấy một cách rõ ràng các tần số mà ở đ ó xảy ra sự rung động. Thay vào đó, một waveform lại chỉ biểu diễn giá trị tổng thể overall. Cho nên sẽ không dễ dàng khi chẩn đoán hƣ hỏng bằng biểu đồ waveform. Cho nên ngoại trừ có một vài trƣờng hợp đặc biệt, các spectrum đóng vai trò là công cụ quan trọng cho việc phân tích rung động máy. Các thông tin mà một spectrum chứa đựng phụ thuộc vào giá trị Fmax (tần số maximum) và độ phân giải (resolution) của spectrum đó. Fmax là giới h ạn t ần s ố của m ột spectrum có thể biểu diễn. Giá trị Fmax này bao nhiêu phụ thuộc vào tốc độ vận hành của máy. Tốc độ vận hành càng cao thì Fmax càng phải cao.Độ phân giải của một spectrum là một số đ o mức độ chi tiết của spectrum, và đƣợc xác định bởi số đƣờng phổ mô tả hình dạng của biểu đồ spectrum. Càng nhiều đƣờng phổ thì mức độ chi tiết của spectrum càng cao. 2.3 Cách đo rung động của máy spectrum (biểuđồ dang phổ). Khi chúng ta đo rung động máy chúng ta thƣờng đo các spectrum rung động, khi mà spectrum của một thành phần rung động nói cho chúng ta biết một sự liên hệ với tình trạng máy cũng nhƣ nguyên nhân gây ra rung động. Nói một cách tự nhiên, spectrum đóng vai trò sống còn, vì những thông tin có giá trị và đạt Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 22 đƣợc độ chính xác. Những điều cần phải chú ý để đảm bảo các số đo đƣợc chính xác : - Nhận ra những máy nào cần phải theo dõi rung động - Cách gắn các cảm biến đo rung động. - Xác định đƣợc cần cài đặt các thông số đo nào. - Cách lấy số đo một cách có hệ thống  Những máy cần phải đo rung động : Khi quyết định máy nào cần theo dõi, các máy thiết yếu critical nên đƣợc ƣu tiên so với các máy khác.Việc lựa chọn các máy thiết yếu cần đƣợc theo dõi dựa trên các quy tắc cơ bản sau đây để tránh sự tốn kém không cần thiết : (a) Các máy đòi hỏi việc sửa chữa khó khăn, lâu dài và tốn kém khi bị hƣ hỏng. (b) Các máy thiết yếu đối với việc tạo ra sản phẩm và sự vận hành chung của cả nhà máy. (c) Những máy mà có tần suất hƣ hỏng cao. (d) Những máy mà đang đƣợc đánh giá về độ tin cậy. (e) Những máy mà ảnh hƣởng tới an toàn sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng sống. 2.4 Nguyên lý làm việc của các thiết bị đo rung động Trƣớc khi lấy số đ o rung động, ta phải gắn một cảm biến mà có thể theo dõi rung động của máy đƣợc đo. Có nhiều loại cảm biến đo rung động khác nhau. Tuy nhiên loại gia tốc kế accelerometer thƣờng đƣợc sử dụng nhất vì có nhiều ƣu điểm hơn các loại khác. Gia tốc kế là một cảm biến mà tạo ra một tín hiệu điện mà tỉ lệ với sự gia tốc của thành phần rung động. Vậy gia tốc của một thành phần rung động là một số đ o về lƣợng thay đổi của vận tốc của thành phần rung động. Tín hiệu gia tốc đƣợc tạo ra bởi gia tốc kế gắn trên thiết bị đ o rung động và lần lƣợt chuyển đổi tín hiệu thành một tín hiệu v ậ n t ố c . Phụ thuộc vào sự lựa chọn c ủa ngƣời Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 23 s ử dụng, tín hiệu có thể biểu diễn thành biểu đồ dạng sóng vận tốc (waveform vận tốc) hay một biểu đồ phổ vận tốc (spectrum vận tốc). Một spectrum vận tốc đƣợc chuyển đổi từ biểu đồ waveform vận tốc bằng một công thức toán học gọi là Fast Fourier Transform hay FFT (gọi là chuyển đổi Fourier). Sơ đồ dƣới đây giải thích đơn giản cách thu thập dữ liệu rung động. 2.5 Cách gắn cảm biến gia tốc kế Hầu hết các máy đều có các cơ cấu quay. Moto, bơm, máy nén, quạt, băng tải, hộp số, tất cả đều liên quan đến các cơcấu chuyển động quay và thƣờng sử xuyên sử dụng trong các máy. Hầu hết các cơ cấu quay đều có ổ đỡ để đỡ toàn bộ trọng lƣợng của các bộ phận quay và chịu các lực tổ hợp của chuyển động quay và rung động. Nói chung, một lƣợng lớn lực đƣợc đỡ bởi ổ đỡ. Và cũng không ngạc nhiên hƣ hỏng luôn xảy ra tại ổ đỡ và đây là nơi xuất hiện và phát triển các hiện tƣợng hƣ hỏng. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 24 Vì vậy các số đ o rung động thƣờng đƣợc lấy ở vị trí ổ đỡ của máy, với cảm biến gia tốc gắn tại hoặc gần vị trí các ổ đỡ. Khi kết luận về tình trạng máy, phụ thuộc vào độ chính xác của số đ o, cách chúng ta lấy số đo phải chú ý cẩn thận. Lưu ý : cách chúng ta gắn c ảm biến đo rung động phụ thuộc rất nhiều tới độ chính xác của phép đo. Vậy gắn cảm biến gia tốc nhƣ thế nào để đảm bảo độ chính xác của số đ o và sự an toàn. Sau đây là vài hƣớng dẫn : (a) Gắn càng gần với vị trí ổ đỡ càng tốt. (b) Gắn đầu đo gia tốc phải đảm bảo vững chắc (c) Đảm bảo gắn đúng chiều (d) Thao tác sử dụng cẩn thận tránh làm hƣ hỏng đầu đo và dây cáp kết nối (e) Ngƣời đo phải đảm bảo an toàn khi đo. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 25 Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 26 Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 27 Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 28 Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 29 2.6 Cách cài đặt thông số đo 2.6.1 Khái niệm thông số đo Các thông số đ o là xác định chi tiết cách thực hiện lấy số đ o. Bằng việc xác định các thông số đo, chúng ta xác định cách mà dữ liệu đƣợc thu thập và đƣợc x ử lý trƣớc khi hiển thị cho chúng ta xem. Trƣớc khi lấy một số đ o rung động chúng ta cần xác định các thông số nào đƣợc s ử dụng. Các thông số của số do rung động có thể đƣợc giống với những chi tiết “cái gì và bằng cách nào” mà một bác sĩ phải xác định trƣớc khi tiến hành kiểm tra sức khỏe. Khi chúng ta đo một spectrum.Một vài giá trị thông số đ o và chúng có ý nghĩa nhƣ thế nào? Các thông số đƣợc sử dụng để đo các spectrum rung động có thể chia ra 4 loại, cụ thể là các thông số đ o xácđịnh: (a) Việc thu thập dữ liệu bằng cách nào? (b) Bao nhiêu dữ liệu và thời gian bao lâu cho việc thu thập dữ liệu? (c) Dữ liệuđƣợc xử lý bằng cách nào? (d) Dữ liệuđƣợc hiển thị nhƣ thế nào? (a) Việc thu thập dữ liệu bằng cách nào? Các thông số mà xácđịnh cách thu thập dữ liệu là „trigger type‟ và các thông số đƣợc lập danh sách trƣớc trong „sensor setup‟. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 30 „Trigger type‟ là thông số mà nói lên cách để thiết bị bắt đầu đo. Nếu cài đặt chế độ „free run‟, thiết bị sẽ lấy số đ o liên tục, nếu cài đặt chế độ „single‟, chỉ một số đ o cho một lần đo đƣợc l ấy.Thông thƣờng cài đặt trong thiết b ị là „free run‟. Thông số trong chế độ „sensor setup‟ cho biết loại cảm biến gia tốc nào đƣợc sử dụng để đo.Nếu loại cảm biến gia tốc ICP đƣợc sử dụng trong thiết bị. „Drive curent‟ cần đƣợc mở và độ nhạy „sensitivity‟ của cảm biến gia tốc phải phù hợp với card trong thiết bị. „Settling time‟ là thời gian cần thiết để cảm biến và thiết bị nhận ra nhau trƣớc khi tiến hành đo. Ta cũng có thể sử dụng cài đặt giá trị „settling time‟ mặc định của máy (mà thay đổi cùng với giá trị Fmax) để bảo đảm số đ o chính xác. 2.6.2 Số lƣợng dữ liệu và thời gian cho việc thu thập dữ liệu Các thông số mà xác định bao nhiêu dữ liệu và thời gian bao lâu cho việc thu thập dữ liệu là thông số „Fmax‟, „spectral line‟ và „Overlap percentage‟. Chúng ta đã lƣu ý rằng Fmax càng cao thì giới hạn tần số trong spectrum càng lớn và lƣợng thông tin thu đƣợc trong spectrum cũng nhiều hơn. Vì vậy nếu giá trị Fmax cao, dữ liệu sẽ hiển thị lên biểu đồ đƣợc ở tần số rung động cao. Để có thể thu thập thông tin liên quan đến các tần số rung động cao, tần số đo hay tốc độ thu dữ liệu cũng cần phải cao, và do đó tốc độ đo sẽ cũng nhanh lên. Tần số Fmax cao không tạo ra thêm nhiều dữ liệu phải thu thập mà chỉ tạo ra khoảng tần số rộng hơn. Có càng nhiều spectral line cho một spectrum, thì sẽ có đƣợc nhiều thông tin hơn. Điều này có nghĩa là, có càng nhiều spectral line, thì có nhiều dữ liệu cần phải thu thập, tạo thêm nhiều thông tin hơn (chất lƣợng dữ liệu cao hơn) và vì thế việc thu thập số đo sẽ lâu hơn. (giống nhƣ bức ảnh số có độ phân giải càng cao thì càng nét). a- Giá trị Fmax nên sử dụng Tốc độ vận hành của máy càng cao, thì các tần số rung động của nó cũng sẽ cao theo và Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 31 Fmax cũng phải cao để bắt đƣợc các tần số rung động này ở các tần số cao đó. Rung động không bao gồm các phần tử cánh hay vấu quay nhƣ răng của bánh răng, các cánh dẫn hƣớng của quạt, bơm và các phần tử lăn (bi), giá trị Fmax bằng 10 lần tốc độ quay thƣờng là đủ để bắt tất cả các thông tin quan trọng. Ví dụ 1: nếu tốc độ quay là 10 000 vòng/phút, thì giá trị Fmax là 100 000 cpm (100kcpm) là đủ. Đối với rung động bao gồm các phần tử cánh hay vấu nhƣ bánh răng, quạt, bơm và vòng bi, giá trị Fmax bằng 3 lần số phần tử cánh hay vấu nhân với tốc độ quay là đủ để bắt tất cả các thông tin quan trọng. Ví dụ 2: cặp bánh răng có bánh răng dẫn có 12 răng quay ở 10000 vòng/phút, giá trị Fmax sẽ là 3x12x10 000=360 000 cpm (360 kcpm) là đủ. (cpm: chu kỳ/phút). Nếu giá trị Fmax yêu cầu rất lớn thì độ phân giải của spectrum sẽ thấp đi, và các thông tin ở các tần số rung động thấp sẽ bị mất. Vì thế cũng cần lấy một số số đo có giá trị Fmax thấp cùng với các số đo có giá trị Fmax cao. b- Sử dụng độ phân giải Trong hầu hết trƣờng hợp độ phân giải 400 là đủ (400 spectral lines). Tuy nhiên, nếu giá trị Fmax càng cao thì các line này sẽ phải trải ra một dải tần số lớn, tạo ra khoảng gap lớn giữ các line. Vì vậy giá trị Fmax càng lớn, số đƣờng phổ (spectral lines) càng lớn để tăng độ chi tiết của biểu đồ rung động dạng phổ và tránh mất thông tin. Tuy nhiên cũng nên chú ý rằng nếu tăng số độ phân giải này thời gian lấy số đo sẽ lâu hơn thiết bị sẽ tốn nhiều bộ nhớ để lƣu trữ. Vì vậy, một giá trị Fmax cao hay số đƣờng phổ lớn chỉ đƣợc sử dụng khi nào cần thiết. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 32 c- Sử dụng dữ liệu chồng lấp overlap Dữ liệu chồng lấp „overlapping data‟ là một cách sử dụng lại phần trăm của waveform đo đƣợc trƣớc đó để tính toán một spectrum mới. Phần trăm chồng lấp „overlap percentage‟ càng cao, dữ liệu thu thập mới để tạo một spectrum càng ít và vì vậy biểu đồ dạng phổ spectrum sẽ hiển thị nhanh hơn. Giá trị chồng lấp overlap 50% là lý tƣởng cho hầu hết trƣờng hợp. d- Xử lý dữ liệu Các thông số mà xác định cách mà dữ liệu đƣợc xử lý là 3 thông số „Average type‟, „Number of average‟ và „window type‟. Tƣởng tƣợng bạn phải đo chính xác bề rộng của trang giấy của cuốn sách. Do bề rộng của mỗi trang có thể thay đổi một chút, bạn có thể đo không chỉ một trang mà nhiều trang và sau đó lấy giá trị trung bình. Tƣơng tự nhƣ vậy, khi đo rung động sẽ có nhiều spectrum đƣợc đo và sau đo lấy trung bình để đƣợc một spectrum trung bình. Một spectrum trung bình biểu diễn cách thức rung động tốt hơn khi mà phép xử lý trung bình làm tối thiểu các ảnh hƣởng của các thay đổi ngẫu nhiên hay các xung nhiễu thƣờng có trong rung động máy. Thông số „Average type‟ xác định bao nhiêu spectrum đƣợc lấy trung bình. Giá trị trung bình tuyến tính „Linear‟ đƣợc đề nghị cho hầu hết các trƣờng hợp. Giá trị trung bình số mũ „exponential‟ thƣờng đƣợc Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 33 sử dụng chỉ khi cách thức rung động thay đổi đáng kể theo thời gian. Thông số „Number of average‟ xác định số các spectrum liền nhau sử dụng để tính trung bình, các spectrum sử dụng càng lớn, các xung nhiễu sẽ giảm và các spectrum sẽ biểu diễn chính xác hơn. Tuy nhiên, nếu „Number of average‟ càng lớn thì dữ liệu cần thu thập càng nhiều, và vì thế sẽ mất thời gian để có đƣợc biểu đồ spectrum trung bình. Number of average bằng 4 là đủ cho hầu hết các trƣờng hợp. Dữ liệu đƣợc thu thập không đƣợc sử dụng trực tiếp để tạo ra một spectrum mà thƣờng đƣa sửa chữa trƣớc để phục vụ cho yêu cầu nào đó của quá trình xử lý FFT (Fast Fourier Transform là quá trình chuyển đổi dữ liệu thành một biểu đồ spectrum). Dữ liệu thƣờng đƣợc sửa chữa bởi phép tính nhân của một cửa sổ hiệu chỉnh. Điều này ngăn ngừa các đƣờng phổ không bị nhòe hay rò sang cái khác. „Window type‟ là thông số mà xác định loại cửa sổ nào đƣợc sử dụng. „Hanning window thƣờng đƣợc sử dụng. Nếu cửa sổ chữ nhật đƣợc sử dụng, dữ liệu sẽ không đƣợc sửa chữa một cách hiệu quả. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 34 Thông số mà xác định cách thức mà spectrum đƣợc hiển thị đƣợc kê ra với „Display unit‟. Để xác định đƣợc cách spectrum biểu diễn, tỉ lệ chia của spectrum cần đƣợc xác định. Tỉ lệ chia của spectrum xác định cách chi tiết của các spectrum có thể đƣợc thấy dễ dàng và đƣợc xác định bằng thông số „Amplitude scale‟ tỉ lệ biên độ, „vdB reference‟, „log range‟ và Velocity max‟. Trong hầu hết trƣờng hợp, „Amplitude scale‟ có thể là tuyến tính „Linear‟. Nếu sử dụng một tỉ lệ biên độ tuyến tính thì các thông số „vdB reference‟, „log range‟ là không quan trọng (và vì thế không cần cài đặt). Nói chung, chúng ta nên cài đặt thông số „Velocity max‟ thành „automatic‟ để cho phép thiết bị tự động lựa chọn một thông số tỉ lệ biên độ lý tƣởng mà cho phép các peak của các spectrum rõ ràng hơn. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 35 Để xác định cách mà spectrum hiển thị, cần xác định loại biên độ đƣợc sử dụng. Ở phần trƣớc chúng ta đã xác định có 2 loại biên độ là biên độ đỉnh „peak‟và biên độ hiệu dụng rms. Nếu sử dụng biên độ đỉnh hay biên độ „0-peak‟, thì spectrum sẽ biểu diễn tốc độ tối đa đạt đƣợc bởi thành phần rung động ở các tần số rung động khác nhau. Mặt khác, nếu sử dụng biên độ hiệu dụng „rms‟, thay vào đó sẽ biểu diễn một lƣợng năng lƣợng rung động ở các tần số khác nhau. Đối với các spectrum rung động, biên độ đỉnh ở một tần số riêng chính xác là căn bậc hai của 2 lần (1,4 lần) biên độ hiệu dụng rms ở tần số đó. Vì vậy loại biên độ nào đƣợc sử dụng là không thật sự quan trọng khi mà có thể thực hiện chuyển đổi đơn vị nhanh chóng. (Đối với spectrum, biên độ đỉnh bằng căn bậc hai của 2 biên độ hiệu dụng rms. Mối quan hệ này không có giá trị đối với biểu đồ dạng sóng waveform). Chúng ta nên sử dụng cùng loại biên độ cho các điểm đo để tránh sự hiểu sai. Một sự chuyển đổi từ biên độ rms sang biên độ đỉnh gây ra sự gia tăng của biên độ rung động mà có thể đƣợc lý giải sai nhƣ là sự hƣ hỏng của máy. Mặt khác, một sự chuyển đổi từ biên độ đỉnh sang biên độ hiệu dụng rms có thể che dấu đi một sự gia tăng thực của biên độ Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 36 rung động. Tóm lại, đơn vị của biên độ và tần số sử dụng trong spectrum cũng cần phải xác định. Đơn vị nào đƣợc sử dụng, đó thật sự là vấn đề lựa chọn của cá nhân, hoặc thông thƣờng hơn là theo vùng địa lý.Ở Nam Mỹ, đơn vị vận tốc thƣờng sử dụng (cho tỉ lệ vận tốc tuyến tính) là in/s, và đơn vị tần số sử dụng phổ biến là kcpm (kilocycles per minute). Các vùng khác của thế giới dùng đơn vị vận tốc và tần số lần lƣợt là mm/s và Hz. Xem mối quan hệ giữa các đơn vị dƣới đây: Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 37 Nhiều máy phân tích rung động thích đơn vị vận tốc logarit là vdB (volt dexiben). Ở hình trên chúng ta làm tròn chuyển đổi in/s 0-peak, mm/s rms thành 18 (tỉ số đúng là 17,96). Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 38 PHẦN III - SƠ ĐỒ KHỐI CỦA THIẾT BỊ ĐO RUNG ĐỘNG 3.1 Sơ đồ khối Nguồn vòng Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 39 Dòng ra kép Sơ đồ khối hệ thống đo rung động KHỐI CẢM BIẾN KHỐI KHUẾCH ĐẠI KHỐI CHUYỂN ĐỔI TƢƠNG TỰ - SỐ KHỐI XỬ LÝ DỮ LIỆU(scada) KHỐI HIỂN THỊ NGUỒN CẤP Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 40 3.1 Chức năng của từng khối 3.1.1 Khối Cảm biến Đây là bộ phận cảm biến gia tốc kế (biến tín hiệu không điện thành tín hiệu điện). 3.1.2 Khối khuyếch đại trung gian Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu từ Sensor. 3.1.3 Khối chuyển đổi tƣơng tự số Khối Analog(tín hiệu liên tục) sang Digital (tín hiệu số) có nhiệm vụ là phân tín hiệu tƣơng tự cần đo mã hoá tín hiệu này và đƣa sang chỉ thị số. 3.1.4 Khối xử lý dữ liệu Khối này có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu đầu vào và đƣa ra hiển thị. 3.1.5 Khối hiển thị Khối này có nhiệm vụ đọc tín hiệu và hiển thị số liệu đo, khối kênh nào đo. 3.1.6 Khối nguồn Khối này có nhiệm vụ cung cấp điện áp (nguồn nuôi) cho tất cả các khối trên và tạo ra nguồn luôn ổn định. 3.2 Các phần tử trong sơ đồ khối 3.2.1 Khối nguồn: - Một máy biến áp: với sơ cấp lấy điện 220V, f = 50Hz. Thứ cấp chia làm hai cuộn có một điểm chung. Đây là biến áp trung tính. - 4 diod tạo thành chỉnh lƣu - Dùng IC ổn áp 7812, 7912 tạo ra nguồn E1 = ± 12Vvà dùng IC ổn áp 7805, 7905 tạo ra nguồn E2 = ± 5V. - Dùng 4 tụ hoá để lọc Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 41 3.2.2 Khối cảm biến Cảm biến rung có thể là cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến gia tốc nhƣng để đảm bảo độ chính xác chúng ta chọn cảm biến gia tốc kế vì khi chuyển đổi sang vận tốc và tần số qua phép lấy tích phân cho ta độ chính xác hơn khi lấy vi phân để chuyển về gia tốc,ta có thể mô tả nguyên lý hoạt động của chúng bằng mô hình hệ cơ học có một bậc tự do. Cảm biến gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tinh thể áp điện…)nối với một khối lƣợng rung và đƣợc đặt chung trong một vỏ hộp. chuyển động rung của khối lƣợng M tác động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến và đƣợc chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 42 Gọi h0 là tung độ của điểm a của vỏ hộp, h là tung độ điểm b của khối lƣợng rung. Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp tung độ của a và b bằng nhau. Dịch chuyển tƣơng đối của khối lƣợng M so với vỏ hộp xác định bởi biểu thức : z = h – h0 khi đó phƣơng trình cân bằng lực có dạng : M Cz dt dz F dt hd 2 2 Cz – là phản lực lò xo. F – là lực ma sát nhớt. M 2 2 dt hd - là lực do gia tốc của khối M gây nên. Hay : - M 2 2 dt hd = M Cz dt dz F dt zd 2 2 Từ công thức trên ta nhận thấy cấu tạo của cảm biến để đo đại lƣợng sơ cấp m1 (độ dịch chuyển h0, vận tốc dh0/dt hoặc gia tốc d 2 h0/dt 2 ) phụ thuộc vào đại lƣợng đƣợc Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 43 chọn để làm đại lƣợng đo thứ cấp m2 (z, dz/dt hoặc d 2 z/dt 2 ) và dải tần số làm việc. dải tần số làm việc quyết định số hạng nào trong vế phải phƣơng trình chiếm ƣu thế (Cz, Fdz/dt hoặc Md2z/dt2). Trên thực tế cảm biến thứ cấp thƣờng sử dụng là : - Cảm biến đo vị trí tƣơng đối của khối lƣợng rung M so với vỏ hộp. - Cảm biến đo lực hoặc cảm biến đo biến dạng. - Cảm biến đo tốc độ tƣơng đối. Dùng toán tử laplace (p) có thể mô tả hoạt động của cảm biến rung động bằng biểu thức sau : -Mp 2 h0 = Mp 2 z + Fpz + Cz Hoặc : 12 0 2 0 2 2 02 0 pp p h z Với 0 = 02 f M C là tần số riêng của M trên lò xo có độ cứng C. CM F 2 là hệ số tắt dần. Độ nhạy của cảm biến có thể tính bằng tỉ số giữa đại lƣợng điện đầu ra s và đại lƣợng đo sơ cấp m1. S = 21 21 2 1 . SS m s m m m s Trong đó : - S1= 1 2 m m là độ nhạy cơ của đại lƣợng đo sơ cấp. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 44 -S2= 2m s là độ nhạy của cảm biến thứ cấp. Cảm biến đo tốc độ rung Sơ đồ cảm biến đo tốc độ rung đƣợc trình bày trên hình vẽ : Trong cảm biến loại này, đại lƣợng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt, đại lƣợng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tƣơng đối z. Độ nhạy sơ cấp S1 xác định bởi biểu thức : S1= 12 0 2 0 2 2 0 01 2 pp p ph z m m Để tiện lợi trong sử dụng, ngƣời ta cũng sử dụng đại lƣợng đo thứ cấp m2 là tốc độ dịch chuyển tƣơng đối dz/dt. Việc chuyển đổi tốc độ tƣơng đối của khối lƣợng rung so với vỏ hộp thành tín hiệu thực hiện bởi một cảm biến vị trí tƣơng đối kiểu điện từ gồm một cuộn dây và một lõi nam châm. Cuộn dây gắn với khối lƣợng rung, lõi nam châm đặt bên trong cuộn dây và gắn với vỏ cảm biến. Bằng cách đo suất điện động của cuộn dây có thể đánh giá đƣợc tốc độ rung cần đo. Một điều cần quan tâm khi sử dụng cảm biến loại này đó là phản ứng của cảm biến thứ cấp đối với chuyển động của khối lƣợng rung thể hiện thông qua phản lực f = B.l.i tác Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 45 động lên cuộn dây khi cuộn dây chuyển động trong từ trƣờng cảm ứng B. Giả thiết bỏ qua trở kháng của cuộn dây L , khi đó phản lực f tỉ lệ với tốc độ tƣơng đối : f = (BI) 2 lực này chống lại chuyển động của khối lƣợng rung, làm thay đổi hệ số tắt dần của chuyển động. 3.2.3 Khối khuyếch đại trung gian Khối khuyếch đại trung gian gồm năm bộ khuyếch đại thuật toán đo lƣờng tuyến tính. ở đây ta sử dụng IC tuyến tính TL084 là loại IC dùng trong công nghiệp, có nguồn nuôi là (+12V) và (−12V). IC này có khả năng chống nhiễm cao, có mạch chống trôi điểm 0 do nhiệt độ công suất tiêu tán định mức 680mV, tốc độ tăng áp 13C/1μ, nhiệt độ làm việc -2500C – 850C. Nhƣ vậy dùng 5 IC TL084. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 46 ở sơ đồ này chống nhiễm đồng pha: Ur = k.Ucầu (5) với k = k1.k2 k1 = 1 + ; k2 = công thức (5) ta muốn thay đổi hệ số khuyếch đại phù hợp thì ta điều chỉnh điện trở R2 sao cho phù hợp. 3.2.4 Khối tƣơng tự – số (A/D ) Để hiển thị rung động làm việc ta đƣa điện áp đến một khâu hiển thị số và chuyển Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 47 đổi tƣơng tự sang số, kết hợp với bộ giải mã để cho ra ở đầu ra là mã 7 thanh 3 2 1 digital tƣơng thích với hiển thị LED. Có thể sử dụng trực tiếp vi mạch 7107 nhƣ một milivonmet với giá trị tối đa đo đƣợc là ±199,9 (mv). Nguồn cấp cho vi mạch là ±5 (V) a. Cấu tạo của IC 7107 - Chân 2 đến 25 là các chân ra điều khiển bộ chỉ thị số 7 thanh - Trong đó chân 20 là chân Polarty (phân cực tính âm, dƣơng) của bộ chỉ thị, chân 21 là chân nối đất, chân số 1 nối với nguồn +5(V) - Chân 26: nối với nguồn - 5(V) - Chân 27: có tác dụng là mạch tích phân - Chân 28: có tác dụng nhƣ bộ đệm - Chân 29: tự động điều chỉnh về 0 - Chân 30, 31: điện áp so sánh (điện áp đo: chân 30 là cực (-), chân 31 là cực (+) - Chân 32: là chân chung (comon) của nguồn điện và xung. - Chân 33: bộ tích luỹ điện dung tụ điện - Chân 34: lấy lại chuẩn (Ref: Reference) - Chân 35: Ireflow: lấy lại chuẩn mức thấp - Chân 36: Refhigh: lấy lại chuẩn mức cao - Chân 37: Test : kiểm tra đèn tín hiệu hiển thị - Chân 38: OSC3 - Chân 39: OSC2 ( các chân của bộ dao động: Oscicator ) - Chân 40: OSC1 Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 48 3.2.5 Khối chỉ thị: Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 49 Khối chỉ thị gồm hai bộ phận: - bộ phận thứ nhất chỉ nhiệt độ - bộ phận thứ hai chỉ kênh đang đọc số liệu đo. Bộ phận thứ nhất dùng 4 LED 7 thanh HD113 để chỉ: phần thập phân, hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm. Bộ phận thứ hai : sử dụng 1 LED 7 thanh HD113 để cho biết kênh nào đang hoạt động(kênh phát tín hiệu). Hệ cơ số đếm thập phân của tín hiệu đo đã đƣợc số hoá qua khối biến đổi tƣơng tự số (ICL7107) Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 50 PHẦN IV – TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ 4.1.Chọn cảm biến cảm biến gia tốc biến dung a-Rung động Cảm biến áp điện là lựa chọn số một cho hầu hết các phép đo rung động vì chúng có dải đáp ứng tấn số rộng, độ phân giải và độ nhạy cao, và rất dễ cài đặt. Có hai loại cảm biến gia tốc áp điện cơ bản: cảm biến gia tốc kiểu - tĩnh - điện (charge - mode) cơ bản và cảm biến gia tốc Áp Điện Điện Tử Nội kiểu - điện - thế (voltage - mode Internal Electronic Piezoelectric - IEPE). Trong những năm gần đây, IEPE đã trở thành loại cảm biến thông dụng nhất vì sự tiện dụng của nó. Các cảm biến IEPE đƣợc bán rộng rãi dƣới nhiều thƣơng hiệu khác nhau, nhƣng hầu hết chúng đều có thể thay thế cho nhau do cùng tuân theo một tiêu chuẩn công nghiệp dù không chính thức. (Chú ý: phải đảm bảo rằng dòng và thế của nguồn cung cấp phải tƣơng thích với cảm biến bạn lựa chọn để có thể đạt đƣợc hiệu suất cao nhất và tránh những hƣ hại có thể xảy ra). Về cơ bản, một cảm biến gia tốc IEPE có một bộ khuyếch đại tĩnh điện gắn bên trong nên nó không cần một thiết bị khuyếch đại tĩnh điện ngoài, và cảm biến IEPE cũng chỉ cần sử dụng với loại cáp thông thƣờng. Cảm biến này yêu cầu một nguồn dòng ổn định và rất nhiều hệ thống số - tƣơng tự (DA system) có nguồn cung cấp đi kèm bên trong. Một thiết bị IEPE là một giải Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 51 pháp nên xem xét đối với một dải rung động biết trƣớc và nhiệt độ hoạt động yêu cầu nằm trong khoảng từ -550C đến 1250C. Chú ý rằng hiện nay cũng có cả những mẫu cảm biến có thể hoạt động ở nhiệt độ cao có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa là 1750C. Những ƣu điểm của cảm biến áp điện kiểu - tĩnh - điện đó là hoạt động ở nhiệt độ cao và có một dải biên độ rất rộng, điều này đƣợc quyết định chủ yếu do sự thiết lập khuyếch đại điện tĩnh. Một cảm biến IEPE có dải biên độ cố định. Một cảm biến kiểu - tĩnh - điện điển hình thƣờng có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ -550C đến 2890C. Những cảm biến thiết kế chuyên dụng thậm chí còn có thể làm việc trong môi trƣờng xuống đến -2690C hoặc lên đến 7600C. Ngoài ra, hiện nay còn có cả những cảm biến kiểu - tĩnh - điện chống bức xạ đặc biệt cho các ứng dụng trong môi trƣờng hạt nhân. Không giống cảm biến IEPE, cảm biến kiểu - tĩnh - điện phải sử dụng với một loại cáp tạp âm thấp đặc biệt, loại cáp này khá đắt so với loại cáp đồng trục thƣơng mại chuẩn hiện nay. Ngoài ra, để hoạt động tốt, loại cảm biến này còn yêu cầu một bộ khuyếch đại điện tĩnh hoặc một bộ chuyển đổi tĩnh điện in - line. Những cảm biến kiểu - tĩnh - điện thƣờng đƣợc ƣa chuộng đối với môi trƣờng hoạt động ở nhiệt độ cao (hơn 1750C) hay trong những trƣờng hợp mà gia tốc cực đại chƣa biết. Trong những trƣờng hợp yêu cầu đo rung động ở tần số thấp, cảm biến gia tốc biến dung là một lựa chọn thích hợp. Cảm biến gia tốc biến dung có đáp ứng tần số trong khoảng từ 0Hz đến 1KHz, tùy thuộc vào yêu cầu về độ nhạy. Khi thực hiện những phép đo ở tần số rất thấp, một cảm biến gia tốc biến dung với dải tần số từ 0Hz đến 15Hz cho độ nhạy đến 1V/g. Cảm biến biến dung rất đắc dụng trong các hệ thống rung lắc trong kỹ Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 52 thuật thủy điện (để thực hiện đo độ rung), và cho rất nhiều ứng dụng về giao thông, ví dụ nhƣ kiểm tra các hệ thống giảm sóc hay các hệ thống tự động hay đo sự dao động và dịch chuyển của các đƣờng ray. b-Chuyển động, gia tốc đều, và rung động tần số thấp Các cảm biến biến dung nên là lựa chọn cho những ứng dụng loại này. Công nghệ này có cho phép thực hiện đƣợc cả các phép đo đối với những rung động nhẹ tần số thấp và cho ra kết quả ở một mức độ cao. Chúng cũng đồng thời có độ ổn định cao trong một dải nhiệt độ rộng. Khi một cảm biến gia tốc biến dung đƣợc đặt ở một vị trí mà trục đo song song với trọng lực của trái đất sẽ cho ra một kết quả đầu ra bằng 1g. Hiện tƣợng này chính là sự “đáp ứng một chiều”. Vì có đặc trƣng này nên các cảm biến biến dung rất hữu dụng trong việc đo lực ly tâm hay đo sự tăng tốc hay giảm tốc của các thiết bị nhƣ thang máy. Đối với các thể loại thử nghiệm/kiểm tra về rung động, cảm biến gia tốc biến dung đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu về các hoạt động có tần số thấp hoặc các ứng dụng đề cao vấn đề bảo toàn các thông số về pha. Cảm biến biến dung thực sự hữu ích trong các ứng dụng kiểm tra sự rung lắc của máy bay. Những đặc tính tần số thấp của nó khiến nó là một công cụ lý tƣởng trong việc thẩm định chất lƣợng các thiết bị ô tô, xe chở hàng hay xe lửa. Đáp ứng tần số băng rộng không phải là đặc trƣng của các thiết bị biến dung. c-Môi trƣờng Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 53 Khi lựa chọn đƣợc loại công nghệ cũng nhƣ xác định đƣợc loại phép đo, vẫn còn một số nhân tố khác cần đƣợc quan tâm. Trong đó quan trọng nhất là môi trƣờng hoạt động của cảm biến. Những đặc trƣng về môi trƣờng cần đƣợc quan tâm bao gồm nhiệt độ, mức gia tốc cực đại, và độ ẩm. Những công nghệ cảm biến gia tốc phân loại theo dải nhiệt độ hoạt động Bảng trên cho biết những thông số quan trọng giúp cho việc lựa chọn trong vấn đề nhiệt độ: Dải gia tốc khả dụng của một cảm biến thƣờng gây mơ hồ cho những ngƣời mới sử dụng cảm biến gia tốc. Dải khả dụng thực sự của một cảm biến gia tốc có thể tìm thấy ở phần các thông số động. Lấy ví dụ một cảm biến gia tốc IEPE có thể có dải khả dụng là 500g và trong những điều kiện đặc trƣng của môi trƣờng, nó có một giới hạn chấn động là 1.000g và một giới hạn chấn động khác là 2.000g. Con số 500g là dải tối đa mà cảm biến có đặc trƣng hoạt động tuyến tính. Những thông số kỹ thuật liên quan đến môi trƣờng chỉ ra giới hạn chấn động cực đại của cảm biến và/hoặc mức gia tốc 0. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 54 Đối với các cảm biến áp điện kiểu - tĩnh - điện, dải khả dụng lại không nằm trong số các đặc trƣng động vì nó đƣợc xác định chủ yếu bởi bộ khuyếch đại tĩnh điện. Ngƣời sử dụng nên quan tâm đến những thông số tuyến tính về biên độ trong phần các thông số động của bản thông số kỹ thuật. Và cũng giống nhƣ ở trên, giới hạn chấn động cực đại loại cảm biến này chịu đƣợc cũng có thể tìm thấy trong phần các thông số đặc trƣng liên quan đến môi trƣờng. Các thông số liên quan đến độ ẩm ghi trong bản thông số kỹ thuật thƣờng là thông số về mối hàn kín (Hermetic), mối nối epoxy (epoxy seal) hoặc mối nối tƣơng thích với môi trƣờng (environmental seal). Hầu hết các loại mối nối này đều có thể chịu đƣợc nồng độ hơi nƣớc cao. Nếu cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng trong môi trƣờng không trung, dƣới nƣớc, hoặc tiếp xúc với một độ ẩm quá cao trong một thời gian dài thì ngƣời sử dụng nên dùng cảm biến có mối hàn kín. Một điều khác cần chú ý là nhiệt độ thay đổi liên tục có thể làm cho mối nối epoxy bị bong. Trong trƣờng hợp các cảm biến gia tốc đƣợc thiết kế để hoạt động trong môi trƣờng hạt nhân thì những chú ý liên quan cũng sẽ đƣợc trình bày trong bản thông số kỹ thuật của cảm biến. Tính nhạy từ nói chung rất ít khi đƣợc đề cập đến trong bản thông số kỹ thuật vì nó không còn là vấn đề với những thế hệ cảm biến gia tốc mới. Các thế hệ cảm biến hiện đại đều sử dụng các vật liệu không nhạy từ trong việc chế tạo nên vấn đề này đƣợc hạn chế. Nếu cảm biến sẽ đƣợc gắn trên một bề mặt đàn hồi cao thì thông số về độ căng mặt đáy của cảm biến sẽ là rất quan trọng. Một bề mặt đàn hồi sẽ có xu hƣớng bị cong, do đó sẽ Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 55 gây ra sự căng trên mặt đáy của cảm biến. Sự căng này có thể trở thành một rung động ảnh hƣởng đến tín hiệu đầu vào của cảm biến dẫn đến làm thay đổi tín hiệu đầu ra. Chỉ dẫn chung trong trƣờng hợp này là không nên sử dụng cảm biến loại đế cứng trên những bề mặt đàn hồi. d-Trọng lƣợng của cảm biến Khi một cảm biến đƣợc gắn trực tiếp vào vật cần kiểm tra, gia tốc đo đƣợc có thể không thực sự chính xác. Sai số này có thể bỏ qua nếu trong quá trình kiểm tra ta lƣu tâm đến trọng lƣợng của cảm biến (Hình 6). Theo những chuyên gia cảm biến có kinh nghiệm thì trọng lƣợng của cảm biến phải nhỏ hơn 10% trọng lƣợng của vật cần kiểm tra. e-Gắn cảm biến Có rất nhiều cách để gắn một cảm biến gia tốc lên đơn vị cần kiểm tra (unit under test - UUT) bao gồm từ các phƣơng pháp gắn vĩnh viễn đến các phƣơng pháp gắn tạm thời. Dƣới đây là một số phƣơng pháp gắn cảm biến thông dụng. Phƣơng pháp gắn tốt nhất là sử dụng một đinh ốc hoặc đinh tán nhọn. Gắn bằng đinh ốc/đinh tán có thể cho khả năng truyền dẫn tốt nhất ở tần số cao vì cảm biến gần nhƣ trở thành một bộ phận của bề mặt gắn. Đáp ứng ở tần số cao có thể đƣợc cải thiện bằng cách bôi một chút dầu nhẹ giữa cảm biến và đơn vị cần kiểm tra UUT. Nếu ngƣời sử dụng muốn dùng phƣơng pháp gắn này thì cảm biến đƣợc lựa chọn cần phải đƣợc thiết kế sao cho phù hợp với việc gắn bằng đinh tán hay đinh ốc. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 56 Phƣơng pháp dán cũng là một phƣơng pháp thƣờng xuyên phải sử dụng, đặc biệt trong trƣờng hợp bề mặt tiếp xúc nhỏ hoặc trên bản mạch của máy tính. Loại chất keo hay đƣợc sử dụng là keo cyanoacrylate vì chúng có thể đƣợc tách bỏ rất dễ dàng (với những phƣơng pháp tách bỏ thích hợp). Rất nhiều cảm biến đƣợc thiết kế đặc biệt cho phƣơng pháp dán và điều này sẽ đƣợc ghi chú trong bản thông số kỹ thuật. Một cảm biến có đầu đinh gắn cũng có thể đƣợc gắn bằng keo, nhƣng trong trƣờng hợp này cần có một chiếc đinh tán chắc chắn khác để bảo vệ chất keo tránh khỏi những lằn ren của cảm biến. f-Cách đất Việc cách đất cũng là một vấn đề đáng lƣu tâm khi bề mặt của vật thể cần kiểm tra có tính dẫn điện và đang ở mức điện thế của đất. Sự khác biệt giữa mức thế đất của thiết bị điện tử và của cảm biến có thể tạo ra một dòng không mong muốn dẫn tới đo sai. Các cảm biến hiện nay có cả loại đƣợc cách đất hoặc loại có vỏ đƣợc nối đất. Những cảm biến cách đất thƣờng có một đế gắn cách điện và một đinh gắn cũng cách điện (trong trƣờng hợp cảm biến loại này có đinh gắn). Trong một số trƣờng hợp, toàn bộ vỏ của cảm biến đều đƣợc cách đất. g-Độ nhạy và độ phân giải Thông số về độ nhạy và độ phân giải của cảm biến là các thông số quan trọng trong trƣờng hợp tín hiệu có cƣờng độ thấp hoặc trƣờng hợp thí nghiệm yêu cầu một dải động lớn. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 57 Một cảm biến gia tốc sẽ biến đổi năng lƣợng cơ học thành một tín hiệu điện (đầu ra). Tín hiệu đầu ra đƣợc biểu diễn theo đơn vị mili Vôn/g (mV/g), hoặc trong trƣờng hợp cảm biến kiểu - tĩnh - điện, tín hiệu đầu ra sẽ có đơn vị là pico Culông/g (pC/g). Dải độ nhạy của các cảm biến trên thị trƣờng hiện nay khá rộng và giá trị độ nhạy tối ƣu cho từng trƣờng hợp sẽ tùy thuộc vào mức độ tín hiệu đƣợc đo, lấy ví dụ trong trƣờng hợp một thí nghiệm chấn động gia tốc cao thì ta chỉ cần một cảm biến có độ nhạy thấp. Trong trƣờng hợp tín hiệu có cƣờng độ thấp, lựa chọn tối ƣu nhất là sử dụng một cảm biến độ nhạy cao để có đƣợc một tín hiệu đầu ra lớn hơn độ ồn của bộ khuyếch đại. Ví dụ : nếu giá trị rung động mong muốn là 0.1g và cảm biến gia tốc có độ nhạy là 10mV/g, thì tín hiệu đầu ra sẽ có điện thế là 1mV, và nhƣ vậy có thể ta sẽ cần một cảm biến có độ nhạy cao hơn. Độ phân giản là giá trị tín hiệu nhỏ nhất mà cảm biến nhận diện đƣợc. Thông số này phụ thuộc vào nền nhiễu của cảm biến (sẽ là của các thiết bị điện tử nội trong trƣờng hợp cảm biến IEPE) và đƣợc biểu diễn theo đơn vị g rms. 4.2 Khối chỉ thị ( đèn LED, tính chọn R,PLED ) Ta có Ung = UR + ΔUcm7107 + ΔULED Trong đó: Ung là nguồn nối vào anod của LED 7 thanh = 5 (V) Δ Ucm7107 : là điện áp sụt áp ở đầu ra của IC7107 = 1 (V) ΔULED : là điện áp sụt trên LED = 1,6 (V) • Tính chọn R: Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 58 UR = Ung − ΔUcm7107 − ΔULED = 5 -1 -1,6 = 2,4 (V) Với ILED là dòng qua LED (10mA ÷ 20mA) Chọn ILED = 15mA = 15.10-3A RLED = 160 10.15 4,2 3 LED R I U •Tính chọn PLED = UR.ILED = 2,4.15.10-3 = 0,036 (W) 4.3 Tính chọn vi mạch ổn áp cho nguồn E2: Sử dụng cặp IC 7805 và 7905 có trị số dòng điện đi qua định mức là 1A và Tcp= 750C - Dòng qua 7805 và 7905 là I7805 = I7905 = Id − Ikd − Iss = 0,4 − 0,141 − 0,141 = 0,11 (A) - Điện áp sụt trên 7805 hoặc 7905 là : ΔU = 12 − 5 = 7(V) - Công suất tiêu tán trên 7805 hoặc 7905 là: P7805 = P7905 = ΔU.I7805 = 7.0,11 = 0,77 (W) - Diện tích tản nhiệt cho 7805 hoặc 7905 là : S = )(6,33 2575 77,0.1200.1200 27805 cm tT P cp lấy tròn S = 35(cm2) Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 59 3.2.3.3 Tính toán chỉnh lƣu Diod: Điện áp của chỉnh lƣu cầu : Ud = Ud1+ 2ΔUD Ud1= 2,1 )15(15 = 25(V) (Điện áp Ud1 thông thƣờng tăng lên 1,1 ÷ 1,3 lần) ΔUD là điện áp sụt trên diod silic = 0,6(V) vậy Ud = 25 + 2.0,6 = 26,2(V) U2= 9,0 2,26 u d K U =29(V) Ulv = knv.U2 = 2 .29 = 41(V) Unv = kdu.Ulv (với kdu > 1,6) ⇒ Ulv = 1,8.41 = 74(V) (Đây là điện áp ngắn mạch của Diod) Dòng Ihd = khd.Id = 0,71.0,4 = 0,284(A) = Ilv Idmv : dòng định mức Diod khi có đủ cánh tản nhiệt và diện tích tản nhiệt (Idm > 2,5Ilv). Ta chọn Idmv = 3.0,284 = 0,852(A) Chọn Diod silic loại BYP 401 – 100 Idmv = 1(A) Iipk = 30(A) PD = ΔUD.Ilv.2 = 0,6.0,284.2 = 0,3408(W) Unv = 100(V) Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 60 - Chọn tụ lọc của nguồn tạo ra ±E1 là tụ hoá 470μF, 25(V). - Chọn tụ lọc của nguồn tạo ra ±E2 là tụ hoá 1000μ, 25(V). Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 61 sPHẦN V – MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO RUNG ĐỘNG MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO RUNG ĐỘNG THÔNG DỤNG 5.1 Một số thiết bị đo rung động Thiết bị này cho độ chính xác cao hơn bút đo rung động. Dữ liệu vào của bộ chuyển đổi là gia tốc của rung động. Dữ liệu ra của thiết bị đƣợc dùng để cung cấp cho máy phân tích rung động hoặc phần mềm phân tích của máy tính. Sau đây là một số loại gia tốc kế: Máy đo rung động Showasokki - 2200 Máy đo rung động Showasokki - 2200 thích hợp với việc đo rung động có tần số thấp. Các đặc tính kỹ thuật Giới hạn đo ± 50 m/s2 Độ phân giải 2.10- 5 m/s2 Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 62 Giới hạn tần số DC-100Hz Công suất ± 15V Nhiệt độ cho phép -25 o C ÷ 60 o C Môi trƣờng có thể làm việc: môi trƣờng ẩm và bẩn Rung động lớn nhất 200 m/s 2 Va đập lớn nhất cho phép 1.000 m/s 2 Khối lƣợng khoảng 300g Máy đo rung động Showasokki -1332A Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 63 Máy đo đƣợc cả ba thông số: chuyển vị, vận tốc, gia tốc của rung động. Máy không cung cấp khoảng đo cho gia tốc có độ lớn trên 200m/s2, cho vận tốc có giá trị lớn hơn 200mm/s (RMS) và cho chuyển vị có giá trị lớn hơn 2mm (p-p). Các đặc tính kỹ thuật Gia tốc 0÷99,9 m/s2 Vận tốc 0÷199,9 mm/s (RMS) Chuyển vị 0÷1,999 mm (p-p) Tần số 10÷5.000 Hz ± 5% Pin 7V Kích thƣớc 75x130x24 mm Trọng lƣợng khoảng 250g Máy đo rung động Ono Sokki - VR - 6100 Thiết bị này có thể đo đƣợc rung động của nền, bệ máy... theo cả ba phƣơng trong cùng một thời điểm, đo giá trị rung động trong khoảng thời gian dài nhờ bộ nhớ có dung lƣợng lớn. Ngoài ra, trong thiết bị này còn có bộ phân tích rung động theo thời gian. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 64 Các đặc tính kỹ thuật Sản xuất theo tiêu chuẩn JIS c 1510-1955 Khoảng tần số: 1,80 Hz 0,7÷355 Hz (LvF) Các mức rung động: 25÷120 dB (Lv, Lva) 30÷120 dB (Lva) 35÷120 dB (Lvf) Các khoảng thời gian đo:1s, 3s, 5s, 10s, 30s, 1ph, 3ph, 4ph 10s, 5ph, 8ph 20s, 10ph, 15ph, 20ph, 30ph, 1h, 4h, 8h, 16h, 24h, 48h, 120h, Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 65 168h Màn hình thể hiện:4 số; độ phân giải 0,1 dB; thể hiện theo ba phƣơng hoặc một phƣơng phóng to Khoảng cách giữa các đƣờng kẻ ngang trên màn hình có độ lớn 75dB Nguồn: 4 viên pin ANSI loại D; adaptor Thiết bị này dùng để nghiên cứu, chẩn đoán các loại rung động trên máy và phân tích rung động bằng phƣơng pháp FFT. Thiết bị thể hiện các giá trị đo của rung động nhƣ: vận tốc, chuyển vị, gia tốc. - Khoảng tần số thay đổi: 80dB, bộ chuyển đổi A/D chứa 16 bit. - Có thể hoạt động liên tục trong 22 giờ với một bộ pin IEC R14. Các đặc tính kỹ thuật Đầu vào thiết bị đƣợc kết nối với gia tốc kế Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 66 Khoảng giá trị đo: Gia tốc 0,02¸316m/s2 RMS Vận tốc 0,1¸1000mm/s RMS 0,003¸28,3mm (p-t-p) Cách thể hiện rung động trên màn hình: dạng sóng hoặc dạng quang phổ Bộ lọc: Nhanh có tần số 3Hz,10Hz, 1kHz Chậm ở tần số 1kHz, 5kHz, 20kHz Khoảng thể hiện trên màn hình 80dB Thể hiện quang phổ rung động bằng biểu đồ bao gồm 102 đƣờng thẳng Nguồn cung cấp 4 pin IEC (loại C) Kích thƣớc 188×156×46mm Khối lƣợng 770g Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 67 Máy phân tích rung động thu thập dữ liệu Model 90 của hãng Sendig Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 68 Các đặc tính kỹ thuật - Màn hình phân tích phổ FFT và thể hiện sóng. - Có đầy đủ các đặc tính dùng để thu thập dữ liệu và phân tích rung động phục vụ công tác bảo trì. - Có môđun dùng để phân tích cân bằng vật quay. Kết nối trực tiếp với máy vi tính để phân tích rung động bằng phần mềm. - Đo đƣợc cả ba thông số của rung động: chuyển vị, vận tốc và gia tốc với một đầu dò. - Bộ nhớ có dung lƣợng lớn. - Bộ so sánh phổ rung động. - Tín hiệu vào: gia tốc và điện áp. - Chuyển vị và tần số đo đƣợc: Chuyển 1¸5mm P-P ứng với tần số 10¸1000Hz Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 69 vị Vận tốc 0,1¸200mm/s RMS 10¸1000 Hz Gia tốc 0,1¸250m/s 2 P-P 10¸1000 Hz Áp vào 0,1¸20V P-P 10¸1000 Hz - Thể hiện cƣờng độ của sóng phân tích phổ bằng đồ thị 100/400 đƣờng. Với các khoảng tần số 100, 200, 500Hz, 1K, 2K, 5K, 10kHz. - Cổng ra RS232C đƣợc kết nối với máy vi tính. - Nhiệt độ hoạt động: 0¸50°C với độ ẩm thích hợp: < 90%. - Đo vận tốc quay bằng tế bào quang học. - Kích thƣớc: 21×13×4cm, khối lƣợng: 1,3kg. Trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yên Khoa cơ khí động lực – Bộ môn cơ điện Đồ án công nghệ GVHD : Nguyễn Hải Hà SVTH : Vũ Đình Công Page 70