SE538461C2 - Vibrationssensor i en portabel vibrationsmätare - Google Patents

Abstract

12 SAM MANDRAG En vibrationsdetektor lämplig för fältanvändning och tillhörande system ochförfaranden beskrivs. En representativ apparat innefattar en vibrationssensorsom är i kontakt med en vibrerande struktur. Vibrationssensorn kan vara ikontakt med vibrationsisolatorer för eliminering av frekvenser hos operatörenshand. I nägra utföringsformer kan en kontaktkraft mellan vibrationssensornoch den vibrerande strukturen mätas, till exempel med användning avkontaktmotständ. Eftersom känsligheten hos vibrationssensorn kan vara enfunktion av kontaktkraften, kan vibrationsamplitudmätningarna justeras för enkänd kontaktkraft för förbättring av vibrationsamplitudmätningensnoggrannhet. Publikationsfigur: Fig. 2

Description

VIBRATIONSSENSOR I EN PORTABEL VIBRATIONSMÄTARE Tekniskt områdeFöreliggande teknologi hänför sig generellt till vibrationsmätare ochtillhörande system och förfaranden.

Bakgrund Vibration kan vara ett viktigt övervägande när maskineri konstrueras, testasoch underhålls. Till exempel kan betydande vibrationsnivåer indikera enbristfällig konstruktion eller ett hindrande maskinfel. Förekomsten avoväntade frekvenstoppar i en vibrerande struktur kan indikera ickelinjäraväxelverkningar bland de naturliga frekvenserna hos delsammansättningarna,vilka kan orsaka förtida maskinfel. I några tillämpningar är detektering av enökning av vibrationsamplitud en utlösande faktor för påbörjande av underhålloch/eller service av utrustning.

Vibrationsdetektering utförs ofta i fält genom att man fäster en eller fleraaccelerometrar, eller andra vibrationssensorer, till det roterande maskineriet,eller någon annan vibrerande struktur. Vibrationssensorer åstadkommerutmatningssignaler som kan användas för bestämning av vibrationsamplitudoch vibrationsfrekvens. Det är känt att kontakten mellan vibrationssensornoch den vibrerande strukturen kan förbättras genom att man sätter fastvibrationssensorerna (dvs. accelerometrarna) stadigt på det roterandemaskineriet. Genom att man fäster vibrationssensorn stadigt förbättras iallmänhet överföringen av vibrationer från den vibrerande strukturen tillsensorn. Eventuellt kan dock ett sådant stadigt fästande inte vara möjligt,eller åtminstone inte vara praktiskt, med handhållna vibrationsmätare som ärföredragna för fältanvändning. I fält hålls typiskt en handhållenvibrationsdetektor istället för hand i kontakt med roterande maskineri för mätning av vibrationerna.

Figur 1 är en planvy över en konventionell vibrationsmätare 100. I drift är enläspenna 3 hos vibrationsmätaren 100 i kontakt med en vibrerande struktur 5. vibrationerna överförs genom Iäspennan 3 till en accelerometer 2 inuti ett hus4. När den utsätts för vibrationer, åstadkommer accelerometern 2 enutmatningssignal som ska sändas till elektronik inne i enheten 100 vialedningar 6. Enheten 100 bestämmer sedan vibrationsamplitud/frekvensbaserat på signalen som kommer från accelerometern. Utmatningen (dvs.amplituden och frekvensen hos vibrationen) kan visas med användning av enbildskärm 7. En sådan konventionell anordning är dock känslig förkontaktkvaliteten mellan anordningen och den vibrerande strukturen.Noggrannheten hos avläsningen av vibrationssensorn i en handhållen anordning kvarstår därför som ett problem.

Kort beskrivning av figurernaMånga aspekter hos föreliggande beskrivning kan förstås bättre medhänvisning till följande figurer. Komponenterna i figurerna är intenödvändigtvis skalenliga. Tonvikten är istället lagd på att tydligt illustreraprinciperna hos föreliggande beskrivning. I figurerna betecknas vidare sammareferenssiffror motsvarande delar genomgående i de olika vyerna.

Figur 1 är en planvy över en handhållen vibrationsmätare i enlighetmed känd teknik.

Figur 2 är en planvy över en handhållen vibrationsmätare i enlighetmed en utföringsform hos den häri beskrivna teknologin.

Figur 3A är en sprängvy över en handhållen vibrationsmätare i enlighetmed en utföringsform hos den häri beskrivna teknologin.

Figur 3B är en isometrisk vy över ett kraftsensoraggregat i enlighetmed en utföringsform hos den häri beskrivna teknologin.

Figur 4 är en graf över en känslighet hos vibrationssensorn somfunktion av frekvens.

Figur 5 är ett schematiskt diagram över utmatningslinjäriseringen förvibrationssensorn i enlighet med en utföringsform hos den häri beskrivnateknologin.

Detaljerad beskrivning Specifika detaljer hos flera utföringsformer hos representativavibrationsmätare och tillhörande förfarande för vibrationsmätningar beskrivsnedan. I några utföringsformer hos föreliggande teknologi ärvibrationsmätaren en handhållen anordning som är i kontakt med envibrerande struktur (till exempel ett roterande maskineri) och som mätervibrationer hos den vibrerande strukturen. Vibrationsmätaren kan äveninnefatta en kraftsensor för mätning av en kraft mellan vibrationssensorn ochden vibrerande utrustningen. Kraftmätningen kan användas för förbättring avnoggrannheten hos vibrationsavläsningen (till exempel amplitud ochfrekvens), eftersom utmatningen från vibrationssensorn generellt ändras medintensiteten hos kontaktkraften mellan vibrationsmätaren och den vibrerandestrukturen. I några utföringsformer kan därför utmatningen frånvibrationssensorn kombineras med kraftavläsningen för åstadkommande aven justerad utmatning som automatiskt tar hänsyn till kontaktkraften utanytterligare inmatning från användaren. En eller flera vibrationsisolatorer kanvidare vara i kontakt med vibrationssensorn för filtrering av bruset somskapas av ostadighet eller skakning hos operatörens hand, som skulleuppträda som lågfrekventa vibrationer vid vibrationssensorns utmatning omde inte hade filtrerats. En fackman inom det relevanta området förstår ocksåatt teknologin kan ha ytterligare utföringsformer och att teknologin kan utövasutan flera av de detaljer hos utföringsformerna som beskrivs nedan medhänvisning till Figurerna 2-5.

Figur 2 illustrerar en vibrationsmätare 200 i enlighet medutföringsformer hos den häri beskrivna teknologin. Vibrationsmätaren 200 harett hus 70 som kan vara gjort av pressmaterial (molded plastic) eller andralämpliga material. I drift kan vibrationsmätaren 200 vara handhållen mot envibrerande struktur 5 så att en vibrationssensor 10 är i kontakt med denvibrerande strukturen. I andra utföringsformer hos teknologin kanvibrationssensorn vara i kontakt med den vibrerande strukturen 5 genom ettmellanliggande element (ej visat) som överför vibrationer från den vibrerandestrukturen till vibrationssensorn. Den vibrationssensorn 10 kan skyddas frånmekanisk eller miljöbetingad skada genom en mantel 25 som kan vara gjord av gummerat pressmaterial, metall, textilmaterial, eller andra lämpligamaterial. I några utföringsformer kan vibrationssensorn 10 ha en spets 11som är hårdare än resten av vibrationssensorn 10 för förbättring av kontaktenmellan vibrationssensorn 10 och den vibrerande strukturen 5. En fackmanskulle känna till många exempel på vibrationssensorer, inkluderande tillexempel accelerometrar. Den vibrationssensorn 10 är ansluten tillsignalbehandlingselektronik (ej visad i Figur 2) inuti huset 70.Signalbehandlingselektroniken kan bestämma amplituderna och frekvensernahos vibrationen baserat på utmatningen från vibrationssensorn 10. Tillexempel kan amplituden hos vibrationen bestämmas genom att manintegrerar signalen från vibrationssensorn 10 (till exempel en accelerometer)två gånger. En fackman skulle känna till många förfaranden för att numeriskteller elektroniskt integrera en vibrationssensorsignal för bestämning av denmotsvarande förflyttningen hos den vibrerande strukturen under mätningen.Kommandoknappar 80 och en bildskärm 90 kan användas för att man skakunna välja och visa vibrationsfrekvenserna och vibrationsamplituderna sommotsvarar den vibrerande strukturen 5. Som diskuteras i detalj medhänvisning till Figurerna 3A-5 nedan, kan det lågfrekventa bruset filtreras frånvibrationssensorn 10. Signalen från det lågfrekventa bruset kan vidarebehandlas tillsammans med signalen från kraftsensorn för man ska ge en mernoggrann vibrationsavläsning.

Figur 3A visar en sprängvy över vibrationsmätaren 200 som äranordnad i enlighet med utföringsformer hos den häri beskrivna teknologin.Med start i det övre högra hörnet i figuren, kan vibrationssensormanteln 25åtminstone delvis rymma vibrationssensorn 10 för skydd mot miljöbetingadeller mekanisk skada. Vibrationssensorn 10 kan åtminstone i någrautföringsformer dessutom åtminstone delvis vara i kontakt medvibrationsisolatorer 16, 20. Med konventionella handhållna vibrationsmätarekan vibrationen hos operatörens hand överföras till vibrationssensorn 10 ochkan felaktigt tolkas som att vara genererad av den vibrerande strukturen själv.Vibrationen hos operatörens hand är typiskt i lågfrekvensområdet (t.ex.mindre än omkring 50 Hz). I åtminstone några utföringsformer hos denuppfinningsenliga teknologin kan vibrationsisolatorerna 16, 20 filtrera ut dessa låga frekvenser innan de når vibrationssensorn 10. Vibrationsisolatorerna 16,20 kan vara gjorda av ett gummiliknande material eller andra material somdämpar vibrationer hos vibrationssensorn 10 för de frekvenser som är avintresse. Det gummiliknande materialet kan exempelvis väljas baserat pä sinakända frekvensdämpande egenskaper. Vibrationsisolatorerna 16 och 20 kanha flänsar 17 respektive 21 för ett mer stadigt ingrepp med vibrationssensorn10. En utmatningssignal från vibrationssensorn kan överföras genom enkabel 11 till en gränssnittspanel 61 och vidare till signalbehandlingselektronik(ej visad).

Vibrationsmätaren 200 kan också innefatta en kraftsensor 30. Närvibrationsmätaren 200 trycker mot den vibrerande strukturen (ej visad)överförs kontaktkraften från vibrationssensorn 10 till kraftsensorn 30, somförklaras i mer detalj med hänvisning till Figur 3B nedan. Kraftsensorn kanbäras upp av en struktur, exempelvis en kombination av ett belastningsnav65, en belastningsregel 55 och ett belastningsregelfäste 50, för kvarhållningav kraftsensorn. Skruvar 70 kan ingripa med mottagande gängade hål 26 föratt man ska hålla delarna hos vibrationsmätaren 200 i kontakt.

Figur 3B visar en isometrisk vy över kraftsensorn 30 som är placeradmellan en dyna 45 och en kolv 40. En fackman skulle känna till mångakraftsensorer som är tillgängliga på marknaden, till exempel inkluderandebelastningsmätare och kraftsensorer med skiktmotstånd. En kolv 40 som haren väsentligen plan första yta 41 kan överföra kontaktkraft frånvibrationssensorn till kraftsensorn 30, som kan skjutas in mellan kolven 40och dynan 45. I några utföringsformer kan kraftsensorn 30 vara förbelastadför förbehandling av sin utmatning inom känslighetsområdet. Förbelastningenkan exempelvis uppnås genom att man trycker kolven 40 mot kraftsensorn 30som bärs upp av den elastiska dynan 45 på den motstående sidan. Vidbelastning ändrar kraftsensorn 30 sitt elektriska motstånd. Denna ändring imotståndet, som motsvarar ändringen i kraften, kan mätas genom ettkontaktdon 35. Som förklaras nedan med hänvisning till Figur 4 kanmätningarna av vibrationsamplituden förbättras baserat på värdet hoskontaktkraften mellan den vibrerande strukturen och vibrationssensorn.

Figur 4 är en graf över frekvensrespons hos vibrationssensorn 10. Denhorisontella axeln hos grafen visar ett frekvensområde på en logaritmiskskala. Den vertikala axeln till vänster visar en känslighet hosvibrationssensorn i dB. Känsligheten hos en vibrationssensor kan exempelvistolkas som ett förhållande mellan amplituden som indikeras vid utmatningenhos vibrationssensorn 10 och vibrationsamplituden hos den vibrerandestrukturen i sig. Känsligheten som är nära noll på den logaritmiska skalan hosgrafen 300 motsvarar ett känslighetsvärde på omkring ett på den linjäraskalan. Omvänt indikerar ett positivt värde på den vertikala axeln en högrekänslighet och ett negativt värde på den vertikala axeln indikerar en lägrekänslighet. I allmänhet är känsligheten hos en vibrationssensor en funktion avvibrationsfrekvensen. Om känsligheten hos vibrationssensorn är känd kandessutom en lämplig koefficient eller en annan justering användas förbestämning av den relevanta vibrationsamplituden hos vibrationsstrukturenvid en speciell vibrationsfrekvens.

Den vertikala axeln till höger visar vibrationsamplituden. Känslighetenhos vibrationssensorn som en funktion av frekvens kan normalt erhållas fråntillverkaren av vibrationssensorn eller kan den bestämmas experimentellt.Vibrationsamplituden kan därför beräknas retroaktivt för en speciellvibrationsfrekvens. Om känsligheten hos vibrationssensorn också är enfunktion av kontaktkraften mellan sensorn och den vibrerande strukturen, kandock en mätning av vibrationsamplituden, som inte tar hänsyn tillkontaktkraften, reducera mätningens noggrannhet. Till exempel kan kurvornaF1, F2, F3 i Figur 4 motsvara vibrationsamplitudmätningarna över ettfrekvensområde, men med användning av en annan kontaktkraft. En fackmanskulle känna till att en vibrationsamplitud för en given vibrationsfrekvens kanberäknas genom att man integrerar accelerationssignalen två gånger ochgenom att man justerar resultatet baserat på den kända känsligheten hosvibrationssensorn.

I det illustrerade exemplet, med en vibrationsfrekvens på omkring 1,4kHz, skulle vibrationssensorn indikera vibrationsamplituder A1, A2 eller A3 förde respektive känslighetskurvorna F1, F2, F3, beroende på storleken hoskontaktkraften mellan vibrationssensorn och den vibrerande strukturen. För att erhålla mer noggranna vibrationsamplitudmätningar kan man mäta ochanvända kontaktkraften för att välja en lämplig känslighetskurva, t.ex. F1, F2eller F3. Amplituden hos den vibrerande strukturen kan sedan bestämmasfrån den lämpliga känslighetskurvan. Till exempel kan kraftsensorn 30(beskriven med hänvisning till Figurerna 3A-3B) mäta kontaktkraft, vilken mani sin tur kan använda för att välja den korrekta vibrationskänslighetskurvanbland känslighetskurvorna F1, F2 och F3. I åtminstone några utföringsformerkan känslighetskurvorna vara tillgängliga i tabellform för enklare beräkningarper relevanta vibrationsfrekvenser. Känslighetskurvorna i tabellform kankommas åt genom lämplig elektronik baserat på kraftsensoravläsningen, ochkan sedan vidare behandlas för beräkning av vibrationsamplituden,exempelvis genom användning av signalintegreringsalgoritmer. I någrautföringsformer kan känslighetskurvorna vara linjäriserade med användningav linjäriseringskretsar. Exempelvis kan känslighetskurvorna F1, F2, F3 varalinjäriserade för frambringande av linjäriserade känslighetskurvor L1, L2respektive L3. I åtminstone några utföringsformer gör de linjäriseradekänslighetskurvorna vibrationsamplitudsberäkningen enklare och/ellersnabbare.

Figur 5 är ett schematiskt diagram över en linjäriseringskrets 500 ienlighet med utföringsformer hos den häri beskrivna teknologin. En ickelinjärinmatning 110 (till exempel känslighetskurvorna F1, F2, F3 som visas i Figur4) kan matas till en funktionsgenerator 120 som matar ut en funktion som kandämpas med en dämpare 130. Sedan kan den ickelinjära inmatningen 110och utmatningen från dämparen 130 summeras i en summeringsförstärkare140 för åstadkommande av en linjäriserad utmatning 150 (till exempel delinjäriserade känslighetskurvorna L1, L2, L3 som visas i Figur 4). Denlinjäriserade utmatningen 150 kan användas för enklare bestämning avvibrationsamplituderna. Många funktionsgeneratorer och linjäriseringskretsarär tillgängliga kommersiellt på marknaden, till exempel funktionsgeneratorerAD640, AD639, AD538 och linjäriseringskretsar AD7569 av Analog Devices,Norvvood, Massachusetts.

Från det föregående kommer det att inses att specifika utföringsformerhos teknologin har beskrivits häri för illustrativa ändamål, men att olika modifieringar kan göras utan att avvika från beskrivningen. Till exempel kan inågra utföringsformer en funktionsanaiysator användas tillsammans med denbeskrivna teknologin för att man ska kunna bestämma dominerandefrekvenser. I andra utföringsformer kan utmatningen från vibrationssensornanskaffas av en analog-digitalomvandlingskrets för en efterföljandedatabehandling som kan göras utanför vibrationsdetektorn.Vibrationsdetektorn kan vidare innefatta analoga eller digitala frekvensfilter föreliminering av de oönskade övertonerna eller undertonerna hosvibrationsstrukturens huvudfrekvenser. Medan olika fördelar och egenskaper,som hör till vissa utföringsformer, har beskrivits ovan i dessa utföringsformerssammanhang, kan dessutom andra utföringsformer också uppvisa sådanafördelar och/eller egenskaper, och alla utföringsformer behöver intenödvändigtvis uppvisa sådana fördelar och/eller nackdelar för att man skahamna inom teknologins omfattning. Följaktligen kan beskrivningen omfattaandra utföringsformer som inte uttryckligen visats eller beskrivits häri.Följande exempel tillhandahåller ytterligare utföringsformer hos föreliggandeteknologi.

Claims (1)

1. KRAV Handhällen vibrationsmätarelï), innefattande, ett hus (E) en vibrationssensor (fl)_anordnad att vara i kontakt med enstruktur (§)_och att omvandla vibrationer hos strukturen (§)_tillelektriska signaler, varvid vibrationssensorn (fl)_är åtminstone delvisinrymd inuti huset_(fl); en vibrationsisolator (16, 20) som är gjord av ettgummiliknande material och som är i kontakt med vibrationssensorn(Q), varvid vibrationsisolatorn (16, 20) är anordnad att filtrera en ellerflera vibrationsfrekvenser; och en kraftsensor (@)_som är mottaglig för en pävibrationssensorn (fl)_anbringad kontaktkraft, k ä n n e t e c k n a d a v att vibrationsmätaren (Q)innefattar ett flertal känslighetskurvor (F1, F2, F3) förvibrationssensorn_(fl), varvid vibrationsmätaren är inrättad att väljaen av nämnda känslighetskurvor (F1, F2, F3) baserat pä en avkraftsensorn (@)_uppmätt kontaktkraft och att använda den valdakänslighetskurvan vid bestämning av en vibrationsmätning. Vibrationsmätare (200) enligt krav 1, varvid kraftsensorn (ä)innefattar ett tryckkänsligt elektriskt motstånd. Vibrationsmätare (ïmnligt krav 1, varvid kraftsensorn (Qmar enförsta sida som huvudsakligen är vänd mot vibrationssensorn (Q)och en andra sida som är vänd bort frän den första sidan, vilkenvibrationsmätarelï) vidare innefattar:en kolv (Quid kraftsensorns (@)_andra sida, varvid kolven(fl)_är anordnad att överföra kontaktkraften till kraftsensorn_(@), ochen dyna_(4_5) vid kraftsensorns (Qfiörsta sida. Vibrationsmätare (200) enligt krav 1, varvid vibrationsisolatorn är enförsta vibrationsisolator (16) vid en framsida hos vibrationssensorn(10), varvid vibrationsmätaren (200) vidare innefattar: 10. en andra vibrationsisolator (20) vid en baksida hosvibrationssensorn (10). Vibrationsmätare (200) enligt krav 1, varvid vibrationsisolatorn (20) innefattar gummi. Vibrationsmätare (200) enligt krav 1, vidare innefattande organ förbestämning av ett justerat vibrationssensorsvar från en kombination av ett vibrationssensorsvar och ett kraftsensorsvar. Vibrationsmätare (200) enligt krav 6, varvid organet för bestämningav det justerade vibrationssensorsvaret innefattar en uppslagstabell, en processor, och en kombination därav. Vibrationsmätare (200) enligt krav 6, varvid åtminstone ett avvibrationssensorsvaret och det justerade vibrationssensorsvaret är linjäriserat. Förfarande för mätning av vibrationer hos en vibrerande utrustning (å)med användning av en vibrationsmätarelï), innefattande: att avkänna vibrationer hos den vibrerande utrustningen_(§)med en vibrationssensor_(fl) som har kontakt med den vibrerandeutrustningen_(§), att åstadkomma ett vibrationssensorsvar medvibrationssensorn_(fl), att mäta en kontaktkraft mellan vibrationssensorn (fl)_ochden vibrerande utrustningen_(§), och att justera vibrationssensorsvaret baserat på kontaktkraftenför att generera ett justerat vibrationssensorsvar, varvid åtgärden attjustera innefattar att välja en bland ett flertal känslighetskurvor (fl,F2, F3) hos vibrationssensorn (QLbaserat på den uppmättakontaktkraften och att använda den valda känslighetskurvan vid justeringen av sensorsvaret. Förfarande enligt krav 9, vidare innefattande: 11. 12. 13. 14. 15. 11 att linjärisera vibrationssensorsvaret för att generera enlinjäriserad frekvensrespons (L1, L2, L3). Förfarande enligt krav 10, vidare innefattande:att bestämma en amplitud hos vibrationerna baserat pä detjusterade vibrationssensorsvaret. Förfarande enligt krav 9, vidare innefattande:att bestämma en frekvens hos vibrationerna baserat pä detjusterade vibrationssensorsvaret. Förfarande enligt krav 9, vidare innefattande: att filtrera en eller flera vibrationsfrekvenser med användningav en vibrationsisolator (16, 20) som är gjord av ett gummiliknandematerial och som är i kontakt med vibrationssensorn_(fl). Förfarande enligt krav 449, varvid vibrationsisolatorn innefattar:en första isolator (16) vid en framsida hos vibrationssensorn (Q), och en andra isolator (20) vid en baksida hos vibrationssensorn (E)- Förfarande enligt krav 9, varvid mätningen av en kontaktkraft mellanvibrationssensorn (10) och den vibrerande utrustningen (§)_utförsmed en kraftsensor (30).