Wybrane problemy pomiaru drgań

(1)

ROBERT KOSTEK

WYBRANE PROBLEMY POMIARU DRGAē

Streszczenie

W artykule tym przedstawiono przykład konfiguracji toru pomiarowego do po-miaru drgaĔ oraz wyniki pomiarów. Wyniki pomiarów zostały zakłócone prez przemiennik czĊstotliwoĞüi, który słuĪył do napĊdzania silnika prądu przemiennego. Zakłócenia miały znaczną wartoĞü poniewaĪ, układ napĊdowy został niewłaĞciwie wykonany. Nie zastosowano skrynki falownika, filtrów oraz ekranowanych kabli. Ponadto tor pomiarowy został nieprawidłowo skonfigurowany. Przedstawione wyniki badaĔ eksperymentalnych dobre obrazują problem zakłóceĔ elektromagnetycznych emitowanych przez premiennik czĊstotliwoĞüi.

Słowa kluczowe: pomiar drgaĔ, zakłócenia elektromagnetyczne, przemiennik czĊstotliwoĞci 1. Wprowadzenie

WiĊkszoĞü pomiarów wielkoĞci nieelektrycznych jest realizowana aparaturą, która przetwarza wielkoĞci nieelektryczne na wielkoĞci elektryczne. Na przykład pomiaru przyĞpieszeĔ dokonuje siĊ czujnikami piezoelektrycznymi, indukcyjnymi, pojemnoĞciowymi, oporowymi (tensometrycznymi) i optycznymi. Nie są to wszystkie rodzaje czujników stosowanych do pomiaru drgaĔ, wymieniono tutaj tylko czujniki najczĊĞciej stosowane dla pokazania róĪnorodnoĞci rozwiązaĔ.

Czujnik jest czĊĞcią toru pomiarowego. MoĪe on zostaü podłączony do wzmacniacza pomiaro-wego (mostka pomiaropomiaro-wego), który na wyjĞciu daje analogowy sygnał napiĊciowy, rzadziej prądowy lub cyfrowy. W kolejnym etapie analogowy sygnał napiĊciowy jest zamieniany w karcie pomiarowej na napiĊciowy sygnał cyfrowy i przesyłany do komputera, gdzie nastĊpuje akwizycja danych na dysku. Przedstawiono tutaj klasyczny tor pomiarowy (rys. 1). OczywiĞcie moĪna spotkaü zintegrowane systemy pomiarowe, które zawierają wbudowane mostki pomiarowe, karty pomia-rowe i komputer. Przykładem takiego rozwiązania jest na przykład PIX firmy National Instruments (rys. 2). Spotyka siĊ takĪe czujniki z wbudowaną elektroniką, które współpracują bezpoĞrednio z komputerem przez złącze USB. Nie zmienia to jednak zasady działania toru pomiarowego, w któ-rym wielkoĞü nieelektryczna na przykład przyĞpieszenie, jest zamieniana na sygnał napiĊciowy.

Rys. 1. Schemat przepływu informacji w klasycznym torze ppomiarowym ħródło: opracowanie własne.

(2)

Rys. 2. System pomiarowy zawierający wzmacniacze pomiarowe, przetworniki analogowo cyfrowe, przetworniki cyfrowo analogowe, karty pomiarowe, karty sterujące oraz komputer ħródło: [7].

W wielu stanowiskach badawczych steruje siĊ prĊdkoĞcią obrotową silników elektrycznych. Parametr ten moĪna łatwo zmieniü stosując silniki elektryczne asynchroniczne i przemienniki czĊ-stotliwoĞci (falownik). Rozwiązanie to jest tanie, a zarazem daje moĪliwoĞü płynnej regulacji prĊdkoĞci obrotowej w szerokim zakresie. JednoczeĞnie stosowane moce są znaczne wiĊksze aniĪeli w silnikach krokowych. JednakĪe stosowanie falowników wprowadza powaĪne zakłócenia elek-tryczne, które mogą uniemoĪliwiü właĞciwy pomiar.

W artykule tym przedstawiono wpływ zakłóceĔ elektrycznych generowanych przez przemien-nik czĊstotliwoĞci, na pomiar przyĞpieszeĔ.

2. Konfiguracja badanego stanowiska

Badany tor pomiarowy zawiera akcelerometry przemysłowe VIS-311A z wbudowanym przed-wzmacniaczem (technologia ICP) i izolacją obwodu elektrycznego od obudowy (rys. 3), oraz kartĊ pomiarową NI USB-9162 NI9233 firmy National Instruments (rys. 4). Ta karta pomiarowa ma bu-dowe modułową i składa siĊ z dwóch czĊĞüi: wzmacniacza ładunku (wzmacniacza pomiarowego) oraz „ramki” z miejcem na jeden wzmacniacz. Parametry akcelerometrów są przedstawione w tabeli 1. Na podstawie przedstawionych danych moĪna wnioskowaü Īe czujniki te są przystosowane do pomiaru drgaĔ o znacznej amplitudzie (± 50[g]). Podczas gdy obserwowane maksymalne wartoĞci przyĞpieszeĔ dla łoĪyska uszkodzonego wynoszą ± 6[g], natomiast dla łoĪyska sprawnego zaledwie ± 0,6[g]. Jak widaü, zakres pomiarowy został dobrany niepoprawnie, poniewaĪ wielokrotnie prze-kracza on obserwowane wartoĞci maksymalne. Skutkuje to tym, Īe analogowe sygnały napiĊciowe

(3)

29

są rzĊdu ±600[mV] lub ±60[mV], wiĊc mogą zostaü zakłócone przez pole elektromagnetyczne ge-nerowane przez przemiennik czĊstotliwoĞci. Powinien zostaü dobrany w tym przypadku czujnik o zakresie pomiarowym ± 10[g], lub ± 5[g] jeĞli obniĪona zostanie wartoĞü pików przyĞpieszenia. Gdyby dobrano czujnik o zakresie pomiarowym ± 10[g], wtedy napiĊcie sygnału wynosiłoby odpo-wiednio ±3 000[mV], lub ±300[mV]. Co spowodowałoby spadek poziomu zakłóceĔ związanych z pracą falownika. Jest to pierwsza metoda zmniejszenia zasumienia sygnalu.

Tabela 1. Parametry czujnika VIS-311 A

Parametry czujnika WartoĞü WielkoĞü

CzułoĞü 100 [mV/g] Zakres pomiarowy ± 50 [g] Zakres czĊstotliwoĞci (± 3 dB) 0,5–10 000 [Hz] CzĊstotliwoĞü rezonansowa 25 000 [Hz] RozdielczoĞü 3434 [μm/s²] NieliniowoĞü ± 1% -CzułoĞü skroĞna 7 % - Maksymalny udar 49 050 [m/s²] Zakres temperatur -54 +121 [°C] NapiĊcie zasilania 18 - 28 [V] Prąd zasilania 2–20 [mA] Impedancja wyjĞciowa <150 [Ω] Szum widmowy - 10 [Hz] 78,5 [(μm/s²)/¥Hz] Szum widmowy - 100 [Hz] 49,1 [(μm/s²)/¥Hz] Szum widmowy - 1 000 [Hz] 39,2 [(μm/s²)/¥Hz] Wymiary 18 * 42,2 [mm] Waga 51 [g]

Izolacja elektryczna czĊĞci elektronicznej 100 000 000 [_Ω] ħródło: [13.]

Rys. 3. Czujnik pomiarowy VIS-311A ħródło: [8].

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014

(4)

Rys. 4. Karta pomiarowa NI USB-9162 NI9233 ħródło: [6].

Układ napĊdowy z kolei składa siĊ z silnika – BESEL S.A., P=250W, n=2760obr/min, izolacja F, oraz falownika – LS Industrial Systems SV004iE5-1 (rys. 5). Jest pewna grupa silników elek-trycznych przystosowana do współpracy z falownikami. Mają one specjalne łoĪyska toczne, które nie przewodzą prądu miĊdzy pierĞcieniami. Są to łoĪyska ceramiczne, lub stalowe pokryte materia-łem izolacyjnym. Ponadto izolacja elektryczna uzwojeĔ takich silników jest bardziej odporna na przebicie elektryczne. Posiadają one takĪe wentylator napedzany odrĊbnym silnikiem. WyĪej wy-mieniony silnik nie jest silnikiem tego typu. Jest on wiĊc naraĪony na szereg zjawisk pasoĪytniczych, redukujących czas eksploatacji. W takim prypadku moĪe byü obserwowany ma przykład prąd wałowy lub prebicie izolacji elektrycznej.

Ponadto falownik powinien byü umieszczony w uziemionej skrzynce metalowej. Powinny byü umieszczone filtry przed jak i za falownikiem. Natomiast pomiĊdzy falownikiem a silnikiem po-winny zostaü zastosowane specjalne kable z ekranami. Rozwiązania te stosuje siĊ po to, aby uniknaü lub ograniczyü propagacje zakłóceĔ generowanych przez falownik. Produkowane są falowniki, które są fabrycznie ekranowane i mają wbudowane filtry. Działania te prowadzą w efekcie do odi-zolowania falownika od otoczenia. ĩadne z wyĪej wymienionych zaleceĔ nie zostało spełnione, w wyniku czego napiĊcia obserwowane na korpusach czujników były rzĊdu ±15 000[mV]. Pomiaru napiĊcia dokonano oscyloskopem (rys. 6). W internecie moĪna znaleĨü wiele opisów problemów związanych z wprowadzaniem zakłóceĔ elektromagnetycznych przez przemienniki czĊstotliwoĞci, jeĞli nie zostały one poprawnie zabudowane. Obserwowane są nawet problemy z poprawną pracą urządzeĔ cyfrowych, poniewaĪ są one zakłócane przez falownik. [1–5, 9–11].

Falownik składa siĊ z prostownika, który prąd zmienny pobierany z sieci elektrycznej zamienia na prąd stały. NastĊpnie prąd stały jest zamieniany na prąd zmienny. Tranzystory mocy gwałtownie podają wysokie napiĊcie z prostownika na odbiornik, a nastĊpnie gwałtownie odcinają to napiĊcie. Czas przełączania tranzystorów jest waĪnym parametrem. Im krótszy czas tym mniejsze są straty energi. JednakĪe gwałtowne zmieny napiĊcia powodują emisjĊ zakłóceĔ elektromagnetycznych i pojawienie siĊ wysokich czĊstotliwoĞci na widmie napiĊcia. Z kolei prąd zmienny o wysokiej czĊ-stotliwoĞci prepływa prez izolacje, która działa jak kondensator. Podobnie pole magnetyczne

(5)

31

powoduje indukowanie prądów wirowych. Ten opis pokazuje mechanizmy propagacji zakłóceĔ elektromagnetycznych.

Rys. 5. Przemiennik czĊstotliwoĞci ħródło: [12].

Rys. 6. Przebieg czasowy napiĊcia zarejestrowany na korpusie czujnika przyĞpieszeĔ ħródło: opracowanie własne.

(6)

3. Zmierzone przebiegi czasowe i widma

Przeprowadzono badania eksperymentalne w celu zmierzenia i identyfikacji zakłóceĔ. CzĊsto-tliwoĞü falownika ustawiono na 10[Hz]. Zarejestrowano nastĊpnie przebiegi czasowe przyĞpieszeĔ i dokonano transformaty Fouriera. Wyniki dla sygnału bez wyraĨnych objawów zakłócenia przed-stawiono na rys. 7, podczas gdy wyniki dla sygnału silnie zakłóconego zaprezentowano na rys. 8.

Na widmie sygnału niezakłóconego (rys. 7) czĊstotliwoĞci bĊdące wielokrotnoĞcią 10[Hz] i 50[Hz] nie są dominujące. WyraĨnie widaü wzrost amplitudy składowych harmonicznych o czĊ-stotliwoĞci powyĪej 190[Hz], które wiąĪą siĊ z dynamiką łoĪyska. Drgania tego łoĪyska tocznego są wzbudzane przez impulsy wywołane defektami bieĪni i elementów tocznych. NastĊpnie ampli-tuda drgaĔ ulega zmniejszeniu. Zarejestrowane przebiegi czasowe moĪna uznaü za wiarygodne.

Natomiast, zupełnie inaczej wygląda widmo dla przebiegu czasowego przyĞpieszenia, który jest silnie zakłócony. Dominują amplitudy składowych związanych z pracą przemiennika czĊstotliwoĞci (rys. 8). Podobnie na przebiegu czasowym przyĞpieszenia dominuje składowa o czĊstotliwoĞci 10[Hz]. "Amplituda drgaĔ" wynosi teraz 1.4[g] co tak naprawdĊ odpowiada amplitudzie zakłóceĔ. WartoĞü tych zakłóceĔ moĪna oszacowaü na 140[mV]. Z powyĪszego wynika, Īe izolacja elek-tryczna czujnika ograniczyła wpływ zakłóceĔ. Mimo wszystko taki sygnał naleĪy uznaü za niedopuszczalny. W takim prypadku konieczne są niestandardowe działania, połączone z przebu-dową układu napĊdowego lub toru pomiarowego. MoĪna na prykład zastosowaü optyczne czujniki pryĞpieszeĔ, które nie są zakłócena przez pole elektromagnetyczne.

Dla lepszego zobrazowania zakłócen jakie wprowadza falownik do toru pomiarowego predsta-wiono kilka dodatkowych rysunków. CzĊstotliwoĞü falownika ustapredsta-wiono na 10[Hz], tak samo jak poprzednio, ale zaobserwowano dodatkowe efekty. Zaobserwowano szum o czetotliwostotliwoĞci poniĪej 10[Hz] (rys. 9). W efekcie błąd zera („pływające zero”) jest obserwowany. Tego typu błąd nie jest czĊsto obserwowany w torze pomiarowym zawierającym czujniki piezoelektryczne. CzĊĞciej jest on obserwowany dla czujników oporowych. Elminacja takiego szumu jest trudna, poniewaĪ przechodzi on przez filtry dolnoprzepustowe, dlatego potrzebne są zaawansowane metody filtracji. Kolejnym efektem który moĪna zaobserwowaü są nagłe zmiany wartoĞci przyĞpieszenia (rys. 10). W tym przypadku wartoĞü Ğrednia przyĞpieszenia zmienia swą wartoĞü dla czasu t=625[ms]. Ta zmiana nie ma nic współnego z drganiami stanowiska. Podobne zjawiska obserwo-wano dla ustawienia falownika 0,5[Hz] (rys. 11). W tym przypadku amplituda drgan zmienia siĊ gwałtownie, oraz wartoĞü Ğrdnia przyĪpieszenia ulega nagłym zmianą. Podobnie jak poprzednio ob-serwowane przebiegi czasowe przyĞpieszeĔ nie są związane z drganiami stanowiska. Tego typu zjawiska powodują Īe rejestrowane sygnały są nieprzydatne w diagnostyce maszyn. Odszumianie takich sygnałów jest niemoĪliwe, z uwagi na szeroki zakres czĊstotliwoĞci zakłóceĔ oraz znaczną ich wartoĞü.

(7)

33

Rys. 7. Widmo i przebieg czasowy przyĞpieszenia bez wyraĨnych objawów zakłócenia ħródło: opracowanie własne.

Rys. 8. Widmo i przebieg czasowy przyĞpieszenia silnie zakłóconego przez przemiennik czĊstotliwoĞci

ħródło: opracowanie własne.

(8)

Rys. 9. Widmo i przebieg czasowy przyĞpieszenia dla ustawienia falownika 10 [Hz], widoczny jest bład zera

ħródło: opracowanie własne.

Rys. 10. Przebieg czasowy przyĞpieszenia dla ustawienia falownika 10 [Hz], widoczna jest nagła zmiana wartoĞci Ğredniej przyĞpieszenia oraz błąd zera ħródło: opracowanie własne.

(9)

35

Rys. 11. Przebiegi czasowe przyĞpieszenia dla ustawienia falownika 0,5[Hz], widoczne są zmiany amplitudy drgaĔ oraz błąd zera

ħródło: opracowanie własne. 4. Podsumowanie

Konfiguracja toru pomiarowego jest czynnikiem kluczowym. Wpływa ona na wraĪliwoĞü toru pomiarowego na zakłócenia. Omówiono tutaj tylko fragment tego zagadnienia. Ponadto stosowanie przemienników czĊstotliwoĞci, pomimo niewątpliwych zalet, wiąĪe siĊ z ryzykiem, Īe rejestrowane przebiegi czasowe zostaną zakłócone przez pole elektromagnetyczne i prądy generowane przez falownik jak i silnik elektryczny.

Bibliografia

1. GuziĔski J., KrzemiĔski Z.: Filtr wyjĞciowy falownika napiĊcia, NapĊdy i sterowanie Nr 4/2005.

2. Oh W.: Zapobieganie elektroerozyjnym uszkodzeniom łoĪysk w silnikach prądu

przemiennego zasilanych z falowników, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 85/2010.

3. StrączyĔski M., Gizicki A.: Regulacja parametrów pracy układów pompowych pomp głĊbinowych poprzez zmianĊ prĊdkoĞci obrotowej silników głĊbinowych. CzĊĞü 2, Forum eksploatatora listopad/grudzieĔ 2010.

4. Trajdos M., Pastuszka R.: Jakie kable lubią falowniki, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005.

(10)

5. Zientek P.: Wpływ parametrów wyjĞciowych falowników pwm i kabla zasilającego na zjawiska pasoĪytnicze w silnikach indukcyjnych, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005. 6. http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/204481 dostĊp – 2014.05.11. 7. http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/206303 dostĊp – 2014.05.11. 8. http://www.ec-systems.pl/tl_files/pliki/czujniki/VIS-311A/VIS-311A.jpg dostĊp – 2014.05.11. 9. http://www.elektroda.pl/rtvforum/find.php?search_keywords_prev=falownik&search_foru ms=9%2C359%2C19&search_cat=12%2C29%2C1%2C33%2C19%2C10%2C30%2C23% 2C24%2C18%2C4%2C28%2C8&search_keywords=falownik+zak%B3%F3cenia dostĊp – 2014.05.11. 10. http://www.elektro-trading.com.pl/filtry.htm dostĊp – 2014.05.11. 11. http://www.elhand.pl/4/14/ dostĊp – 2014.05.11. 12. http://www.sklep.el-helu.com/view,1020,38,159,lg_sv004ie5_1c_0_4kw_230v.html dostĊp – 2014.05.11. 13. http://www.vibx.energocontrol.pl/index.php?m=Products&a=Productinfo&pid=38&lang=p l dostĊp – 2014.05.11.

SELECTED ISSUES OF VIBRATION MEASUREMENTS Summary

In this article issues associated with vibration measurement are studied. These problems correspond to selection of transducers, measuring equipment and driving systems. Measured time histories contains some noise, because a variable-frequency drive (VFD) and an electric motor are used. These data are noisy, because driving system and measuring system were not well designed and performed. Presented ex-perimental results well illustrate this issue.

Keywords: vibration measurements, electromagnetic noise, variable-frequency drive Robert Kostek

Faculty of Mechanical Engineering

University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz Al. Prof. S.Kaliskiego 7, 85-789 Bydgoszcz, budynek 2.3 e-mail: robertkostek@o2.pl