Wstęp Diagnostyka eksploatacyjna maszyn opiera się na obserwacji oraz analizie sygnału uzyskiwanego za pomocą systemu pomiarowego. Pomiar sygnału jest więc ważnym, integralnym jej elementem. Struktura układu pomiarowego drgań mechanicznych Uzyskanie dokładnych wyników pomiarów wymaga stosowania czujników o wysokich parametrach technicznych. Ponadto warunkiem uzyskania wiarygodnych wyników pomiarów jest jednoczesne zastosowanie technicznie zawansowanego wyposażenia w torze przesyłania sygnału analogowego w układzie analizy sygnałów, które odznacza się dobrą jakością i współpracuje z czułymi posiadającymi certyfikat czujnikami. Poznajmy elementy składowe struktury układu służące do pomiaru drgań mechanicznych. Podstawową strukturę układu pomiarowego można otrzymać przez odpowiednie połączenie kilku przyrządów pomiarowych (rys. 1). RYS. 1. Podstawowa struktura układu pomiarowego Zasadniczym elementem jest czujnik, który umożliwia określenie przebiegu drgań w czasie w postaci sygnału analogowego. Obecnie są stosowane do pomiaru drgań różnego typu przetworniki wielkości mechanicznych na wielkości elektryczne. Generalnie można wyodrębnić czujniki do pomiarów drgań bezwzględnych oraz drgań względnych. Do klasy czujników do pomiaru drgań bezwzględnych należą akcelerometry piezoelektryczne i czujniki elektrodynamiczne z masą sejsmiczną. Natomiast pomiar drgań względnych wykonuje się najczęściej czujnikami bezstykowymi takimi jak: czujniki zbliżeniowe elektromagnetyczne i indukcyjne, czujniki zbliżeniowe wiroprądowe, czujniki zbliżeniowe pojemnościowe. Większość z czujników zbliżeniowych może być stosowana do pomiaru drgań elementów tylko o własnościach ferromagnetycznych. 1
Uzyskany z czujnika sygnał elektryczny jest sygnałem małej mocy rzędu mikro lub miliwatów wymagającym dużej oporności wejściowej, aby zapewnić właściwe ich działanie. Napięcie sygnału osiąga wartość od kilku do kilkudziesięciu mv. Przyrządem, który zapewni właściwe działanie czujnika i umożliwia zwiększenie napięcia wyjściowego sygnału z czujnika jest wzmacniacz ładunku (lub napięcia) sygnału elektrycznego. W najnowszych rozwiązaniach są stosowane wzmacniacze zintegrowane z czujnikiem, które umożliwiają znaczne zwiększenie stosunku poziomu sygnału pomiarowego do poziomu zakłóceń. Nie wyklucza to jednak stosowania w połączeniu kaskadowym wzmacniacza końcowego sygnału. W układzie pomiarowym stosowanym do monitorowania maszyn wirnikowych włącza się dodatkowo moduł znacznika fazy, który umożliwia zidentyfikowanie fazy drgań w odniesieniu do położenia kątowego wału, a także może posłużyć do śledzenia obrotów wału i zmian prędkości obrotowej wału. Bardzo ważnym elementem układu pomiarowego jest zespół filtrów sygnału analogowego. Filtr umożliwia eliminowanie składowych harmonicznych z widma amplitudowego sygnału w wybranym zakresie częstotliwości. Ma to duże znaczenie w badaniach spektralnych i minimalizowaniu zakłóceń. Wzmacniacze, filtry i zasilacze połączone szeregowo tworzą układ kondycjonowania sygnałów. Analogowe sygnały elektryczne z tego układu są przesyłane do elektronicznego układu przetwarzającego sygnał analogowy w dyskretny sygnał cyfrowy. Układ ten jest zwany przetwornikiem analogowocyfrowym (konwerterem AC). Zespół, najczęściej kilkunastu przetworników mogących obsługiwać kilka kanałów analogowych, tworzy kartę analogowo-cyfrową. Możliwość, a także i potrzeba stosowania przetworników AC pojawiła się wraz z powszechną dostępnością przenośnych komputerów. Karta analogowo-cyfrowa bardzo często jest tak konstruowana aby mogła być bezpośrednio podłączona do magistrali komputera (BUS). Jest ona umieszczana w 16-bitowych złączach (ISA lub PCI) płyty głównej komputera. Najważniejszymi parametrami kart analogowo cyfrowych są częstotliwość próbkowania i szybkość transmisji danych do pamięci operacyjnej. Parametry te mają zasadnicze znaczenie przy wyborze filtrów w układzie kondycjonowania sygnału analogowego. Kryteria doboru typu przetwornika, sposobu oraz miejsca jego mocowania określenie wielkości mierzonej. określenie miejsca mocowania przetwornika. przyjęcie typu przetwornika. określenie sposobu mocowania przetwornika. Pomiar przemieszczeń Pomiar amplitudy przemieszczeń jest stosowany dla maszyn o częstotliwości ruchu podstawowego 0 <f< (10-30) Hz (dla pomiarów drgań bezwzględnych); 2
RYS 2. Przykładowe określenie przemieszczeń bezwzględnych wału i łożyska oraz przemieszczeń względnych wału względem łożyska. RYS. 3. Sposoby rozmieszczenia przetworników (czujników) drgań względnych 3
Pomiar prędkości Pomiar amplitudy prędkości stosuje się dla maszyn o częstotliwości ruchu podstawowego (10-30) < f <(1000-1500) Hz; RYS. 4. Sposoby rozmieszczenia przetworników (czujników) drgań bezwzględnych Dla pomiaru prędkości wykorzystuje się pomiar prędkości skutecznych drgań elementów, gdyż prędkości są proporcjonalne do strumieni energii mechanicznej przepływającej przez elementy układu. Rezultatem przepływu energii są zmienne odkształcenia, powodujące naprężenia zmęczeniowe w materiale. 4
RYS 5. Wartość szczytowa, średnia, skuteczna oraz wartość szczyt-szczyt dla drgania sinusoidalnego i złożonego. Pomiar przyspieszeń Pomiar amplitudy przyśpieszeń stosuje się dla maszyn o częstotliwości ruchu podstawowego f > 1500 Hz. Wyboru wielkości mierzonej dokonuje użytkownik maszyny (układu do monitorowania) w zależności od własności dynamicznych monitorowanej maszyny i typu przetwornika. 5
TYP MASZYNY WIELKOŚĆ MIERZONA Bezwzględne drgania łożyska Względne drgania wałów Osiowe przesunięcia wału Prędkość obrotowa Temperatura Wydłużenie wału i korpusu Wentylatory * Sprężarki X * * Wirówki * Pompy X * * Prądnice * X Przekładnie * X X Silniki elektr. * X * Turbiny parowe X * * * X * Turbiny wodne X * * * Turbiny gazowe X * * * * - standardowa wielkość mierzona; x - wielkość mierzona dodatkowo lub alternatywnie 6
Informacje zawarte na stronie www RYS. 6 Strona główna Opis sygnałów monitorowanych na stronie WWW: DW Drgania względne Drgania względne: drgania elementu w ruchu (np. wału maszyny wirnikowej), mierzone względem nieruchomego punktu odniesienia (np. panewki lub oprawy łożyska). Ponieważ bezdotykowe przetworniki (czujniki) drgań względnych mierzą wielkość szczeliny między ich powierzchnią czołową a powierzchnią wału, wielkością fizyczną opisując, wielkością fizyczną opisującą te drgania jest przemieszczenie (droga) wyrażone w mikrometrach [μm] DB Drgania bezwzględne Drgania bezwzględne: drgania elementu maszyny będącej w ruchu (np. oprawy łożyska, korpusu, fundamentu). Ponieważ przetworniki (czujniki) drgań bezwzględnych zamocowane są bezpośrednio na drgającym elemencie (drgają razem z przetwornikiem), drgania mierzone przez te przetworniki są identyczne jak drgania elementu. W omawianym przypadku przetworniki drgań bezwzględnych mierzą amplitudę prędkości drgań - v [mm/s]. POx Przesuw osiowy Istota działania większości maszyn wirnikowych powoduje, że podczas pracy pojawia się na wirniku obciążenie osiowe (siła), które przemieszcza wirnik równolegle do osi w kierunku swego działania. Obciążenie to przenoszone jest przez łożysko oporowe (toczne lub ślizgowe). Ponieważ wartość obciążenia osiowego może przyjmować bardzo duże wartości, łożyska oporowe są jednym z najbardziej obciążonych 7
podzespołów maszyn wirnikowych. Dodatkowym zagrożeniem wynikającym z wystąpienia ewentualnej awarii łożyska oporowego (czas awarii łożyska oporowego ślizgowego, ocenia się praktycznie na kilkanaście do kilkudziesięciu sekund), jest możliwość przemieszczenia wirnika w kierunku działania obciążenia osiowego o wielkość większą niż istniejące luzy między wirującym wirnikiem a nieruchomymi elementami kadłuba maszyny wirnikowej. Z powyższych powodów większość maszyn wirnikowych (szczególnie łożyska ślizgowe) wyposażona jest w układ do bezdotykowego pomiaru przesuwu osiowego wirnika.układ ten współpracuje z systemem automatycznych zabezpieczeń, a jego działanie polega na natychmiastowym wyłączeniu maszyny z ruchu w przypadku, gdy wirnik przemieści się o wartość większą niż przyjęta wartość progowa. Ponadto chwilowa wartość położenia wirnika względem kadłuba maszyny podczas pracy (szczególnie podczas rozruchu i odstawienia) jest istotną informacją procesowo diagnostyczną dla użytkownika. Z powyższych powodów przesuw osiowy (przemieszczenie osiowe wirnika) [μm], jest jednym z monitorowanych sygnałów dynamicznych. WT Wydłużenie całkowite turbiny Istotą działania cieplnych maszyn wirnikowych jest fakt, że elementy maszyny działają w wysokich temperaturach, w związku z czym ulegają wydłużeniom. Inaczej jednak wydłuża się wirnik maszyny a inaczej jej kadłub, skąd konieczność ustabilizowania termicznego maszyny przed jej normalną eksploatacją. Wielkość wydłużenia się wirnika maszyny względem jej kadłuba oraz/lub wielkość wydłużenia się całej maszyny względem jej fundamentu jest więc istotną informacją o stanie termicznym maszyny, szczególnie w warunkach rozruchu. Z powyższych powodów wydłużenie całkowite [mm], jest jednym z monitorowanych sygnałów diagnostycznych. Znacznik fazy Sygnał ten jest informacją o chwilowej prędkości obrotowej maszyny oraz co ważniejsze, jest impulsem do rozpoczęcia równoczesnego cyklu pomiaru wszystkich pozostałych sygnałów układu monitorowania. Istnienie impulsów znacznika fazy (standardowo jeden impuls na jeden obrót wirnika), umożliwia poza określeniem chwilowej wartości prędkości obrotowej wirnika, wyznaczenie kąta fazowego wszystkich składowych drgań monitorowanych przez układ. Moc czynna Stan obciążenia maszyny wirnikowej ma wpływ na jej stan dynamiczny. Inne pod względem ilościowym i jakościowym są drgania maszyny działającej na biegu luzem, a inne po jej obciążeniu. Stąd dla możliwości oceny wpływu nominalnego stanu obciążenia na dynamikę maszyny wirnikowej, jednym z monitorowanych sygnałów jest moc czynna [MW] na zaciskach generatora. 8