Jak wybrać najbardziej odpowiedni czujnik dla systemu predykcyjnego utrzymania ruchu?

Wybór czujników do systemu

Ponad 90% rotujących urządzeń, stosowanych w aplikacjach przemysłowych i konsumenckich, opartych jest o łożyska. Rozkład przyczyn awarii silników przedstawiony jest na Rysunku 2: jasno pokazuje on, iż dobierając czujniki do systemu PdM należy najpierw skupić się na monitoringu łożysk. Aby czujnik mógł wykrywać tego typu awarie, musi charakteryzować się niskim poziomem szumu i badać zjawiska w szerokim zakresie pasma

© Analog Devices 

Rysunek 2. Procentowy rozkład przyczyn awarii silników elektrycznych. 

Tabela 2 ilustruje najpopularniejsze przyczyny awarii maszyn wirujących oraz odpowiednie wymagania wobec czujników stosowanych w PdM do ich wykrycia. Aby odkryć nieprawidłowości odpowiednio wcześnie, w PdM stosuje się najczęściej czujniki o najlepszych parametrach. Korelacja pomiędzy parametrami czujnika a znaczeniem ciągłej pracy maszyny dla całego procesu produkcyjnego jest bardzo silna: w istocie jest to zależność silniejsza od wartości samej maszyny.  

© Analog Devices

Tabela 2: Przegląd częstych awarii maszyn rotujących oraz wybór odpowiednich czujników. 

Ilość energii, wytwarzana w czasie wibracji czy ruchu, poza innymi zmiennymi, pozwala odpowiedzieć na pytanie, czy maszyna pracuje niestabilnie czy niedokładnie. Niektóre awarie, takie jak nieprawidłowa praca łożysk czy zębatek, nie są tak oczywiste (zwłaszcza na wczesnym etapie) i nie mogą być zidentyfikowane i przewidziane jedynie za pomocą wibracji. Wykrycie tych błędów wymaga zwykle równoczesnego zastosowania niskoszumnego czujnika wibracji, (<100 µg/√Hz) w szerokim paśmie (>5 kHz), wraz z zaawansowanym przetwarzaniem sygnału, urządzeniem nadawczym oraz dalszą obróbką danych.  

Czujniki wibracji, dźwięków i ultradźwięków w systemach PdM

Mikrofony MEMS składają się zazwyczaj z samego elementu mikroelektromechanicznego osadzonego na PCB, z wyprowadzeniami na górze lub na spodzie, umożliwiającymi rozchodzenie się fal dźwiękowych wewnątrz metalowej obudowy. Mikrofony MEMS charakteryzują się niską ceną, małymi rozmiarami i stanowią efektywne narzędzie wykrywania takich zmiennych jak kondycja łożysk, zębatek, kawitacja pomp, nieprawidłowa geometria oraz niestabilna praca. Właściwości te czynią mikrofony MEMS idealnym wyborem dla monitorowania aplikacji zasilanych bateryjnie. Mogą być umieszczone nawet w znacznym oddaleniu od źródła dźwięku, są też nieinwazyjne. Jednak pracując w otoczeniu wielu maszyn, ze względu na wielość docierających do portu sygnałów dźwiękowych oraz na warunki otoczenia (tj. kurz czy wilgoć) ich praca ulega pogorszeniu. Większość specyfikacji technicznych mikrofonów MEMS wskazuje na stosunkowo niewymagające aplikacje, takie jak terminale przenośne, laptopy, konsole czy kamery. Niektóre ze specyfikacji wymieniają PdM jako potencjalne zastosowanie, zastrzegają jednak od razu, iż czujniki wystawione na oddziaływanie mechaniczne czy niewłaściwe traktowanie mogą być przyczyną uszkodzenia. Wybrane specyfikacje wskazują, iż czujnik jest odporny na przyspieszenia o wartości do 10.000 g. Właściwie brak jest jasności, czy tego typu wskaźniki mogą działać w wymagających warunkach, wliczając w to szok mechaniczny.  

Ponieważ mikrofony ultradźwiękowe odbierają dźwięki w niesłyszalnym spektrum (20 kHz to 100 kHz), w którym jest znacznie mniej ‘hałasu’, nadają się lepiej do monitoringu pracy silnika w złożonych systemach. Długość fali o niskiej częstotliwości w niesłyszalnym spektrum wynosi około 1.7 cm do 17 m, natomiast długość fali wysokiej częstotliwości od 0.3 cm do 1.6 cm. Kiedy rośnie częstotliwość fali, rośnie też energia, czyniąc ultradźwięki lepiej słyszalnymi. Jest to zjawisko bardzo pomocne w wyłowieniu usterki łożyska lub obudowy.  

Akcelerometry są najpowszechniej stosowanymi czujnikami wibracji, natomiast sama analiza wibracji jest najpopularniejszą techniką PdM, stosowaną zwłaszcza w przypadku dużych konstrukcji wirujących, takich jak turbiny, pompy, silniki czy skrzynie przekładniowe. Tabele 3 oraz 4 zawierają podstawowe parametry opisujące różne rodzaje czujników (czujniki wibracji i dźwięku MEMS kontra dobrze znane czujniki piezoelektryczne wibracji). Dane w każdej z kolumn obrazują maksymalne i minimalne wartości w danej kategorii i nie są skorelowane z danymi w sąsiednich kolumnach.  

© Analog Devices

Tabela 3: Parametry pracy czujników do systemów predykcyjnego utrzymania ruchu.  

© Analog Devices

Tabela 4: Parametry mechaniczne czujników do systemów predykcyjnego utrzymania ruchu.

W najbliższych pięciu latach, przemysł CbM będzie przeżywał szybki wzrost, napędzany w dużej mierze przez instalację systemów bezprzewodowych. Ze względu na rozmiary, brak funkcji wbudowanych oraz spory apetyt na energię, akcelerometry piezoelektryczne są gorzej predestynowane do aplikacji bezprzewodowych (jakkolwiek istnieją rozwiązania o zużyciu energii od 0.2 mA do 0.5 mA). Akcelerometry i mikrofony MEMS są lepiej dostosowane do zasilanych bateryjnie systemów PdM, głównie ze względu na małe rozmiary, niskie zużycie energii oraz dobre parametry pracy. 

Wszystkie czujniki pracują w odpowiednim paśmie i charakteryzują się danym poziomem szumu, jednak jedynie akcelerometry MEMS generują odpowiedź w postaci sygnału stałonapięciowego, co jest bardzo pomocne przy wykrywaniu braku stabilności przy bardzo niskiej prędkości obrotu oraz detekcji przechyłów. Akcelerometry MEMS mają też często wbudowaną funkcję auto-testu, pozwalającą na 100-procentową weryfikację jego funkcjonalności. Jest to bardzo pożądana cecha w aplikacjach, gdzie ważne jest bezpieczeństwo funkcjonowania, ponieważ łatwo jest zweryfikować, czy czujnik wciąż funkcjonuje.  

Możliwe jest hermetyczne zamknięcie akcelerometru MEMS w obudowie ceramicznej oraz zamknięcie akcelerometru piezoelektrycznego w obudowie mechanicznej, co umożliwia ich zastosowanie w ciężkich, zanieczyszczonych warunkach. Tabela 4 skupia się na fizycznych, mechanicznych oraz środowiskowych warunkach działania poszczególnych czujników. Jak pokazano w tym zestawieniu, istnieją kluczowe różnice pomiędzy typami czujników jeśli chodzi o sposób ich integracji, stopień odporności na otoczenie, właściwości mechaniczne czy sposób przytwierdzenia do rotujących części.  

Wykrywanie wibracji w trzech osiach oferuje jeszcze więcej możliwości diagnostycznych, prowadząc do lepszej wykrywalności nieprawidłowości. Chociaż nie ma to znaczenia w każdym systemie PdM, stanowi to znaczną przewagę akcelerometrów MEMS i piezoelektrycznych pod względem jakości gromadzonych danych, okablowania oraz oszczędności miejsca. 

Wystawione na działanie wilgoci przez dłuższy okres, mikrofony MEMS wykazały odchylenia do –8 dB. Pomimo iż nie jest to duże odchylenie, należy je uwzględnić przy projektowaniu systemów, mających działać w warunkach wilgotności. W takich przypadkach, mikrofon ECM (elektretowy) wykazuje swoją przewagę nad MEMS. Także inne czynniki otoczenia, takie jak wiatr, ciśnienie atmosferyczne, pole elektromagnetyczne czy oddziaływanie mechaniczne, mogą oddziaływać na pracę mikrofonu. 

W niewymagającym otoczeniu mikrofony MEMS w aplikacjach PdM oferują bardzo dobre właściwości. Na dzień dzisiejszy, nie ma informacji o stosowaniu mikrofonów MEMS w wymagającym otoczeniu, takim jak wibracje, brud czy wilgoć. Projektując system, należy wziąć pod uwagę fakt, iż wibracje mogą zakłócać pracę mikrofonu MEMS, choć mikrofony ECM są podatne na nie jeszcze bardziej. Jeśli system PdM działa bezprzewodowo, obudowa musi mieć otwór (względnie port) umożliwiający dotarcie sygnału akustycznego do czujnika, co nie tylko komplikuje projekt, lecz także naraża pozostałą elektronikę na działanie kurzu i wilgoci.