Géprezgések korrekt mérése (érzékelése) (mérőhely, rezgésérzékelő, érzékelőcsatolás)

Géprezgések korrekt mérése (érzékelése)

Egyre több cég ismeri fel, hogy a birtokában lévő forgógépek rezgésdiagnosztikai állapotfelmérése és követése révén hatékonyan végezhető el a karbantartás, csökkenthetők a karbantartási költségek és ritkábbá válnak (vagy akár teljesen kizárhatóak) a váratlan üzemzavar miatti gépleállások. Erre alkalmas műszerek sok cégtől beszerezhetők. A képességekben és az árban meglévő különbségektől eltekintve viszont egy dologban minden hordozható műszer azonos: a műszerhez tartozó rezgésérzékelővel kell a gép rezgéseit „érzékelni”. Akármilyen egyszerűnek tűnik ez, sok esetben épp ezzel kapcsolatosan követ el a tapasztalatlan kezelő olyan hibákat, melyek a mérési eredményeket nemcsak pontatlanná, hanem akár teljesen megkérdőjelezhetővé teszik.

Hol kell mérni?

Minden mechanikai rezgés ott a legerősebb, ahol keletkezik. A rezgés energiájának továbbadása bármilyen anyagban többé-kevésbé csillapítva történik (például az acél csak gyengén csillapít, a gumi viszont erőteljesen elnyeli a rezgéseket). Minél magasabb frekvenciájú a rezgés, annál erősebb a csillapítás. Ezért alacsony frekvenciás rezgéseket a forrástól nagyobb távolságban is érzékelhetünk, de a magas-frekvenciájú (több kHz-es) rezgések (például csapágyrezgések) érzékelési távolsága nagyon korlátozott.

A csillapításon túl figyelembe kell venni azt a tény is, hogy további rezgésenergia-veszteség lép föl, ha egyik testről másik testre (esetünkben gépalkatrészek között) történik a rezgés átadása. Minél szorosabb két elem kapcsolata, annál teljesebb a rezgésenergia átadása. Az egymással kapcsolatban nem álló elemek nem követik egymás rezgéseit. Tovább nehezíti a dolgunkat, hogy a magas-frekvenciájú rezgéseket végző kisebb elemek (például csapágyalkatrészek) által átadható mozgásenergia elegendő ahhoz, hogy gerjesztést adjon nagyobb testeknek rezgések végzéséhez. Ezért alapszabályként kell betartanunk, hogy a rezgésforráshoz minél közelebb mérjünk! Forgógépek esetén a csapágyházakon kell mérni, mivel a forgó alkatrészek hibáiból keletkező rezgések ide kerülnek át, és a magából a csapágyhibából eredő (nagyfrekvenciájú) rezgések is csak itt mérhetők. Soha ne mérjünk laza burkolaton vagy különálló – szoros kapcsolat nélküli – gépelemeken, ha a gép forgó alkatrészeire vonatkozó rezgésekre vagyunk kíváncsiak! (Az utóbbiakon csak akkor érdemes méréseket végeznünk, ha fennáll a gyanú, hogy azok a gép valamely gerjesztésére berezonálhatnak.)

Mivel kell mérni?

Nem mindegy, hogy milyen frekvenciatartományú rezgésekre vagyunk kíváncsiak. A gépállapot-felméréshez leggyakrabban az ISO 10816 szabványban ajánlott frekvenciatartományt alkalmazzuk, amely szerint 10 Hz és 1 kHz között mérjük a rezgést (a sebesség effektív értékében skálázva). 3000 fordulat/perc fordulatszámon vagy ennél gyorsabban forgó gépek esetén a frekvenciatartományt 10 Hz és 2-3 kHz között érdemes beállítanunk, míg lassú gépeknél (néhány 100 fordulat/perc) már 2 Hz-től kell a rezgéseket mérnünk. A gép fordulatszáma alapján tehát eltérők a mérési feladatok és a méréskor figyelembe veendő körülmények is. A tipikus ipari gépek (1500, illetve 3000 fordulat/perc) a legtöbb műszerhez szállított szokványos érzékelővel – többnyire ICP kivitelű (beépített töltéserősítővel rendelkező) piezoelektromos rezgésgyorsulás-érzékelőkkel – jó pontossággal megmérhetők, feltéve persze, hogy az érzékelőt megfelelően rögzítették a mérési tárgyra (lásd a későbbiekben).

Ugyanolyan jól alkalmazhatók az elektrodinamikus rezgéssebesség-érzékelők is, amelyek a lassabban forgó gépek esetén sokszor még jobbak is a piezoelektromos érzékelőknél: gondoljuk csak végig, hogy a piezoelektromos érzékelőkben a beépített szeizmikus tömeg által a piezokristályra gyakorolt erő változására keletkezik a töltés, amelyet erősítünk, és a rezgésgyorsulással arányos jelnek tekinthetünk. Lassú mozgásoknál – bár nagy lehet a kitérés vagy akár a sebesség – alig van gyorsulás, így a piezokristályra ható erők nem változnak, és ezért nincs töltés és jel se. A géprezgés méréséhez alkalmazott (kisméretű) piezoelektromos érzékelők által mérhető legkisebb rezgésfrekvencia 1-2 Hz körül van (0,3 Hz-nél többnyire már 3 dB csillapítás lép föl).

A gyorsabban forgó gépeknél viszont a magasabb frekvenciájú rezgések méréséhez szinte kizárólagosan a piezoelektromos érzékelők alkalmasak. Nem ritka, hogy a mérési frekvencia­tartományuk 15-40 kHz-ig is terjed. A nagyfrekvenciájú rezgések mérhetőségére vonatkozóan viszont azt a fizikai tényt is figyelembe kell venni, hogy e rezgések csak minél kisebb súlyú – minél magasabb saját­frekvenciájú – elemek által követhetők jól. Ez természetesen a méréshez szükséges érzékelőre is vonat­kozik: ha nem csavarosan történik a felszerelése, a magasabb frekvenciájú rezgések méréséhez minél kisebb súlyú érzékelőt kell alkalmazni. Tartómágneses rögzítés esetén annak is minél könnyebbnek kellene lennie. (Sajnos ezzel együtt csökken a mágnes tartóereje, ami kifejezetten hátrányos.) A legnagyobb gond viszont a rezgések átadása a mérendő felületről az érzékelőre: az érzékelő mechanikus csatolásának milyensége döntően befolyásolja a mérést a magas-frekvenciájú tartományban.

Frekvenciamenet rögzítésfüggése (forrás: PCB)

Hogyan kell az érzékelőt a mérendő tárgyhoz „rögzíteni”?

Ez egyike a legkényesebb témáknak. Az érzékelők érzékelési iránya szinte kivétel nélkül mindig a közép­tengelyükkel esik egybe. A helyes méréshez biztosítani kell, hogy az érzékelő minél jobban kövesse a mérőpont (tehát a gépelem felületének) mozgását a mérni kívánt irányban. A rezgések követésének minőségétől függően akár más-más mérési eredményekre is számítanunk kell. Mi ennek az oka? Termé­szetesen az érzékelőre is vonatkozik az a tény, hogy a rezgésátadásnál veszteségek lépnek fel – minél magasabb frekvenciájú a rezgés, annál nehezebben követi azt az érzékelő (saját tömegének tehetet­lensége miatt). Elsősorban a nagyfrekvenciájú rezgések érzékelhetősége függ tehát attól, hogy milyen kapcsolat jön létre az érzékelő és a mérőfelület között. Ennek összefüggéseit a jobb oldali ábra mutatja.

A frekvenciamenet rögzítésfüggése

Érzékelő tapintóval (forrás: PCB)

Sok műszerhez érzékelő tapintótüskét is szállítanak, amellyel nehezen elérhető – vagy más okból mágneses rögzítésre alkalmatlan – mérő­pontokon is lehet mérni. Viszont a magas frekvenciájú rezgések ezzel a módszerrel csak pontatlanul, illetve egyáltalán nem mérhetők. Az érzé­kelő csak azokat a rezgéseket követi, amelyeket a kézi tapintónyomás révén átvesz. Ezek frekvenciája soha nem lehet több 2-3 kHz-nél. Hibás elképzelés, ha kézi tapintóval vagy akár a műszerrel mecha­nikusan egybeépített érzékelővel próbálunk 5 kHz vagy annál maga­sabb frekvenciájú rezgéseket mérni. E rezgések ugyanis nem kerülnek az érzékelőre, ellenben az érzékelőnek, a vele együtt rezgő tapintónak, ill. a műszer alkatrészeinek sajátfrekvenciája befolyásolni fogja a méré­sünket. A tapintóval történő mérés helyességének ellenőrzésére átmenetileg növeljük a tapintónyomást. Ha a leolvasható érték változik, a mérési ponttal létrehozott kontaktust ellenőriznünk kell (festék, laza elem stb. jelenléte). Ha ez nem segít, mindenképpen használjunk tartómágnest, illetve szereljük fel az érzékelőt menetes csapszeggel közvetlenül a gépre.

A gyakorlatban általános megoldásként a mágneses rögzítőtalpak (tartómágnesek) alkalmazása vált be, mivel ismételt mérések esetén is egyforma mérési körülményt biztosítanak, gyorsan lehet velük dolgozni, és a mérést végző személynek nem kell az érzékelőt a mérőponton tartania az adatok felvétele alatt. Az érzékelő-, illetve a műszergyártók által szállított mágnesek – helyes kezelést feltételezve – akár évekig is a megfelelő tartóerővel bírnak ahhoz, hogy ipari (tehát nem steril laboratóriumi) körülmények között elég erős kapcsolatot biztosítsanak az érzékelő és a mérőfelület között. Ne felejtsük el viszont azt a tényt, hogy a magas frekvenciák átviteléhez minden szennyeződés és vastag festékréteg eltávolítandó! Ezek ugyanis az alkalmazott mágnes erősségétől függetlenül mechanikus szűrőként hatnak.

Érzékelő tartómágnessel (forrás: PCB)

Nem meglepő viszont, hogy még tartómágnes használata esetén is csak igen korlátozott frekvenciatartományban mérhetünk, végtére is csupán a tartómágnes ereje biztosítja a rezgések átvételét. Hátrányos, hogy a nagyobb tapadás eléréséhez minél nagyobb mágnest kellene használni, a mágnes és az érzékelő viszont egy testként viselkedik, amely növekvő súlyánál (egyre alacsonyabb sajátfrekvenciájánál) fogva egyre kevésbé hajlandó a magas-frekvenciájú rezgések követésére. Általában elmondhatjuk, hogy arányos méretű mágnes használata és megfelelő mérési felület (sík, tiszta, festetlen) mellett akár 8-10 kHz-ig is mérhetünk.

A frekvenciatartomány kiterjesztése

Amennyiben e frekvenciahatáron túl is szeretnénk rezgéseket mérni, kénytelenek vagyunk egészen más rögzítési technológiákat alkalmazni. Ha alátétlemezt ragasztunk a mérendő felületre, és erre az érzékelőt csavarosan rögzítjük, megfelelő ragasztó mellett akár 20 kHz-ig is mérhetünk. Körülbelül 30 kHz-ig bővül a mérhető frekvenciatartomány, ha az érzékelő közvetlen felragasztása mellett döntünk. (Természetesen e frekvenciákhoz megfelelő frekvenciatartományú érzékelőt is feltételezünk.) Ha pedig egészen 40 kHz-ig kívánunk mérni, már csak egy megoldás lehetséges: az érzékelőt közvetlenül a mérendő felületre (sík, tiszta, festetlen) kell felszerelni. A rezgésátvitelt pedig azzal kell segítenünk, hogy az érzékelő és a mérési felület közé viaszt teszünk.

Érzékelő csavaros rögzítéssel (forrás: PCB)

Megjegyzendő, hogy egyes esetekben további problémákkal is szembe kell néznünk. Egyrészt az érzékelő (és a tapintótüske, illetve -mágnes) súlya befolyásolhatja a mért értéket, mert hatással van a mérendő tárgy rezgésére. Ökölszabály, hogy csak fenntartással fogadjuk el azokat a mérési eredményeket, amelyeket az érzékelő összsúlyának (tehát mágnessel, illetve tapintótüskével együtt mért súlyának) 10-szeresénél könnyebb gépelemeken mértünk. Másrészt – ahogy ez az 1. ábrán is látszik – minden szerelési technológia felső frekvenciahatáránál föllép az úgynevezett csatolási rezonancia. Emiatt fordulhat elő tapintótüskével történő mérések esetén a körülbelül 3 kHz-es, mágneses rögzítéskor pedig a nagyjából 10 kHz-es rezgések rezonanciakénti felerősítése. Ennek következménye pedig teljesen irreális mérési eredményekben mutatkozik meg.

Ha a rezgésmérés során “furcsa” értékekkel találkozunk, ennek oka lehet, hogy az érzékelő csatolását nem a fentiek szerint választottuk meg. A csatolást érdemes a megfelelő gondossággal megvalósítani, mert ettől sokkal inkább függhet a mérésünk, mint az érzékelő vagy a műszer képességeitől. Így például hiába mér egy műszer 20 vagy akár 40 kHz-ig, ha mágnessel vagy – a legrosszabb esetben – tapintótüskével történik a rezgések érzékelése.

 

Rahne Eric (PIM Kft.)
pim-kft.hu
gepszakerto.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.