Jak dobrać czujnik drgań do maszyny

Czujnik drgań jest pierwszym ogniwem toru pomiarowego i jego parametry ograniczają wszystko, co dzieje się dalej. Źle dobrany akcelerometr może nie wykazać rozwijającego się uszkodzenia łożyska, ulec nasyceniu przy dużych drganiach albo szybko zawieść w agresywnym środowisku. Poniżej opisujemy kolejność decyzji, która sprawdza się w praktyce utrzymania ruchu — od celu pomiaru do szczegółów zamówienia.

1. Do czego posłuży sygnał?

To najważniejsze pytanie, bo od odpowiedzi zależy rodzaj wyjścia czujnika.

• Analiza drgań, kolektor danych, system online — potrzebny jest dynamiczny sygnał drgań, z którego można wyznaczyć widmo, obwiednię i przebieg czasowy. Taki sygnał daje akcelerometr przemysłowy AC (IEPE): napięcie zmienne proporcjonalne do przyspieszenia.

• Trend i alarmy w PLC, DCS lub SCADA — wystarczy jedna wartość ogólna drgań przesyłana sygnałem 4–20 mA. Wtedy właściwym wyborem jest czujnik drgań 4–20 mA zasilany z pętli prądowej, podłączany bezpośrednio do wejścia analogowego sterownika.

• Jedno i drugie — czujnik z podwójnym wyjściem, np. 4–20 mA proporcjonalnym do prędkości drgań i równoległym sygnałem AC przyspieszenia, pozwala alarmować w PLC i jednocześnie wykonywać okresową analizę kolektorem danych w tym samym punkcie.

Różnice między oboma typami sygnału opisujemy w artykule porównującym akcelerometry IEPE i czujniki 4–20 mA.

2. Wielkość mierzona

Akcelerometr mierzy przyspieszenie, a przyrząd lub moduł może przeliczyć je na prędkość drgań przez całkowanie. Prędkość w mm/s RMS jest powszechnie stosowaną miarą ogólnego stanu maszyny, natomiast przyspieszenie lepiej pokazuje zjawiska o wysokiej częstotliwości, takie jak wczesne uszkodzenia łożysk tocznych czy zazębienie przekładni. Czujniki 4–20 mA zamawia się więc w wariancie proporcjonalnym do prędkości albo do przyspieszenia. Dla przyrządów i systemów, które oczekują sygnału prędkości, przeznaczone są czujniki z wyjściem prędkościowym.

Jeśli w tym samym punkcie chcesz kontrolować temperaturę obudowy łożyska, wybierz wersję z dodatkowym wyjściem temperatury — 10 mV/°C lub PT100. Jeden czujnik to jeden punkt montażowy i jeden przewód.

3. Czułość lub zakres pomiarowy

Standardem dla akcelerometrów AC w diagnostyce jest czułość 100 mV/g i sprawdza się ona w większości maszyn wirnikowych: silnikach, pompach, wentylatorach i przekładniach. Niższą czułość (np. 10, 30 lub 50 mV/g) wybiera się przy dużych poziomach drgań i udarów, gdy sygnał przy 100 mV/g mógłby przekroczyć zakres wyjścia czujnika albo wejścia przyrządu. Wyższą (np. 250 lub 500 mV/g) — przy bardzo małych poziomach drgań, typowych dla maszyn wolnoobrotowych, gdy użyteczny sygnał zbliża się do poziomu szumów toru pomiarowego. Dostępne czułości zależą od modelu.

W czujnikach 4–20 mA zamiast czułości wybiera się zakres pomiarowy, np. 0–25 mm/s lub 0–2 g. Zakres powinien obejmować spodziewane poziomy drgań z zapasem na stany alarmowe. Nie może być jednak zbyt szeroki, bo wtedy typowe wartości zajmą tylko niewielką część sygnału.

4. Pasmo częstotliwości a prędkość obrotowa i rodzaj uszkodzeń

Standardowe pasmo akcelerometrów AC producenta wynosi 0,8 Hz – 15 kHz (±3 dB) i w razie potrzeby można je dostosować do aplikacji filtrem; pasmo konkretnego modelu podaje karta katalogowa. Aby ocenić, czy wystarczy, przelicz prędkość obrotową na częstotliwość: wał obracający się z prędkością 1500 obr./min to 25 Hz.

• Niewyważenie, niewspółosiowość, luzy — składowe o częstotliwości obrotowej i jej niskich wielokrotnościach.

• Łożyska toczne — charakterystyczne częstotliwości uszkodzeń oraz składowe wysokoczęstotliwościowe pobudzane przez udary, analizowane metodą obwiedni.

• Przekładnie zębate — częstotliwość zazębienia (liczba zębów pomnożona przez częstotliwość obrotową wału) z harmonicznymi i wstęgami bocznymi.

Maszyny wolnoobrotowe wymagają dobrej odpowiedzi czujnika przy niskich częstotliwościach, a diagnostyka łożysk i przekładni — szerokiego pasma w górę. Górną granicę użytecznego pasma ogranicza też sposób montażu: szpilka przenosi wysokie częstotliwości lepiej niż magnes.

5. Warunki pracy

• Temperatura — porównaj zakres temperatury pracy czujnika z temperaturą w miejscu montażu, a zakres temperatury przewodu — z warunkami na całej jego trasie, np. w pobliżu pieców, suszarni czy walcarek. W tym samym modelu zakres może zależeć od wersji: przewód PUR ma węższy zakres niż przewód w oplocie lub FEP. Do temperatur przekraczających możliwości standardowych czujników służą akcelerometry wysokotemperaturowe z zewnętrznym wzmacniaczem ładunku — np. HS-105 pracuje do 250 °C.

• Woda i mycie — w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym maszyny są regularnie myte, często pod ciśnieniem i z użyciem środków chemicznych. Stopień ochrony IP dobierz do sposobu mycia i ryzyka zalania; liczy się także szczelność połączenia czujnika z przewodem.

• Oleje, chemikalia, ścieranie — decydują głównie o wyborze powłoki przewodu.

• Atmosfera wybuchowa — w strefach Ex potrzebne jest wykonanie z odpowiednim certyfikatem, np. akcelerometr iskrobezpieczny lub czujnik 4–20 mA w wersji iskrobezpiecznej, oraz prawidłowo zaprojektowany obwód z barierą. Szczegóły w poradniku o czujnikach drgań w strefach zagrożonych wybuchem.

6. Złącze czy przewód zintegrowany

Czujnik ze złączem (np. M12 albo 2-pin lub 3-pin MS) można odłączyć i wymienić bez demontażu całej instalacji, a przewód dobiera się osobno z oferty przewodów i złączy. Przewód zintegrowany jest fabrycznie połączony z czujnikiem, więc nie ma dodatkowego połączenia, które mogłoby się poluzować lub zawilgocić — ma to znaczenie przy myciu, zalewaniu i silnych drganiach. Wymiana czujnika oznacza jednak wymianę przewodu do najbliższego punktu przyłączeniowego.

W wersjach z przewodem wybiera się rodzaj powłoki:

• PUR — odporny na oleje i ścieranie, uniwersalny wybór w zakładach przemysłowych.

• W oplocie — dodatkowa ochrona mechaniczna przed przecięciem i zgnieceniem.

• FR — przewód trudnopalny.

• HFFR — bezhalogenowy, tam gdzie wymaga się ograniczenia emisji dymu i gazów halogenowych w razie pożaru.

• FEP — do wysokich temperatur i środowisk chemicznych.

Na odcinkach szczególnie narażonych na uszkodzenia można zastosować przewód w osłonie ochronnej. Długość przewodu określa się przy zamówieniu.

7. Wyjście górne czy boczne

Wyjście górne (Top Exit) wyprowadza przewód w osi czujnika i jest najczęściej stosowane. Wyjście boczne (Side Exit) daje niski profil — przydaje się w ciasnych miejscach, pod osłonami i tam, gdzie wystający przewód byłby narażony na uderzenia lub osadzanie się pyłu. Zmierz wolną przestrzeń nad punktem pomiarowym, uwzględniając promień gięcia przewodu i miejsce na złącze.

8. Montaż i gwint

Najsztywniejsze połączenie i najszersze użyteczne pasmo zapewnia montaż na szpilce w przygotowanym, płaskim gnieździe. Gdy nie można wiercić, stosuje się podstawę klejoną, a przy pomiarach okresowych — magnes. Przy zamówieniu określ gwint montażowy, np. 1/4"-28 UNF, M6, M8, M10 lub Quick Fit (dostępność zależy od modelu). Zalety i ograniczenia poszczególnych metod omawiamy w artykule o montażu czujników drgań, a akcesoria znajdziesz w kategorii elementy montażowe.

9. Liczba osi

Typowy punkt pomiarowy to czujnik jednoosiowy zamontowany promieniowo. Gdy w jednym miejscu potrzebne są pomiary w kilku kierunkach — poziomym, pionowym i osiowym — czujnik dwu- lub trójosiowy zastępuje kilka czujników jednoosiowych, upraszcza montaż i zmniejsza liczbę przewodów. Wersje trójosiowe są dostępne zarówno z wyjściem AC, jak i 4–20 mA. Parametry poszczególnych osi mogą się różnić, dlatego sprawdź je w karcie katalogowej.

Lista kontrolna

1. Dokąd trafi sygnał: kolektor danych lub analizator, system online czy PLC/DCS/SCADA?

2. Co mierzysz: przyspieszenie, prędkość, a może także temperaturę?

3. Jaka czułość (standardowo 100 mV/g) albo jaki zakres 4–20 mA?

4. Jaka jest prędkość obrotowa maszyny i jakie uszkodzenia chcesz wykrywać?

5. Jaka temperatura panuje w miejscu montażu i na trasie przewodu?

6. Czy występuje woda, mycie, oleje lub chemikalia — jaki stopień IP i jaka powłoka przewodu?

7. Czy punkt pomiarowy znajduje się w strefie zagrożonej wybuchem — jakiej?

8. Złącze czy przewód zintegrowany i jakiej długości?

9. Wyjście górne czy boczne — ile jest miejsca nad punktem pomiarowym?

10. Jaka metoda montażu i jaki gwint?

11. Ile osi i ile punktów pomiarowych na maszynie?

Wybrane modele dodaj do zapytania ofertowego i podaj w nim wymagane opcje. Jeżeli aplikacja jest nietypowa, opisz maszynę i warunki pracy w formularzu kontaktowym — pomożemy dobrać czujnik.