Kompleksowa analiza i przewodnik po zastosowaniach piezoelektrycznych systemów akcelerometrów wibrometrycznych

Wprowadzenie: Centralna rola monitorowania wibracji i technologii czujników piezoelektrycznych we współczesnym przemyśle

W nowoczesnych systemach przemysłowych monitorowanie stanu i przewidywanie usterek urządzeń mechanicznych stało się krytyczne dla zapewnienia bezpieczeństwa produkcji i poprawy wydajności operacyjnej. W szczególności maszyny wirujące, takie jak turbiny, sprężarki i generatory, charakteryzują się charakterystyką wibracji, która bezpośrednio odzwierciedla stan operacyjny sprzętu. Technologia monitorowania wibracji wykrywa i analizuje sygnały drgań mechanicznych, aby zidentyfikować wczesne oznaki niewyważenia, niewspółosiowości, zużycia łożysk, usterek przekładni i innych problemów, zapobiegając w ten sposób katastrofalnym awariom i umożliwiając konserwację predykcyjną.

Spośród różnych technologii czujników drgań, akcelerometry piezoelektryczne stały się najczęściej stosowanymi urządzeniami czujnikowymi w przemysłowym monitorowaniu drgań ze względu na ich wyjątkowe zalety w zakresie wydajności. Vibro-Meter SA ze Szwajcarii, jako wyspecjalizowany dostawca technologii w tej dziedzinie, oferuje piezoelektryczne systemy akcelerometrów serii CA XXX i CE XXX. Znane ze swojej wysokiej niezawodności, możliwości dostosowania do szerokiego zakresu temperatur i przydatności do stosowania w atmosferach potencjalnie wybuchowych, systemy te są szeroko stosowane w krytycznych światowych gałęziach przemysłu, takich jak energetyka, chemikalia, lotnictwo i morze.

W oparciu o „Instrukcję obsługi akcelerometrów piezoelektrycznych serii CA XXX/CE XXX” (wydanie 4) opublikowaną przez firmę Vibro-Meter, w tym artykule systematycznie analizowano zasady techniczne, klasyfikacje modeli, specyfikacje instalacyjne, wymagania bezpieczeństwa i praktyki stosowania tej serii produktów. Celem jest zapewnienie wszechstronnej i pogłębionej dokumentacji technicznej dla personelu inżynieryjnego i technicznego, wspierającej optymalne projektowanie i niezawodne działanie systemów monitorowania drgań urządzeń przemysłowych.

Rozdział 1: Zasady techniczne akcelerometrów piezoelektrycznych i systemu produktów wibrometrycznych

1.1 Zasada pomiaru efektu piezoelektrycznego i przyspieszenia

Podstawową fizyczną podstawą akcelerometru piezoelektrycznego jest efekt piezoelektryczny — zjawisko fizyczne, podczas którego niektóre materiały krystaliczne (takie jak kwarc lub ceramika) generują ładunek elektryczny poddawany naprężeniom mechanicznym. Akcelerometry Vibro-Meter wykorzystują konstrukcje typu ściskającego lub ścinającego, precyzyjnie montując piezoelektryczne elementy kryształowe z masą bezwładności. Kiedy czujnik wibruje wraz z mierzonym obiektem, masa bezwładności wywiera okresowe naprężenie na kryształ piezoelektryczny, generując sygnał ładunku proporcjonalny do przyspieszenia.

Jak pokazano w instrukcji na rysunkach 1-4 i 1-5, w strukturze typu ściskanego komórki kryształowe poddawane są działaniu siły ściskającej wzdłuż osi czułości, natomiast w strukturze typu ścinającego poddawane są działaniu siły ścinającej. Obie konstrukcje mają swoje zalety: rodzaje kompresji zazwyczaj oferują wyższą sztywność i częstotliwość rezonansową, odpowiednie do pomiarów o wysokiej częstotliwości; typy ścinające są mniej wrażliwe na odkształcenia podstawowe i zmiany temperatury, zapewniając lepszą zdolność adaptacji do środowiska.

Zakres odpowiedzi częstotliwościowej akcelerometrów piezoelektrycznych wynosi zazwyczaj od 3 Hz do ponad 20 kHz i obejmuje charakterystykę częstotliwości drgań większości przemysłowych maszyn wirujących. Ich zakres temperatur roboczych może wynosić od -196°C do +620°C, co pozwala im niezawodnie pracować w środowiskach o ekstremalnych temperaturach, np. w pobliżu źródeł ciepła w turbinach gazowych lub kriogenicznych urządzeniach pompujących.

1.2 System klasyfikacji produktów z akcelerometrem wibrometrycznym

Vibro-Meter dzieli swoje piezoelektryczne systemy akcelerometrów na trzy główne klasy, w oparciu o metodę integracji elektroniki kondycjonującej sygnał z głowicą czujnikową:

1.2.1 Akcelerometry z oddzielnym elektronicznym kondycjonerem (seria CA)
Te akcelerometry (np. CA 134, CA 135, CA 136, CA 201, CA 216, CA 902, CA 905) zawierają tylko piezoelektryczny element czujnikowy, wytwarzający sygnał ładowania proporcjonalny do przyspieszenia (czułość zwykle wyrażana w pC/g). Sygnał ładowania przesyłany jest dedykowanym, niskoszumnym kablem do osobnego konwertera ładowania (np. serii IPC XXX), gdzie jest przetwarzany na sygnał modulowany prądowo. Główną zaletą tej konstrukcji jest to, że głowica czujnikowa może wytrzymać bardzo wysokie lub bardzo niskie temperatury (od -54°C do +620°C, w zależności od konkretnego modelu), dzięki czemu nadaje się do punktów pomiarowych w pobliżu źródeł ciepła lub zimna.

1.2.2 Akcelerometry z dołączonym kondycjonerem elektronicznym (seria CE 134/136)
Akcelerometry te posiadają kondycjoner elektroniczny w postaci oddzielnego modułu przymocowanego do końca kabla głowicy pomiarowej (niezintegrowanego w tej samej obudowie). Sygnał ładowania jest konwertowany na sygnał modulowany prądem w podłączonym kondycjonerze. Konstrukcja ta równoważy możliwość dostosowania temperatury i uproszczenie systemu: głowica czujnikowa może pracować w środowiskach od -70°C do +350°C (CE 134) lub -54°C do +260°C (CE 136), podczas gdy elektroniczny kondycjoner działa w zakresie od -30°C do +100°C.

1.2.3 Akcelerometry z wbudowanym elektronicznym kondycjonerem (seria CE 310)
Te akcelerometry mają elektroniczny obwód kondycjonujący w pełni zintegrowany z obudową głowicy pomiarowej, bezpośrednio wysyłający sygnał modulowany prądem i eliminujący potrzebę stosowania zewnętrznego przetwornika ładunku. Oferują najbardziej zwartą konstrukcję i najprostszą instalację, ale ich zakres temperatur pracy jest ograniczony przez wewnętrzną elektronikę: -30°C do +150°C dla wersji standardowej i -30°C do +100°C dla wersji przeciwwybuchowej.

1.3 Przewodnik po wyborze modelu: równoważenie temperatury i częstotliwości

Instrukcja Rysunki od 1-1 do 1-3 przedstawiają szczegółowe wskazówki dotyczące wyboru, pokazujące zakresy temperatur roboczych i charakterystykę odpowiedzi częstotliwościowej różnych modeli. Wybór wymaga wszechstronnego rozważenia:

1. Temperatura punktu pomiarowego: Odporność na temperaturę znacznie się różni w zależności od modelu. Na przykład CA 905 wytrzymuje temperaturę do 620°C, podczas gdy standardowy CE 310 jest ograniczony do 150°C.

2. Zakres częstotliwości wibracji: Wszystkie akcelerometry piezoelektryczne obejmują podstawowy zakres 3 Hz - 20 kHz, ale różne modele mają różnice w częstotliwości rezonansowej i liniowych interwałach odpowiedzi.

3. Warunki środowiskowe: Obecność atmosfer potencjalnie wybuchowych (wymagające wersji Ex i), wilgotność, korozyjność itp.

4. Ograniczenia przestrzeni instalacyjnej: wbudowany typ jest najbardziej kompaktowy; typ oddzielny wymaga dodatkowej przestrzeni na konwerter ładunku.

5. Odległość transmisji sygnału: Sygnały modulowane prądem (w oparciu o zasadę 4-20 mA) mogą być przesyłane na odległość ponad 1000 metrów bez znaczących zniekształceń, co czyni je idealnymi dla dużych obiektów przemysłowych.

Rozdział 2: Architektura systemu łańcucha pomiarowego i technologia transmisji sygnału

2.1 Skład kompletnego systemu monitorowania drgań

Łańcuch pomiarowy drgań Vibro-Meter to kompletny system do pozyskiwania, kondycjonowania, transmisji i przetwarzania sygnału, zwykle składający się z następujących elementów:

1. Głowica czujnikowa akcelerometru: Przekształca wibracje mechaniczne w surowy sygnał ładowania.

2. Kabel połączeniowy: Cichy kabel koncentryczny; niektóre modele są wyposażone w osłonę z oplotu ze stali nierdzewnej (typ BOA) zapewniającą ochronę mechaniczną.

3. Kondycjoner sygnału:

• Konwerter ładunku (IPC XXX): Konwertuje sygnał ładowania na sygnał modulowany prądem.

• Lub wbudowany/dołączony obwód kondycjonujący: bezpośrednio dokonuje konwersji sygnału.

4. Kabel transmisyjny: Dwużyłowy kabel ekranowany (seria K 2XX) do przesyłania sygnału modulowanego prądowo.

5. Jednostka separacji galwanicznej (GSI XXX): Eliminuje zakłócenia pętli uziemienia, zapewnia bezpieczne zasilanie przedniego końca i przekształca sygnał prądowy na sygnał napięciowy.

6. Elektroniczny system przetwarzania: taki jak systemy monitorowania MMS lub VM 600 firmy Vibro-Meter do analizy sygnałów, alarmowania i nagrywania.

2.2 Zalety technologii konwersji i transmisji sygnału

Nieprzetworzony sygnał wyjściowy akcelerometru piezoelektrycznego to sygnał ładowania o wysokiej impedancji, bardzo podatny na pojemność kabla, zakłócenia elektromagnetyczne i pętle masy. System Vibro-Meter rozwiązuje te problemy poprzez dwustopniową konwersję:

Pierwszy etap: konwersja ładunku na prąd

• Wykonywane w konwerterze ładunku (IPC) lub wbudowanym kondycjonerze.

• Wykorzystuje technologię modulacji prądu (podobną do zasady przetwornika 4-20 mA).

• Współczynnik konwersji wynosi zazwyczaj 4 mA, co odpowiada 0 g, i 20 mA, jeśli chodzi o przyspieszenie w pełnej skali.

Drugi etap: konwersja prądu na napięcie

• Wykonywane w Jednostce Separacji Galwanicznej (GSI).

• Zapewnia również zasilanie pętli dwuprzewodowej (zwykle 24 VDC).

• Wysyła sygnał napięciowy, który można bezpośrednio podłączyć do sterowników PLC, DCS lub dedykowanych systemów monitorowania.

Zalety tej dwustopniowej architektury konwersji:

• Silna odporność na zakłócenia: Sygnały prądowe są niewrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne.

• Duża odległość transmisji: może przekroczyć 1000 metrów bez znaczącej degradacji sygnału.

• Uproszczone okablowanie: do przesyłania sygnału i zasilania potrzebny jest tylko kabel dwużyłowy.

• Iskrobezpieczeństwo: Nadaje się do stosowania w atmosferach potencjalnie wybuchowych (w przypadku stosowania z certyfikowanymi barierami).

2.3 Cztery typowe konfiguracje łańcucha pomiarowego

Podręcznik w rozdziale 2 szczegółowo opisuje cztery typowe konfiguracje:

2.3.1 Akcelerometr ze złączem + oddzielny elektroniczny kondycjoner
Odpowiedni dla modeli takich jak CA 902, CA 905, CA 135 i niektórych wersji CA 134/136. Akcelerometr posiada złącze 7/16'-27 UNS-2A i wymaga dedykowanego kabla połączeniowego. Przetwornik umieszczony jest w wodoodpornej obudowie poliestrowej, z dławnicami kablowymi zapewniającymi stopień ochrony.

2.3.2 Akcelerometr ze zintegrowanym kablem + oddzielny elektroniczny kondycjoner
Odpowiedni dla modeli takich jak CA 201, CA 216 i niektórych wersji CA 134/136. Akcelerometr jest fabrycznie podłączony za pomocą niskoszumnego kabla z osłoną BOA, który łączy się bezpośrednio z konwerterem ładunku. Upraszcza to instalację w terenie i zmniejsza ryzyko awarii punktów przyłączeniowych.

2.3.3 Akcelerometr z dołączonym elektronicznym kondycjonerem
Odpowiedni dla CE 134 i CE 136. Kondycjoner jest przymocowany do końca kabla i nie można go odłączyć od głowicy pomiarowej. Kabel jest przyspawany do obu obudów, co zapewnia wytrzymałość mechaniczną i szczelność.

2.3.4 Akcelerometr z wbudowanym elektronicznym kondycjonerem
Odpowiedni dla CE 310. Obwód kondycjonujący jest w pełni zintegrowany z głowicą czujnikową, a do podłączenia kabla transmisyjnego używana jest skrzynka przyłączeniowa (JB XXX). Zapewnia to najbardziej zwartą konstrukcję i najprostszą instalację.

Rozdział 3: Techniki instalacji i rozważania mechaniczne

3.1 Zasady wyboru miejsca instalacji

Wybór prawidłowego miejsca instalacji ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dokładnych danych dotyczących drgań. Instrukcja Rysunek 4-1 ilustruje zalecane punkty mocowania:

1. Jak najbliżej łożysk: Łożyska stanowią punkt połączenia pomiędzy wirnikiem a stojanem, najlepiej odzwierciedlający stan wibracji maszyny.

2. Na sztywnych częściach konstrukcyjnych: Unikaj montażu na obudowach maszyn lub konstrukcjach o niewystarczającej sztywności, ponieważ mogą one wykazywać lokalne rezonanse, które wzmacniają lub tłumią rzeczywiste wibracje.

3. Dostępność i bezpieczeństwo: zrównoważenie potrzeb pomiarowych z wygodą konserwacji i zapewnienie bezpiecznego montażu i demontażu.

4. Czynniki środowiskowe: Weź pod uwagę temperaturę, korozję, zakłócenia elektromagnetyczne itp.

3.2 Wymagania dotyczące przygotowania powierzchni montażowej

Prawidłowe przygotowanie powierzchni ma kluczowe znaczenie dla dokładności pomiaru:

1. Płaskość powierzchni: w granicach 0,01 mm (rysunki w instrukcji 5-2, 6-2, 7-2).

2. Chropowatość powierzchni: klasa N7 lub lepsza.

3. Prostopadłość do osi czułości: Powierzchnia montażowa powinna być prostopadła do osi czułości akcelerometru.

4. Czystość: Wolna od oleju, rdzy, powłok itp.

Konkretne etapy obróbki (na przykładzie CA 201):

• Zaznacz pozycje czterech gwintowanych otworów w wybranym miejscu.

• Wywierć cztery otwory: średnica 4,8 mm i głębokość 20 mm.

• Nacinaj gwinty M6 na głębokość 14 mm.

• Przygotuj śruby z łbem o gnieździe sześciokątnym M6 x 35 i podkładki sprężyste.

• Nałóż klej blokujący LOCTITE 241 na śruby.

• Dokręcić kluczem dynamometrycznym momentem nieprzekraczającym 15 Nm.

3.3 Wpływ sposobu montażu na dokładność pomiaru

Podręcznik w rozdziale 3 systematycznie analizuje wpływ różnych metod montażu na pasmo przenoszenia, odwołując się do normy ISO 5348:

3.3.1 Montaż gwintowany (optymalny)

• Stosuj wartości momentu obrotowego zalecane przez producenta (zwykle 2-15 Nm, w zależności od modelu).

• Zapewnia najszerszy efektywny zakres częstotliwości (do 30 kHz).

• Minimalne zniekształcenie fazowe.

3.3.2 Montaż na klej

• Cement cyjanoakrylanowy metylu: maksymalnie 80°C, akceptowalna charakterystyka częstotliwościowa.

• Dwustronna taśma samoprzylepna: maksymalnie 95°C, ograniczone pasmo przenoszenia, szczególnie w przypadku grubej taśmy.

• Folia wosku pszczelego: maksymalnie 40°C, odpowiednia tylko do tymczasowych pomiarów o niskiej częstotliwości.

3.3.3 Inne tymczasowe metody montażu

• Podstawa magnetyczna: maksymalnie 150°C, znacznie ograniczone pasmo przenoszenia.

• Sonda ręczna: Nadaje się tylko do zgrubnych kontroli, pasmo przenoszenia spada poniżej 2 kHz.

Rysunek 3-1 przedstawia ilościowo błąd amplitudy i przesunięcie fazowe spowodowane różnymi metodami montażu. Do precyzyjnych pomiarów i porównywania danych z wielu punktów niezbędne są spójne metody montażu.

3.4 Specyfikacje prowadzenia kabli

Niewłaściwe poprowadzenie kabla może powodować zakłócenia i zniekształcenia sygnału:

1. Minimalny promień zgięcia: nie mniejszy niż 50 mm.

2. Rozstaw mocowania: Używaj klipsów co 100-200 mm.

3. Unikaj naprężeń: Kabel powinien wychodzić z płaszczyzny wibracji, a nie bezpośrednio z czujnika (Rysunek 3-8).

4. Trzymaj się z dala od źródeł zakłóceń: Unikaj biegania równolegle do kabli wysokiego napięcia lub linii przesyłowych wysokiej częstotliwości.

5. Ochrona mechaniczna: W obszarach narażonych na uszkodzenia należy stosować elastyczną peszlę ze stali nierdzewnej KS 106.

3.5 Kluczowe punkty dotyczące instalacji modułów elektronicznych

Konwerter ładowania (IPC):

• Należy zainstalować w miejscu o minimalnych wibracjach lub bez wibracji.

• Zakres temperatury otoczenia: -25°C do +70°C.

• Zwykle instalowany w obudowie przemysłowej ABA 160 o stopniu ochrony IP65.

Jednostka separacji galwanicznej (GSI):

• Zakres temperatury otoczenia: 0°C do +55°C.

• Zwykle instalowany na szynie DIN wewnątrz szafy.

• Dostępny jest dedykowany zestaw montażowy (wspornik, uchwyt pozycjonujący, śruba mocująca M4).

Skrzynka przyłączeniowa (JB):

• Zakres temperatury otoczenia: -20°C do +90°C.

• Stopień ochrony IP65.

• Używany do przejścia kabli dla wbudowanych akcelerometrów, takich jak CE 310.

Rozdział 4: Połączenia elektryczne i techniki uziemiania

4.1 Techniki łączenia kabli

Prawidłowe połączenia elektryczne są kluczem do zapewnienia jakości sygnału i niezawodności systemu:

4.1.1 Ogólne kroki połączenia

1. W razie potrzeby zdejmij izolację kabla (zwykle 4-6 mm).

2. Poprowadź kabel przez dławik kablowy do obudowy.

3. Podłącz do odpowiedniej listwy zaciskowej.

4. Zamontuj pierścień osadczy Ø8, aby zapobiec ślizganiu się kabla.

5. Dokręcić dławik kablowy, aby zapewnić szczelność.

4.1.2 Szczegóły instalacji dławika kablowego (rysunki 5-12, 7-11)

• Odkręcić element 1 w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (nie wyjmować elementu 5 z obudowy).

• Wyciągnij elementy 2 i 3 (dostosowują się do różnych średnic kabli).

• Przeciągnij kabel przez elementy.

• Zmontować i dokręcić elementy dławika.

• Sprawdź, czy kabel jest bezpiecznie zamocowany, aby zapewnić wodoodporność.

4.2 Strategie ekranowania i uziemiania

Właściwe ekranowanie i uziemienie mają kluczowe znaczenie dla zapobiegania zakłóceniom elektromagnetycznym:

1. Połączenie ekranu na końcu czujnika:

• Ekran kabla należy podłączyć do obudowy czujnika od strony czujnika.

• W przypadku czujników montowanych w izolacji należy podłączyć krótki przewód pomiędzy zaciskiem ujemnym (-) a zaciskiem ekranu wewnątrz skrzynki przyłączeniowej lub złącza (Rysunki 6-10, 7-10).

2. Obróbka ekranu kabla transmisyjnego:

• Ekran nie jest podłączony po stronie modułu separacji galwanicznej (GSI).

• Pozwala to uniknąć tworzenia pętli uziemienia.

3. Architektura uziemienia systemu:

• Postępuj zgodnie z zasadą uziemienia jednopunktowego.

• Moduł separacji galwanicznej zapewnia izolację pomiędzy masą sygnału a masą obudowy.

• Obudowy przemysłowe powinny być solidnie uziemione za pomocą śrub mocujących.

4.3 Specyfikacje zespołu złącza

W przypadku modeli ze złączami (np. CG 134) montaż wymaga szczególnej uwagi:

1. Zdemontować zespół złącza.

2. Przylutuj żyły kabla do odpowiednich styków (A, B, C) zgodnie z rysunkiem 6-9.

3. Przylutuj przewód połączeniowy pomiędzy stykami B i C (aby wyeliminować prąd upływowy i zakłócenia pętli uziemienia, gdy czujnik jest prawidłowo uziemiony).

4. Nałóż klej blokujący LOCTITE 241 na gwinty.

5. Zamontuj ponownie złącze, upewniając się, że kabel nie jest skręcony.

6. Włóż do odpowiedniego złącza, dokręcając momentem 7-11 Nm.

4.4 Podłączenia modułu separacji galwanicznej

1. Odizoluj przewody kabla transmisyjnego i zaciśnij zaciski AMP Faston 6.3.

2. Włóż do odpowiednich zacisków GSI (rysunki 5-13, 6-11, 7-12).

3. Podłącz kabel po stronie systemu z podobnie zaciśniętymi zaciskami.

4. Zwróć uwagę na oznaczenia biegunowości: zazwyczaj „+” dla mocy dodatniej, „-” dla sygnału/mocy ujemnej.

Rozdział 5: Specyfikacje zastosowań w atmosferach potencjalnie wybuchowych

5.1 Dyrektywa ATEX i certyfikat przeciwwybuchowy

Produkty Vibro-Meter przeszły rygorystyczną certyfikację do użytku w atmosferach potencjalnie wybuchowych, zgodnie z wymaganiami europejskiej dyrektywy ATEX 94/9/EC. Załącznik B do podręcznika zawiera kompletne certyfikaty badania typu WE:

5.1.1 Typy zabezpieczeń iskrobezpiecznych

• Poziom „ia”: odpowiedni dla strefy 0 (gdzie atmosfera wybuchowa występuje stale lub przez długi czas).

• Poziom „ib”: odpowiedni dla strefy 1 (gdzie podczas normalnej pracy może sporadycznie wystąpić atmosfera wybuchowa).

5.1.2 Klasyfikacja grup gazów

• Grupa IIC: Reprezentuje gazy najłatwiej ulegające zapaleniu (np. wodór, acetylen).

• Grupa IIB: Gazy o średnim ryzyku zapłonu.

• Grupa IIA: Gazy ogólnego ryzyka zapłonu.

5.1.3 Klasa temperaturowa

• T1 do T6: Wskazuje maksymalną temperaturę powierzchni urządzenia, przy czym T6 jest najbardziej rygorystyczna (≤85°C).

• Różne komponenty mogą mieć różne klasy temperaturowe w zależności od ich umiejscowienia i temperatury roboczej.

5.2 Identyfikacja i oznakowanie wyrobów przeciwwybuchowych

Produkty przeznaczone do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem posiadają specjalne oznaczenia, które muszą odpowiadać Certyfikatowi badania typu WE:

Typowy przykład oznakowania:

• WIBROMETR SA

• Typ: CA 134

• Numer seryjny: ...

• Rok budowy: ...

•  II 1G (Grupa sprzętu: II=Non-górnictwo, 1=kategoria 1)

• EEx ia IIC T6 do T1 (rodzaj ochrony: m.in. iskrobezpieczeństwo, grupa gazowa IIC, klasa temperaturowa T6 do T1)

• LCIE 02 ATEX 6110 X (numer certyfikatu)

Oznaczenie „X” wskazuje, że sprzęt podlega specjalnym warunkom bezpiecznego użytkowania, wyszczególnionym w sekcji „Harmonogram” certyfikatu.

5.3 Wymagania dotyczące układu przeciwwybuchowego

System iskrobezpieczny składa się z trzech części, a cała kombinacja musi posiadać certyfikat zgodności:

1. Urządzenie polowe: czujniki, przetworniki itp. zainstalowane w obszarze niebezpiecznym.

2. Powiązane urządzenia: Jednostki separacji galwanicznej itp. zainstalowane w obszarze bezpiecznym.

3. Kabel połączeniowy: Jego parametry (pojemność, indukcyjność) muszą mieścić się w dopuszczalnych granicach systemu.

Weryfikacja kompatybilności systemu:

• Parametry urządzenia polowego: Ui, Ii, Ci, Li.

• Powiązane parametry aparatury: Uo, Io, Co, Lo.

• Parametry rozproszone kabla (pojemność, indukcyjność na jednostkę długości).

• Muszą spełniać: Ui ≥ Uo, Ii ≥ Io, Ci + Ccable ≤ Co, Li + Lcable ≤ Lo.

5.4 Specjalne wymagania instalacyjne w atmosferach wybuchowych

1. Dopasowanie sprzętu: Można podłączyć wyłącznie do certyfikowanych urządzeń iskrobezpiecznych.

2. Kontrola parametrów kabla: W obliczeniach systemu należy uwzględnić rozproszoną pojemność i indukcyjność kabla.

3. Uziemienie i wyrównanie potencjałów: Obudowy muszą być podłączone do systemu wyrównania potencjałów.

4. Żadnych nieautoryzowanych modyfikacji: Wszelkie modyfikacje bez pisemnej zgody producenta unieważniają certyfikat i gwarancję.

5. Ograniczenia dotyczące konserwacji: Sprzętu przeciwwybuchowego nie wolno naprawiać na miejscu; należy go zwrócić do autoryzowanego centrum serwisowego.

Rozdział 6: Akcesoria i pomocnicze elementy montażowe

6.1 Kołki montażowe

Jeżeli bezpośredni montaż na obrabianej powierzchni nie jest możliwy, stosuje się dedykowane kołki montażowe:

Kołek TA 102 (Rysunek 8-1):

• Dla CA 201 i CE 310.

• Umożliwia regulację kąta 30°.

• Materiał ze stali nierdzewnej, odporny na środowiska korozyjne.

Kołek TA 104 (Rysunek 8-2):

• Dla CA 134, CA 135, CA 136, CE 134 i CE 136.

• Kąt montażu 90°.

• Poprawia jakość montażu na nierównych powierzchniach.

Kołek TA 106 (Rysunek 8-3):

• Zaprojektowane specjalnie dla CA 216.

• Kąt montażu 92°.

• Kompaktowa konstrukcja dla lokalizacji o ograniczonej przestrzeni.

6.2 Podpory izolacyjne

6.2.1 Podpora izolująca elektrycznie (TA 101) (Rysunek 8-4)

• Dla CA 201 i CE 310.

• Zawiera tuleje izolacyjne i płytę izolacyjną.

• Zapobiega pętlom uziemienia i zakłóceniom elektrycznym.

• Do montażu wymagane są śruby izolacyjne i podkładki.

6.2.2 Podpora termoizolacyjna (TA 105) (Rysunek 8-5)

• Dla CA 135, CA 136 i CE 136.

• Maksymalna odporność na temperaturę: 300°C.

• Płyta izolacyjna o grubości 5 mm z trzema równomiernie rozmieszczonymi otworami.

• Zmniejsza przewodzenie ciepła z gorącego sprzętu do czujnika.

6.3 Akcesoria do ochrony kabli

Pleciona osłona ze stali nierdzewnej (BOA):

• Zapewnia ochronę mechaniczną i ograniczoną elastyczność.

• Odporny na ciepło i korozję.

• Preinstalowany w modelach ze zintegrowanymi kablami.

Rura elastyczna KS 106:

• Materiał ze stali ocynkowanej lub stali nierdzewnej.

• Zapewnia dodatkową ochronę mechaniczną kabli transmisyjnych.

• Szczególnie przydatny w obszarach narażonych na uderzenia lub ścieranie.

Klipsy montażowe:

• Do kabli/przewodów o średnicy około 8 mm.

• Ustalane w odstępach 100-200 mm.

• Zapobiega wibracjom i otarciom kabla.

Rozdział 7: Konserwacja, rozwiązywanie problemów i pomoc techniczna

7.1 Podstawowe zasady konserwacji

Systemy akcelerometrów piezoelektrycznych Vibro-Meter są zaprojektowane jako urządzenia bezobsługowe, ale odpowiednie przeglądy mogą wydłużyć żywotność:

7.1.1 Lista kontrolna okresowych przeglądów

• Kontrola wzrokowa: Sprawdź pod kątem uszkodzeń fizycznych i korozji.

• Kontrola kabla: Sprawdź integralność powłoki i bezpieczeństwo połączenia.

• Kontrola montażu: Sprawdź dokręcenie śrub, czy nie są poluzowane.

• Kontrola sygnału: Sprawdź szum linii bazowej, zmiany czułości.

7.1.2 Zalecenia dotyczące czyszczenia

• Wytrzyj obudowę miękką szmatką.

• Unikaj żrących środków czyszczących.

• Użyj dedykowanego środka do czyszczenia styków elektronicznych do złączy.

7.1.3 Specjalne wymagania dotyczące urządzeń przeciwwybuchowych

• Wszelkie czynności konserwacyjne muszą być zgodne z wymogami Certyfikatu badania typu WE.

• Urządzenia przeciwwybuchowego nie wolno modyfikować ani naprawiać na miejscu.

• Należy stosować wyłącznie oryginalne części zamienne.

7.2 Przewodnik rozwiązywania problemów

7.2.1 Typowe objawy usterek i możliwe przyczyny

7.2.2 Podstawowe metody badań

1. Kontrola rezystancji: Odłącz i zmierz rezystancję na zaciskach czujnika (zwykle > 1 MΩ).

2. Kontrola izolacji: Zmierzyć rezystancję izolacji pomiędzy czujnikiem a masą (powinna wynosić >100 MΩ).

3. Test funkcjonalny: dotknij lekko czujnika i obserwuj reakcję sygnału.

4. Test substytucyjny: Wymień na czujnik o znanym dobrym działaniu do celów testowych.

7.3 Kalibracja i ponowna certyfikacja

7.3.1 Zalecane okresy kalibracji

• Zastosowania ogólne: Co 24 miesiące.

• Zastosowania krytyczne: Co 12 miesięcy.

• Ekstremalne środowiska: co 6 miesięcy lub rzadziej.

7.3.2 Elementy kalibracyjne

• Czułość (pC/g lub mV/g).

• Pasmo przenoszenia (amplituda i faza).

• Liniowość.

• Czułość poprzeczna.

• Reakcja temperaturowa (opcjonalnie).

7.3.3 Ponowna certyfikacja sprzętu przeciwwybuchowego

• Wymagane po każdej naprawie.

• Muszą być wykonywane wyłącznie przez autoryzowane centra serwisowe.

• Aktualizuje certyfikat i oznaczenia przeciwwybuchowości.

Rozdział 8: Obszary zastosowań i przykłady wyboru

8.1 Typowe obszary zastosowań przemysłowych

Podręcznik w części 1.2 wymienia szerokie obszary zastosowań akcelerometrów piezoelektrycznych:

8.1.1 Maszyny wirujące / elementy napędowe

• Silniki elektryczne: indukcyjne, synchroniczne, silniki prądu stałego.

• Silniki spalinowe: Diesel, silniki gazowe.

• Turbiny gazowe: pochodzące z samolotów, przeznaczone do ciężkich zastosowań przemysłowych.

• Turbiny parowe: Do wytwarzania energii, napędy.

• Turbiny hydrauliczne: typu Francis, Kaplan, Pelton.

• Skrzynie biegów: Wał równoległy, planetarna, przekładnia ślimakowa.

8.1.2 Maszyny wirujące/elementy napędzane

• Wentylatory: odśrodkowe, osiowe.

• Pompy: odśrodkowe, wyporowe, tłokowe.

• Sprężarki: odśrodkowe, osiowe, śrubowe, tłokowe.

• Generatory: Turbogeneratory, hydrogeneratory, generatory diesla.

8.1.3 Inne aplikacje

• Monitorowanie drgań konstrukcji: mosty, budynki, wieże.

• Monitorowanie luźnych części w maszynach wirujących: wykrywanie luźnych ostrzy, śrub itp.

• Monitorowanie maszyn procesowych: Wytłaczarki, kruszarki, przesiewacze.

8.2 Analiza przykładu wyboru

Przykład 1: Monitorowanie drgań w strefie wysokiej temperatury turbiny gazowej

• Charakterystyka środowiskowa: Wysoka temperatura (do 600°C), potencjalnie wybuchowy (ryzyko wycieku paliwa).

• Zalecenia dotyczące wyboru: Wersja CA 905 (wytrzymuje 620°C) lub CA 134 Ex i (wytrzymuje 450°C).

• Konfiguracja: Oddzielny konwerter ładowania zainstalowany w chłodniejszym miejscu za pomocą kabli w izolacji mineralnej.

• Wymagania certyfikacyjne: EEx ia IIC T1-T6, zgodne z ATEX i IECEx.

Przykład 2: Monitorowanie wibracji sprężarki chłodniczej

• Charakterystyka środowiskowa: Niska temperatura (do -50°C), obecność potencjalnie łatwopalnego czynnika chłodniczego.

• Zalecenia dotyczące wyboru: Wersja kriogeniczna CA 134 (wytrzymuje od -200°C do +450°C).

• Konfiguracja: Zintegrowany kabel minimalizujący liczbę punktów połączeń w zimnej strefie.

• Uwagi: Zapobiegaj kondensacji i oblodzeniu kabli.

Przykład 3: Monitorowanie zestawu pompowego na platformie morskiej

• Charakterystyka środowiskowa: Wysoka korozja, wysoka wilgotność, ograniczenia przestrzenne, wymagania przeciwwybuchowe.

• Zalecenia dotyczące wyboru: Wersja CE 310 Ex i (wbudowane kondycjonowanie, zwarta konstrukcja).

• Konfiguracja: Obudowa ze stali nierdzewnej, stopień ochrony IP65, podłączenie poprzez puszkę przyłączeniową.

• Montaż: Aby ułatwić montaż na nierównych powierzchniach, użyj kołka TA 102.

Przykład 4: Monitorowanie online krytycznej skrzyni biegów

• Wymagania: Charakterystyka wysokoczęstotliwościowa (do monitorowania częstotliwości zazębień przekładni), wysoka niezawodność.

• Zalecenia dotyczące wyboru: CA 201 (konstrukcja na ścinanie, niewrażliwa na odkształcenia podstawowe).

• Montaż: Mocowanie gwintowane dla optymalnej charakterystyki częstotliwościowej.

• Przetwarzanie sygnału: Konwerter ładowania z filtrem dolnoprzepustowym tłumiącym szumy o wysokiej częstotliwości.

8.3 Konwersja parametrów wibracji i zastosowanie nomogramu

Dodatek A do podręcznika zawiera nomogramy przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia do konwersji parametrów drgań:

Nomogram L 1347 (jednostki metryczne):

• Oś X: Częstotliwość wibracji (Hz).

• Lewa oś Y: Amplituda przemieszczenia (od szczytu do szczytu, μm).

• Środkowa oś Y: Amplituda prędkości (szczyt, mm/s).

• Prawa oś Y: amplituda przyspieszenia (szczyt, g).

Przykład użycia:
Dane: szczytowe przyspieszenie 1 g, częstotliwość 157 Hz.
Z wykresu: Prędkość szczytowa 10 mm/s, Przemieszczenie 20 µm międzyszczytowymi.

Znaczenie inżynieryjne:

• Przemieszczenie: Odzwierciedla wibracje o niskiej częstotliwości i dużej masie, dotyczy szczelin i deformacji.

• Prędkość: Międzynarodowy wskaźnik intensywności wibracji, odzwierciedla energię wibracji.

• Przyspieszenie: Odzwierciedla wstrząsy i wibracje o wysokiej częstotliwości, dotyczy obciążeń zmęczeniowych i udarowych.

Rozdział 9: Zgodność z normami i systemy certyfikacji

9.1 Zgodność z normami międzynarodowymi

Produkty Vibro-Meter spełniają liczne międzynarodowe standardy:

9.1.1 Normy dotyczące czujników wibracji

• ISO 5348: Wytyczne dotyczące montażu czujników drgań.

• ISO 10816: Ogólne wytyczne dotyczące oceny drgań maszyn.

• API 670: Systemy ochrony maszyn (dla przemysłu naftowego i chemicznego).

9.1.2 Normy bezpieczeństwa elektrycznego

• EN 61010-1: Wymagania bezpieczeństwa dotyczące sprzętu elektrycznego do pomiarów, sterowania i użytku laboratoryjnego.

• EN 50014: Urządzenia elektryczne do stosowania w atmosferach potencjalnie wybuchowych – Wymagania ogólne.

• EN 50020: Urządzenia elektryczne do stosowania w atmosferach potencjalnie wybuchowych – Iskrobezpieczeństwo „i”.

9.2 Przegląd systemów certyfikacji

9.2.1 Certyfikacja ATEX (Europa)

• Dyrektywy: 94/9/WE (dyrektywa sprzętowa), 1999/92/WE (dyrektywa dotycząca miejsca pracy).

• Jednostki notyfikowane: LCIE (Francja), KEMA (Holandia).

• Przykład certyfikatu: LCIE 02 ATEX 6110 X (dla CA 134/136/160/201).

9.2.2 Certyfikacja IECEx (międzynarodowa)

• W oparciu o normy serii IEC 60079.

• Międzynarodowe wzajemne uznawanie, ograniczające podwójną certyfikację.

9.2.3 Certyfikacja cCSAus (Ameryka Północna)

• Łączy wymagania CSA (Kanada) i UL (USA).

• Przykład certyfikatu: 1636188 (dla CA 134).

• Zgodne normy: CSA C22.2 nr 157, UL 913, UL 61010C-1.

9.2.4 Inne certyfikaty regionalne

• INMETRO (Brazylia).

• NEPSI (certyfikat przeciwwybuchowy w Chinach).

• TIIS (Japonia).

• KOSHA (Korea).

9.3 Interpretacja parametrów certyfikatu

Na przykładzie certyfikatu LCIE 02 ATEX 6110 X:

Parametry aparatu:

• Modele: CA 134/CA 136/CA 160/CA 201.

• Rodzaj ochrony: Iskrobezpieczeństwo „ia”.

• Grupa Gazowa: IIC (najwyższy poziom).

• Klasa temperaturowa: T6 do T1 (CA 134), T6 do T2 (inne).

Parametry elektryczne (tylko czujnik):

• Ci: pojemność wewnętrzna (0,3 nF dla CA 134, 8 nF dla CA 136).

• Li: Indukcyjność wewnętrzna (0, pomijalna).

Powiązane ograniczenia aparatury:

• Uo ≤ 28 V.

• Io ≤ 100 mA (zasilanie liniowe) lub 25 mA (zasilanie nieliniowe).

• Po ≤ 0,7 W.

Rozdział 10: Trendy technologiczne i perspektywy na przyszłość

10.1 Ewolucja technologii czujników piezoelektrycznych

10.1.1 Postępy w nauce o materiałach

• Nowa ceramika piezoelektryczna: wyższa czułość, szersze zakresy temperatur.

• Jednokrystaliczne materiały piezoelektryczne: poprawiona liniowość i stabilność.

• Materiały kompozytowe: Elastyczne czujniki piezoelektryczne do montażu na zakrzywionych powierzchniach.

10.1.2 Integracja z technologią MEMS

• Akcelerometry MEMS: niższy koszt, mniejszy rozmiar.

• Systemy hybrydowe: połączenie piezoelektryków i MEMS w celu uzyskania zrównoważonej wydajności i kosztów.

• Integracja wieloosiowa: trójosiowe akcelerometry w jednym pakiecie.

10.2 Trendy w kierunku inteligencji i sieci

10.2.1 Funkcje inteligentnych czujników

• Wbudowana diagnostyka: autotest, autokalibracja, przewidywanie usterek.

• Wyjście cyfrowe: Bezpośrednie interfejsy cyfrowe (IEPE, magistrale cyfrowe).

• Przechowywanie parametrów: numer seryjny, dane kalibracyjne, parametry konfiguracyjne zapisane w czujniku.

10.2.2 Integracja z Przemysłowym IoT

• Transmisja bezprzewodowa: Bezprzewodowe sieci czujników zasilane bateryjnie.

• Edge Computing: Wstępne przetwarzanie sygnału w węźle czujnika.

• Integracja z platformą chmurową: dane dotyczące wibracji przesyłane do chmury w celu analizy dużych zbiorów danych i uczenia maszynowego.

10.3 Ewolucja strategii utrzymania

10.3.1 Od konserwacji zapobiegawczej do zapobiegawczej

• Konserwacja oparta na stanie (CBM): Planowanie konserwacji na podstawie rzeczywistego stanu.

• Konserwacja predykcyjna (PdM): Na podstawie analizy trendów i przewidywania awarii.

• Konserwacja prognostyczna (PM): Wykrywanie wczesnych sygnałów awarii.

10.3.2 Zastosowanie technologii Digital Twin

• Model wirtualny: Tworzenie cyfrowego bliźniaka sprzętu.

• Synchronizacja w czasie rzeczywistym: Dane czujnika aktualizują model cyfrowy w czasie rzeczywistym.

• Symulacja i przewidywanie: Przeprowadzanie symulacji usterek i przewidywania żywotności na modelu cyfrowym.

10.4 Względy zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska

10.4.1 Konstrukcja o długiej żywotności

• Wydłużone interwały kalibracji: bardziej stabilne konstrukcje czujników.

• Możliwość naprawy: modułowa konstrukcja ułatwiająca naprawy i modernizacje.

• Wybór materiału: Materiały przyjazne dla środowiska, nadające się do recyklingu.

10.4.2 Efektywność energetyczna

• Konstrukcja o niskim poborze mocy: Wydłużenie żywotności baterii czujników bezprzewodowych.

• Zbieranie energii: Zbieranie energii ze środowiska wibracyjnego w celu samozasilania.

10.4.3 Możliwość dostosowania do ekstremalnych środowisk

• Głębsze zastosowania podmorskie: wyższe wartości ciśnienia.

• Zastosowania kosmiczne: Utwardzane promieniowaniem, kompatybilne z bardzo wysoką próżnią.

• Zastosowania geotermalne: wyższe temperatury, środowiska korozyjne.

Wniosek: Budowa niezawodnego systemu monitorowania drgań przemysłowych

Piezoelektryczne systemy akcelerometrów firmy Vibro-Meter stanowią rozwiązanie o wysokim standardzie w dziedzinie monitorowania drgań przemysłowych. Dogłębne zrozumienie ich zasad technicznych, prawidłowy dobór modeli, przestrzeganie standardowych procedur instalacji i konserwacji oraz połączenie ich z odpowiednim przetwarzaniem sygnałów i analizą danych, umożliwia zbudowanie niezawodnego i wydajnego systemu monitorowania stanu sprzętu.

Kluczowe elementy pomyślnej realizacji projektu monitorowania drgań podsumowano w następujący sposób:

1. Planowanie systematyczne: Zacznij od celów pomiarowych, kompleksowo uwzględniając czynniki środowiskowe, techniczne, bezpieczeństwa i ekonomiczne.

2. Prawidłowy wybór: Wybierz odpowiedni typ czujnika w oparciu o temperaturę, częstotliwość, warunki środowiskowe i wymagania certyfikacyjne.

3. Standardowa instalacja: Ściśle przestrzegaj wymagań instrukcji dotyczących przygotowania powierzchni, montażu i prowadzenia kabli.

4. Ścisła zgodność z certyfikacją: Zapewnij ogólną zgodność z certyfikacją systemu w atmosferach potencjalnie wybuchowych.

5. Ciągła konserwacja: Ustal procedury regularnej kontroli, kalibracji i aktualizacji dokumentacji.

6. Analiza danych: Przekształcaj surowe dane dotyczące wibracji w przydatne informacje na temat stanu sprzętu.

7. Szkolenie personelu: Należy upewnić się, że operatorzy i personel zajmujący się konserwacją posiadają niezbędną wiedzę techniczną i dotyczącą bezpieczeństwa.

Wraz z rozwojem Przemysłu 4.0 i inteligentnej produkcji technologia monitorowania wibracji ewoluuje od izolowanych systemów ochronnych w kierunku zintegrowanych inteligentnych węzłów czujnikowych. Profesjonalni producenci, tacy jak Vibro-Meter, poprzez ciągłe innowacje technologiczne, napędzają tę dziedzinę w kierunku wyższej niezawodności, większej inteligencji i szerszego zastosowania, zapewniając solidną podstawę dla bezpiecznego, wydajnego i zrównoważonego działania urządzeń przemysłowych na całym świecie.

Celem tego artykułu, opartego na systematycznej analizie podręcznika technicznego Vibro-Meter, jest zapewnienie inżynierom i technikom wszechstronnego odniesienia technicznego. W zastosowaniach praktycznych zawsze należy zapoznać się z najnowszą wersją instrukcji, arkuszami danych i biuletynami technicznymi oraz skonsultować się z pomocą techniczną producenta, aby zapewnić optymalizację i bezpieczeństwo projektu, instalacji i działania systemu.

---

Podręcznik referencyjny:  Wibrometr CAxxx/CExxx Piezoelektryczny akcelerometr Instrukcja obsługi