DIFF (diferential) Input: - 4 -

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ ΙΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΡΑ ΑΣΜΩΝ 1. ΓΕΝΙΚΑ - ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών µε τις βασικές αρχές µέτρησης και επεξεργασίας υναµικών Σηµάτων κατά τη λειτουργία µιας συσκευής προσοµοίωσης βλαβών, τα οποία προέρχονται από τυπικές οµάδες αισθητηρίων εγκαταστηµένων στην προαναφερθήσα συσκευή. Κατά τη διάρκεια της άσκησης ο σπουδαστής: Αναγνωρίζει τα κύρια σηµεία (Κατασκευαστικά και Λειτουργικά) της προς µέτρηση διάταξης και της σχετικής αναγκαιότητας των µετρήσεων. Αναγνωρίζει και εξοικειώνεται µε τις σηµαντικότερες παραµέτρους της µετρητικής διάταξης (Αισθητήρια, Υλικό και Λογισµικό µέρος /Ηardware-Software, κ.λ.π.). Παρακολουθεί και αναπαράγει την διαδικασία των µετρήσεων. Επεξεργάζεται και σχολιάζει τα αποτελέσµατα των µετρήσεων. 2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΒΛΑΒΩΝ Στο εργαστήριο υναµικής Μηχανών και Βιοµηχανικών Συστηµάτων χρησιµοποιείται η συσκευή Machinery Fault Simulator της Spectra Quest (σχήµα 1) για την προσοµοίωση των διαφόρων τύπων βλαβών που παρουσιάζονται στον µηχανολογικό εξοπλισµό

2 Με τη χρήση της συσκευής προσοµοίωσης βλαβών έχουµε τη δυνατότητα να αναπτύξουµε διάφορους τύπους βλαβών, όπως π.χ. αζυγοσταθµία, κακή ευθυγράµµιση, βλάβες ένσφαιρων τριβέων, κ.α, και να µελετήσουµε µε διάφορες µεθόδους ανάλυσης το σήµα των κραδασµών που παράγεται. Σχήµα 1: Συσκευή Προσοµοίωσης Βλαβών της Spectra Quest Το πλεονέκτηµα αυτής της συσκευής είναι η ελεγχόµενη προσοµοίωση κάποιας βλάβης, µε αποτέλεσµα την αναγνώριση και κατανόηση της µορφής που παρουσιάζει το φάσµα µετά την ανάλυση των παραγόµενων κραδασµών. Παράλληλα, έχουµε τη δυνατότητα να µελετήσουµε και να συγκρίνουµε τις διάφορες µεθόδους ανάλυσης κραδασµών, να εξάγουµε ανάλογα συµπεράσµατα και να παρατηρήσουµε τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα που παρουσιάζει κάθε µέθοδος. Στο σχήµα 1 παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία που αποτελούν την συσκευή προσοµοίωσης βλαβών, όπως, π.χ. ο κινητήρας συνεχούς ρεύµατος µε µέγιστη ταχύτητα περιστροφής τις RPM, ο άξονας κατασκευασµένος από σίδηρο, οι ένσφαιροι τριβείς (ρουλεµάν), κ.τ.λ

3 3.ΜΕΤΡΗΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ 3.1. Aισθητήρια Τα αισθητήρια που χρησιµοποιούνται στο εργαστήριο υναµικής των Μηχανών και Βιοµηχανικών Συστηµάτων για την µέτρηση των κραδασµών είναι τα πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόµετρα. Επιταχυνσιόµετρο είναι ένας ηλεκτροµηχανικός µετατροπέας, ο οποίος παράγει στην εξοδό του διαφορά τάσης ή ένταση ανάλογη της επιτάχυνσης την οποία υφίσταται. Τα πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόµετρα είναι καλύτερα από τα άλλα είδη µετατροπέων κραδασµών και προτιµώνται συχνότερα για τις µετρήσεις επειδή καλύπτουν ένα ευρή φάσµα συχνοτήτων. Τα επιταχυνσιόµετρα που χρησιµοποιούνται για τις µετρήσεις στο εργαστήριο είναι: ύο Omega model ACC 102 µε ευαισθησίες 101,7 και 93,9 mv/g αντίστοιχα, µε δυναµική περιοχή από 3 Hz έως 5 KHz (σχήµα 2) και Ένα Bruel & Kjaer µε ευαισθησία 97,3 mv/g και δυναµική περιοχή από 1 Hz έως 10 KHz (σχήµα 2). Η τροφοδοσία των επιταχυνσιοµέτρων, που χρησιµοποιούνται για τις µετρήσεις των κραδασµών της συσκευής προσωµοίωσης, επιτυγχάνεται µε τα φορητά τροφοδοτικά ACC- PS1 της Omega. Κάθε τροφοδοτικό παρέχει σταθερό ρεύµα 2 ma και τάση διέγερσης 18 Volts περίπου. Σχήµα 2: Τα επιταχυνσιόµετρα Bruel & Kjaer και Omega - 3 -

4 3.2. Σύστηµα ανοικτής αρχιτεκτονικής Η πρόοδος των Η/Υ, µεταξύ άλλων έχει αναβαθµίσει και τη χρήση τους σαν µετρητικές συσκευές, µε τη συµπλήρωσή τους µε κατάλληλο εξοπλισµό H/W (κάρτες συλλογής δεδοµένων) και λογισµικό. Τυπικό σύστηµα αυτής της µορφής αποτελεί το φορητό σύστηµα µέτρησης και ανάλυσης κραδασµών, που έχει αναπτυχθεί στην εργαστηριακή υποµονάδα υναµικής Μηχανών και Βιοµηχανικών Συστηµάτων του εργαστηρίου υναµικής και Κατασκευών του Τοµέα Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτοµάτου Ελέγχου της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. Ο Η/Υ που χρησιµοποιείται είναι ένας επιτραπέζιος υπολογιστής µε επεξεργαστή τύπου intel Pentium 4 στα 2800 MHz, 1024 MB µνήµη RAM και 160 GB σκληρό δίσκο. Ο υπολογιστής συνοδεύεται από µια µετρητική κάρτα συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων, κατάλληλης για εγκατάσταση στην υποδοχής καρτών τύπου PCI Μετρητική κάρτα συλλογής δεδοµένων Η µετρητική κάρτα, που χρησιµοποιείται µε τον επιτραπέζιο υπολογιστή για τις µετρήσεις των κραδασµών, είναι η PCI-6052E της National Instruments (σχήµα 5). Η µετρητική κάρτα PCI-6052E αποτελείται από 16 αναλογικά κανάλια εισόδου, 2 αναλογικά κανάλια εξόδου, 8 ψηφιακές Ι/Ο γραµµές, 2 counters των 24 bit, έχει µέγιστη ταχύτητα δειγµατοληψίας 333 KHz για ένα ενεργοποιηµένο αναλογικό κανάλι, το max εύρος της τάσης των σηµάτων, που µετράει, κυµαίνεται από -10 έως +10 Volts και το min από 50 έως +50 mvolts και η ανάλυση του AD µετατροπέα, που διαθέτει, είναι 16 bits. Επίσης παρέχει τρεις τρόπους απόκτησης αναλογικών δεδοµένων, οι οποίοι αναλύονται παρακάτω. DIFF (diferential) Input: DIFF Input σηµαίνει ότι κάθε σήµα εισόδου έχει τη δική του τάση αναφοράς και η διαφορά τάσης ανάµεσα σε κάθε σήµα και της τάσης αναφοράς του είναι η τάση, που διαβάζει η κάρτα. Με αυτόν τον τρόπο συλλογής αναλογικών δεδοµένων η PCI-6052E µπορεί να µετράει έως και 8 διαφορετικά αναλογικά σήµατα εισόδου

5 RSE (referenced single-ended) Input: RSE Input σηµαίνει ότι όλα τα σήµατα εισόδου έχουν κοινή τάση αναφοράς, την αναλογική γείωση εισόδου AIGND της κάρτας PCI-6052E, η οποία συνδέεται µε τη γείωση του εδάφους, του κτηρίου, κ.τ.λ. Με αυτόν τον τρόπο απόκτησης αναλογικών δεδοµένων η κάρτα µπορεί να µετράει έως και 16 διαφορετικά αναλογικά κανάλια εισόδου. NRSE (non-referenced single-ended) Input: NRSE Input σηµαίνει ότι όλα τα σήµατα εισόδου έχουν κοινή τάση αναφοράς, η οποία είναι η αναλογική γείωση εισόδου AISENSE της κάρτας PCI-6052E, η οποία, όµως, δεν γειώνεται στο έδαφος. Με αυτόν τον τρόπο απόκτησης αναλογικών δεδοµένων η κάρτα µπορεί να µετράει έως και 16 διαφορετικά αναλογικά κανάλια εισόδου. Σχήµα 5: Μετρητική κάρτα PCI-6052E. Τα κυριώτερα κυκλώµατα που αποτελούν την µετρητική κάρτα PCI-6052E είναι τα ακόλουθα: - Κύκλωµα Αναλογικής Εισόδου (Analog Input Circuit) : Το κύκλωµα αναλογικής εισόδου αποτελείται από έναν πολυπλέκτη εισόδου (multiplexer), έναν ενισχυτή PGIA, έναν µετατροπέα αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό (Analog to Digital-A/D Converter), και µία µονάδα προσωρινής µνήµης (Buffer) FIFO (First Ιn First Out). Ο πολυπλέκτης εισόδου λαµβάνει κάθε φορά ένα σήµα από όλα τα ενεργοποιηµένα αναλογικά κανάλια εισόδου και τα διοχετεύει ένα-ένα στον ενισχυτή PGIA. Κατόπιν ο ενισχυτής PGIA ενισχύει τα αναλογικά σήµατα εισόδου πριν αυτά µετατραπούν µε υψηλή ακρίβεια σε ψηφιακά σήµατα. Το κέρδος, που µπορεί ο ενισχυτής να προσδώσει σε κάθε - 5 -

6 αναλογικό σήµα εισόδου είναι 1,2,5,10,20,50 και 100. Στη συνέχεια τα ενισχυµένα αναλογικά σήµατα εισόδου οδηγούνται στον A/D, ώστε να µετετραπούν σε ψηφιακά σήµατα, τα οποία µπορεί να διαβάσει και να επιδείξει ο Η/Υ. Ο µετατροπέας A/D παρέχει ανάλυση 16 bits σε κάθε σήµα εισόδου. O A/D µετατροπέας αναλύει το εύρος της µετρούµενης τάσης σε 2 16 επίπεδα. Όταν η A/D µετατροπή ολοκληρωθεί, τα αποτελέσµατα ολισθαίνουν στην προσωρινή µνήµη FIFO. Με τη χρήση της µνήµης FIFO οι τιµές των σηµάτων αποθηκεύονται προσωρινά προτού µεταφερθούν στον Η/Υ, µε αποτέλεσµα ο A/D µετατροπέας να είναι διαθέσιµος για µια νέα µετατροπή. - Κύκλωµα Αναλογικής Εξόδου (Analog Output Circuit) : Η µετρητική κάρτα PCI-6052E έχει 2 αναλογικά κανάλια εξόδου, κάθε ένα από τα οποία περιλαµβάνει ένα µετατροπέα D/A µε 12 bit ανάλυση Λογισµικό επεξεργασίας δεδοµένων Πρόγραµµα συλλογής και αποθήκευσης δεδοµένων Το πρόγραµµα συλλογής και αποθήκευσης δεδοµένων κατασκευάστηκε στο λογισµικό περιβάλλον του LabVIEW µε σκοπό την µέτρηση σηµάτων και κατά τις τρεις κατευθύνσεις. Το πρόγραµµα δεν εκτελεί συνεχή δειγµατοληψία, αλλά διαβάζει ένα συγκεκριµένο πλήθος δεδοµένων από την προσωρινή µνήµη αποθήκευσης, που έχουµε δεσµεύσει στο σκληρό δίσκο του υπολογιστή και στη συνέχεια το επεξεργάζεται µε FFT. Η διαδικασία επαναλαµβάνεται όταν ολοκληρωθεί η λήψη και η ανάλυση µιας οµάδας δεδοµένων. Το Data πρόγραµµα συλλογής και αποθήκευσης δεδοµένων χρησιµοποιείται κυρίως για τη µέτρηση και την αποθήκευση των κραδασµών, που παράγονται κατά την λειτουργία της µηχανής. Το σήµα αποθηκεύεται ως τάση, ώστε να έχουµε τη δυνατότητα να το επεξεργαστούµε όπως θέλουµε, και σε δυαδική µορφή για να µην καταλαµβάνει αρκετό χώρο στην µνήµη του σκληρού δίσκου. Το µετρούµενο σήµα το επεξεργαζόµαστε µε FFT, και αποθηκεύουµε το χρονικό σήµα µόνο όταν το φάσµα έχει σταθεροποιηθεί. Επιπλέον, έχουµε και µια πρώτη εικόνα της κατάστασης της µηχανής. εν χρησιµοποιείται, όµως, σε καµµία περίπτωση για την επεξεργασία του σήµατος

7 Παράλληλα, µε το σήµα, µπορούµε να αποθηκεύσουµε διάφορες πληροφορίες (συχνότητα δειγµατοληψίας, πλήθος δειγµάτων, χρόνος αποθήκευσης, Averages, κ.λ.π.) και σχόλια (ηµεροµηνία µέτρησης, γενικά σχόλια, σκοπός µέτρησης, κ.λ.π.) σχετικά µε την µέτρηση. Οι πληροφορίες είναι απαραίτητες για την επεξεργασία του σήµατος στη συνέχεια µε άλλο πρόγραµµα, και τα σχόλια για να γνωρίζουµε το περιεχόµενο του αρχείου, που επεξεργαζόµαστε. Η επιλογή της χρονικής διάρκειας του σήµατος, που θα αποθηκεύσουµε εξαρτάται από την τιµή της παραµέτρου Average, από το πλήθος των δειγµάτων, που διαβάζουµε, και από τη συχνότητα δειγµατοληψίας. Έχουµε τη δυνατότητα να αποθηκεύσουµε όσες φορές θέλουµε, ενώ το πρόγραµµα εκτελείται. Με το πλήκτρο AUTO/MANNUAL έχουµε τη δυνατότητα να παρακολουθήσουµε το φάσµα του µετρούµενου σήµατος είτε σε ολόκληρο το µετρούµενο συχνοτικό πεδίο ή να αποµονώσουµε µια συγκεκριµένη περιοχή Πρόγραµµα επεξεργασίας µετρούµενων σηµάτων Για την παρουσίαση και την επεξεργασία του σήµατος, που µετρήθηκε µε το προηγούµενο πρόγραµµα συλλογής και αποθήκευσης δεδοµένων, εκτελούµε το πρόγραµµα επεξεργασίας µετρούµενων σηµάτων. Αρχικά το πρόγραµµα επεξεργασίας µετρούµενων σηµάτων ανοίγει το αρχείο, που αποθηκεύσαµε το σήµα σε δυαδική µορφή µε το προηγούµενο πρόγραµµα. Το χρονικό σήµα εµφανίζεται στην οθόνη σε τάση (Volts) ή σε επιτάγχυνση (G s), στη συνέχεια το πρόγραµµα επεξεργάζεται το σήµα µε FFT και παρουσιάζει στην οθόνη τη φασµατική του ανάλυση σε µονάδες τάσης ή επιτάχυνσης ή ταχύτητας ή µετατόπισης. Εποµένως, το σήµα στο συχνοτικό πεδίο µπορεί να αναλυθεί σε τάση (Volts), επιτάχυνση (G s), ταχύτητα (m/sec) και µετατόπιση (m). Παράλληλα, επιδυκνύονται όλες οι πληροφορίες και τα σχόλια, που είναι αποθηκευµένα στο αρχείο µαζί µε το µετρούµενο σήµα. Το πρόγραµµα επεξεργάζεται το αποθηκευµένο σήµα βάσει του πλήθους των Averages, του πλήθους των δειγµάτων και της συχνότητας δειγµατοληψίας, ώστε να µην αλλάξουν οι συνθήκες της µέτρησης

8 Επιπλέον, µπορούµε να εντοπίσουµε τις αρµονικές συνιστώσες κάποιας συγκεκριµένης συχνότητας και να ρυθµίσουµε το εύρος του άξονα Χ άξονας συχνοτήτων-, καθώς και τον τύπο του (γραµµικός ή λογαριθµικός). Το πρόγραµµα έχει τη δυνατότητα να χρησιµοποιήσει ψηφιακά φίλτρα κάθε τύπου (βαθυπερατά, υψιπερατά, κλπ) ανάλογα µε το σκοπό της εφαρµογής. Στην περίπτωση που το σήµα είναι διαµορφωµένο (σήµατα φθαρµέων ένσφαιρων τριβέων, κλπ) µπορεί να επεξεργασθεί µε envelope analysis (αποδιαµόρφωση). Το πρόγραµµα έχει τη δυνατότητα να παρουσιάσει τον συχνοτικό άξονα σε Hz ή CPM. Τέλος, µπορούµε να παρακολουθούµε την DC συνιστώσα του σήµατος και την συνολική ενέργεια αυτού (overall vibration). 4. ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Tίθεται σε λειτουργία η συσκευή προσοµοίωσης βλαβών. Τα αισθητήρια και η µετρητική διάταξη είναι µόνιµα συνδεδεµένα µε τη συσκευή προσοµοίωσης βλαβών και κατά συνέπεια βρίσκονται και αυτά σε ετοιµότητα γιά τη λήψη και επεξεργασία δεδοµένων. Στην συνέχεια επιλέγονται κατάλληλα οι παράµετροι του προγράµµατος συλλογής και αποθήκευσης δεδοµένων και τίθεται το πρόγραµµα σε Run Mode παράλληλα µε την εκκίνηση της συσκευής προσοµοίωσης, έτσι ώστε να καταγράφονται οι µεταβολές των κραδασµών που συσχετίζονται µε την κίνηση αυτή. Όταν το φάσµα σταθεροποιηθεί αποθηκεύουµε το χρονικό σήµα, ώστε να το επεξεργαστούµε αργότερα µε το πρόγραµµα επεξεργασίας µετρούµενων σηµάτων. Επεξεργαζόµαστε το µετρούµενο χρονικό σήµα, ελέγχουµε την λειτουργική και δυναµική κατάσταση της µηχανής και κάνουµε διάγνωση βλαβών