دليل شامل لاختيار جهاز الاستشعار الصحيح في المواقع للأجهزة العالية السرعة

Understanding the Role of Velocity Sensors in High-Speed Machinery

ومن ثم فإن الآلات السريعة العالية التي تتحول من مولدات توربينية وأجهزة الطرد المركزي إلى أعمدة لجنة التفاوض الحكومية الدولية، وتعتمد على قياس دقيق ومباشر للحركة الميكانيكية لضمان التشغيل الآمن وحياة الخدمة الممتدة، ومن بين مختلف معايير القياس، ]] سرعة ، وتؤثر برامج الصيانة الأولية للكائنات الحية التي كثيرا ما تكون مثبتة في المليمترات أو في الميكانيكية.

وتحوّل أجهزة الاستشعار في مواقع المركبات الاهتزاز الميكانيكي إلى إشارة كهربائية تناسب السرعة الفورية للعنصر المتحرك، ويمكن إدماج هذه الإشارة في الحصول على التشريد أو التمايز للحصول على التسارع، ولكن قياس السرعة في حد ذاته أكثر حساسية لنطاق التردد المتوسط حيث تتطلب الأجهزة الدوارة مثل الخلل، والخطأ، والارتطام عادة بمبدأ التناوب.

الفيزياء خلف قياس الفيلوسية

فالمكان هو مشتق التشريد فيما يتعلق بالوقت، لأن العديد من الأخطاء في الآلات المشتركة تنتج توقيعات على الاهتزاز تكون سريعة التناسب، ومعايير دولية مثل ]ISO 10816 تستخدم السرعة كمقياس مفضل لتقييم حالة الآلات، ويجب أن يكون جهاز الاستشعار السريع قادرا على استيعاب النطاق الترددي والمحتوى المحددين.

وتوجد ثلاثة نُهج أساسية لقياس سرعة الاهتزاز مباشرة:

• Integrated acceleration measurement – Accelerometers (often piezoelectric) output acceleration; the signal is electronically integrated to yield velocity. This is the most common method in modern condition monitoring.
• Direct velocity Sen] – Electromagnetic velocity pickups generate a voltage directly proportional to the velocity of a moving coil relative to a permanent magnet. No integration is needed, but the frequency response is limited.
• Non —contact velocity measurement – Laser Doppler vibrometers or capacitive sensors can measure the relative motion between the sensor and target; velocity is derived from the Doppler shift or from integration of displacement.

ويتوقف الاختيار بين هذه الأساليب على التكوين المتصاعد، وقرب الهدف، والحاجة إلى العزلة عن العناصر العالية التردد التي قد تحجب عنابر السرعة المباشرة.

أنواع أجهزة الاستشعار فيلوتشيتي للأجهزة العالية السرعة

Piezoelectric Accelerometers with Integrated Electronics (IEPE)

ومعظم نظم رصد الاهتزاز الحديثة للآلات العالية السرعة تستخدم أجهزة التكتل الفائقة التسارع بسبب الاستجابة الواسعة النطاق لها، ونطاق ديناميكي ممتاز، وقوية، وتحتوي هذه أجهزة الاستشعار على بلورة فائقة التثبيت تولد رسوماً عند التعرض للتسارع، وعندما يكون الناتج مدمجاً إلكترونياً داخل جهاز الاستشعار أو في جهاز تكييف منخفض الترددات - تمثل الإشارة الناتجة عن ذلك سرعة

وبالنسبة للطلبات العالية السرعة، اختار مقياساً للتسارع مع ارتفاع الترددات فوق ترددات الاحتباس الحراري المتوقعة لتجنب تشويه الكم، وعادة ما تكون الترددات المترددة المشتركة 15 كيلوهرتز إلى 30 كيلوهرتز؛ أما بالنسبة للعمود التي تعمل في 000 30 ريبي (500 تواتر تناوبي وأجهزة تناسق)، فهي جهاز استشعار يحتوي على 10 كيلوهرتز.

أجهزة استشعار حرارية مباشرة

وقد تؤدي أجهزة الاستشعار المغناطيسية المغناطيسية، التي كثيرا ما تسمى " عمليات التقاط السرعة " ، إلى وقف إنتاج الفحم في ميدان مغناطيسي، حيث يؤدي التحرك النسبي بين الفحم والهيكل المغناطيسي إلى حدوث تضخم يتناسب مع سرعة اليقظة، وهذه أجهزة الاستشعار ذات تأثير سلبي )لا حاجة إلى تواتر( وتنتج إشارة عالية المستوى لا تتطلب التكامل المحدود نسبيا.

Piezoelectric Velocity Sensors (Integrated Charge Amplifiers)

ويعرض بعض الصانعين أجهزة استشعار سريعة تجمع بين عنصر تسارع فائق السرعة مع مدمج إلكتروني داخلي لإنتاج إشارة مباشرة على السرعة، وهي تعادل وظيفياً مقياساً للتسارع في إي بي إي بي وتكاملاً خارجياً، ولكن يجري التكامل داخل مسكن جهاز الاستشعار، وهي مناسبة لنظم الترددات الرجعية التي صُممت أصلاً من أجل الحصول على مستلزمات الترددات الخارجية.

Capacitive and Eddy —Current Proximity Probes

وتقيس أجهزة الاستشعار غير المتنازعة مثل أجهزة الاستعلام المكثفة أو المسبارات المتحركة التشريد بين طرف المسبار وسطح الهدف، ومن خلال التمييز بين إشارة التشريد، يمكن استخلاص السرعة، وهذه أجهزة الاستشعار لا غنى عنها لرصد الحركات المتناثرية والمشعة في الترابينات، والترددات المضغوطة، والسيارات الكبيرة التي يكون فيها الاتصال المادي مستحيلا.

Laser Doppler Vibrometers

وعندما تكون الدقة القصوى ضرورية، ومن الضروري قياس غير ملوثات، مثلاً، على المصابيح الدقيقة الدقيقة أو في بيئات البحوث - مقاييس المقاييس الضوئية التي تستخدمها الدبلر توفر قياساً مباشراً وغير ملوث لسرعتها استناداً إلى التحول الذي يحدثه دوبلر من الضوء الليزري المكشوف.

العوامل الرئيسية للنظر فيها عند اختيار جهاز استشعار فيلوتي

القياس

ويجب أن يكون جهاز الاستشعار قادرا على قياس السرعة القصوى المتوقعة للأجهزة الاهتزازية دون التشبع أو القصاص، وبالنسبة للآلات العالية السرعة، يمكن أن تتراوح مستويات الاهتزاز من بضع ملليمترات/مترات على أساس مقياس متوازن إلى أكثر من 100 ملليمتر/متر أثناء حالة عطل، واختيار جهاز قياس ذي حساسية توفر نسبة كافية من الاشارات إلى أعلى مستوى من اليقظة المتوقعة.

الاستجابة لحالات الطوارئ وخط التسلسل التدريجي

أما بالنسبة لمحركات التقاط السرعة المباشرة، فإن التخفيضات المنخفضة الترددية التي تستخدم في كثير من الأحيان تكون محدودة بالوقت الذي تستغرقه أجهزة الاستشعار؛ وبالنسبة لمواد التكتل الحرارية، فإن الترسبات التي تُستخدم في إطار التكتل الحرارية الفائقة، تحددها المواصفات الإلكترونية أو أجهزة الاستشعار التي تُبنى في أغلب الأحيان.

Environmental Ratings

وكثيراً ما توجد أجهزة عالية السرعة في بيئات قاسية: ارتفاع درجات الحرارة بالقرب من التربينات أو العادم، والرطوبة، والضباب النفطي، وهتز السطح المتصاعد نفسه، والغلاف الجوي المحتمل أن يكون متفجراً، واختيار جهاز استشعار ذي نطاق حرارة تشغيلية مناسب (مثلاً، 40 درجة مئوية إلى + 125 درجة مئوية بالنسبة للعديد من مقاييس الإكسلكية، ونموذج عالي التدرج 250).

أسلوب التطعيم وأثره على الاستجابة لحالات الطوارئ

كما أن أي جهاز استشعار مركب يُثبت مباشرة على سطح مسطح، ويُتيح أوسع نطاق )حتى عودة جهاز الاستشعار( ، ويُعتبر أن القواعد المغناطيسية مناسبة للقياسات المؤقتة ، ولكنها تُحدث أثراً منخفضاً في الترددات ، ويحد عادة من التردد العالي الى ٢ كيلوهرتز ثابت .

النواتج البيانية والقابلية للمقارنة

ومعظم نظم رصد الحالة الحديثة تقبل إشارات المعهد (الطاقة الحالية، والفولاذ المتراكم) وتتحقق من أن نوع إنتاج جهاز الاستشعار يطابق معدات اقتناء البيانات، أما بالنسبة للكابلات الطويلة (أكثر من 30 مترا) فتستخدم أجهزة الاستشعار ذات النواتج المنخفضة الحدة لتجنب الضجيج الكابلات، وتقدم بعض أجهزة الاستشعار 420 مخرجا من شبكة التحليل العالي (PLC) أو DCS.

الحد الأدنى والقرار

ويحد أدنى حد من الضوضاء التي تصدرها أجهزة الاستشعار من أقل سرعة من حيث اليقظة يمكن تمييزها بصورة موثوقة، وبالنسبة للعمود الحاد أو الدوارات الدقيقة، فإن مستويات الاهتزاز قد تكون منخفضة إلى 0.5 ملم/متر، أما الضوضاء الحساسية المتبقية (المكبسة في المليمترات/الميكرومترات) فلا بد أن تكون أقل بكثير من هذا المستوى.

معايرة وقابلية التعقب

ولضمان قياسات دقيقة وقابلة للتكرار، يجب أن يعادل جهاز الاستشعار معيارا معروفا، والبحث عن أجهزة الاستشعار التي تزود بشهادة معايرة يمكن اقتفاءها من نظام المعلومات الوطني أو ما يعادله، وعلى مر الزمن، يمكن أن تتحول الحساسية، لا سيما في بيئات عالية الحرارة أو عالية الإشعاع، وتنفيذ عملية اعادة تأهيل دورية (عادة ما تكون سنويا) باستخدام مقياس مرجعي على جهاز قياس ذاتي مختص بالاختبار.

تطبيقات عملية لرصد الآلات العالية السرعة

نصب الاستشعار

فالسرعة في التأشيرات حساسة من حيث الاتجاه، أما بالنسبة للآلات الدوارة، فإن أجهزة الاستشعار التناوبية في ثلاثة اتجاهات متبادلة في كل مسكن ذي حواف: الشعاب المرجانية (الأفقية والرأسية) والمحورية، فالتوجهات الإشعاعية تلتقط القوى الرئيسية من الخلل والخطأ، بينما يكشف الاتجاه المحوري ويؤثر على القضايا.

القصف والحفر

)أ( استخدام الكابلات الملو َّفة الملتوية المصممة لاشارات الشبكة الدولية للمحيطات، وتجنب الكابلات المسكِّنة ذات الدوافع المتوازية لكابلات الكهرباء أو الكابلات ذات الترددات المتغيرة لمنع التدخل الكهرومغناطيسي، وإلغاء الدرع الكابل عند اقتناء البيانات فقط، وتجنب الثغرات الأرضية بضمان عزلة جهاز الاستشعار عن أرض الآلات )ماكنات التي تصمم على الأرض(.

تحديد الهوية ووضع العلامات

وكثيرا ما تتضمن إشارات الارتفاع في المواقع المستمدة من أجهزة التكتل مكونات عالية التردد لا تتصل بحالة الآلات )مثلا، تحمل ضوضاء قفصية فوق ١٠ كيلوهرتز( وترشيحات الضمادات الرقمية ذات التردد العالي )تعرض على أجهزة التصفير ذات الترددات العالية( ذات التردد العالي )٥,٠-١٠ هرتز( )لرفع الترددات التي ترتفع فيها سرعة الترددات( ورشيحات التردد المنخفض)٥(.

الإدماج في برامج الصيانة الافتراضية

وينبغي أخذ عينات من الإشارة السريعة واتجاهها على مر الزمن، ووضع عتبات إنذار تستند إلى المعيار ISO 10816 -3 (للآليات العامة الغرض) أو المعيار ISO 7919 (للإهتزازات) والأهم من ذلك، استخدام طيف السرعة لتحديد ترددات معينة: سرعة التناسق في الخلل، ومقياس واحد ورقم 2 مقياس × رطوبة للنفقة،

التعامل مع السباندلات العالية السرعة (30 ألفاً + ريمبي)

وبالنسبة للعمود العنكبوتية المفرطة، يمكن أن تصل الترددات الحرارية إلى عدة كيلوهرتز، وأن تستخدم مقياسا عالي التردد يتجاوز 30 كيلوهرتز، وتواترا متصاعدا لا يتداخل مع سرعة التشغيل، وأن تخفض درجة الحرارة في الأزواج إلى أقصى حد ممكن، وأن تتجنب التسارع في كثير من الأحيان استخدام الحد الأدنى من الترددات.

الشلالات المشتركة إلى أفويد

• Using a too‐large measurement range:] A sensor rated for 500 g may have poor resolution for the sub-g level vibrations present on a healthy high-speed columndle. Match the range to the expected vibration amplitude.
• Ignoring the mounting resonance:] A magnetic base on a painted or uneven surface can create a mounting resonance that distorts the velocity signal above 2 kHz. Invest in studmounted or adhesive —mounted in sensors for permanent installations.
• Neglecting cable strain relief:] Vibration can cause cable connectors to fatigue and break. Use locking connectors (e.g., M12 or MIL —38999) and secure cables with tiewraps to reduce flexing at the connection point.
• إن عمليات التقاط السرعة المباشرة التي تستهلك أفضل ما يمكن لجميع الأجهزة ذات السرعة العالية: الاستجابة المحدودة لتردداتها (1 كيلوهرتز) تجعلها غير ملائمة لرصد الميكروفونات أو الترددات الصاروخية، وتوفر المعالم ذات التكامل تغطية أوسع.
• Forgetting about temperature effects:] Many piezoelectric sensors have a temperature sensitivity coefficient. Calibrate the system at the expected operating temperature or apply compensation curves.

الاتجاهات المستقبلية في الاستشعار في المواقع

The evolution of MEMS] (micro‐electromechanical systems) accelerometers has brought high functioning, low —velocity Sen into new applications. MEMS sensors now offer noise floor and bandwidths suitable for many industrial high-ofspeed machines, and they are smaller, more shockredes

وثمة اتجاه آخر يتمثل في إدراج ] معالجة الإشارات الرقمية مباشرة داخل جهاز الاستشعار، ويمكن للمستشعرات الذكية أن تبادر إلى التعجيل بالسرعات، وأن تطبق مرشحات مضادة للحركة، وبيانات سرعة الإنتاج عن حافلة رقمية، مما يقلل من عبء التجهيز على نظم اقتناء البيانات المركزية ويتيح مزيدا من أجهزة الاستشعار التجميعية.

وأخيراً، تتجه الصناعة نحو نماذج بيانات موحدة ] (مثلاً، IEE 1451.4 TEDS) تتيح استرجاع بيانات الاستشعار عن طريق التلاعب واللعب، وعند اختيار جهاز استشعار للتركيب الجديد، تُفضّل الجهات التي تدعم عمليات توسيع النظام في المستقبل.

خاتمة

إن اختيار جهاز الاستشعار الصحيح للسرعة للآلات العالية السرعة هو قرار متعدد الجوانب يؤثر تأثيرا مباشرا على فعالية برامج رصد الظروف والصيانة التنبؤية، بدءا بفهم واضح للخصائص الدينامية للآلة: نطاقات السرعة التناوبية، وكميات اليقظة المتوقعة، ومحتويات الترددات المحتملة، والقيود البيئية، ثم تقييم التقاطات غير المباشرة للأجهزة الاستشعارية، ومقاييس التسارع الاصطناعي، مع التكامل.

(ب) إيلاء اهتمام وثيق للاستجابة للتواتر، والأسلوب المتصاعد، والحساسية، وتوافق النواتج. الاستثمار في التركيب السليم: أسطح متنقلة نظيفة، ومساحات آمنة، وخرطوم محمية، وتصحيح الأرض؛ وباتباع نهج منهجي لاختيار أجهزة الاستشعار وتركيبها، ستحصل على بيانات موثوقة وقابلة للتطبيق بشأن سرعة التذبذبذب التي تمتد الحياة الآلة، وتخفض سرعة التشغيل غير المخطط لها، وتحسن من تطبيقات التشغيلية العامة.