Khái niệm cơ bản về kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị
Các máy móc và thiết bị đựơc trang bị trong các nhà máy, xí nghiệp ngày nay càng tăng về kích cỡ, tốc độ, tính liên tục và độ phức tạp Do đó, sự ảnh hởng xấu bở các điều kiện bất thờng của máy móc thiết bị lên các dây chuyền sản xuất rất khó xác định, chi phí cho việc bảo dỡng máy móc sẽ ngày càng tăng trong chi phí quản lý của nhà máy. Để việc bảo dỡng máy móc thiết bị trở lên chính xác có hiệu quả, cần phải biết chính xác tình trạng h hỏng cũng nh nguyên nhân gây ra h hỏng trên hệ thống máy thiết bị cần bảo dỡng Sau khi đã nắm rõ thực trạng của máy móc thiết bị, các bớc thao tác quan trọng sau đây phải đợc thực hiện theo đúng các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị:
- Xác định thời gian và khối lợng chi tiết cần sửa chữa, thay thế
- Đảm bảo độ tin cậycủa công tác sửa chữa, thay thế.
- Xác định thời gian đặt hàng của các chi tiết thay thế.
- Xác địng các phơng pháp bảo dỡng chính xác.
Các h hỏng cơ khí Hỏng hóc
Fm Truyền động cơ khí Độ bền và hiệu suất
Kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị Đồ án tốt nghiệp
Do đó, có thể thực hiện tất cả các thao tác bảo dỡng máy một cách chính xác và có hiệu quả, việc áp dụng kỹ thuật chẩn đoán tình trạng của thiết bị ( Machine Condition Diagnosis Technique – CDT ) là đặc biệt cần thiết. Với kỹ thuật này, các h hỏng, độ sai lệch, độ bền và hiệu suất… Từ những năm 90 trở lại đây phcủa máy sẽ đợc đo đạc để phục vụ cho các công tác chuẩn đoán sau này.
Kỹ thuật chuẩn đoán tình trạng của thiết bị có thể đợc định nghĩa là: kỹ thuật mà trong đó tình trạng của máy nh các ngoại lực tác động lên máy, độ bền hiệu suất của máy, các h hỏng và các thiếu sót của hệ thống máy móc đợc định lợng nhằm phân tích và dự báo độ tin cậy và các tính năng của hệ thống, trong đó nếu bất cứ tình trạng bất thờng nào đợc phát hiện, nguyên nhân, vị trí, mức độ nguy hiểm… Từ những năm 90 trở lại đây ph sẽ đợc xác định và đợc phân tích nhằm đa ra các phơng pháp xử lý chính xác
Do đó, cần phải chú ý rằng: kỹ thuật chuẩn đoán tình trạng thiết bị là một khái niệm rộng hơn nhiều so với kỹ thuật khảo sát và tìm hiểu h hỏng của thiết bị ( tất nhiên kỹ thuật này cũng bao hàm trong kỹ thuật chuẩn đoán tình trạng).
Hình 1.1 Các khái niệm cơ bản của kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị
Phát hiện và tính toán tác động
- Kỹ thuật phát hiện tác động.
- Kỹ thuật tính toán tác động.
Phát hiện và tính toán mức độ h hỏng
- Phát hiện mức độ h háng.
- Phân tích và tính toán mức độ h hỏng.
Xác định và tính toán độ bền và hiệu suất thiết bị
- Kỹ thuật xác định độ bền và hiệu suất.
- Phân tích và tính toán hiệu suất và độ bền.
- Nguyên nhân và mức độ h hỏng.
- Dự đoán độ tin cậy và tuổi thọ.
- Lựa chọn các phơng pháp cải tiến, sửa chữa
Kỹ thuật chẩn đoán ban đầu cho thiết bị, đ ợc thực hiện bởi công nhân ngoài hiện tr ờng Kỹ thuật phân tích tình trạng thiết bị đ ợc thực hiện bởi các chuyên gia gọi là đội phân tích tình trạng.
Các y tá cho thiết bị Các chuyên gia y tế cho thiết bị Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.2 Hệ thống cơ bản của kỹ thuật chẩn đoán
Các thành phần cơ bản của chẩn đoán tình trạng thiết bị
Kỹ thuật giám sát tình trạng ( Condition Monitoring Technique – CMT) đợc thực hiện chủ yếu bởi công nhân ngoài hiện trờng và đa ra các chẩn đoán ban đầu về tình trạng của thiết bị.
Kỹ thuật phân tích tình trạng ( Condition analysis Technique - CAT) đợc thực hiện bởi các chuyên gia nhằm đa ra các quyết định cuối cùng về tình trạng của các thiết bị.
Mối liên hệ giữa hai kỹ thuật này ( CMT & CAT ) tơng tự nh mối liên hệ giữa y tá và bác sĩ trong y học Có nghĩa là hệ thống phát hiện sớm các bệnh để điều trị và bảo vệ sức khoẻ không chỉ áp dụng cho ngời mà còn áp dụng cho cả thiết bị và máy móc
CMT tơng tự nh việc kiểm tra sức khoẻ ban đầu của bệnh nhân nhằm giám sát tình trạng của thiết bị một cách nhanh chóng và có hiệu quả, kỹ thuật này bao gồm các chức năng cơ bản sau:
- Định hớng tác động lên máy và phát hiện các tác động bất bình th- êng.
- Xác định xu hớng phát triển của sai xót, h hỏng nhằm phát hiện chúng ở các giai đoạn sớm nhất.
- Xác định các đặc tính, hiệu suất … Từ những năm 90 trở lại đây ph của máy móc nhằm phát hiện các trạng thái bất thờng.
- Giám sát và bảo vệ máy móc. Đồ án tốt nghiệp
- Tìm kiếm các máy móc h hỏng ( tìm bệnh nhân ).
CAT là kỹ thuật phân tích chính xác các “ hiện tợng bất thờng “ của thiết bị đợc phát hiện bởi CMT, nhằm đa ra các quyết định về việc sửa chữa, bảo dỡng Do đó, nó bao gồm các chức năng sau:
- Xác định kiểu, dạng của bất thờng
- Xác định nguyên nhân gây ra bất thờng
- Xác định mức độ nguy hiểm và dự báo cả quá trình phát triển
- Đa ra các phơng pháp xử lý thích hợp.
Ngoài ra, CAT còn bao gồm một số các kỹ thuật đo và phân tích cơ bản nh:
- Kỹ thuật định lợng các tác động.
- Kỹ thuật tìm kiếm và phân tích lỗi.
- Kỹ thuật định lợng độ bền và hiệu suất của thiết bị.
Hình 1.3 bao gồm các nội dung chính của CAT Ngoài ra, nó còn bao gồm rất nhiều chơng trình tính toán và phân tích các h hỏng vật lý.
Bảng1.1 chỉ ra chi tiết việc áp dụng CAT cho các thiết bị cụ thể Từ bảng này ta có thể chọn các phơng án thích ứng với các loại thiết bị và mức độ ứng dụng của chúng trong thực tế.
Thiết bị chính Phơng pháp chẩn đoán
- Phơng pháp đo dao động của âm.
- Phơng pháp biến đổi vận tốc.
- Phơng pháp ph©n tÝch dÊu.
Các phơng pháp xung của SKF, phơng pháp vòng của MTL, phơng pháp sóng dao động với tần số cao của Nippon Steel đợc sử dụng trong thực tế khi chẩn đoán các ổ lăn Với hệ thống bánh răng của máy móc các lý thuyết chẩn đoán của ĐHTHSouthampton và (NASA)
7 hay đợc sử dụng nhất Với các ổ trợt ngời ta hay dùng các ph- ơng pháp đo độ ổn định và cách điện.
Các cơ cấu truyÒn lùc
- Chi tiÕt quay víi vËn tèc cao
- Phơng pháp dao động của âm
- Phơng pháp rung Để dò vết nứt của trục các phơng pháp đo rung và ồn thờng đợc áp dụng. Khi chẩn đoán các dao động bất thờng của các chi tiết quay với tốc độ cao, ngời ta hay dùng kết quả của GE (Mỹ) và hiện nay là Đức và Thuỵ Điển
- Các máy thuỷ lực bơm, tua bin thuû
- Máy dùng áp suất dầu: bơm, xilanh,van.
- Các máy khí: máy nén, quạt
- Phơng pháp dao động của âm
- Phơng pháp xung áp suất.
- Phơng pháp thay đổi nhiệt độ
- Phơng pháp đo hiệu quả. Để chẩn đoán các tua bin thuỷ, bơm… Từ những năm 90 trở lại đây phNgời ta thờng dùng phơng pháp xung áp suất Phơng pháp siêu âm khí, phơng pháp nhiệt độ thờng đợc dùng để dò tìm kẽ hở van… Từ những năm 90 trở lại đây ph Các kỹ thuật chẩn đoán cho các máy dùng áp suất dầu… Từ những năm 90 trở lại đây phĐợc nghiên cứu từ nh÷ng n¨m 50
- Động cơ chạy bằng áp suÊt dÇu.
- Phơng pháp đo dao động âm
-Phơng pháp phân tích khí đốt.
- Phơng pháp xung áp suất.
Các kỹ thuật chẩn đoán các máy móc dạng này đ- ợc chủ yếu nghiên cứu cho động cơ của máy bay, tàu biển… Từ những năm 90 trở lại đây phvà cũng đợc áp dụng rất nhiều trong nhà máy điện Đồ án tốt nghiệp phân tích khí thải.
- Phơng pháp dao động của âm.
- Phơng pháp tia lửa điện.
Các phơng pháp chẩn đoán cho máy công cụ đã đợc thực hiên khoảng 20 năm trớc đây và đã đợc hệ thống hoá Việc chẩn đoán các máy hàn điện ra không thờng xuyên, tuy nhiên hiện nay đã xuất hiện máy hàn có tính năng tự động chẩn đoán.
- Phơng pháp dùng camara hồng ngoại.
- Phơng pháp đo độ mòn.
- Phơng pháp dự báo cơ khí.
Với các hệ buồng áp suất hoặc cấu trúc dàn tĩnh đặc biệt là các dạng dàn khoan, ngời ta hay dùng phơng pháp đo độ ồn Để chẩn đoán độ dày của vỏ, độ ăn mòn của tháp và thùng chứa ngời ta thờng áp dụng các phơng pháp siêu âm, phơng pháp cơ khí… Từ những năm 90 trở lại đây ph
- Máy điện có chi tiÕt quay.
- Máy điện không có chi tiÕt quay.
- Phơng pháp dao động của âm.
- Phơng pháp phân tích dòng điện
- Phơng pháp chẩn đoán dòng
Các phơng pháp nh chẩn đoán cách điện, định vị điểm lồi… Từ những năm 90 trở lại đây ph đã đợc áp dụng từ khá lâu Hiện tại các phơng pháp đo dao động âm, phơng pháp phân tích dòng, bớc đầu đợc nghiên cứu và áp dụng nằm nâng
- Phơng pháp định điểm lỗi. cao hiệu quả của việc chẩn đoán trong lĩnh vực này.
- Hệ điều khiển động cơ.
- Hệ điều khiÓn thuû lùc.
- Hệ điều khiÓn dông cô
- Lý thuyÕt cè định hệ thống.
- Lý thuyÕt ph©n tÝch nhiÒu biÕn
Phơng pháp chuyển đổi chức năng đợc áp dụng trong hầu hết các hệ điều khiển Hiện nay ngời ta đang cố gắng áp dụng cụ các phơng pháp chẩn đoán hiện đại nh phơng pháp lọc Kalman, nhằm đạt độ chính xác chẩn đoán cao hơn
Bảng 1.1 Các kỹ thuật áp dụng cho chẩn đoán tình trạng thiết bị
Hệ thống bảo dỡng phòng ngừa (bảo dỡng theo tình trạng)
Trong hầu hết công tác bảo dỡng hiện nay, bảo dỡng phòng ngừa đợc áp dụng hầu hết các nghành công nghiệp Ví dụ trong nghành công nghiệp gang thép, cứ 10 ngày một lần nhà máy sẽ dừng 10 giờ để thực hiện sử chữa nhỏ và 10 ngày trong một năm để sử chữa lớn Khi công tác sử chữa đợc thực hiện định kỳ theo một khoảng thời gian, thì công tác bảo dỡng đợc gọi là bảo dìng theo thêi gian ( Time Based Maintenance – TBM)
Ngợc lại công tác bảo dỡng thực hiện theo các tình trạng h hỏng của thiết bị đợc xác định bởi kỹ thuật chẩn đoán tình trạng gọi là bảo dỡng theo tình trạng gọi là bảo dỡng theo tình trạng (Condition Based Maintenane –CMB ) hoặc bảo dỡng theo phòng ngừa (Predictive Maintenance – PRM).
Bảo dỡng theo thời gian thờng đợc thực hiện theo các chu kỳ thời gian ngắn hơn so với tuổi thọ của thiết bị Khoảng thời gian này đợc xác định dựa theo sự phân bố các h hỏng trong quá trình làm việc của từng thiết bị cụ thể Nếu khoảng thời gian đợc đặt quá dài, các h hỏng có thể xuất hiện do sự
Thời điểm sửa chữa theo lịch
Hệ thống bảo d ỡng theo thời gian
Thêi gian Điểm giám sát mức dao động theo chu kỳ
Hệ thống bảo d ỡng theo tình trạng
Thời điểm các kỹ s CDT yêu câù sửa chữa
H háng Đồ án tốt nghiệp phân bố h hỏng của máy, vì vậy khoảng thời gian giữa các kỳ bảo dỡng phải đủ ngắn và khối lợng bảo dỡng tăng lên.
Mặc dù các thiết bị đợc sử chữa tất cả các h hỏng nhng sau mỗi lần sửa chữa, độ tin cậy của hệ thống vẫn không đợc nâng cao nh muốn Vì vậy, ph- ơng pháp bảo dỡng theo thời gian không đảm bảo độ tin cậy làm việc của máy cũng nh tiết kiệm chi phí bảo dỡng.
Mặt khác, đối với phơng pháp bảo dỡng đờng theo tình trạng Chu kỳ sửa chữa trong phơng pháp bảo dỡng theo thời gian đợc thay thế bằng chu kỳ chẩn đoán trong phơng pháp bảo dỡng theo tình trạng, không phải sửa chữa mà chỉ có chẩn đoán và giám sát đợc thực hiện theo chu kỳ sửa chữa theo tình trạng.
Hình 1.3 Bảo dỡng theo thời gian và bảo dỡng theo tình trạng
- Vì tình trạng của thiết bị đợc giám sát một cách chặt chẽ, các chi phí pháp sinh trong quá trình bảo dỡng cũng nh các h hỏng có thể tránh đợc.
-Khi không cần thực hiện các chu kỳ sửa chữa, các chi phí vật t cũng nh nhân công cho công cho công tác bảo dỡng giảm đi đáng kể, các sai sót của công nhân trong quá trình sửa chữa cũng có thể tránh đợc
Hình 1.2 chỉ ra mối liên hệ giữa chi phí bảo dỡng và thời gian dừng máy của các phơng pháp bảo dỡng khi hỏng (Break down Maintenance), bảo d- ỡng theo thời gian (Time Based Maintenance ) và bảo dỡng theo tình trạng (Condition Based Maintenance).
Trong sơ đồ, độ rộng của hình chữ nhật chỉ ra chu kỳ dừng máy và chiều cao là khối lợng cần bảo dỡng Diện tích của hình chữ nhật là tổng chi phí bảo dỡng Sơ đồ này đợc dựa trên các cơ sở dữ liệu có thật tại nhà máy giấy Anh.
Qua sơ đồ này ta thấy rằng, nếu phơng pháp bảo dỡng theo tình trạng đợc áp dụng chi phí bảo dỡng đợc giảm đi đáng kể.
Bảo d ỡng theo tình trạng (CMB )
Bảo d ỡng theo thời gian (TBM )
Sửa chữa nhỏ khi dừng máy Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.4 So sánh giữa các phơng pháp bảo dỡng
Cơ sở của chẩn đoán kỹ thuật bằng đo dao động
2.1 ý nghĩa và các dạng dao động của máy
Khi máy móc xuất hiện các hiện tợng bất thờng, trong phần lớn các trờng hợp, chúng sẽ làm thay đổi biên độ và tần số dao động của máy Do đó nếu dao động đợc đo và phân tích ta có thể xác định đợc các h hỏng của máy mà không cần dừng hoặc tháo máy Đây chính là lý do tại sao mà dao động đợc coi là đại lợng chỉ thị tình trạng của máy.
Dao động của máy đợc định nghĩa là “ sự thay đổi theo các khoảng thời gian, trong đó độ lớn của đại lợng chỉ thị sự chuyển động hoặc chuyển vị của một hệ thống máy móc trở lên rất lớn hơn giá trị trung bình hoặc giá trị quy - ớc tại một thời điểm nào đó mà trở nên nhỏ hơn thời điểm tiếp theo, sau đó liên tục lặp lại hai trạng thái này”.
Theo quan điểm chẩn đoán tình trạng máy đặc biệt là các máy quay, các dạng dao động của máy nh ở hình 2.1
Dao động của máy có thể chia làm hai loại chính:
- Dao động có quy tắc: Là loại dao động mà dạng sóng đợc xác định trùc tiÕp theo thêi gian.
- Dao động bất quy tắc: Là dao động mà dạng sóng của nó chỉ có thể xác định bởi các chỉ số thống kê nh giá trị trung bình và hệ số phân bố tại một thời điểm nào đó.
Biên độ dao động có quy tắc d là một hàm của thời gian t : d = D(t) (2.1)
Công thức này áp dụng cho dao động có chu kỳ và không có chu kỳ.
Mặt khác, với các dao động bất quy tắc, sóng dao động thay đổi không theo quy luật thời gian và không thể mô tả chúng nh là một hàm thời gian ngợc lại với biểu thức (2.1) Quá trình xử lý các sóng dao động bất quy tắc này gọi là quá trình thống kê và trong trờng hợp này sự phân tích sẽ dựa trên thuyết xác suất Để mô tả mản chất dao động, ngời ta dùng các chỉ số thống Đồ án tốt nghiệp kê nh các hàm xác suất P(d), giá trị trung bình d và hệ số phân bố Để phục vụ cho việc chuẩn đoán, cần phải nhận biết các dạng dao động nh ở hình 2.1 tơng ứng với dạng dao động của máy cần chẩn đoán và qua đó ta xác định phơng pháp đo và phân tích Dạng dao động thờng gặp trong chẩn đoán các máy quay là các dao động có chu kỳ, dao động giả chu kỳ, dao động bất quy tắc có dải hẹp, dao động bất quy tắc có dải rộng … Từ những năm 90 trở lại đây ph.
2.2 Dao động điều hoà và đặc tính cơ bản
Hình 2.2 mô tả hệ thống bao gồm lò xo với hệ số độ cứng K nối với một vật nặng có khối lợng M nếu vật nặng đợc kéo đi với một khoảng cách D so với chiều dài ban đầu sau đó thả ra, vật nặng sẽ di chuyển theo chu kỳ theo phơng thẳng đứng Trong trờng hợp này, vị trí của vật nặng tại thời điểm nào đó tạo nên dạng sóng hình sin
Dao động mà chuyển vị của nó là hình sin theo thời gian đợc gọi là dao động điều hoà hay dao động điều hoà đơn
Chuyển vị d theo thời gian t đợc mô tả bởi công thức: d = Dsin( 2t/T + ) Trong đó : Chu kỳ T là khoảng thời gian ngắn nhất mà các trạng thái t- ơng tự lặp lại và là dẫn xuất của tần số f = 1/T [ Hz] và = 2f [rad/s]
Trong các thông số của dao động điều hoà, giá trị trung bình dav và giá trị bình phơng trung bình drms là hai thông số quan trọng Giá trị dav là giá trị trung bình của 1 nửa chu kỳ Hệ số hình dạng Ff dùng để thể hiện dạng sóng của dao động: Ff = drms/dav
Hệ số Crest Fc chỉ ra các thuộc tính ảnh hởng của dạng sóng :
Các giá trị dav, drms, Ff và Fc thờng đợc sử dụng để chẩn đoán tình trạng máy nh các chỉ thị số thể hiện đặc tính không chỉ dao động điều hoà mà còn cho các dạng dao động nói chung.
2.3 Dao động có chu kỳ và các đặc tính cơ bản
Khi sóng dao động và đợc lặp lại sau mỗi chu kỳ T và biểu thức D(t) =D(t +nT) với ( n = 0, 1, 2… Từ những năm 90 trở lại đây ph) đợc xác lập thì dao động đợc gọi là dao động có chu kỳ, Khi thực hiện chuyển động quay quanh nó tạo nên các chuyển động có chu kỳ và giả chu kỳ Dao động giả chu kỳ không thực sự là một dao động có chu kỳ, tuy nhiên ta có thể biến đổi thành dạng dao động có chu kỳ thông qua phép biến đổi envelop… Từ những năm 90 trở lại đây ph
Dao động có chu kỳ cũng đợc gọi là dao động có dạng sóng méo trong kỹ thuật điện và cũng đợc coi là tổng của các dao động diều hoà.
Dao động với các thành phần tần số là giống nhau nhng dạng sóng sẽ rất khác nhau và các sóng này hoàn toàn phụ thuộc vào mối liên hệ giữa các pha ban ®Çu
Nếu các sóng dao động điều hoà có tần số khác nhau kết hợp với nhau sẽ tạo ra các dao động có chu kỳ, tính chất điều hoà không còn nữa.
2.4 Các dao động giả chu kỳ và các đặc tính cơ bản
Dạng dao động bất quy tắc với tần số cao fs theo chu kỳ Ts(1/fs) tại tâm dao động xét một cách chính xác thì không phải là dao động có chu kỳ Do đó, việc phân tích tần số đợc thực hiện, các giá trị cực đại cũng không thể chỉ ra chính xác trên đồ thị Đặc biệt khi chuẩn đoán tình trạng máy, thờng ta phải xác định chu kỳ Ts nhng nó không xuất hiện trên phổ tần số.
Trong trờng hợp này, nếu ta lật phần âm của sóng dao động lên phần d- ơng của nó và thực hiện xử lý các giá trị dơng.
Nếu nh việc xử lý tín hiệu qua các giá trị tuyệt đối là một nội dung của phơng pháp lọc dải tần số thấp thì phơng pháp xử lý envelop các tín hiệu xử lý thờng có dạng d(t) = d(t + nTs) Nh vậy với các dao động có chu kỳ các phổ đờng sẽ đạt cực đại Các dạng dao động giả chu kỳ thờng gặp khi chuẩn đoán ổ lăn, bánh răng, động cơ… Từ những năm 90 trở lại đây ph m c k h h 0
Hép §Õ Đồ án tốt nghiệp
đầu đo, máy đo và Bộ lọc
Gới thiệu về các loại cảm biến
khái niệm về cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc là dựa trên một hiện tợng vật lý nào đó và sử dụng mối quan hệ giữa lực và khối lợng để nhận đợc đại lợng điện hoặc thông tin về đo gia tốc Cảm biến gia tốc đợc phân chia thành nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào hiện tợng vật lý mà nó áp dụng và việc cho chúng đo trực tiếp một lực hoặc đo giám tiếp thông qua sự biến dạng hay dịch chuyển của vật trung gian.
Ta cũng có thể phân chia cảm biến gia tốc theo các hiện tợng mà cảm biến đợc sử dụng để phân tích và dải tần số có ích của các hiện tợng này xác định dạng cảm biến thích hợp để nâng cao độ chính xác Cảm biến đo gia tốc là cảm biến chuyển động không cần có điểm mốc
Nguyên lý cảm biến rung động
Tuỳ theo dải tần số, cảm biến rung động đợc cấu tạo từ một loại cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến gia tốc
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lí cảm biến địa chấn (mass – spring)
Cấu tạo cảm biến gồm một bộ phân cơ khí (Tinh thể điện áp hoặc lò xo) nối với khối lợng rung và tất cả đợc đặt trong một cái hộp Chuyển động rung
M lõi bằng nam châm lõi bằng nam ch©m e m của khối lợng m đợc chuyển thành tín hiệu điện là đại lợng thứ cấp m2 cần ®o.
Nh trên hình vẽ: h0 tơng ứng với tung độ điểm trên hộp h tơng ứng với tung độ điểm trên khối lợng rung
Khi không có tác động của gia tốc lên vỏ hộp thì ta có Z = h- h0
Và phơng trình cân bằng giữa phản lực Cz, lực ma sát nhớt F dz dt và lực m d 2 h dt 2 do gia tốc của khối lợng m gây lên sẽ có dạng. m d 2 h dt 2 = - F dz dt - Cz hay là m d 2 h 0 dt 2 = -m d 2 h 0 dt 2 + F dz dt + Cz
Từ phơng trình này ta thấy cấu tạo của loại cảm biến để đo đại lợng sơ cấp m1(độ dịch chyển, vận tốc hoặc gia tốc) phụ thuộc vào cấc đại lợng đợc chọn để làm đại lợng đo thứ cấp m2và dải tần số làm việc Dải tần này quyết định số hạng nào trong vế phải của phơng trình chiếm u thế
Cảm biến rung đo tốc độ
Cấu tạo nh hình vẽ:
M lõi bằng nam châm lõi bằng nam ch©m e m Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến rung đo tốc độ Để đo tốc độ rung của một cấu trúc dh0/dt là kí hiệu ph0 thông qua dịch chuyển tơng đối z nh là đại lợng đo thứ cấp, độ nhạy sơ cấp S1 đợc biểu diễn bằng biểu thức:
Trong đó m1 = h0 và m2=z , để tiện lợi ta thờng sử dụng đại lợng đo thứ cấp m2 là tốc độ tơng đối dz/dt Khi đó độ nhạy S1 có dạng giống nh cảm biến khối lợng rung đo theo dịch chuyển Việc chuyển tốc độ tơng đối của khối lợng so với hợp thành tín hiệu điện thực hiện nhờ một cuộn dây gắn với khối lợng rung Bên trong cuộn dây là một lõi từ gắn với vỏ của cảm biến. Bằng cách đo suất điện động của cuộn dây có thể đánh giá đợc tốc độ rung cÇn ®o.
Cảm biến lực thờng có một vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và bị biến dạng, biến dạng này là nguyên nhân của lực biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng (theo định luật hooke).
Biến dạng và lực gây lên biến dạng có thể đo trực tiếp bằng các đầu đo hoặc đo gián tiếp nếu một trong các tính chất điện của vật liệu trung gian phụ thuộc vào biến dạng.
+ Cảm biến lực dựa trên phép đo độ dịch chuyển.
Trong loại cảm biến này lực đặt lên vật trung gian và gây lên sự thay đổi kích thớc Δℓ của nó Sự thay đổi kích thớc có thể đo bằng cảm biến dịch chuyển Tỷ lệ giữa tín hiệu ra Vm và lực tác dụng đợc biểu diễn bằng biểu thức :
Vm/ Δℓ là tỉ số truyền đạt của cảm biến. Δℓ /F gọi là độ mềm của vật liệu trung gian Độ cứng càng nhỏ thì độ nhạy càng cao.
Trong tất cả các loại đại lợng vật lí, thì nhiệt độ là một trong các đại lợng đợc quan tâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất Để đo đợc trị số chính xác của một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản Thực ra phần lớn các đại lợng vật lí đều có thể xác định một cách định lợng nhờ so sánh chúng với một đại lợng cùng bản chất đợc coi là đại lợng so sánh Những đại lợng nh vậy gọi là đại lợng mở rộng bởi vì chúng có thể xác định bằng bội số hoặc ớc số của đại lợng chuẩn Ngợc lại, nhiệt độ là đại lợng gia tăng: việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lí rõ ràng Bởi vậy nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang đo nhiệt độ là một điều cần làm trớc khi nói đến việc đo nhiệt độ.
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phơng pháp chính sau ®©y.
- Phơng pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt độ đo dao động nhiệt ( hiệu ứng Doppler)
- Phơng pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn: của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.
- Phơng pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tầm số dao động của thạch anh.
Đo nhiệt độ bằng điện trở
- Sự thay đổi nhiệt độ của một điện trở phụ thuộc đồng thời vào điện trở suất và kích thớc hình học của nó Đới với một dây điện trở chiều dài ℓ và tiết diện s
Thông thờng các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở thấp hơn 250 0 C Tuy vậy nikel có những nhợc điểm là chất có hoạt tính hoá học cao, nó dễ bị oxy Đồ án tốt nghiệp hoá khi nhiệt độ làm việc tăng Điều này làm giảm tính ổn định của nó và hạn chế dải nhiệt độ làm việc của điện trở Ngoài ra ta có thể làm điện trở bằng Pt, Ni, đôi khi còn làm bằng đồng ,W để chế tạo điện trở. Để có độ nhạy cao phải sử dụng các điện trở tơng đối lớn Muốn vậy phải:
- Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế bởi vì tiết diện dây càng nhỏ thì dây căng dễ đứt.
- Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị giới hạn bởi vì tăng chiều dài dây làm tăng kích thớc của điện kế.
3.1.4 Cảm biến vị trí và cảm biến dịch chuyển
Cảm biến vị trí và cảm biến dịch chuyển đợc ứng dụng rất rộng dãi Đó là việc kiểm tra vị trí và dịch chuyển đóng một vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của nhiều máy móc, công cụ Hơn nữa, một số lợng vật lý có thể đo đợc thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một vật chịu tác động của đại lợng vật lý đó Có hai phơng pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển Trong phơng pháp thứ nhất (đợc sử dụng nhiều hơn cả) Cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong những phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử đó có liên quan với vật di động mà ta cần đo sự dịch chuyển Sự thay đổi của tín hiệu sẽ cho biết độ dịch chuyển của vật thể Một số cảm biến loại này có cấu tạo bao gồm một trở kháng có một trong những đặc trng hình học hoặc kích thớc thay đổi theo vị trí của phần tử động nh: điện kế, cuộn cảm lõi động vv
Sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo
(hình 3.4) Mô tả sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo, đối tợng đo là nguồn rung động nh vỏ máy, đế máy, trục Các tín hiệu rung đợt đầu đo ghi nhận, thông qua cáp truyền tín hiệu và chuyển tới mạch khuếch đại và mạch lọc. Cáp truyền tín hiệu có thể là vô tuyến, hữu tuyến, cáp quang Mạch khuếch đại có tác dụng làm tăng biên độ của tín hiệu còn mạch lọc có tác dụng loại bỏ những thành phần không cần thiết nh là nhiễu, Sau đó, nhờ bộ chuyển đổi tơng tự – số, tín hiệu đợc rời rạc hóa thành tín hiệu số rồi đa vào lu trữ và xử lí.
Phân tích và l u trữ §Çu ®o 1 ổ lăn
Ph ơng đo dao động dọc trục
Ph ơng đo dao động h íng kÝnh §Çu ®o 2
Trôc Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.4: Sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo
Dới đây ta sẽ xét tới một số thành phần chính của một chuỗi đo gồm:
- §Çu ®o. Đây là hai đối tợng sinh ra và ghi nhận tín hiệu Cáp truyền tín hiệu và các mạch khuếch đại đã đợc nghiên cứu rất kĩ trong các tài liệu chuyên ngành kĩ thuật đo lờng nên ta tạm không xét tới ở đây.
Bộ chuyển đổi "số – tơng tự" và các bộ lọc số đang ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi trong phân tích và xử lí tín hiệu số Do đó, chúng sẽ đợc xem xÐt tíi trong môc sau
Hình 3.5 Các vị trí đặt đúng của đầu đo trên đối tợng đo
Trong (hình 3.5), đầu đo 1 đợc đặt trên nắp ổ và dùng để đo các tín hiệu dao động theo phơng dọc trục còn đầu đo 2 đợc đặt phía dới cốc lót và dùng để đo các tín hiệu dao động theo phơng hớng kính Vị trí đặt các đầu đo 1 và
2 nh trên hình là đúng cách, bảo đảm cho độ tin cậy của tín hiệu đo đợc.
3.2.2 §Çu ®o Đầu đo có nhiều loại với nhiều chức năng đo khác nhau nh:
- Đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc
- Đầu đo vận tốc dao động
- Đầu đo dao động xoắn của trục
Tuy nhiên, đợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vẫn là đầu đo gia tốc dao động sử dụng cảm biến piezo Loại đầu đo này có độ nhạy cao, ổn định, chịu đợc nhiệt độ lớn, khối lợng nhỏ
Hình 3.6: Đầu đo gia tốc sử dụng cảm biến piezo
Bộ lọc số
3.3.1 Cơ sở lý thuyết bộ lọc số
Tín hiệu đo đợc thông thờng chứa rất nhiều các thành phần có tần số khác nhau Mỗi một thành phần tần số sẽ đặc trng cho một nguồn rung nhất định. VD: thành phần tần số quay đặc trng cho dạng hỏng mất cân bằng.
Trong nhiều trờng hợp, ta chỉ quan tâm tới một dải tần nhỏ nào đó Do đó,việc lọc bỏ những tín hiệu không cần thiết cho phép ta khảo sát tín hiệu trong một dải tần mong muốn. Đồ án tốt nghiệp
Trong (hình 3.7), ta chỉ cần quan tâm tới vùng tần số của các dao động tự do sinh ra do h hại Vì thế, cần phải lọc bỏ các vùng tần số dao động do ăn khớp Muốn vậy, ta phải dùng đến các bộ lọc số (digital filter).
Hình 3.7 Phổ tần số của một dạng tín hiệu dao động trong bánh răng Định nghĩa bộ lọc số: Bộ lọc số là một hệ thống dùng để làm biến đổi sự phân bố tần số của tín hiệu theo các chỉ tiêu cho trớc. Định nghĩa quá trình lọc số: là các thao tác xử lí nhằm thay đổi sự phân bố tần số của tín hiệu nhờ một bộ lọc số.
Các bộ lọc số là đang là đối tợng đợc nghiên cứu nhiều nhất hiện nay trong các phơng pháp phân tích tín hiệu số Trong khuôn khổ của đồ án này, ta chỉ quan tâm tới các đặc tính của một số bộ lọc số thông dụng và cách sử dụng chúng cho phân tích tín hiệu dao động.
Các loại bộ lọc số chính:
- Bộ lọc số thông thấp, (digital low-pass filter), hình (3.8a) Bộ lọc này sẽ loại bỏ các thành phần tín hiệu có tần số lớn hơn fmax
- Bộ lọc số thông cao, (digital high-pass filter), hình (3.8b), các thành phần tín hiệu có tần số nhỏ hơn fmin sẽ bị loại bỏ.
- Bộ lọc số thông dải, (digital band pass filter), hình (3.9a), các thành phần tín hiệu có tần số lớn hơn fmax hay nhỏ hơn fmin sẽ bị loại bỏ. dao động do ăn khớp dao động tự do sinh ra do h hại
- Bộ lọc số chắn dải, (digital band stop filter), hình (3.9b), các thành phần tín hiệu có tần số nhỏ hơn fmax và lớn hơn fmin sẽ bị loại bỏ.
Hình 3 8: Các đờng đặc tính của các bộ lọc số thông thấp (a) và thông cao (b)
Hình 3.9 : Các đờng đặc tính của các bộ lọc số thông dải (a) và chắn dải (b)
Các tham số chính của một bộ lọc số:
Hình (3.10) mô tả hàm phản hồi xung (hàm đáp ứng tần số) của một bộ lọc số thông thấp Các tham số chính gồm có:
1: độ gợn sóng của dải thông.
2: độ gợn sóng của dải chắn. fmax: tần số giới hạn giải thông. đờng đặc tính lí tởng đờng đặc tính thùc x(n) h(n) lọc số tín hiệu vào tín hiệu đợc lọc y(n) Đồ án tốt nghiệp fp
: tần số giới hạn giải chắn.
Hình 4.7: Hàm phản hồi xung của bộ lọc số thông thấp
Mô tả quá trình lọc số:
Hình 3.11: Sơ đồ quá trình lọc số
Sơ đồ trên thể hiện rằng tín hiệu đợc lọc là phép chập của tín hiệu vào và hàm phản hồi xung: m y(n) x(n) * h(n) x(m).h(n m)
3.3.2 Các loại bộ lọc số
Mạch lọc FIR thông thấp
Mạch lọc số là những hệ thống có khả năng chọn lọc tần số, vì có hai loại mạch lọc tơng ứng với hai loại hệ thống số là mạch lọc FIR và mạch lọc IIR. Mạch lọc FIR có hàm truyền tổng quát dạng: dải thông dải quá độ dải chắn
0.01 Bien do cua m/l FIR thong thap w/pi
0 Dap wng pha cua m/l FIR
Hệ số hàm truyền bm chính là giá trị của đáp ứng xung của mạch lọc. Mạch lọc FIR đơn giản nhất là mạch lọc thông thấp bậc nhất mà hàm truyền ta thờng gọi là hệ thống trung bình.
Mạch lọc FIR thông cao
Mạc lọc FIR thông cao đơn giản nhất thu đợc bằng cách thay thế z = -z và trong biểu thức của hàm truyền của mạch lọc FIR thông thấp H1(z) Nh vậy hàm truyền của mạch lọc FIR thông cao bậc nhất có dạng:
2 (1 – z -1 ) (3.1) Đáp ứng tần số là: H(e j ) = je -j/2 sin(/2) Đáp ứng biên độ là |H (e jωω )|=|sin (ω/ 2 )|
Dap ung bien do alpha=0.8 alpha=0,7 alpha=0,8
Dap ung pha alpha=0,8 alpha=0,7 alpha=0,5 Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.12 Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của mạch lọc
FIR thông thấp bậc nhất có hàm truyền 3.1
Mạch lọc số IIR thông thấp
Mạch lọc số IIR thông thấp đơn giản nhất là mạch lọc số IIR bậc nhất. Hàm truyền của mạch lọc số này có dạng
Trong đó hệ số |α| 1kHz qua gia tốc dao động Các thiết bị nh bộ lọc … Từ những năm 90 trở lại đây ph chỉ nhằm tách ra các tần số tơng ứng theo yêu cầu mà thôi Đặc biệt khi đo gia tốc dao động, ngời ta thờng đo ở các dải tần số 1kHz để loại bỏ các thành phần dao động khác với các điều kiện xác định bằng gia tốc dao động.
Hình 5.13 Đờng cong phòng tránh h hỏng
Nhằm xác định các h hỏng ở giai đoạn đầu cần thiết phải thực hiện các quá trình đo theo chu kỳ Hơn nữa các chu kỳ phải đủ ngắn để quan sát sự phát triển của bất cứ hiện tợng bất thờng nào Tuy nhiên, nếu chu kỳ quá ngắn sẽ gây ra lãng phí vô ích, do đó cần xác lập các chu kỳ đo phù hợp với từng ổ lăn.
Thông thờng các h hỏng phát hiện lúc đầu một cách từ từ sau đó phát triển rất nhanh Do đó, đặc biệt với các ổ lăn, chu kỳ đo cần phải ngắn hơn so với các chi tiết máy khác Nếu có thể cần phải thực hiện hàng ngày.
Tuy nhiên, chu kỳ đo không nhất thiết phải luôn bằng hằng số Ví dụ cần thiết giữ chu kỳ đo bằng hằng số khi kết quả đo so với chuẩn ( sẽ mô tả sau) vẫn trong giới hạn bình thờng và sẽ rút ngắn chu kỳ đo lại khi giá trị nằm trong giới hạn cảnh báo.
( b ) Tín hiệu gia tốc (cao) Gia tèc
H háng Đồ án tốt nghiệp
Hình 5.14 Nguyên lý sinh dao động kích động trong ổ lăn
Khái niệm cơ bản về giám sát tình trạng.
Nếu có h hỏng nào tại vòng trong, vòng ngoài hoặc con lăn, trục quay sẽ gây ra các va chạm tạo ra các tác động cơ khí Tại lúc này sự thay đổi độ lớn lực tác dụng gọi là các “xung sốc” ( hình 5.14a) xuất hiện
Nếu các hiện tợng bất thờng ở giai đoạn đầu các xung này tăng theo tỷ lệ thuận với sự phát triển của hiện tợng bất thờng Nếu là dao động sẽ tạo ra dạng sóng của dao động có cản với tần số cao ( tần số trong trờng hợp này là tần số riêng của ổ lăn) Do đó, h hỏng của ổ lăn đợc đo và chẩn đoán theo gia tốc dao dộng và việc chẩn đoán đợc thực hiện dựa trên biên độ của gia tốc dao động.
Hình 5.15 Giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của dao động kích động Độ lớn của biên độ gia tốc dao động tỷ lệ thuận với mức độ của các bất thờng Do đó, mặc dù các bất thờng đợc đánh giá qua giá trị cực đại (P) của sóng tác động (hình 15.5a) hoặc giá trị trung bình (A) của dạng sóng tạo ra
P/A: Nhá bởi việc xử lý giá trị tuyệt đối các dạng tác động (hình 15.5b) thì các kết quả cơ bản là giống nhau Tuy nhiên để đảm bảo ổn định, việc chẩn đoán đợc thực hiện dựa trên các giá trị trung bình nhng nếu tốc độ của trục thấp
