plik

...każdy ptak lubi słuchać

swojego śpiewu...

4. NARZĘDZIA I SYSTEMY DO POMIARU DRGAŃ

Współczesne maszyny i urządzenia to złożone układy dynamiczne zarówno pod

względem funkcjonalnym, jak i konstrukcyjnym oraz przestrzennym. Proces ich wytwarzania
i eksploatacji pochłania ogromne ilości pracy, surowców i energii. Szybki wzrost wymagań w
stosunku  do  technicznych  parametrów  maszyn  i  urządzeń,  przy  równoczesnym  dążeniu  do
zmniejszenia  kosztów  wytwarzania  i  eksploatacji,  spowodował  zasadnicze  przeobrażenia  w
metodach projektowania, kontroli produkcji i eksploatacji. Liczne przypadkowe uszkodzenia,
niespodziewane  awarie  oraz  zagadnienia  związane  z  uszkodzeniami  spowodowanymi
procesami życiowymi i starzeniowymi uzasadniają potrzebę prowadzenia badań drganiowych,
stanowiących podstawowe źródło informacji o zmieniającym się stanie.

4.1. POMIARY I ANALIZA DRGAŃ

Zasady pomiarów

Pomiarem nazywa się proces poznawczy, polegający na porównaniu drogą

doświadczenia  fizycznego  danej  wielkości  z  pewną  jej  wartością  przyjętą  za  jednostkę
odniesienia.  Tę  definicję  można  rozszerzyć,  uwzględniając,  że  niektóre  automatyczne
przyrządy pomiarowe spełniają także zadania wykonawcze.

Pomiarem nazywa się więc proces odbioru i przekształcenia informacji o wielkości

mierzonej w celu otrzymania, przez porównanie z jednostką pomiarową, ilościowego wyniku
w  postaci  przez  jej  najbardziej  wygodnej  do  odbioru  przez  organy  czucia  człowieka,
przekazania  w  przestrzeni  lub  w  czasie  (rejestracji),  matematycznego  opracowania  lub
wykorzystania do sterowania.

Przeprowadzenie takich pomiarów potrzebne jest do :

- wyznaczenia przebiegów drgań i ich parametrów w czasie celem okreś1enia rodzaju drgań,

ich wielkości charakterystycznych i przeprowadzenia szczegółowej analizy;

- wykrywania źródeł drgań, tzn. ustalania przyczyny powstawania drgań i miejsca ich

występowania;

- ustalania cech charakterystycznych układów mechanicznych ( np. okreś1anie zmienności

obciążeń w czasie podczas drgań i ich zależności od parametrów obiektu, jego kształtu,
wymiarów, własności materiałów itp.);

- izolowania i zmniejszania drgań szkodliwych d1a niezawodnej pracy urządzeń i

obsługujących ludzi;

- określenia szkodliwości występujących drgań d1a obsługi urządzeń mechanicznych i

przeprowadzenia pewnych zabiegów profilaktycznych.

Często bardzo istotne jest wyznaczenie przebiegów drgań własnych i wymuszonych

układów  mechanicznych.  Tylko  dla  prostych  układów  można  te  przebiegi  określić
analitycznie.  Dla  bardziej  złożonych  układów  przebiegi  te  są  wynikiem  superpozycji  drgań
własnych  i  trzeba  je  wyznaczyć  eksperymentalnie  na  podstawie  pomiarów  w  różnych
punktach układu. Przebiegi drgań własnych zależą od warunków początkowych i parametrów
mechanicznych  danego  układu.  Przebiegi  drgań  wymuszonych  są  uzależnione  od  zmian
wymuszenia  w  czasie.  Na  podstawie  otrzymanych  przebiegów  drgań  można  określić  ich
rodzaj (okresowe, przypadkowe, nie ustalone itp.) i przeprowadzić analizę.

Celem analizy jest otrzymanie informacji o parametrach drgań danego układu.

Ważnym  zagadnieniem  jest  wyznaczenie  węzłów  drgań  (punktów,  linii  lub  powierzchni,
które  nie  biorą  udziału  w  drganiach)  i  punktów,  których  amplitudy  drgań  dla  danej
częstotliwości  są  największe.  Zbiór  amplitud  drgań  poszczególnych  punktów  układu
przedstawia kształt (przebieg) drgań. Zagadnienia te są przedmiotem analizy geometrycznej.

Analiza czasowa polega na określeniu, w jaki sposób zmieniają się w czasie

poszczególne wielkości (przemieszczenie linearne, prędkość, przyśpieszenie, odkształcenie
itp.). Jeżeli zmiany są okresowe, to wyznacza się także ich częstotliwość. Jeżeli zmiany mają
charakter przypadkowy, to do analizy stosuje się metody statystyczne.

Interesujące wnioski można wyciągnąć także na podstawie analizy częstotliwościowej,

tzn. określeniu zmian charakterystycznych wielkości i parametrów w funkcji częstotliwości.
Źródła  drgań  mogą  powstawać  z  przyczyn  konstrukcyjnych  (np.  mechanizmy  korbowe,
krzywkowe  i  inne  wykonujące  ruchy,  napędy  maszyn  wibracyjnych),  technologicznych
(niedokładności  wykonania  i  montażu  maszyny,  np.  niewyważenie  mas  wirujących,
owalizacja  elementów  łożysk  i  części  obrotowych,  niepożądane  luzy  i  inne  wady)  lub
eksploatacyjnych  (w  wyniku  zużycia  się  elementów  i  zniekształceń  powierzchni  w  czasie
ruchu).

Przeprowadzając pomiary drgań poszczególnych elementów badanego obiektu można

znaleźć podzespół, który jest źródłem szkodliwych drgań. Przez jego wymianę często można
zmniejszyć  drgania  całego  obiektu.  Stosunkowo  łatwe  jest  wykrywanie  drgań  będących
wynikiem  wymuszenia  kinematycznego,  tzn.  wywołanych  wskutek  ruchu  danego  elementu
(np.  drgania  wskutek  ruchu  samochodu  po  nierównej  drodze),  lub  wymuszenia
dynamicznego,  tzn.  wskutek  działania  na  dany  element  sił  zewnętrznych  lub  sił  będących
wynikiem oddziaływania innych podzespołów. Wartość siły może zmieniać się (okresowo lub
nie  okresowo)  lub  być  stała,  a  zmieniać  się  w  czasie  może  tylko  jej  kierunek  lub  punkt
przyłożenia  (np.  siły  odśrodkowe  powstałe  w  wyniku  ruchu  obrotowego  niewyważonej
masy).  Trudniejsze  jest  wykrywanie  drgań  samowzbudnych,  których  przyczynami  są
przeważnie zmienne opory tarcia, siły hydro- i  aerodynamiczne lub  występowanie sprzężeń
zwrotnych  i  drgań  parametrycznych,  których  przyczyną  często  jest  okresowa  zmienność
sztywności elementów.

Wyznaczanie zmienności obciążeń pod wpływem drgań pozwala określić występujące

naprężenia i odkształcenia będące wynikiem sił zewnętrznych i sił bezwładności. Mierząc w
miejscach działania obciążeń, w miejscach połączeń itp. występujące siły i momenty można
otrzymać przebieg obciążeń dynamicznych poszczególnych elementów obiektu [14,47,58,81].

Za pomocą pomiarów drgań można badać wpływ wymiarów i kształtów elementów (a

tym samym masy, sztywności itp.), sposobów mocowania i materiałów na parametry drgań.
Występujące drgania obiektów, z wyjątkiem układów techniki drgań, są szkodliwe. Zakłócają
one prawidłową pracę urządzeń, powodując ich szybkie zużywanie oraz straty energetyczne.
Jeżeli występują drgania, wówczas dąży się do ustalenia przyczyny i zlokalizowania ich, a
następnie zmniejszenia. Jeżeli nie da się zmniejszyć drgań, wówczas stosuje się elementy
izolacyjne, które powodują ich tłumienie.

Pomiary drgań polegają na mierzeniu pewnych wielkości fizycznych,

charakteryzujących drgania obiektu. Do takich wielkości zalicza się przemieszczenie,
prędkość i przyspieszenie. Przemieszczenie punktu określa jednoznacznie wektor
przemieszczenia s. Przy pomiarach wektora s określamy jego współrzędne s

, s

lub s

Drgania obiektu można określić wektorem chwilowych wartości prędkości v. Dla

wyznaczenia wektora v należy pomierzyć jego składowe: v

, v

Pomiary prędkości są

celowe w wielu przypadkach. Należy pamiętać, że amplituda prędkości cząstki drgającej
harmonicznie równa jest amplitudzie przemieszczenia pomnożonego przez częstotliwość
kątową



Ruch drgający można określić także wektorem chwilowego przyspieszenia a. Wektor

ten można wyznaczyć przez pomiar jego współrzędnych: a

, a

. Przyspieszenie jest

proporcjonalne do działającej siły, w związku z tym dla jednoznacznego scharakteryzowania
drgań można mierzyć przyśpieszenie wyznaczające położenie danego punktu i przyspieszenie
określające oddziaływującą na obiekt siłę. Amplituda przyśpieszenia każdej składowej widma
równa się amplitudzie przemieszczenia pomnożonej przez częstotliwość kątową do kwadratu.
Im  wyższa  jest  harmoniczna  przebiegu  drgań,  tym  bardziej  jest  ona  odzwierciedlana  w
widmie przyspieszenia. Jak wiadomo, szeregi Fouriera dla pochodnych rozkładanej funkcji są
tym  wolniej  zbieżne,  im  jest  wyższy  rząd  pochodnej.  Ponieważ  amplitudy  przyśpieszeń
wyższych  harmonicznych  są  duże,  więc  do  pomiarów  należy  używać  aparaturę  posiadającą
szeroki zakres częstotliwości pracy.

Przy pomiarach przemieszczeń wymagania dotyczące zakresu częstotliwości są

mniejsze, ponieważ amplitudy wyższych harmonicznych są pomijalne. Należy zaznaczyć, że
w niektórych przypadkach przebiegi przemieszczeń mogą być prawie sinusoidalne, prędkości
odkształcone, a przyśpieszenia mogą mieć charakter przypadkowych procesów.

Dla każdej z trzech wyżej wymienionych wielkości można mierzyć jej wartości

chwilowe, średnie lub szczytowe. Najpełniejszą informację daje zapis wartości chwilowych w
funkcji czasu. Pomiary wartości średnich przeprowadza się wtedy, gdy chodzi nam o ogólne,
uśrednione informacje o danych drganiach. W niektórych układach są wprowadzone
ograniczenia odnośnie do maksymalnych chwilowych wartości drgań. Dla ich wyznaczenia
wystarczy mierzyć szczytowe wartości drgań.

Często zależy nam na określeniu częstotliwości występujących drgań. Przy drganiach

harmonicznych  częstotliwość  można  wyznaczyć  bardzo  łatwo,  np.  z  widma  chwilowych
wartości  przemieszczeń.  Można  także  zmierzyć  ją  bezpośrednio  miernikiem  częstotliwości.
Dla  drgań  okresowych,  ale  nie  harmonicznych,  wymagane  jest  często  określenie
częstotliwości  podstawowej  (drgania  harmonicznego  o  najniższej  częstotliwości).
Bezpośrednie  wyznaczenie  jej  z  widma  jest  przeważnie  niemożliwe  i  należy  w  tym  celu
zastosować  specjalną  aparaturę  (filtry  przestrajane  lub  przełączane)  albo  przeprowadzić
analizę  przebiegu  analitycznie  (szereg  Fouriera).  Dla  pełnego  obrazu  występujących
częstotliwości  należy  przeprowadzić  szczegółową  analizę  i  wyznaczyć  dyskretne  widmo
drgań.  Jeżeli  występują  drgania  nieokresowe,  widmo  drgań  jest  ciągłe.  Wyznaczenie  tego
widma  wymaga  skomplikowanej  aparatury  pomiarowej.  Przy  drganiach  przypadkowych
wymagany  jest  pomiar  rozkładów  prawdopodobieństw,  który  najpełniej  charakteryzuje
zachodzący  proces.  Ze  względu  na  to,  że  pomiar  ten  jest  bardzo  skomplikowany,  często
ogranicza  się  do  pomiaru  funkcji  korelacyjnej  drgań.  Funkcja  ta  pozwala  wyznaczyć
parametry pierwszego i drugiego rzędu drgań przypadkowych. Na podstawie przekształcenia
Fouriera  z  funkcji  korelacyjnej  można  wyznaczyć  gęstość  widmową  mocy  procesu.  Za
pomocą  odpowiedniej  aparatury  można  bezpośrednio  wyznaczyć  widmo  amplitudowe.
Pomiar widma fazowego jest rzadko wymagany.

Przy drganiach wywołanych impulsami często wymaga się określenia nachylenia

czoła i czasu trwania działających impulsów. Jeżeli impulsy występują okresowo, to określa
się ich częstotliwość.

Układ pomiarowy służy do przetworzenia ruchu drgającego badanego obiektu na

Jeżeli przewody łączące czujniki z pozostałą aparaturą są długie, wówczas dla

zapewnienia lepszych warunków pomiaru stosuje się wtórniki katodowe. Zadaniem ich jest

dopasowanie linii do czujnika. Sygnał wyjściowy z wtórnika katodowego doprowadza się do
pozostałej  aparatury  pomiarowej  liniami  połączeniowymi.  Urządzenie  dodatkowe  może
zawierać  różne  zespoły  w  zależności  od  wybranej  metody  pomiarowej,  stosowanych
czujników,  mierzonych  wielkości  i  parametrów,  własności  drgań  oraz  wymaganej  postaci
sygnału  wyjściowego.  Mogą  tutaj  wchodzić  mostki,  różne  rodzaje  wzmacniaczy,  układy
całkujące lub różniczkujące itp. w zależności od tego, czy przewiduje się bezpośredni odczyt,
czy przebieg ma być rejestrowany, stosuje się mierniki wskazówkowe lub  rejestratory. Jako
rejestratorów  używa  się  wielokanałowe  oscylografy  pętlicowe,  wielostrumieniowe
oscylografy  z  kamerami  fotograficznymi  lub  magnetofony  pomiarowe.  w  niektórych
przypadkach zamiast przyrządów wskazówkowych lub rejestratorów używa się analizatorów,
które przeprowadzają od razu analizę drgań i podają gotowe wyniki. Gdy są przeprowadzane
pomiary układów, w pobliżu których ze względu na bezpieczeństwo nie może znajdować się
człowiek, wówczas stosuje się zdalne sterowanie [3,6,14,24,25,27,34].

4.2. UKŁADY POMIAROWE DRGAŃ MECHANICZNYCH

Układ pomiarowy służy do przetworzenia ruchu drgającego badanego obiektu na

wskazania miernika lub na postać dogodną do rejestracji. Na obiekcie, którego drgania mają
być mierzone, mocuje się czujniki. Są one przetwornikami wielkości wejściowej (drgań) na
sygnał  wyjściowy  informujący  o  mierzonej  wielkości.  Przetworniki  przekształcają  drgania
mechaniczne  na  inną  postać  drgań  mechanicznych  lub  na  drgania  elektryczne.  Podstawową
strukturę  układu  pomiarowego  można  otrzymać  przez  odpowiednie  połączenie  kilku
przyrządów pomiarowych. Przykładowy układ pokazano na rysunku 4.1.

Rys 4.1. Schemat układu pomiarowego drgań mechanicznych

Zasadniczym elementem układu pomiarowego jest czujnik, który umożliwia określenie

przebiegu drgań w czasie w postaci sygnału analogowego. Obecnie są stosowane do pomiaru
drgań  rożnego  typu  przetworniki  wielkości  mechanicznych  na  wielkości  elektryczne.
Generalnie  można  wyodrębnić  czujniki  do  pomiarów  drgań  bezwzględnych  oraz  drgań
względnych.  Do  klasy  czujników  do  pomiaru  drgań  bezwzględnych  należą  akcelerometry
piezoelektryczne  i  czujniki  elektrodynamiczne  z  masą  sejsmiczną.  Natomiast  pomiar  drgań
względnych  wykonuje  się  najczęściej  czujnikami  bezstykowymi  takimi  jak:  czujniki
zbliżeniowe  elektromagnetyczne  i  indukcyjne,  czujniki  zbliżeniowe  wiroprądowe,  czujniki
zbliżeniowe pojemnościowe. Większość z czujników zbliżeniowych może być stosowana do
pomiaru drgań elementów tylko o własnościach ferromagnetycznych.

Uzyskany z czujnika sygnał elektryczny jest sygnałem małej mocy rzędu mikro lub

miliwatów wymagającym dużej oporności wejściowej, aby zapewnić właściwe ich działanie.
Napięcie sygnału osiąga wartość od kilku do kilkudziesięciu mV. Przyrządem, który zapewni
właściwe  działanie  czujnika  i  umożliwia  zwiększenie  napięcia  wyjściowego  sygnału  z
czujnika  jest  wzmacniacz  ładunku  (lub  napięcia)  sygnału  elektrycznego.  W  najnowszych
rozwiązaniach  są  stosowane  wzmacniacze  zintegrowane  z  czujnikiem,  które  umożliwiają
znaczne  zwiększenie  stosunku  poziomu  sygnału  pomiarowego  do  poziomu  zakłóceń.  Nie
wyklucza to jednak stosowania w połączeniu kaskadowym wzmacniacza końcowego sygnału.
W  układzie  pomiarowym  stosowanym  do  monitorowania  maszyn  wirnikowych  włącza  się
dodatkowo  moduł  znacznika  fazy,  który  umożliwia  zidentyfikowanie  fazy  drgań  w
odniesieniu do położenia kątowego wału, a także może posłużyć do śledzenia obrotów wału i
zmian  prędkości  obrotowej  wału.  Bardzo  ważnym  elementem  układu  pomiarowego  jest
zespół  filtrów  sygnału  analogowego.  Filtr  umożliwia  eliminowanie  składowych
harmonicznych z widma amplitudowego sygnału w wybranym zakresie częstotliwości. Ma to
duże znaczenie w badaniach spektralnych i minimalizowaniu zakłóceń.

Wzmacniacze, filtry i zasilacze połączone szeregowo tworzą układ kondycjonowania

sygnałów.  Analogowe  sygnały  elektryczne  z  tego  układu  są  przesyłane  do  elektronicznego
układu  przetwarzającego  sygnał  analogowy  w  dyskretny  sygnał  cyfrowy.  Układ  ten  jest
zwany  przetwornikiem  analogowo  cyfrowym  (konwerterem  AC).  Zespół,  najczęściej
kilkunastu  przetworników  mogących  obsługiwać  kilka  kanałów  analogowych,  tworzy  kartę
analogowo-cyfrową.  Możliwość,  a  także  i  potrzeba  stosowania  przetworników  AC  pojawiła
się  wraz  z  powszechną  dostępnością  przenośnych  komputerów.  Karta  analogowo-cyfrowa
bardzo  często  jest  tak  konstruowana  aby  mogła  być  bezpośrednio  podłączona  do  magistrali
komputera (BUS). Jest ona umieszczana w 16-bitowych złączach (ISA lub PCI) płyty głównej
komputera.

Najważniejszymi parametrami kart analogowo – cyfrowych są częstotliwość

próbkowania i szybkość transmisji danych do pamięci operacyjnej. Parametry te mają
zasadnicze znaczenie przy wyborze filtrów w układzie kondycjonowania sygnału
analogowego [1].

Przetwarzanie drgań na postać elektryczną, to zamiana energii drgań źródła na energię

sygnału elektrycznego. Przetwarzanie to jest realizowane za pośrednictwem czujników drgań.
Czujnik  drgań  lub  wibracji  jest  zwykle  przetwornikiem  mechano  -  akustycznym
przyspieszeniowym  lub  prędkościowym.  Jego  siła  elektromotoryczna  jest  proporcjonalna  do
składowej przyspieszenia (lub prędkości), równoległej do kierunku ruchu elementu czynnego
czujnika.  Czujniki  przyspieszeń,  zwane  też  akcelerometrami,  są  najczęściej  przetwornikami
piezoelektrycznymi,  które  na  zaciskach  wyjściowych  wytwarzają  sygnał  elektryczny  –
proporcjonalny  do  przyspieszenia,  któremu  został  poddany.  Akcelerometry  pracują  w
szerokim zakresie częstotliwości od ułamków herca do około 20000Hz. Czujniki prędkości są
zwykle  przetwornikami  magnetoelektrycznymi  lub  elektromagnetycznymi.  Odznaczają  się
gorszymi parametrami niż czujniki przyspieszeń i z tego powodu, w technice pomiarowej są
prawie  nie  stosowane.  Czujniki  drgań  muszą  współpracować  z  odpowiednim  typem
przedwzmacniacza, co umożliwia zastosowanie np.: długich kabli pomiędzy przetwornikiem
a  stopniem  wejściowym  przyrządu  pomiarowego  lub  rejestratora.  Różnorodność  rozwiązań
konstrukcyjnych  akcelerometrów  może  na  pierwszy  rzut  oka  utrudnić  właściwy  wybór
przetwornika, jednakże akcelerometry uniwersalne ogólnego przeznaczenia zaspokajają dużą
część zapotrzebowania na czujniki drgań systemów diagnostycznych [1].

Przy pomiarach i rejestracji drgań o bardzo niskich lub bardzo wysokich poziomach

należy uwzględnić zakres dynamiki akcelerometru. Dolna granica jest spowodowana
szumami przedwzmacniacza, natomiast górna jest określona wytrzymałością mechaniczną
samego akcelerometru. Typowy czujnik przyspieszenia ma liniową dynamikę w zakresie 50 ÷

100000 m/s

. Tak wysoki poziom występuje przy pomiarach udarów mechanicznych. Bardzo

ważnym czynnikiem, mającym wpływ na jakość przetwarzania za pomocą akcelerometru, jest
jego zamocowanie. Akcelerometr powinien być zamocowany w ten sposób, by jego główna
oś czułości pokrywała się z kierunkiem pomiaru. Czułość poprzeczna jest niewielka i wynosi
zwykle 1 ÷ 2 % poniżej czułości wzdłuż osi. Luźne zamocowanie akcelerometru powoduje
obniżenie  częstotliwości  rezonansowej  czujnika,  co  z  kolei  implikuje  zmniejszenie
użytecznego  zakresu  częstotliwości.  Optymalny  sposób  montażu  czujnika  przyspieszeń
polega  na  jego  przykręceniu  (o  ile  to  możliwe)  do  powierzchni  pomiarowej  za  pomocą
specjalnego wkrętu.

Pod wpływem drgań na wyjściu czujnika drgań pojawia się sygnał elektryczny jako

odwzorowanie zmian procesu drganiowego. Sygnał na wyjściu akcelerometru może być
wykorzystywany w następujący sposób:

a) może być poddany przetwarzaniu i analizie w czasie rzeczywistym, co jest

realizowane za pomocą przyrządów pomiarowych i analizujących współpracujących
z danym przetwornikiem,

b) może być zarejestrowany w oryginalnej postaci analogowej, na odpowiednim

nośniku magnetycznym lub pamięci masowej typu USB flash,

c) może zostać zarejestrowany w postaci cyfrowej.

Ze względu na fakt, że pewna część pomiarów diagnostycznych musi być wykonywana

w terenie bądź w miejscach i sytuacjach oddalonych od aparatury diagnostycznej, istnieje
potrzeba rejestracji sygnału diagnostycznego w postaci analogowej. Rejestracja analogowych

sygnałów diagnostycznych ma wiele zalet:

istnieje możliwość łatwego usunięcia poprzedniego, zbędnego zapisu sygnału,

stosowanie pamięci typu USB flash pozwala na długi czas rejestracji,

zapis analogowy jest mało kosztowny,

łatwy sposób archiwizowania i analizy sygnałów pomiarowych.

Zarejestrowany sygnał analogowy u(t) zawiera, oprócz sygnału użytecznego, składowe

zniekształcające,  pochodzące  od  źródeł  zakłócających  oraz  parametrów  czujników.  Zatem
zapisany  sygnał,  w  dalszych  procedurach  przetwarzania  i  analizy,  będzie  poddawany
przekształceniom,  mającym  na  celu  wydobycie  z  niego  interesujących  informacji
diagnostycznych a jednocześnie usunięcie informacji nadmiarowych lub szkodliwych. Należy
pamiętać  o  podstawowej  zasadzie  w  trakcie  pomiarów,  że  jeśli  na  wyjściu  przyrządu
pomiarowego nie uzyskaliśmy odpowiednich informacji diagnostycznych, to dalsze operacje
na tym sygnale tej informacji nie zwiększą [1].

Kolejnym etapem procesu komputerowego przetwarzania sygnału diagnostycznego,

najczęściej po analogowych procedurach wstępnej obróbki, jest wprowadzenie tego sygnału

do pamięci komputera. Pamięć komputera składa się z tzw. komórek, w których można

umieścić kody reprezentujące np. liczby z określonego przedziału wartości odwzorowane z

określoną dokładnością. Ze względu na to, że sygnał wibroakustyczny jest przebiegiem

ciągłym, trwającym określony czas i przyjmującym wartości napięcia z czujnika zmieniające

się też w sposób ciągły, to występuje oczywista konieczność przetworzenia informacji z

postaci ciągłego sygnału do postaci kodów komputerowych. Przetwarzanie to składa się na

ogół z trzech etapów:

a)  próbkowania, czyli dyskretyzacji czasowej sygnału,
b)  dyskretyzacji amplitudowej, czyli inaczej kwantyzacji,
c)  kodowania sygnału do postaci akceptowanej przez komputer.

Realizację przetwarzania uzyskuje się za pośrednictwem ważnego urządzenia zwanego

przetwornikiem

analogowo-cyfrowym

(A/C). Przetwornik

analogowo-cyfrowy jest

urządzeniem, które przetwarza wejściowy ciągły sygnał elektryczny w sygnał cyfrowy,
będący sekwencją liczb aproksymujących (przybliżających) odpowiednie próbki sygnału
wejściowego. W dyskretyzacji czasowej sygnału mowy (i każdego innego sygnału) istotnym
problemem jest określenie tzw. kroku próbkowania, czyli przedziału czasu, co jaki mają być

pobierane  przez  komputer  pomiary  chwilowych  wartości,  ponieważ  tylko  te  chwilowe
wartości  zostaną  następnie  zamienione  na  kody  i  wprowadzone  do  określonych  komórek
pamięci  komputera.  Ustalenie  zbyt  dużej  wartości  kroku  próbkowania,  czyli  zbyt  rzadkie
pobieranie  próbek  spowoduje,  że  pewne  informacje  zostaną  pominięte  i  nastąpi  utrata
informacji, niemożliwa do odrobienia przez dalsze procedury. Zbyt mały krok dyskretyzacji
spowoduje  z  kolei  wprowadzenie  informacji  nadmiarowych,  zajmujących  miejsce  w
nośnikach  pamięci  i  wydłużających  obliczenia.  Idea  przetwarzania  analogowo  –  cyfrowego
przedstawiona została na rysunku 4.2.

Rys.4.2. Idea przetwarzania analogowo – cyfrowego [1]

Przy wyborze kroku próbkowania



t, wyrażanym najczęściej pod postacią

częstotliwości próbkowania f

= l/



t, opieramy się na twierdzeniu Shannona. Krok

próbkowania  określa  się  na  podstawie  znajomości  górnej  częstotliwości  sygnału.
Częstotliwość  tę  ustalamy  za  pomocą  filtru  anty-aliasowego,  dolnoprzepustowego  o
częstotliwości  granicznej  f

= l/2



t. Inaczej mówiąc, krok próbkowania zapewniający

optymalne  przeniesienie  potrzebnych  informacji  do  dalszej  analizy  jest  równy  co  najwyżej
połowie  odwrotności  maksymalnej  częstotliwości  sygnału  mowy.  Wiąże  się  to  np.  z
koniecznością pobierania próbek sygnału co 0,000142857 sekundy dla częstotliwości górnej
sygnału  mowy  (f

= 3,5 kHz), a w sytuacji odwzorowywania pełnego pasma akustycznego

(20 kHz) co 0,000025 s. Dyskretyzacja amplitudowa lub inaczej kwantyzacja potrzebna jest w
tym celu, aby wartość próbki sygnału wyrazić w postaci liczby o skończonej liczbie cyfr,
gdyż tylko taka liczba może być wprowadzona do komputera.

Problem liczby cyfr, za pomocą których odwzorowuje się wartości próbek sygnału jest

pod  pewnymi  względami  podobny  do  problemu  wyboru  kroku  próbkowania.  Tu  również
obowiązuje  zasada,  że  im  więcej  cyfr  opisuje  daną  próbkę,  tym  dokładniej  sygnał  jest
odwzorowany.  Z  kolei  zajętość  pamięci  komputera  rośnie  proporcjonalnie  do  liczby  cyfr  i
stąd  również  wynika  potrzeba  rozsądnego  kompromisu  w  dokładności  odwzorowania
poziomów  próbek.  Trzeci  etap  –  kodowanie,  jest  przy  dostępnych  obecnie  środkach
technicznych  prosty  i  łatwy,  a  wybór  możliwych  kodów  jest  bogaty.  Zazwyczaj  dobierając
kod, kierujemy się właściwościami systemu wejściowego używanego komputera.

W wyniku przetwarzania analogowo-cyfrowego powstaje charakterystyczne zakłócenie

sygnału zwane szumem kwantyzacji. Poza szumem kwantyzacji przetwarzanie analogowo-
cyfrowe może wprowadzać jeszcze inne błędy i zniekształcenia:
a) migotanie, czyli efekt powstający z losowych wahań długości okresu próbkowania



które ma wpływ na kształt widma gęstości mocy G ( f ) ,

b) zniekształcenia aperturowe, tzn. błędy wynikające ze skończonego czas pobrania próbki,
c) nieliniowość, czyli błędy powstające na skutek niedomagań przetwornika a/c, np. na

skutek przekłamania bitów, złego rozmieszczania kwantyzacji itp.

Zapis cyfrowy sygnałów drganiowych charakteryzuje się wysokim stopniem

standaryzacji, umożliwiającym wymianę danych pomiędzy różnymi urządzeniami i

systemami komputerowymi oraz ma następujące zalety:

a)  nie wymaga dużego zakresu dynamiki (pamiętanie jedynie dwóch poziomów),
b)  zapisane dane mogą być odczytywane synchronicznie, co zmniejsza błędy czasowe,
c)  pozwala na uzyskanie bardzo dużej dokładności odwzorowania sygnału.

Posługując się zapisem cyfrowym należy pamiętać, że każdy sygnał jest zapisany i

odbierany jako jedna liczba, a nie jak w zapisie analogowym, że jest to wartość z ciągu

zależnych wartości. W zapisie analogowym była możliwość wygładzania sygnału w

przypadku zaistnienia chwilowego zakłócenia. W zapisie cyfrowym taka regeneracja jest

niemożliwa [1].

4.3. CZUJNIKI DRGAŃ

Różnorodność celów i warunków prowadzenia eksperymentu pomiarowego, jak również

żądań co do wyników metod ich opracowywania pociągają za sobą ogromną liczbę
możliwych wariantów budowy informacyjnych systemów pomiarowych, przez co nie można
mówić o ich unifikacji. Do podstawowych elementów pomiarowych zaliczymy przetwornik
pomiarowy, który służy do przetworzenia z określoną dokładnością i według określonego
prawa wartości wielkości mierzonej na wartości innej wielkości. Przetworniki zbudowane są
z trzech rodzajów elementów podstawowych:



elementy powodujące straty energii (generowanej przez badany obiekt) rozpraszanej na
energię cieplną, np. w wyniku tarcia, występowania rezystancji w układach
elektrycznych, oporu przepływu gazów i cieczy,



elementy magazynujące energię z obiektu w postaci kinetycznej (masa, indukcyjność w
układach elektrycznych),



elementy magazynujące energię obiektu w postaci potencjalnej (sprężyny w układach
mechanicznych, pojemność w układach elektrycznych, sprężony gaz).

W układach pomiarowych wielkości nieelektrycznych stosowane są przetworniki, w

których następuje przetworzenie tej wielkości na wielkość elektryczną. Najbardziej
rozpowszechnionym przetwornikiem do pomiaru drgań jest akcelerometr piezoelektryczny.
Najistotniejszą częścią piezoelektrycznego czujnika jest płytka materiału piezoelektrycznego.

Element piezoelektryczny poddany działaniu sił mechanicznych (rozciąganie – ściskanie)

generuje ładunek elektryczny, proporcjonalny do działających sił. Sygnał wyjściowy jest
proporcjonalny do przyspieszeń i mieści się w granicach od 1 do 10 mV∙ms

-2

(czułość

czujnika).

Ciężar czujnika jest istotny przy pomiarze drgań lekkich konstrukcji, gdzie przyłożenie

dodatkowej masy (w postaci masy czujnika) może znacząco zmienić zarówno częstotliwość,
jak i poziom drgań, co ma wpływ na wnioskowanie. Stąd też do badań powinno się używać
czujników, których masa nie przekracza 1/10 masy badanego elementu [32].

Element piezoelektryczny w czujniku umieszczony jest w ten sposób, że podczas

wibracji poddawany jest działaniu siły reakcji masy. Siła ta jest proporcjonalna do
przyspieszenia i określona drugim prawem Newtona: siła = masa x przyspieszenie.

Dla

częstotliwości  znacznie  niższych  niż  częstotliwość  rezonansowa  całkowitego  układu  (typu
masa  –  sprężyna)  przetwornika,  przyspieszenie  masy  równa  się  przyspieszeniu  podstawy.
Oznacza to, że wartość sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do przyspieszenia, któremu
poddawany  jest  przetwornik.  Najbardziej  rozpowszechnione  są  dwa  rozwiązania
konstrukcyjne:



przetwornik działający na zasadzie kompresji, w którym masa wywiera siłę kompresji

działającą na piezo-czuły element.



przetwornik typu nożycowego, w którym masa wywiera siłę tnącą na piezoelektryczny

element czujnika.

Różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych akcelerometrów może pozornie utrudnić

właściwy wybór przetwornika, jednakże akcelerometry uniwersalne ogólnego przeznaczenia
zaspokajają na ogół większość wymagań pomiarowych. Czułość ich zawiera się w granicach
od 1 do 10mV lub pC∙ms

-2

, a konstrukcja umożliwia zarówno boczne, jak i górne podłączenie

kabla.

Czułość w typach Uni – Gain® jest znormalizowana do okrągłej liczby 1 lub 10 pC∙ms

-2

co  znacznie  ułatwia  kalibrację  systemu  pomiarowego.  Dostępne  są  również  akcelerometry
innych  typów  przystosowane  do  specjalnych  wymagań,  jak  np.  miniaturowe  przetworniki
przeznaczone  do  pomiarów  wysokich  poziomów  wibracji  lub  wysokich  częstotliwości
delikatnych  konstrukcji,  paneli  itp.  Ich  ciężar  wynosi  zaledwie  0,5  –  2  gramów.  Inne  typy
przetworników  przeznaczone  do  pomiarów  specjalnych  obejmują  akcelerometry  do:
jednoczesnego pomiaru drgań w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach, pomiarów przy
wysokich  temperaturach,  pomiarów  bardzo  niskich  poziomów  drgań,  pomiarów  udarów,
porównawczej  kalibracji  innych  akcelerometrów  oraz  ciągłego  monitorowania  maszyn
przemysłowych.

Zwykle pożądany jest wysoki poziom sygnału wyjściowego; niestety, pociąga to za sobą

zwiększone  wymiary  fizyczne,  a  co  za  tym  idzie  -  masę.  Niezbędny  jest  więc  pewien
kompromis  w  trakcie  doboru  akcelerometru  do  pomiarów.  Na  ogół  czułość  nie  jest
parametrem  krytycznym,  gdyż  współczesne  przedwzmacniacze  przystosowane  są  do
współpracy z sygnałami o niskim poziomie.

Masa akcelerometru staje się istotna przy pomiarach przeprowadzanych na lekkich

strukturach.  Dodatkowa  masa  może  znacznie  zmienić  zarówno  częstotliwość,  jak  i  poziom
wibracji  w  punkcie  pomiarowym.  Przyjmuje  się,  że  masa  akcelerometru  nie  powinna
przewyższać 1/10 dynamicznej masy wibrującej części, do której czujnik jest przymocowany.
Przy  pomiarach  sygnałów  o  bardzo  niskich  lub  wysokich  poziomach  przyspieszenia  należy
także wziąć pod uwagę zakres dynamiczny akcelerometru. Dolna granica spowodowana jest
zwykle  szumami  wzmacniacza  oraz  kabli  i  jest  rzędu  1/100  m∙s

-2

. Górna granica określona

jest poprzez wytrzymałość samego akcelerometru. Typowy czujnik uniwersalny posiada
liniową dynamikę od 50 do 100.000 m∙s

-2

. Tak wysokimi poziomami sygnału charakteryzują

się przyspieszenia typu udarowego. Do pomiarów udarów mechanicznych stosuje się
specjalnie skonstruowane akcelerometry liniowe, do 1000 km∙s

-2

(100.000 g) [32].

Na rysunku 4.3. przedstawiono schemat konstrukcji typowego piezoelektrycznego

czujnika ICP z kwarcowymi kryształami piezoelektrycznymi, powszechnie stosowanego w
laboratoriach do testów strukturalnych.

Rys.4.3. Schemat czujnika piezoelektrycznego w konfiguracji nożycowej [32]

Mimo, że zakres częstotliwości energii większości systemów mechanicznych wynosi od

10 do 1000Hz, to jednak bardzo często przeprowadza się pomiary do 10kHz. Zakres

częstotliwości  jest  istotnym  parametrem  przy  wyborze  czujnika  przyspieszeń.  W  zakresie
niskich  częstotliwości  na  otrzymanie  prawdziwego  i  dokładnego  sygnału  drgań  ma  wpływ
przedwzmacniacz współpracujący z czujnikiem. Górna częstotliwość graniczna określona jest
rezonansem  mechanicznym  samego  akcelerometru.  W  praktyce  maksymalna  górna
częstotliwość  przyjmowana  jest  jako  1/3  częstotliwości  rezonansowej  przetwornika.  Błąd
pomiaru  składowych  drgań  o  częstotliwościach  zbliżonych  do  tej  granicy  nie  przekroczy
wówczas 12%. Częstotliwość rezonansowa dla czujników uniwersalnych wynosi zwykle 20 –
30 kHz. Użyteczny zakres częstotliwości akcelerometru przedstawiono na rysunku 4.4 [32].

Na ogół czułość akcelerometru zwiększa się znacznie przy wysokich częstotliwościach z

powodu rezonansu. Dlatego też sygnał wyjściowy otrzymany przy tych częstotliwościach nie
jest  prawdziwym  obrazem  drgań  punktu  pomiarowego.  Przy  pomiarach  szerokopasmowych
uzyskane  wyniki  są  błędne,  jeżeli  drganie  mierzone  posiada  składowe  o  częstotliwościach
znajdujących się w pobliżu częstotliwości rezonansowej czujnika. W celu eliminacji błędów
pomiarowych  dokonuje  się  wyboru  akcelerometru  o  maksymalnym  zakresie  częstotliwości
oraz stosuje odpowiednie filtry dolnoprzepustowe.

Rys. 4.4. Użyteczny zakres częstotliwości akcelerometru [32]

Wyniki pomiarów drgań zależą od metody mocowania akcelerometru. Luźne

mocowanie prowadzi do obniżenia częstotliwości rezonansowej, co z kolei równoznaczne jest
ze  zmniejszeniem  użytecznego  zakresu  częstotliwości  czujnika.  Na  rys.  4.5  przedstawiono
wybrane  sposób  montowania  czujnika  piezoelektrycznego.  Spośród  przedstawionych
przykładów mocowanie  na wkręt  jest  rozwiązaniem optymalnym ale nie  zawsze możliwym
do zastosowania w praktyce. W tym rozwiązanie, specjalny wkręt przytrzymuje akcelerometr
na gładkiej i płaskiej powierzchni. Maksymalną sztywność montażu otrzymuje się smarując
powierzchnię  pomiarową  cienką  warstwą  smaru.  Częstotliwość  rezonansowa  przy  tego
rodzaju montażu wynosi ok. 32 kHz i nie odbiega od częstotliwości rezonansowej otrzymanej
na  stanowisku  kalibracyjnym.  Inną  metodą  jest  przyklejenie  czujnika  za  pomocą  wosku
pszczelego.  Częstotliwość  rezonansowa  jest  nieznacznie  zredukowana.  Ze  względu  na
stopniowe topnienie wosku, maksymalna temperatura pracy wynosi 40 st. C. Czujnik można
umieścić na badanym obiekcie również za pomocą kleju, magnesu, a także można przyłożyć
poprzez penetrator (ręczna sonda) [32].

Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych czujników piezoelektrycznych, a jako jedne z

podstawowych do zastosowań w badaniach diagnostycznych można zaliczyć jednoosiowe
czujniki przyśpieszeń drgań firmy PCB Piezotronice typu ICP model 352C68, które
charakteryzują się następującymi parametrami technicznymi:



czułość 100 mV/g (± 10%),



zakres pomiarowy: ± 50 g pk (± 491 m/s

pk),

utecz

ść

Dolna

częstotliwość

graniczna

Górna

częstotliwość

graniczna

Użyteczny zakres

pomiarowy

Częstotliwość

Częstotliwość
rezonansu

12%



szerokość pasma: (od 1 do 10000 Hz),



zakres częstotliwości: (± 5%) 0,5 do 10000 Hz,



waga: 2,0 g.

a) mocowanie akcelerometru na wkręt:

b) mocowanie akcelerometru na klej:

c) mocowanie akcelerometru za pomocą magnesu:

d) sonda ręczna:

Rys.4.5. Zakresy przenoszenia w zależności od sposobu mocowania akcelerometru [32]

Na rysunku 4.6 przedstawiono zdjęcie jednoosiowego czujnika przyśpieszeń drgań firmy

PCB Piezotronice typu ICP model 352C68, stosowanego w trakcie badań diagnostycznych na
stanowisku badawczym.

32 kHz

Częstotliwość

oś

7 kHz

Częstotliwość

oś

2 kHz

Częstotliwość

28 kHz

Częstotliwość

oś

Klej miękki

Żywice epoksydowe

Rys. 4.6. Czujniki przyśpieszeń drgań PCB Piezotronice typu ICP model 352C68 [36]

Należy zaznaczyć, iż postęp w dziedzinie projektowania, konstruowania i wdrażania do

przemysłu czujników przyśpieszeń drgań jest tak duży, że nie sposób go ogarnąć
syntetycznie. Nie sposób zatem w kilku słowach przedstawić wyczerpująco te zagadnienia,
trzeba je śledzić na bieżąco.

4.4. SYSTEMY POMIAROWE

Rosnący stopień złożoności nowoczesnych maszyn i pojazdów oraz rosnące wymagania

bezpieczeństwa zmuszają konstruktorów i użytkowników tych obiektów do nadzorowania ich
bieżącego stanu technicznego. Staje się to możliwe, jeśli już na etapie projektowania
konstruktorzy zaimplementują w obiekcie urządzenia i procedury diagnostyczne. Problemy
diagnostyki maszyn obejmują następujące zagadnienia:



akwizycje i przetwarzanie informacji diagnostycznych,



budowę modeli i relacji diagnostycznych,



wnioskowanie diagnostyczne i wartości graniczne,



klasyfikacja stanów maszyny,



przewidywanie czasu kolejnego diagnozowania,



obrazowanie informacji decyzyjnych.

System pomiarowy dla celów współczesnej wibro-diagnostyki maszyn składa się z

dwóch podstawowych części:
- sprzętu, w którym wyróżnia się następujące moduły:



podsystem kondycjonowania i przetwarzania sygnałów,



podsystem przetwarzania sygnałów znacznika fazy,



podsystem komputera PC,



podsystem zasilania,

- oprogramowania, w którego skład wchodzą następujące moduły:



system operacyjny,



oprogramowanie modułów przetwarzania i analizy sygnałów,



oprogramowanie zapewniające komunikację pomiędzy warstwami systemu,



oprogramowanie do archiwizacji i przetwarzania danych pomiarowych,



oprogramowanie zarządzające pracą systemu (konfigurowanie i testowanie systemu,
inicjalizacja sesji pomiarowych itp.).

Przedstawiona struktura systemu pomiarowego wykorzystuje najnowsze rozwiązania

zarówno sprzętowe, jak i programowe. Zastosowane rozwiązania umożliwiają łatwą
rozbudowę systemu, oraz możliwości włączenia go do dowolnych systemów
diagnostycznych.

Różnorodność firm specjalizujących się we wdrażaniu nowoczesnych systemów

pomiarowych dotyczących akwizycji i analizy drgań i hałasu nie pozwalają na kompleksowe
przedstawienie wszystkich dostępnych systemów pomiarowych. Autorzy tej pracy w oparciu

o własne doświadczenia oraz posiadany sprzęt pomiarowy pragną przedstawić wybrane
systemy zarówno przenośne jaki i stacjonarne, które sprawdzają się w trakcie badań.

Pierwszym z prezentowanych systemów pomiarowych jest przenośny analizator dźwięku

i drgań SVAN 912AE, który jest cyfrowym analizatorem i miernikiem poziomu dźwięku oraz
drgań  klasy  1  zgodnie  z  normami  IEC 651,  IEC  804,  IEC  61672-1  [37].  Przyrząd  ten  jest
przeznaczony  do  wykonywania:  pomiarów  akustycznych,  monitorowania  hałasu
w   środowisku,  pomiaru  zagrożeń w miejscu pracy, oceny  wpływu drgań  na człowieka oraz
monitorowania stanu maszyn.

Analizator wyposażony w mikrofon 1/4" umożliwia pomiar poziomu ultradźwięków w

pasmach  1/3 oktawy  do  częstotliwości  90 kHz.  Analizator  SVAN 912AE  przedstawiono  na
rysunku  4.7.  Dzięki  wbudowanym  dwóm  procesorom  sygnałowym  SVAN 912AE  może  na
bieżąco wykonywać analizę wąskopasmową (FFT) oraz analizę w pasmach oktawowych lub
tercjowych (łącznie z analizą statystyczną w tych pasmach).

Rys. 4.7. Przenośny analizator dźwięku i drgań SVAN 912AE [37]

Przyrząd jest wyposażony we wszystkie niezbędne, wymagane przez normy, filtry

korekcyjne  A,  C,  G  oraz  Lin  (Klasa 1:  IEC 651,  IEC  8041).  Wyniki  pomiarów  mogą  być
przedstawiane  jako  wartości  skuteczne,  wartości  szczytowe,  histogramy,  wykresy  czasowe
lub  widma  częstotliwości.  Analizator  pracuje  w  dwóch  trybach:  „meter  mode”  i  „analyzer
mode” [37].

W trybie „METER MODE” możliwe jest wykorzystanie standardowych i

zaawansowanych funkcji całkującego miernika poziomu dźwięku oraz miernika drgań.
Pozwala również na dokonywanie pomiarów zgodnie z wymaganiami tzw. norm
pomiarowych (dla drgań są to normy ISO 2631 i ISO 5349). W tym trybie możliwy jest także
pomiar wartości skutecznej (RMS) – rys.4.8- sygnałów napięciowych [37].

Rys. 4.8. Widok ekranu przyrządu w trybie „METER MODE” [37]

Tryb „ANALYZER MODE” pozwala użytkownikowi na obserwację i pomiar przebiegu

wejściowego w dziedzinie częstotliwości dla analizy oktawowej i tercjowej oraz w dziedzinie
czasu. Po przełączeniu analizatora w tryb pracy ekran podzielony jest na dwie części:



pole przeznaczone na graficzną prezentację sygnałów pomiarowych w obu dziedzinach
(wykresy widm lub przebiegi czasowe),



pole opisowe używane do wyświetlania tekstów.

Wyboru głównych funkcji analizy sygnałów można dokonać w polu „FUNCTION”, w

którym dostępne są następujące opcje:



Time – pomiar przebiegu czasowego,



Spectrum – analiza częstotliwościowa mierzonego sygnału prowadzona za pomocą

algorytmu szybkiego przekształcenia Fouriera (FFT),



1/1 Oct. – analiza częstotliwościowa mierzonego sygnału prowadzona za pomocą

filtrów cyfrowych w pasmach oktawowych,



1/3 Oct. – analiza częstotliwościowa mierzonego sygnału prowadzona za pomocą

filtrów cyfrowych w pasmach 1/3-oktawowych (tercjowych).

Na rysunku 4.9 przedstawiono przykładowy widok ekranu przyrządu w trybie

„ANALYZER MODE” dla analizy przebiegów czasowych sygnału [37].

Rys.4.9. Widok ekranu w trybie „ANALYZER MODE”, FUNCTION, funkcja Time [37]

Ponadto analizator został wyposażony w aplikację do analizy danych na stanowisku

komputerowym  „Svan  PC”,  która  umożliwia  przeprowadzenie  prostej  analizy  otrzymanych
wyników  oraz  eksport  wyników  do  plików  pomiarowych.  Na  rysunku  4.10  przedstawiono
interfejs okna głównego oprogramowania Svan PC.

Analizator SVAN 912AE może być stosowany do oceny stanowisk pracy oraz

szkodliwego oddziaływania hałasu i drgań na środowisko naturalne. Możliwe jest również
wykorzystanie analizatora w pomiarach laboratoryjnych oraz pracach związanych z
opracowaniem lub udoskonalaniem nowych produktów.

Rys. 4.10. Okno głównego oprogramowania Svan PC [37]

Inny system diagnostycznym stosowanym do monitorowania i diagnostyki maszyn jest

system  „Vibex”  firmy  EC  Systems  [34].  Jest  to  nowoczesnym  systemem  monitorowania  i
diagnostyki  maszyn  wirujących,  ze  szczególnym  uwzględnieniem  maszyn  ułożyskowanych
tocznie. Łożyska toczne nadzorowane są za pomocą techniki wyznaczania obwiedni sygnału,
która  pozwala  na  wykrycie  zużycia  elementu  dużo  szybciej  niż  algorytmy  oparte  na
normalnym  widmie.  Schemat  systemu  przedstawiono  na  rysunku  4.11,  natomiast  system
„Vibex” składa się z następujących elementów [34]:



czujniki drgań ICP,



moduły akwizycji VIBdin,



serwera systemu,



przeglądarka Vibex Browser.

Rys. 4.11. Schemat systemu „Vibex” [34]

Sygnały drgań mogą być pobierane z akcelerometrów (ICP) lub czujników

wiroprądowych.  Dodatkowo  system  może  pobierać  sygnały  wolnozmienne,  które  są
traktowane  jako  kanały  procesowe  (np.  moc,  prędkość  obrotowa,  temperatury,  itp.).  Po
zdefiniowaniu  kanałów  wejściowych,  definiowana  jest  kinematyka  nadzorowanej  maszyny.
System automatycznie wyznacza prędkości obrotowe poszczególnych wałów i częstotliwości
charakterystyczne  układu  (przekładnie,  łożyska).  Następnie  należy  przypisać  czujniki  do
elementów  maszyny,  a  system  automatycznie  definiuje  i  konfiguruje  algorytmy
monitorowania maszyny. Stosowany jest szereg algorytmów, od podstawowej oceny stanu, aż
do  zaawansowanych,  jak  nadzór  linii  harmonicznych.  Łożyska  toczne  nadzorowane  są  za
pomocą  techniki  wyznaczania  obwiedni  sygnału,  która  pozwala  na  wykrycie  zużycia
elementu  dużo  szybciej  niż  algorytmy  oparte  na  klasycznym  widmie  sygnału.  Na  rys.  4.12
przedstawiono okno systemu „Vibex” w trakcie analizy pracy przekładni zębatej.

Rys. 4.12. System „Vibex” w trakcie badań stanowiskowych [34]

System „VIBex” automatycznie tworzy progi alarmowe dla wszystkich nadzorowanych

wielkości,  co  pozwala  na  zaoszczędzenie  wielu  godzin  pracy  nad  konfiguracją  systemu
pomiarowego.  W  skład  systemu  wchodzi  także  narzędzie  do  automatycznego  wyznaczania
wartości  progów(ostrzeżeń  i  alarmów).  Progi  te  mogą  być  definiowane  osobno  dla  kilku
stanów  maszyny.  Po  skonfigurowaniu  i  uruchomieniu  systemu,  można  obserwować  stan
maszyn dzięki wielu  wygodnym  i  funkcjonalnym  wykresom.  Stan systemu  jest natychmiast
widoczny  na  pasku  statusu  (kolorowe  diody).  Wszystkie  wykryte  przekroczenia  są
przedstawione  na  drzewie  po  lewej  stronie  ekranu  i  są  propagowane  przez  drzewo  aż  do
kanału, który był źródłem alarmu 34.

„VIBex” jest systemem bardzo wygodnym w obsłudze. Możliwe jest otwieranie wykresu

poprzez  tylko  jedno  klikniecie  myszką,  przeskakiwanie  między  wykresami  lub  eksport
danych  z  wykresu  do  raportu  (np.  do  pliku  MS  Word  albo  do  pliku  graficznego).  Podczas
analizy widma sygnału możliwe jest nałożenie na wykres widma odniesienia (zapisanego w
znanych warunkach poprawnej pracy maszyny). Możliwa jest zmiana jednostek, typu widma
oraz  jego  kolorów.  Możliwe  jest  również  nanoszenie  na  wykres  linii  odpowiadających
harmonicznym  częstotliwości  pochodzących  od  wybranych  elementów  maszyny  oraz
wyszukanie  harmonicznych,  które  mogą  być  przyczyną  wybranej  linii  na  widmie.
Przykładowe wyniki graficznej analizy danych pomiarowych przedstawiono na rysunku 4.13.

Rys. 4.13. Okno graficznej analizy danych pomiarowych systemu „Vibex” [34]

VIBex posiada wiele innych funkcji, składających się na zaawansowane, ale proste w

użyciu narzędzie do monitorowania i diagnostyki maszyn. VIBex został opracowany przez
firmę EC Systems, EC Grupa we współpracy z AGH w Krakowie [34].

Do jednych z najbardziej zaawansowanych systemów pomiarowych stosowanych w

badaniach diagnostycznych można zaliczyć system LMS SCADAS Recorder. LMS SCADAS
Recorder to urządzenie łączące cechy analizatora i klasycznego rejestratora. Na rysunku 4.14
przedstawiono płytę czołową systemu LMS SCADAS [35].

Uniwersalność zastosowania tego rodzaju systemu pomiarowego wyróżnia się tym, że w

zależności  od  specyfiki  przeprowadzanych  badań  diagnostycznych  użytkownik  sam
konfiguruje urządzenie w niezbędny zestaw kart pomiarowych z odpowiednią ilością kanałów
pomiarowych. W odróżnieniu od klasycznych rejestratorów  LMS SCADAS Recorder jest w
pełni  zautomatyzowany  i  nie  potrzebuje  sterowania  poprzez  komputer  lub  sterowania
zdalnego  do  przeprowadzenia  procesu  rejestracji  sygnałów  pomiarowych.  Dane  bezpieczne
zapisywane  są  na  karcie  CompactFlash.  Urządzenie  to  jest  całkowicie  kompatybilne  z
profesjonalnym  oprogramowaniem  inżynierskim.  Dopiero  połączenie  rekordera  oraz

oprogramowania do analizy danych w pełni pokazuje możliwości zastosowania tego systemu
w praktyce inżynierskiej. Na uwagę zasługuje tutaj oprogramowanie LMS Test.Lab [35].

Rys. 4.14. LMS SCADAS Recorder [35]

LMS Test.Lab to kompletny system oferujący wszystko co jest potrzebne do

prowadzenia  pomiarów,  akwizycji  danych,  ich  analizy  i  opracowywania  raportów.  System
zawiera  procedury  dedykowane  do  testów  strukturalnych  i  akustycznych,  testów
środowiskowych  i  kontroli  drgań  oraz  testów  maszyn  wirujących.  Okno  dialogowe
oprogramowania przedstawione zostało na rysunku 4.15 [35].

Rys. 4.15. Okno dialogowe programu LMS Test.Lab [35]

LMS Test.Lab używany jest do wstępnego dostarczenia danych zebranych na

rzeczywistych  obiektach  i  wkomponowania  ich  w  proces  symulacji.  Może  zostać  użyty  do
dostarczenia  oprogramowaniu  symulacyjnemu  danych  na  temat  modeli  zależnych,  które  są
zbyt  trudne  do  realizacji  lub  ich  stworzenie  zajęłoby  zbyt  wiele  czasu.  Po  przetestowanie
stworzonego  na  bazie  symulacji  prototypu  możemy  przeprowadzić  jego  testy,  a  LMS
Test.Lab dostarczy nam danych do jego modyfikacji i poprawy. Jedyną drogą prowadzącą do
uzyskania  najlepszych  rezultatów  jest  kombinacja  symulacji  i  testów  na  rzeczywistych
obiektach, które na bazie nich powstały [35].

Dopełnieniem systemu pomiarowego jest system LMS Virtual.Lab, który pozwala na

połączenie najważniejszych aspektów symulacji i testów na istniejących obiektach. Oferuje

unikatowe, hybrydowe podejście do symulacji – dane wejściowe pochodzące z rzeczywistych
obiektów łączone są z danymi z obiektów symulowanych. Okno dialogowe systemu
przedstawione zostało na rysunku 4.16.

Rys. 4.16. Okno dialogowe oprogramowania LMS Virtual.Lab [35]

LMS Virtual.Lab to zintegrowane środowisko pozwalające na symulowanie zachowania

systemów mechanicznych w zakresie integralności strukturalnej, drgań i hałasu, trwałości,
dynamiki, zachowania w czasie jazdy i przemieszczenia oraz innych atrybutów [35].

Rozwiązaniem konkurencyjnym na rynku zaawansowanych narzędzi do akwizycji i

analizy  sygnałów  jest  system  wielokanałowej  rejestracji  i  analizy  sygnałów
wibroakustycznych  PULSE  firmy  Brüel  &  Kjær.  Unikalność  na  skalę  światową  tego
urządzenia  wynika  z  nowatorskich  rozwiązań  firmy  Brüel  &  Kjær  w  zakresie  akwizycji
sygnału  drgań  i  hałasu.  Zastosowana  nowoczesna  technologia  procesora  sygnałowego
pozwoliła  uzyskać  dynamikę  pomiaru  przekraczającą  160dB,  co  oznacza  możliwość
jednoczesnego  rejestrowania  drgań  sejsmicznych  aż  po  hałas  startującego  samolotu
odrzutowego, czy detonacji ładunków wybuchowych. Analizator wraz ze wzbudnikiem drgań
przedstawiono na rysunku 4.17.

Rys. 4.17. Wielokanałowy system PULSE ze wzbudnikiem drgań [38]

Środowisko analizatora PULSE pozwala na kompleksową analizę klimatu akustycznego

oraz drgań mechanicznych. System wyposażony jest w pakiet specjalistycznego
oprogramowania do analizy modalnej maszyn i urządzeń. Przykładowe okno tworzenia
geometrii w trakcie analizy modalnej przedstawiono na rysunku 4.18.

Rys. 4.18. Okno modułu tworzenia geometrii badanego obiektu w systemie PULSE

Jako wynik w procesie analizy modalnej w systemie PULSE uzyskujemy zintegrowane

okno danych pomiarowych, moduł geometrii z postaciami drgań własnych dla
zidentyfikowanych częstości modalnych oraz inne dane, które przedstawiono na rys. 4.19.

Rys. 4.19. Okno modułu wyników analizy modalnej w systemie PULSE

System PULSE jest z powodzeniem wykorzystywany w diagnostyce maszyn i urządzeń

oraz środków transportu i środowiska naturalnego, a także pomiarów normatywnych i
certyfikacji wyrobów ze względu na generowany hałas i drgania.

PODSUMOWANIE

W rozdziale czwartym przedstawiona została problematyka prawidłowego

przygotowania i przeprowadzenia testów diagnostycznych obiektów rzeczywistych. Właściwe
przygotowanie do badań i przemyślenie wszystkich aspektów prowadzenia eksperymentu
eliminuje błędy, skraca czas pomiarów i analizy wyników oraz wpływa na jakość stawianej
diagnozy.

W rozdziale tym ponadto przedstawiono wybrane systemy diagnostyczne, stanowiące

jedne z najnowszych narzędzi w rękach inżynierów niezbędne do badań nowoczesnych
konstrukcji maszyn i obiektów technicznych.