MEMS érzékelők használata rezgésfigyelésre

A rezgésfigyelés (VM) már elég régóta létezik, és gépek, berendezések és szerkezetek állapotának ellenőrzésére használják. A gép működése során a célirányos érzékelőkkel gyűjtött rezgési adatokat valós időben figyelik és elemzik.

A rezgésfigyelés fő célja a végzetes károk és a potenciális leállási helyzetek kockázatának csökkentése, ami végső soron az üzemeltetési költségek kézben tartását és csökkentését eredményezheti.

A rezgésérzékelőtől származó rezgésadatokat az üzemeltetési követelményektől függően lehet önálló bemenő adatokként használni vagy más érzékelők adataival kombinálni. Például egy gyári automatizálási felhasználási területen a rezgésadatok kombinálhatók a következőkkel:

1. Hőmérséklet
2. Füst
3. Páratartalom
4. Nyomás
5. Zajszint

Ez a kombináció egy teljes rendszert eredményez, amely hatékonyabb és megbízhatóbb megoldást nyújt.

Néhány más felhasználási területen, például a szerkezetek felügyelete esetén a rezgési adatok kombinálhatók a dőlésmérővel gyűjtött dőléshelyzetadatokkal a szerkezet állapotának meghatározásához.

Az összegyűjtött adatokat célirányos algoritmusokba, köztük az egyre nagyobb teret nyerő mesterségesintelligencia- (AI-) algoritmusokba táplálják be, hogy olyan modellt fejlesszenek ki, amely képes megjósolni a lehetséges jövőbeli meghibásodást. A modell előrejelzési információi ezután felhasználhatók a döntéshozatalhoz szükséges azon tudás kialakításához, hogy szükség van-e azonnali intézkedésekre a termelékenység csökkenésének elkerülése érdekében.

A gyári automatizálás új trendje az olyan mesterségesintelligencia-algoritmusok megjelenése, amelyek az érzékelők adatai alapján betaníthatóak arra, hogy megjósolják, milyen feladatokat kell elvégezni. Ez csökkenti az egyes üzemeltetők terheit, amelyeknek korábban kritikusan nehéz és időigényes döntéseket kellett hozniuk. Az önállóan automatizált gyár leveszi a felelősséget az egyes üzemeltetők válláról, és automatikusan reagál a változó üzemi körülményekre.

Rezgésérzékelő

A rezgésfigyelő alkalmazás kulcsfontosságú eleme a rezgésérzékelő. A legújabb rezgésérzékelők a MEMS technikán (azaz a mikro-elektromechanikus érzékelőkön) alapulnak, és ugyanazt a gyorsulásérzékelési elvet alkalmazzák, mint a gyorsulásmérők. A fő különbség az érzékelő sávszélességében van. Egy MEMS gyorsulásmérő tipikus sávszélessége 3 kHz, egy rezgésérzékelő viszont képes a rezgést lényegesen nagyobb sávszélességgel érzékelni. A rezgésérzékelő nagyfrekvenciás jelek rögzítésére való képessége lehetővé teszi a rezgések pontosabb frekvenciaelemzését. A legújabb MEMS rezgésérzékelők több mint 6 kHz-es sávszélességet kínálnak. Erről később még szó lesz.

A MEMS-alapú rezgésérzékelőknek számos felhasználási területük van, és az 1. ábra felsorol néhány fontosabbat ezek közül. A motorok rezgésfigyelése a sikeres gyári automatizálás egyik alapvető építőkockája. A vasútnál használt rezgésfigyelés segíthet elkerülni a katasztrofális vonatbaleseteket. A háztartási gépek, például a mosógépek azóta rendelkeznek rezgésfigyelő rendszerrel, amióta a MEMS érzékelők az ipari felhasználási területeken megjelentek. A megfizethető árú MEMS érzékelők megjelenése óta a szerkezetfigyelés használata is egyre nagyobb lendületet vesz. Az önkormányzatok felelőssége például a hidak rezgésfigyelése annak biztosítása érdekében, hogy a szerkezetek jó állapotban és kellő épségben legyenek. A hidak rezgésadatai, különösen csúcsforgalom idején, értékes információkkal szolgálhatnak minden olyan rendellenességről, amely a híd összeomlását okozhatja.

1. ábra: Néhány példa a MEMS típusú rezgésérzékelők használatára (kép: STMicroelectronics)

A rezgésérzékelők műszaki adatait gondosan elemezni kell annak biztosítása érdekében, hogy az érzékelő megfeleljen a célfelhasználás követelményeinek. Az 1. táblázat az STMicroelectronics által kínált egyik legújabb rezgésérzékelő főbb paramétereit mutatja be. Ez a készülék képes a rezgést 3 dimenziós térben (az x, y és z tengely mentén) érzékelni és rögzíteni. Az eszköz által kínált három szabadságfok biztosítja a készülék elhelyezésének rugalmasságát a beépítéshez szükséges tájolás tekintetében.

A tengelyenként maximum 16 G gyorsulást felölelő teljes mérési tartomány elegendő ahhoz, hogy lefedje azt a rezgési amplitúdótartományt, amely a gépek állapotának ellenőrzéséhez általában szükséges.

Ez az eszköz rendkívül nagy sávszélességet, 6,3 kHz-ig lapos frekvencia-jelleggörbét és beágyazott szűrést kínál, amely segít kivédeni a frekvencia-jelleggörbe lépcsősödését.

Az eszköz másik fő jellemzője a nagyon alacsony spektrális zajszint. Ez nagyon fontos előny, ha kisfrekvenciájú rezgéseket kell mérni.

A meglévő rezgésérzékelőkhöz képest a működési hőmérséklet-tartomány +105 °C-ra nőtt, hogy megfeleljen az igényes működési környezetek követelményeinek.

Az eszköz használható 3 tengelyes és 1 tengelyes üzemmódban is, ami az erre a célra szolgáló regisztereken keresztül választható ki. A 3 tengelyes üzemmódban mindhárom tengely (x, y, z) egyszerre aktív, míg 1 tengelyes üzemmódban csak az egyik tengely. 1 tengelyes üzemmódban az aktív tengely felbontása (zajszintje) jelentősen javul.

Az 1. táblázat az STMicroelectronics által kínált legújabb rezgésérzékelő főbb paramétereit ismerteti.

A rezgésfigyelés felhasználási területei

A rezgésfigyelés általában egy gép, berendezés vagy készülék rezgésének elemzését jelenti egy több részletre kiterjedő felhasználás részeként, amelyet állapotfelügyeletnek (CM) vagy állapotalapú felügyeletnek (CbM) neveznek. A rezgéselemzés jelentős szerepet játszik a gép állapotának időbeli nyomon követésében. A teljes állapotfelügyeleti megoldások azonban a rezgési adatok gyűjtése mellett több más érzékelőt is tartalmaznak a berendezések létfontosságú paramétereinek – például hőmérséklet, zaj, nyomás, füst és páratartalom – gyűjtésére. Ezen érzékelők mindegyike értékes adatokat szolgáltat a gép egy adott jellemzőjének állapotáról. Ezeket az érzékelőadatokat egyesítik, feldolgozzák és elemzik, hogy a gép általános állapotára vonatkozó ismereteket gyűjtsenek a gép karbantartásával kapcsolatos kritikus döntések meghozatalához.

A 2. ábra a rezgésfigyelés néhány főbb felhasználási területét mutatja be a különböző piaci szegmensekben. Az ábrán látható bontás rávilágít ara, miért fontos része a rezgési adatok gyűjtése és elemzése az átfogó állapotfelügyeletnek. Más érzékelőkkel is lehet adatokat gyűjteni, majd ezeket a megbízható és hatékony eredmény érdekében egyesítik. Az iparban kínált legújabb megoldásokban az érzékelőadatokat használó intelligens algoritmusok új szintre emelik az ilyen megoldások képességeit és hatékonyságát. Ezek az újszerű és hatékony megoldások jelentősen csökkenthetik a berendezések egyébként elkerülhetetlenül bekövetkező leállásával járó költségeket és termeléskiesést.

2. ábra: A rezgésfigyelés különböző felhasználási területei (kép: STMicroelectronics)

A felhőalapú számítástechnika a vállalat több helyszínéről gyűjtött érzékelőadatokat felhasználó átfogó megoldások egyik kritikus részévé vált, biztosítva azt, hogy semmilyen szinten és semmilyen helyszínen ne szakadjon meg a termelés leállás miatt. A felhőben lévő központi feldolgozóegység kombinálja és elemzi az összes adatot, valamint valós időben felügyeli az érintett gépeket és berendezéseket, hogy biztosítsa a problémamentes és zavartalan működést.

A 3. ábra a rezgésfigyelő rendszerek alapvető alkotóelemeinek listáját tartalmazza. A figyelni kívánt berendezések a rendszer igényeitől és követelményeitől függően különböző érzékelőkkel szerelhetők fel. Ilyen érzékelők többek közt a következők:

• Rezgésérzékelő
• Tehetetlenségi (inerciális) érzékelőmodul
• Hőmérséklet-érzékelő
• Páratartalom-érzékelő
• Nyomásérzékelő
• Környezetifény-érzékelő
• Dőlésmérő

Az összegyűjtött adatok elemzéséhez egy feldolgozóegységre van szükség. Az adatok mennyiségétől, az adatvédelemtől, az adatbiztonságtól, a késleltetéstől és az energiaigénytől függően az elemzések elvégezhetők a helyi feldolgozóegységben, vagy továbbíthatók egy felhőben található feldolgozóközpontba, ahol a több berendezésből származó összes adatot összegyűjtik és elemzik.

3. ábra: A rezgésfigyelő rendszer alkotóelemei (kép: STMicroelectronics)

Az üzembe helyezés után a gép működése során annak állapota egy bizonyos ponton elkezd megváltozni. Rendkívül fontos, hogy az összes szükséges érzékelőt beépítsük, hogy adatokat gyűjtsünk az ultrahangokról és a hallható zajról, a rezgésekről, az energiafogyasztásról, a hőmérsékletről és az esetleges füstről. Az idő múlásával a gép paramétereinek és érzékelőadatainak gyűjtése egyre fontosabbá válik a gép állapotának figyelemmel kíséréséhez.

A 4. ábra egy figyelt gép jellegzetes használati jelleggörbéjét mutatja az üzembe helyezéstől a meghibásodási pontig (IPF). A gép állapotának megváltozásától a végső meghibásodásig hónapok vagy akár évek is eltelhetnek anélkül, hogy a meghibásodás tünetei jelentkeznének. Az érzékelőadatok korai elemzése jelezheti a gép állapotát, és a jól betanított mesterségesintelligencia-algoritmusok az érzékelőadatok felhasználásával előre jelezhetik a meghibásodást, és kezdeményezhetik a szükséges intézkedések megtételére irányuló folyamatok elindítását.

4. ábra: Meghibásodási jelleggörbe (kép: STMicroelectronics)

Az 5. ábra egy elektromos szivattyú rezgésfigyelésére mutat példát. A különböző állapotok, például a kiegyensúlyozatlanság, a nem megfelelő rögzítettség, valamint a kimeneti tengely és a szivattyú áttételháza rezgésérzékelővel ellenőrizhetők. A rezgésérzékelő adatait ezután továbbítják további átfogó elemzésre, beleértve a rezgésadatok gyors Fourier-transzformációját (FFT), amely képes meghatározni ezen állapotok egyedi frekvenciajellegzetességeit.

5. ábra: Egy elektromos szivattyú rezgésellenőrzése különböző körülmények között (kép: STMicroelectronics)

A villanymotor állapotfigyelő rendszere a villanymotoron kívül több összetevőből is állhat. A megoldás tartalmazhat több érzékelőt is, beleértve a rezgés-, hőmérséklet-, nyomás- és egyéb érzékelőket is, a működési környezet követelményeitől függően. A szivattyú és a feldolgozóegység közötti kapcsolat lehet vezetékes vagy vezeték nélküli, külön e célra szolgáló kommunikációs protokollokkal. A feldolgozó- és elemzőegység kínálhat szivattyúdiagnosztikai és képi megjelenítő eszközöket is, amelyek segítségével az üzemeltető megelőző jelleggel azonosíthatja és kezelheti az olyan problémákat, például a szivattyú bizonyos rendellenességeit, amelyek később üzemzavarokat és leállásokat eredményezhetnek. Ez a megelőző jellegű beavatkozás növelheti a vállalat nyereségét azáltal, hogy csökkenti a gyár működési és karbantartási költségeit.

Összegzés

A megelőző karbantartás átfogó megvalósítására sokféle érzékelőt használnak. A legújabb MEMS-alapú rezgésérzékelők hatékony és költségtakarékos rezgésfigyelő megoldásokat tesznek lehetővé a gyári automatizálás, az áramellátás, a háztartási készülékek, valamint a szerkezetek állapotfigyelése és felügyelete területén. A rezgésfigyelés használható önálló megoldásként, de az állapotalapú felügyelet részeként is, mely utóbbi a különböző gépeknek az adatok valós idejű gyűjtésével és elemzésével történő figyelésére szolgáló átfogó megoldások elengedhetetlen részeként jelent meg. Ez a megoldás lehetővé tette a XXI. századi gyárak számára, hogy megelőző jelleggel figyeljék és kezeljék a gépek üzemzavaraiból és leállásaiból eredő problémákat. A rezgésfigyelés az átfogó megoldások kritikus eleme a gyári automatizálás minden területén.

Felhasznált forrásanyagok

1. Ultra-wide bandwidth, low-noise, 3-axis digital vibration sensor (Rendkívül nagy sávszélességű, kis zajszintű 3 tengelyes digitális rezgésérzékelő). https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Analog bottom port microphone with frequency response up to 80 kHz for Ultrasound analysis and Predictive Maintenance applications (Analóg alsó hangnyílású mikrofon 80 kHz-ig terjedő frekvenciaátvitellel ultrahangelemzéshez és megelőző karbantartás céljára történő használatra). https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. Low-voltage, ultra-low-power, 0.5 °C accuracy I²C/SMBus 3.0 temperature sensor (Kisfeszültségű, rendkívül kis fogyasztású, 0,5 °C pontosságú I²C/SMBus 3.0 hőmérséklet-érzékelő). https://www.st.com/en/mems-and-sensors/stts22h.html
4. https://www.st.com/en/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview
5. https://www.st.com/en/applications/factory-automation.html