如何選擇最合適的預(yù)測維修傳感器

基于條件的監(jiān)測 建立信任措施涉及利用傳感器監(jiān)測機(jī)器或資產(chǎn),以測量目前的健康狀況。預(yù)測性維護(hù)(PDM)涉及到各種技術(shù)的組合,如建立信任措施、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析來預(yù)測即將到來的機(jī)器或資產(chǎn)故障。在監(jiān)測機(jī)器的健康狀況時(shí),選擇最合適的傳感器至關(guān)重要,以確保能夠檢測、診斷甚至預(yù)測故障。目前有許多傳感器用于感知和檢測故障,在旋轉(zhuǎn)機(jī)器及其負(fù)載中,最終目標(biāo)是避免意外的停機(jī)時(shí)間。排序每個(gè)傳感器是很困難的,因?yàn)镻DM技術(shù)應(yīng)用于許多旋轉(zhuǎn)機(jī)器(電動(dòng)機(jī)、齒輪、泵和渦輪機(jī))和非旋轉(zhuǎn)機(jī)器(閥門、斷路器和電纜)。

許多工業(yè)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用于連續(xù)生產(chǎn)20年的應(yīng)用,如化學(xué)和食品加工廠以及發(fā)電設(shè)施,但有些電動(dòng)機(jī)達(dá)不到預(yù)期壽命。 1 這可能是由于電動(dòng)機(jī)操作不足,維修計(jì)劃不足,對(duì)PDM系統(tǒng)投資不足,或者根本沒有PDM系統(tǒng)。PDM使維修團(tuán)隊(duì)能夠安排維修,避免意外的停機(jī)時(shí)間。通過PDM早期預(yù)測機(jī)器故障也可以幫助維修工程師識(shí)別和維修運(yùn)行效率低下的電機(jī),從而提高性能、生產(chǎn)率、資產(chǎn)可用性和壽命。

最好的PDM策略是能夠有效地利用盡可能多的技術(shù)和傳感器,以早期和高度的自信發(fā)現(xiàn)故障,因此,沒有單一的傳感器--所有的解決方案。本文試圖澄清為什么預(yù)測性維護(hù)傳感器對(duì)于在PDM應(yīng)用程序中早期檢測故障至關(guān)重要,以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

系統(tǒng)故障時(shí)間表

圖1顯示了從安裝新電動(dòng)機(jī)到電動(dòng)機(jī)故障的模擬事件時(shí)間表以及推薦的預(yù)測維護(hù)傳感器類型。安裝新馬達(dá)時(shí),它處于保修期.幾年后,保質(zhì)期將到期,正是在這一點(diǎn)上,將實(shí)施更頻繁的人工檢查團(tuán)。

圖1:機(jī)器健康與時(shí)間。

如果在這些預(yù)定的維護(hù)檢查之間出現(xiàn)故障,就有可能出現(xiàn)意外的停機(jī)時(shí)間。在這種情況下,至關(guān)重要的是擁有正確的預(yù)測性維護(hù)傳感器來盡早發(fā)現(xiàn)潛在的故障,為此,本文將重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)和聲學(xué)傳感器。振動(dòng)分析一般被認(rèn)為是PDM的最佳起點(diǎn)。 2

預(yù)測性維修傳感器

有些傳感器可以比其他傳感器更早地檢測到某些故障,例如軸承損壞,如圖1所示。在本節(jié)中,討論了最常用的在最早時(shí)刻檢測故障的傳感器,即加速計(jì)和麥克風(fēng)。表1顯示了傳感器規(guī)格的列表和它們能夠檢測到的一些故障。大多數(shù)PDM系統(tǒng)將只使用其中的一些傳感器,因此,當(dāng)務(wù)之急是確保與最適合于探測這些傳感器的傳感器一起充分理解潛在的臨界故障。

表1用于建立信任措施的流行傳感器

傳感器和系統(tǒng)故障考慮

超過90%的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中使用滾軸圖2顯示了電動(dòng)機(jī)失效部件的分布情況,在圖2中可以清楚地看到,在選擇PDM傳感器時(shí),重點(diǎn)關(guān)注軸承監(jiān)控非常重要。為了檢測、診斷和預(yù)測潛在故障,振動(dòng)傳感器必須具有低噪聲和寬帶能力。

圖2電動(dòng)機(jī)部件故障發(fā)生的百分比。

表2顯示了一些最常見的與旋轉(zhuǎn)機(jī)器相關(guān)的故障,以及在PDM應(yīng)用中使用的一些相應(yīng)的振動(dòng)傳感器要求。為了盡早發(fā)現(xiàn)故障,PDM系統(tǒng)通常需要高性能的傳感器。用于資產(chǎn)的預(yù)測維護(hù)傳感器的性能水平與資產(chǎn)在整個(gè)過程中持續(xù)可靠運(yùn)行的重要性相關(guān),而不是以資產(chǎn)本身的成本為代價(jià)。

表2機(jī)器故障和振動(dòng)傳感器考慮因素概述

電動(dòng)機(jī)振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)(峰值、尖峰到尖峰和RMS)中的能量量,使我們能夠確定機(jī)器是否不平衡或偏離,等等。 5 一些故障,如軸承或齒輪缺陷,并不是那么明顯,尤其是早期,不能僅僅通過振動(dòng)的增加來識(shí)別或預(yù)測。這些故障通常需要一個(gè)高性能的低噪聲預(yù)測維護(hù)振動(dòng)傳感器(<100 g 與高性能信號(hào)鏈、處理、收發(fā)器和后處理相結(jié)合的寬帶(5千赫)。

PDM的振動(dòng)、聲波和超聲波傳感器

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)含有一個(gè)MEMS元件在電路板上,通常包含在一個(gè)有底部或頂部端口的金屬盒中,以允許聲波在內(nèi)部。MEMS麥克風(fēng)提供了低成本、小尺寸和有效的方法,如軸承狀況,齒輪聯(lián)軸,泵空化,失調(diào),不平衡。這使MEMS麥克風(fēng)成為電池驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序的理想選擇。它們可以位于離噪音源很遠(yuǎn)的地方,是無創(chuàng)的。當(dāng)多臺(tái)設(shè)備投入使用時(shí),微電話的性能可能會(huì)受到來自其他機(jī)器的聲音噪音或環(huán)境因素(如灰塵或濕度)的影響。

大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表仍然列出相對(duì)良好的應(yīng)用,如移動(dòng)終端、筆記本電腦、游戲設(shè)備和相機(jī)等。一些MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表列出了振動(dòng)傳感器或PDM作為潛在的應(yīng)用,但他們也提到,對(duì)機(jī)械沖擊和不當(dāng)處理敏感的傳感器會(huì)對(duì)零件造成永久性的損害。其他MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表顯示,機(jī)械沖擊的生存能力高達(dá)10000 g .對(duì)于其中一些傳感器是否適合在存在潛在沖擊事件的非常惡劣的操作環(huán)境中操作,仍然缺乏明確性。

MEM超聲波麥克風(fēng)分析能夠在噪音增加的情況下,在復(fù)雜的資產(chǎn)中監(jiān)測電動(dòng)機(jī)的健康狀況,因?yàn)樗茉谠胍羯俚枚嗟姆锹曇纛l譜(20千赫茲至100千赫茲)中聽到聲音。低頻聲音信號(hào)的波長通常在大約1.7厘米至17米長之間。高頻信號(hào)的波長約為0.3厘米至1.6厘米長。當(dāng)波長的頻率增加時(shí),能量增加,使超聲波更有指令性。當(dāng)試圖找出軸承或外殼的故障時(shí),這是非常有用的。

加速度計(jì)是最常用的振動(dòng)傳感器,振動(dòng)分析是最常用的PDM技術(shù),主要用于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備,如渦輪機(jī)、泵、電動(dòng)機(jī)和變速箱。表3和表4顯示了在選擇高性能MEMS振動(dòng)和聲學(xué)傳感器時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格。黃金標(biāo)準(zhǔn)的壓振傳感器。每個(gè)列中的數(shù)據(jù)代表了該類別中的最小/最大變化,與鄰近列無關(guān)。

未來五年,建立信任措施產(chǎn)業(yè)將有顯著增長,無線裝置占這一增長的很大一部分。 6 由于尺寸、缺乏集成特性和耗電量等因素的綜合作用,壓壓加速度計(jì)不太適合于無線CBM系統(tǒng),但解決辦法確實(shí)存在,典型的耗電量在0.2-0.5mA之間。MEMS加速度計(jì)和麥克風(fēng)由于體積小、功率低、性能高,非常適合電池驅(qū)動(dòng)的PDM系統(tǒng)。

所有傳感器都有適當(dāng)?shù)膸捄偷驮胍?但MEMS加速度計(jì)是唯一能夠?qū)χ绷飨马憫?yīng)的傳感器,可用于檢測極低轉(zhuǎn)速下的不平衡和傾斜傳感。MEMS加速度計(jì)也有一個(gè)自我測試功能,在那里傳感器可以被證實(shí)是100%的功能。這可能證明在安全關(guān)鍵的裝置中是有用的,在這些裝置中,通過驗(yàn)證傳感器是否仍能正常工作,更容易達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

有可能在陶瓷包裝中完全密封MEMS加速度計(jì),在惡劣、骯臟的環(huán)境中使用機(jī)械包裝中的壓壓加速度計(jì)。表4著重于傳感器的物理、機(jī)械和環(huán)境性能。在這里可以看到每個(gè)傳感器之間的關(guān)鍵差異,例如集成,對(duì)惡劣環(huán)境的容忍,機(jī)械性能,以及對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)器或安裝的連接。

表3預(yù)測維修傳感器性能規(guī)格

表4預(yù)測維修傳感器機(jī)械規(guī)格

在三個(gè)軸上檢測振動(dòng)數(shù)據(jù)提供了更多的診斷見解,可以導(dǎo)致更好的故障檢測。雖然這在每一個(gè)PDM安裝中是不必要的,但在數(shù)據(jù)質(zhì)量、布線和節(jié)省空間方面,這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢。

當(dāng)長期暴露于濕度增加時(shí),MEM麥克風(fēng)會(huì)出現(xiàn)高達(dá)-8分貝的變形。 7 雖然這并不是一個(gè)明顯的弱點(diǎn),但是值得考慮的是你的PDM應(yīng)用程序是否存在于高濕度的惡劣環(huán)境中。在這種情況下,電子葉冷凝器麥克風(fēng)(ECMS)顯示出比MEMS麥克風(fēng)的優(yōu)勢。其他可能影響麥克風(fēng)的環(huán)境條件是風(fēng)、大氣壓、電磁場和機(jī)械沖擊。 8

在良性環(huán)境中,MEMS麥克風(fēng)在PDM應(yīng)用中提供了優(yōu)異的性能。目前,缺乏關(guān)于在有過度振動(dòng)、污垢或濕度的惡劣操作環(huán)境中安裝MEMS麥克風(fēng)的信息。振動(dòng)會(huì)影響MEMS麥克風(fēng)的性能,這是一個(gè)需要考慮的領(lǐng)域,然而,它們的振動(dòng)敏感性比ECMS要低。 9 如果一個(gè)無線PDM解決方案是使用MEMS麥克風(fēng),安裝盒將需要有一個(gè)孔或端口,以使聲學(xué)信號(hào)到達(dá)傳感器,增加了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)復(fù)雜性,并可能使其他電子產(chǎn)品易受灰塵或濕度的影響。

最近電容式MEMS加速度計(jì)技術(shù)的進(jìn)步,使小型、低成本、低功率、無線CBM解決方案得以在較低優(yōu)先級(jí)的資產(chǎn)上實(shí)施,從而能夠?qū)υO(shè)施管理有進(jìn)一步的診斷見解,并維持關(guān)鍵的系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。這些進(jìn)步還使MEMS加速度計(jì)更接近于用于更傳統(tǒng)的有線CBM系統(tǒng)。具有如此低的噪音和寬帶,加上行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的連接(國際電平儀和國際電平儀),壓壓加速度計(jì)已成為用于振動(dòng)測量的金標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)十年。如圖3所示,MEMS加速度計(jì)已被改造成可與EepE標(biāo)準(zhǔn)模塊接口。轉(zhuǎn)換電路是基于實(shí)驗(yàn)室電路參考設(shè)計(jì)。該電路是設(shè)計(jì)在一個(gè)特殊的電路板上,其特點(diǎn)是在寬帶寬上執(zhí)行,并準(zhǔn)備在稍后階段設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)械模塊。

圖3MEMS加速度計(jì),iepe參考,印刷電路板設(shè)計(jì),允許翻新在iepe機(jī)械模塊中的Adxl100X系列cbm加速度計(jì)。注:模擬設(shè)備不產(chǎn)生iepe機(jī)械模塊.

專用的PDM模塊,比如?Adcmxl3021 從模擬設(shè)備,提供一個(gè)綜合方法傳感器設(shè)計(jì).例如,圖4所示的設(shè)備包含三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)、三個(gè)ADCS、一個(gè)處理器、存儲(chǔ)器和算法,所有這些都在共振超過50千赫茲的機(jī)械模塊中。這突出了MEMS加速度計(jì)在傳感器節(jié)點(diǎn)上集成智能的能力,確保傳感器與最佳信號(hào)鏈和處理相匹配,以實(shí)現(xiàn)盡可能最佳的性能。該模塊可以執(zhí)行FFFT,觸發(fā)各種時(shí)域或頻域警報(bào),生成對(duì)于算法或機(jī)器學(xué)習(xí)工具預(yù)測故障至關(guān)重要的時(shí)域靜力學(xué)。

圖4三軸MEMS集成ADC、處理器、FFT和統(tǒng)計(jì)模塊,以及一個(gè)共振頻率超過50千赫的機(jī)械包。

當(dāng)涉及到選擇最合適的振動(dòng)傳感器為你的PDM解決方案時(shí),真正的挑戰(zhàn)在于對(duì)傳感器進(jìn)行配對(duì),以滿足你資產(chǎn)中最可能的失敗模式。MEMS麥克風(fēng)尚未被證明足夠堅(jiān)固,無法在最惡劣的環(huán)境中可靠地檢測所有基于振動(dòng)的故障模式,而振動(dòng)傳感器(加速計(jì))行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功地實(shí)施和可靠地執(zhí)行了幾十年。MEMS超聲麥克風(fēng)在比加速度計(jì)更早檢測軸承故障方面顯示出了很好的性能,這種潛在的共生關(guān)系可以為您的資產(chǎn)未來的振動(dòng)分析需求提供最佳的PDM解決方案。

雖然很難推薦在PDM系統(tǒng)中使用單一的振動(dòng)傳感器,但是加速度計(jì)有一個(gè)成功的歷史,并繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)。像模擬設(shè)備這樣的制造商提供一系列MEMS加速度計(jì),具有通用、低功率、低噪音、高穩(wěn)定性和高穩(wěn)定性。 g ,以及智能的邊角模塊,以滿足不同的應(yīng)用需求。