De ce devin accelerometrele MEMS cea mai bună alegere a proiectanților pentru aplicațiile CbM

Numărul de axe

Accelerometrele MEMS sunt disponibile în versiuni simple, duble și triaxiale. Spre deosebire de accelerometrele piezoelectrice, nu există o diferență reală de dimensiune între accelerometrele MEMS mono și triaxiale. Dimensiunea mai mică este unul dintre avantajele cheie ale MEMS față de cele piezoelectrice, alături de un consum de putere mult mai mic și niveluri mai ridicate de integrare. În cazul accelerometrelor piezoelectrice cu 3 axe există unele dezavantaje clare – cum ar fi costul, care poate fi cu până la trei ordine de mărime mai mare în comparație cu accelerometrele MEMS triaxiale, dimensiunea și precizia – dar unul dintre principalele motive pentru utilizarea accelerometrelor piezoelectrice triaxiale este acela de a permite o colectare mai ușoară a datelor pentru cititoarele de vibrații portabile. În loc să fie nevoie să se pregătească trei zone (senzori cu o singură axă) și apoi să se facă trei citiri separate, un singur senzor triaxial poate face acest lucru în mod autonom. Pentru echipamentele cu acces restricționat, acest lucru poate fi un avantaj major. De asemenea, atunci când se măsoară vibrațiile în mai multe direcții, poate fi important să se mențină relațiile de fază între axe, iar un dispozitiv triaxial va asigura acest lucru. Pentru o analiză complexă a vibrațiilor este important să se observe evenimente pe toate axele fără discrepanțe de fază, deoarece acest lucru ar putea duce la interpretarea greșită a evenimentelor.

Cu un senzor piezoelectric triaxial, care măsoară vibrațiile în direcțiile x, y și z, este posibil să se măsoare mișcarea/vibrația tangențială a axei de rotație. Multe forțe mecanice generate de mașinile rotative produc astfel de mișcări tangențiale ale carcasei. Acest lucru nu este posibil de detectat cu un senzor piezoelectric cu o singură axă. Cu accelerometrele MEMS cu o singură axă, ar putea fi posibilă detectarea unor astfel de evenimente, deoarece conținutul de curent continuu al semnalului măsurat corespunde înclinării, presupunând că balansarea rezultată a echipamentului are loc în axa sensibilă.

Figura 4. Axele de vibrații ale motorului.

Excitația vibrațiilor este adesea direcțională, în funcție de defecțiune, cum ar fi o scânteie pe o cale de rulare exterioară a rulmentului, o slăbiciune mecanică, o nealiniere sau un dinte defect dintr-un angrenaj. Direcția vibrației defectului nu este întotdeauna previzibilă, astfel încât nu se poate ști în ce direcție – axială, radială sau tangențială – se va deplasa vibrația. De asemenea, pot exista mai multe defecte care să cauzeze vibrații anormale. Un studiu s-a axat pe demonstrarea potențialului de îmbunătățire a capabilității de diagnosticare atunci când se utilizează senzori piezoelectrici triaxiali față de senzorii radiali și axiali cu o singură axă. ⁶ Studiul a arătat că accelerometrele cu o singură axă pot rata diagnosticarea pentru aproape 50% din defectele mecanice descrise anterior, dacă senzorii sunt plasați doar radial sau tangențial, așa cum se arată în figura 4.

Având în vedere că direcția de vibrație a defecțiunii este problema, adăugarea mai multor senzori pe aceeași axă nu o va rezolva. Adăugarea unui accelerometru axial a îmbunătățit detectarea defecțiunilor la aproape 70%. Adăugarea unui alt senzor axial a crescut detecția la 80%. Acest lucru arată că informațiile suplimentare de diagnosticare de pe diferite axe pot duce la o mai bună detectare a defecțiunilor, fără ca acest lucru să fie obligatoriu cu ajutorul unui senzor triaxial. Acest studiu a relevat că, în multe cazuri, a dispune de date pentru toate cele trei axe este redundant, dar a recomandat totuși măsurarea pe trei axe, dacă este posibil.

Deși este întotdeauna benefică obținerea de cât mai multe date, acest lucru nu este întotdeauna necesar, în special în cazul sistemelor wireless, unde măsurarea sau transmiterea de date redundante poate scurta durata de viață a bateriei. Amplasarea corectă a senzorilor, fie că sunt simpli, dubli sau triaxiali, este critică, dar, conform cercetărilor de mai sus, bazate pe senzori piezoelectrici cablați, senzorii triaxiali ar trebui să fie utilizați ori de câte ori este posibil.

În cazul accelerometrelor MEMS, orice senzori triaxiali existenți au performanțe reduse în comparație cu senzorii piezoelectrici, astfel încât este probabil ca aceștia să nu fie capabili să detecteze la fel de multe defecțiuni. În plus, axa z din majoritatea accelerometrelor MEMS triaxiale are performanțe mai scăzute în ceea ce privește zgomotul, lățimea de bandă sau ambele, după cum se arată în tabelul 11, ceea ce poate slăbi potențiala valoare adăugată oferită de axele suplimentare raportate de studiile bazate pe accelerometre piezoelectrice triaxiale. În unele cazuri, toate axele vor avea performanțe diferite în ceea ce privește zgomotul și/sau lățimea de bandă, cele mai importante două specificații pentru CbM.

Tabelul 11. Variația zgomotului și a lățimii de bandă de la o axă la alta în cazul accelerometrelor MEMS pentru CbM

Implicațiile acestei nepotriviri în termeni de performanță zgomot și/sau lățime de bandă par să anuleze într-o oarecare măsură avantajele de a avea axe suplimentare (y, z) într-un singur loc pe un echipament. Acest lucru este bine înțeles de către proiectanții familiarizați cu senzorii MEMS, dar trebuie luate în considerare câteva lucruri. Accelerometrele triaxiale MEMS pot avea un cost cu câteva ordine de mărime mai mic, cu performanțe comparabile cu cele ale accelerometrelor piezoelectrice și sunt mult mai mici, astfel încât pot fi plasați mai mulți senzori, chiar și în instalații wireless pe echipamente mai puțin critice. Acest lucru oferă mai multe informații de diagnosticare privind funcționarea generală a echipamentului.

Figura 5. Sensibilitatea transversală observată pe axa x a unui accelerometru cu 3 axe care accelerează în axele y sau z.

Sensibilitatea în raport cu celelalte axe

Sensibilitatea transversală (CAS) se referă la cât de multă reacție se obține pe o axă atunci când se imprimă o accelerație pe o altă axă, exprimată de obicei ca procent. În cazul accelerometrelor piezoelectrice, care sunt predominant monoaxiale, aceasta va fi dată ca sensibilitate transversală, care descrie sensibilitatea la orice mișcare produsă pe o altă axă decât cea pe care a fost destinat să o măsoare. În cazul unui accelerometru triaxial, care înregistrează o accelerație doar pe axa y, o anumită accelerație va fi măsurată pe axele x și z din cauza CAS. Figura 5 arată un CAS de 1% pe măsură ce axa y (sau z) suferă o accelerație de 1,5 g; acest lucru se observă și pe axa x ca fiind 15 mg sau 1% din 1,5 g. Fenomenul afectează, de asemenea, accelerometrele MEMS cu o singură axă. Cu cât acest procent este mai mic, cu atât mai precise și mai fiabile sunt datele de vibrații care pot fi măsurate și utilizate pentru a detecta defecțiuni, anomalii și tendințe de derivă.

Unii producători de MEMS nu menționează în fișele lor tehnice informații esențiale precum CAS, așa cum se arată în tabelul 12, dar pentru CbM și PdM, aceasta este o specificație vitală care trebuie înțeleasă atunci când se încearcă detectarea timpurie a defecțiunilor, acolo unde este posibil ca acestea să fie aproape de nivelul de zgomot de fond al senzorului. Procentul de 1% menționat pentru ADXL1002 ar putea fi considerat conservator, deoarece testele au arătat că performanțele sunt puțin mai bune.

Tabelul 12. Comparație a sensibilității transversale pentru accelerometrele MEMS utilizate în CbM

Figura 6. (a) Sensibilitatea transversală a unui MEMS B la aproximativ 2,5% și (b) axa x mărită.

Figura 6a ilustrează un test CAS pe un accelerometru MEMS. Vibrația a fost aplicată numai pe axa z. Figura 6a evidențiază faptul că axa z a măsurat o accelerație de aproximativ 1,1 g de vârf, în timp ce axa x din figura 6b a măsurat o accelerație de vârf de aproximativ 0,05 g, iar axa y puțin mai puțin, de 0,0425 g.

Tabelul 13 prezintă cazul cel mai defavorabil: CAS de 2,6% pe axa x și 2,2% pe axa y. Ar putea exista alinieri greșite în configurația de testare, astfel încât probabilitatea este de a avea un CAS de cel puțin 2%, dar sub 2,6 %. Deși este posibil să se calibreze CAS, este de dorit ca această valoare să fie apropiată de 1%, care este valoarea de referință în industrie pentru accelerometrele MEMS CbM. CAS piezoelectric este de obicei în jur de 5%, dar, în unele cazuri, se raportează până la 15% ⁷ Valorile sensibilității transversale sub 5% sunt disponibile la cerere de la unii furnizori de dispozitive piezoelectrice, la un cost suplimentar.

Tabelul 13. Sensibilitatea transversală a senzorului MEMS B

Figura 7. Bloc de montaj optimizat din punct de vedere mecanic pentru plăcile de evaluare ale accelerometrului. (EVAL-XLMOUNT1).

Soluții pentru conectarea mecanică a senzorilor MEMS la mașini

Accelerometrele piezoelectrice sunt principalii senzori de vibrații utilizați în prezent. Aceștia au interfețe standard precum IEPE și 4 mA până la 20 mA, precum și diverse metode de montare, de exemplu cu știfturi, magneți și adezivi. Pentru ca accelerometrele MEMS să concureze cu standardul de referință tradițional pentru detectarea vibrațiilor, este imperativ nu numai să se potrivească performanței acestora, ci și să faciliteze conectarea mecanică a senzorilor MEMS la echipamente. Acest aspect a reprezentat o dificultate pentru clienții de accelerometre MEMS în ultimul timp. În orice configurație de măsurare a vibrațiilor vor exista rezonanțe multiple și este important să se minimizeze efectul acestora asupra măsurătorilor. Peste o lățime de bandă de 1 kHz, montarea devine critică, deoarece rezonanțele pot afecta semnificativ măsurătorile.

În cazul accelerometrelor piezoelectrice, există o multitudine de strategii de montare, de la montarea pe știfturi care oferă cel mai larg răspuns în frecvență până la vârfurile de sondă portabile cu cel mai mic interval de răspuns în frecvență. Accelerometrele MEMS nu sunt sensibile la magneți și pot fi (și au fost) utilizate cu succes cu strategii de montare magnetică.

Figura 8. Placa de testare pentru măsurarea vibrațiilor fixată cu ajutorul unui bloc de aluminiu pe platforma de vibrații.

Pentru a facilita montarea senzorilor MEMS pe echipamente, Analog Devices a creat un cub de montare, așa cum se arată în figura 7. O gaură de montare centrală cu un diametru de 0,2 inci și o muchie de 0,38 inci de jur împrejur, cu o adâncime de 0,3 inci, permite utilizarea unui șurub de tip #10 pentru fixarea blocului de montare pe echipament. Plăcile de evaluare pentru diverse familii de accelerometre (EVAL-ADXL100XZ, EVAL-ADXL35XZ și EVAL-ADXL37XZ) sunt compatibile cu acest suport mecanic.

Utilizând acest bloc de montare și fixându-l în siguranță la structura mecanică, răspunsul în frecvență al accelerometrului poate fi evaluat într-un mediu controlat.

Reușita de montaj a accelerometrului este critică atunci când se captează evenimente de înaltă frecvență. Acest lucru a fost verificat pe o masă de vibrații și este prezentat în figura 8, iar răspunsul în frecvență rezultat este prezentat în figura 9.

Placa de circuit imprimat a senzorului a fost proiectată puțin mai groasă (3 mm) și s-a folosit o pastă de lipit specifică pentru a ajuta la păstrarea răspunsului în frecvență al senzorului MEMS conform fișei tehnice când acesta este montat pe un echipament.

Figura 9. Răspunsul în frecvență al senzorului ADXL1002 cu interfață IEPE.

Proiectul de referință prezentat în figura 8 convertește datele accelerometrului MEMS în format IEPE. Acesta activează accelerometrul MEMS de la o configurație IEPE existentă și emite date în format IEPE, permițând integrarea simplă și fără probleme a accelerometrelor MEMS în infrastructură IEPE nouă sau în cea existentă.

Analog Devices are o istorie îndelungată în ceea ce privește integrarea în module a senzorilor, a condiționării semnalelor și a procesării la cel mai înalt nivel industrial. Cele mai recente module CbM sunt ADcmXL1021 și ADcmXL3021, soluții cu ieșire SPI, bazate pe accelerometre simple sau triaxiale (1× sau 3× ADXL1002), care pot fi montate direct pe echipamente. Acestea au o rezonanță a pachetului mecanic de peste 50 kHz, cu mult peste lățimea de bandă de interes de 10 kHz.

Găurile de montare acceptă șuruburi M2,5 pentru a menține modulul în poziție. Pentru multe dintre curbele de caracterizare prezentate în fișa tehnică a dispozitivului ADcmXL3021 sunt utilizate șuruburi din oțel inoxidabil cu un cuplu de strângere de aproximativ 25 inch-pounds. În unele cazuri, atunci când montarea permanentă este o opțiune, se pot utiliza epoxizi sau adezivi industriali, cum ar fi adezivul cianoacrilat, în plus față de șuruburile de montare, pentru a îmbunătăți cuplajul mecanic.

Am văzut deja că accelerometrele MEMS ADXL100x au niveluri de performanță similare cu cele ale accelerometrelor piezoelectrice, cu câteva avantaje distincte, care permit acum ca CbM și PdM să fie aplicate la echipamente mai puțin critice. În același timp, familia de accelerometre MEMS ADXL100x, prezentată în tabelul 14, este instalată pe echipamente extrem de critice, lucru fără precedent în cazul accelerometrelor MEMS. La Analog Devices, am simplificat atașarea senzorilor noștri CbM la echipamente (XLMOUNT1, ADcmXL3021). De asemenea, este foarte ușor să înlocuiți senzorii piezoelectrici cu MEMS datorită proiectelor noastre de referință din punct de vedere al conversiei (de la MEMS la IEPE sau de la 4 mA la 20 mA).

Tabelul 14. Familia ADXL100x de accelerometre CbM

Figura 10. Senzor de vibrații triaxial ADcmXL3021 cu lățime de bandă largă și zgomot redus.

Proiectele noastre de referință CbM, sistemele de evaluare, platformele de dezvoltare și soluțiile de sistem au ca scop să le permită clienților noștri să dezvolte cele mai bune sisteme CbM și PdM pentru a menține echipamentele și fabricile în funcțiune. Am abordat și am rezolvat majoritatea punctelor dificile cu care se confruntă proiectanții CbM care utilizează nu numai MEMS, ci și accelerometre piezoelectrice, și vom continua să investim în soluții CbM de top în industrie.

Figura 11. Platforma de dezvoltare CN-0549 și diagrama bloc.

Următoarea secțiune analizează un astfel de exemplu: un pipeline de achiziție de date de înaltă fidelitate și de mare viteză, care permite dezvoltatorilor de sisteme CbM să detecteze și să salveze datele vitale privind vibrațiile în mediul lor de dezvoltare bazată pe învățare automată (Python, TensorFlow, MathWorks etc.).

Platforma de dezvoltare CbM

Platforma de dezvoltare CbM CN-0549, prezentată în figura 11, reunește toate considerațiile de proiectare MEMS prezentate mai sus pentru a oferi accelerometrul MEMS cu cea mai înaltă performanță pentru CbM, putând fi montat cu ușurință pe un echipament, menținând în același timp performanța prevăzută în fișa tehnică. Placa de achiziție de date oferă o soluție hardware de condiționare a semnalului și de achiziție de date de mare viteză și cu rezoluție pe 24-biți pentru utilizarea cu accelerometre piezoelectrice și MEMS IEPE. De asemenea, sunt furnizate firmware-ul și software-ul de evaluare necesare pentru a rula acest sistem imediat.

Platforma de dezvoltare CbM este creată pentru a permite proiectanților CbM să colecteze cantități mari de date de vibrații de înaltă calitate pentru a înțelege comportamentul de funcționare al echipamentelor. Odată ce acestea sunt înțelese, defecțiunile pot fi generate sau simulate pentru a dezvolta informații privind tendințele, pentru a permite algoritmilor de învățare automată să identifice și să profileze o potențială defecțiune. Aceste date de defecțiune trebuie să fie capturate cu cea mai mare fidelitate și transmise către un mediu de învățare automată pentru a dezvolta modele în vederea unei mai bune înțelegeri a comportamentului echipamentului.

Platforma de dezvoltare CbM permite transmiterea fluxurilor de date de înaltă performanță ale senzorilor de vibrații IEPE către un mediu de învățare automată, cum ar fi TensorFlow, gata de utilizare. O multitudine de senzori piezoelectrici IEPE (rețineți că aceștia nu vor avea nevoie de cubul de montare pentru a fi atașați la un echipament) sau soluția IEPE ADXL1002, CN-0532, pot fi utilizați cu platforma de dezvoltare CbM. Placa DAQ, CN-0540, un alt proiect de referință, care asigură un lanț de semnal de achiziție de date de cea mai mare precizie pentru senzorii IEPE, oferă un pipeline de date cu lățime de bandă completă în FPGA, unde sistemul poate monitoriza profilul de date al mașinii. O aplicație de tip osciloscop, care rulează pe FPGA și care necesită doar o conexiune la un monitor prin HDMI®, oferă informații despre spectrul de frecvențe și permite utilizatorilor să vizualizeze rapid starea de funcționare a mașinii sau să transmită datele în cloud prin Ethernet. Legăturile Python și MATLAB® permit proiectanților să interfațeze direct datele de învățare automată în aceste instrumente populare. Proiectanții pot apoi să utilizeze datele de învățare automată și să înceapă să creeze algoritmi pentru echipamentele lor pentru a îmbunătăți strategiile de întreținere, precum și pentru a prezice defecțiunile și eventualele opriri ale fabricii.

Concluzie

Acest articol a abordat cele mai importante criterii care trebuie luate în considerare atunci când se utilizează accelerometre MEMS în sistemele CbM. S-a arătat că un număr mic de accelerometre MEMS pot oferi o alternativă viabilă la accelerometrele piezoelectrice; dar totuși, au fost evidențiate diferențe semnificative de performanță între accelerometrele MEMS, subliniind necesitatea unei clasificări a acestor senzori. S-a analizat și comparat cu standardele de vibrații ISO 10816 existente, identificând și mai mult diferențele de performanță ale senzorilor MEMS pentru CbM.

Senzorii MEMS au fost clasificați în funcție de cele mai importante specificații, cum ar fi zgomotul, lățimea de bandă, domeniul de măsurare [g] și altele. Datorită lățimii de bandă largi, zgomotului foarte redus și domeniului [g] ridicat, familia de senzori ADXL100x este în mod clar singura capabilă să concureze cu accelerometrele piezoelectrice și, după ce a fost comparată pe larg cu concurența MEMS, poate fi considerată ca fiind singura gamă de senzori MEMS de înaltă performanță disponibilă în prezent pentru aplicațiile CbM și PdM. În categoria performanțelor medii, în care se află toți ceilalți senzori MEMS CbM, Analog Devices oferă o gamă largă de senzori digitali triaxiali, cum ar fi ADXL317, unul dintre accelerometrele MEMS digitale cu cel mai mic zgomot și lățime de bandă largă, capabil să detecteze din timp vibrațiile și să contribuie la menținerea în funcțiune a echipamentelor și chiar a fabricilor.

Autor: Chris Murphy, Inginer de aplicații la Analog Devices.

Despre autor: Chris Murphy este inginer de aplicații în cadrul Centrului European de Aplicații Centralizate, cu sediul în Dublin, Irlanda. Este angajat la Analog Devices din 2012, unde oferă asistență pentru proiectarea produselor de control al motoarelor și de automatizare industrială. El deține un masterat în electro­nică în domeniul cercetării și o diplomă de inginer în inginerie infor­matică. Poate fi contactat la adresa de email: christopher.murphy@analog.com

Pentru mai multe informații despre senzorii CbM până la soluțiile CbM, vă rugăm să vizitați analog.com/CbM.

Referințe

¹ “Motor Monitoring Market by Offering (Hardware, Software), Monitoring Process (Online, Portable), Deployment, Industry (Oil and Gas, Power Generation, Metals and Mining, Water and Wastewater, Automotive), and Region—Global Forecast to 2023.” Research and Markets, February 2019.
² Chris Murphy. “Choosing the Most Suitable Predictive Maintenance Sensor.” Analog Devices, Inc., June 2020.
³ Pete Sopcik and Dara O’Sullivan. “How Sensor Performance Enables Condition-Based Monitoring Solutions.” Analog Dialogue, Vol. 53, No. 2. June 2019.
⁴ Mark Looney. “MEMS Vibration Sensing: Velocity to Acceleration.” Analog Devices, Inc., March 2017.
⁵ Mark Looney. “MEMS Vibration Monitoring: From Acceleration to Velocity.” Analog Devices, Inc., June 2017.
⁶ William Watts. “Triaxial Vibration Spectral Data: An Important Ingredient for Proper Machine Diagnostics.” Azima, DLI, 2009.
⁷ “Understanding the Role of Transverse Sensitivity in Measurement Data Reliability.” Endevco.

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com

Contact România:
Email: inforomania@arroweurope.com
Mobil: +40 731 016 104
Arrow Electronics | https://www.arrow.com