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用于设备状态监控系统的感测技术
 

【作者: 國家儀器/小樵】2016年03月17日 星期四

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通常来说,我们通过评估设备的关键性和可靠性来确定重要设备和常见的故障模式。选定好设备和故障模式后,就可以确定感测器来监控设备的特定元件,以判断元件是否出现健康退化以及选定的故障模式是否出现。


用于状态监控应用的测量技术和感测器

许多感测器可用于探测设备元件的变化。振动感测器是监控旋转机械的最常用感测器;它们的优点在于能够在故障发生前两个月左右感测到设备元件的机械性能退化。其它设备状态监控感测技术,包括电机电流、机油分析、热成像、动态压力以及速度等工作状态感测器(参见图1、图2)。



图1 : 设备原件的性能退化
图1 : 设备原件的性能退化

表1列出了用于状态监控的感测器类型及一些厂商。


表1 测量、感测器、频率、信号调理盒厂商

测量

感测器

频率范围

可能的信号调理需求

厂商

振动

加速度计

>100 Hz

IEPE
交流/直流耦合
±24V输入或交流耦合
抗混叠滤波器

IMI Sensors
Connection Technology Corporation
Endevco/Wilcoxon

振动

速度

>20 Hz to <2 kHz

IEPE
交流/直流耦合
±24V输入或交流耦合
抗混叠滤波器

IMI Sensors
Connection Technology Corporation
Endevco/Wilcoxon

振动

接近式探针(位移)

<300 Hz

调制/解调抗混叠滤波器
±30V输入范围

Connection Technology Corporation

速度

接近式探针

<300 Hz

调制/解调抗混叠滤波器
±30V输入范围

Connection Technology Corporation

速度

磁效应零速度感测器

高达15 kHz

24V直流电源
±20 V

Honeywell
SPECTEC

电机电流

电流分流器
电流钳

高达50 kHz

±333 mV或±5 V

Magnelab

温度

RTD
热电偶

高达10 Hz

杂讯抑制、激励、冷端补偿

NI

温度

红外线相机

每秒多帧

基于乙太网的GigE Vision连接

FLIR Systems

温度

动态压力

>100 Hz

交流/直流耦合
IEPE(部分模型)
±24V输入或交流耦合
抗混叠滤波器

Endevco
PCB
Kulite
Kistler

机油品质
油珠粒径

黏度
污染
微粒

高达10 Hz

mA电流输入
±10V输入
50/60Hz杂讯抑制

Kittiwake
Honeywell
HYDAC
Poseidon Systems

高频“杂讯”

超声感测器

>20 kHz

交流/直流耦合
±24V输入范围
抗混叠滤波器

UE Systems



每种感测器均可用于监控旋转机械设备内部机械和电子部件的性能退化。


1.振动感测器用于检测滚子轴承的磨损、齿轮箱的磨损、轴倾斜、失衡和机械松动。


2.速度感测器与振动感测器结合可将振动与转速和轴角位置相关联。


3.电动电流感测器通常安装在电机控制中心。这些感测器可用于检测转子偏心、绕组松动、转子条退化和电力供应不平衡。


4.动态压力感测器可用于测量燃烧动力学、流动湍流度和气穴现象。


5.温度感测器通常用于感测摩擦引起的热量。它们经常与振动感测器搭配使用,结合振动情况来探测健康退化。


6.热成像可检测相机视场范围内的数百个温度点。


7.超声波感测器可以检测电气问题,包括电晕、电弧和漏电痕迹。它们也可以用于检测滚子轴承磨损的早期迹象。


8.机油感测器可以检测轴承和齿轮的磨屑。这些感测器还可检测会降低机油润滑作用的污染物。


确定设备、故障模式和感测器后,接下来就是选择用于数位化感测器的测量硬体。测量硬体的选择取决于感测器特性,包括频率范围、电压范围和信号调理需求。


根据频率范围可以选择两种类型的感测器:静态和动态。动态感测器可测量远高于2赫兹的频率范围。例如,一个典型加速度计的频率范围为1 Hz或2 Hz至15 kHz或20 kHz。超声波感测器的频率范围最高可达100 kHz或以上,其中外差输出范围为几百赫兹到40 kHz。相反,静态感测器能够以1 Hz到10 Hz或20 Hz的速率将所监控的物理参数转换成电信号。


其它两个感测器特性是电压范围和信号调理需求。有些感测器可生成高达30 V的电压,而有些感测器生成的电压可能只有几毫伏。一些感测器需​​要IEPE电源等感测器电源,而其他感测器可能需要冷端补偿。表1列出了每种测量和感测器的常见信号调理需求。


使用模组化软硬体支援下一代设备监控感测作业

近年来逐步跃居主流的是可于线上远端监控、与企业IT系统结合的智慧监控解决方案。因此一些开放式的线上状态监控的软硬体解决方案如NI InsightCM Enterprise等则因应而生,其具有可撷取动态和静态资料、分析波形资料、视觉化原始资料和结果、产生和管理警示、管理资料、配置和监控节点、与现有IT设备整合等优势,可协助企业监控更多设备与资产、满足多变的维护需求,并整合至商务营运程序,而更具成本效益与弹性。


其中,感测器整合是状态监控解决方案的第一步,如以NI InsightCM Enterprise解决方案为例,其纳入多种状态指标与感测器量测功能,提高机台故障的诊断准确度,有助于撷取并分析动态感测资料含振动、速度和速率,及静态程序资料如压力、温度、电压和电流;还可搭配专业感测器如超音波,执行热写法、监视成像与量测作业。动态输入模组NI9232可获得动态输入,用于数位化的速度、速度、位移和速度感测器的感测器输出,以及电流钳、动态压力和超声波感测器的外差输出。同时考量到监控项目的多变性与扩充性,设备监控系统的建构人员可使用多达24个通道的CMS-9068状态监控系统,其设备节点可通过使用多个NI9232模组在单个主机壳中实现,因此使用者可以根据实际需求搭配热电偶模组、RTD模组、隔离电压输入模组、触点闭合监控模组等。热电偶模组提供冷端补偿和可选的杂讯抑制、RTD模组提供感测器激励和可选的杂讯抑制、数位输入模组可监控机器或程序控制中的触点闭合、而NI 9219模组具有独立的通道配置,适用于各种静态输入模组。


以上提到的技术与解决方案,已在台湾中国钢铁的线上监诊系统、韩国SM Instruments风电场的风机状态监控、与美国Duke Energy多个发电厂实现;用平台式的概念来简化数千种感测器的设定与量测作业,已可预见会是明日设备监测感测技术的主流趋势。 (参见图2)



图2 : 智能设备检测维护系统
图2 : 智能设备检测维护系统
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