如何选择最合适的预测维修传感器

基于条件的监测 建立信任措施涉及利用传感器监测机器或资产,以测量目前的健康状况。预测性维护(PDM)涉及到各种技术的组合,如建立信任措施、机器学习和分析来预测即将到来的机器或资产故障。在监测机器的健康状况时,选择最合适的传感器至关重要,以确保能够检测、诊断甚至预测故障。目前有许多传感器用于感知和检测故障,在旋转机器及其负载中,最终目标是避免意外的停机时间。排序每个传感器是很困难的,因为PDM技术应用于许多旋转机器(电动机、齿轮、泵和涡轮机)和非旋转机器(阀门、断路器和电缆)。

许多工业电动机设计用于连续生产20年的应用,如化学和食品加工厂以及发电设施,但有些电动机达不到预期寿命。 1 这可能是由于电动机操作不足,维修计划不足,对PDM系统投资不足,或者根本没有PDM系统。PDM使维修团队能够安排维修,避免意外的停机时间。通过PDM早期预测机器故障也可以帮助维修工程师识别和维修运行效率低下的电机,从而提高性能、生产率、资产可用性和寿命。

最好的PDM策略是能够有效地利用尽可能多的技术和传感器,以早期和高度的自信发现故障,因此,没有单一的传感器--所有的解决方案。本文试图澄清为什么预测性维护传感器对于在PDM应用程序中早期检测故障至关重要,以及它们的优缺点。

系统故障时间表

图1显示了从安装新电动机到电动机故障的模拟事件时间表以及推荐的预测维护传感器类型。安装新马达时,它处于保修期.几年后,保质期将到期,正是在这一点上,将实施更频繁的人工检查团。

图1:机器健康与时间。

如果在这些预定的维护检查之间出现故障,就有可能出现意外的停机时间。在这种情况下,至关重要的是拥有正确的预测性维护传感器来尽早发现潜在的故障,为此,本文将重点关注振动和声学传感器。振动分析一般被认为是PDM的最佳起点。 2

预测性维修传感器

有些传感器可以比其他传感器更早地检测到某些故障,例如轴承损坏,如图1所示。在本节中,讨论了最常用的在最早时刻检测故障的传感器,即加速计和麦克风。表1显示了传感器规格的列表和它们能够检测到的一些故障。大多数PDM系统将只使用其中的一些传感器,因此,当务之急是确保与最适合于探测这些传感器的传感器一起充分理解潜在的临界故障。

表1用于建立信任措施的流行传感器

传感器和系统故障考虑

超过90%的旋转机械在工业和商业应用中使用滚轴图2显示了电动机失效部件的分布情况,在图2中可以清楚地看到,在选择PDM传感器时,重点关注轴承监控非常重要。为了检测、诊断和预测潜在故障,振动传感器必须具有低噪声和宽带能力。

图2电动机部件故障发生的百分比。

表2显示了一些最常见的与旋转机器相关的故障,以及在PDM应用中使用的一些相应的振动传感器要求。为了尽早发现故障,PDM系统通常需要高性能的传感器。用于资产的预测维护传感器的性能水平与资产在整个过程中持续可靠运行的重要性相关,而不是以资产本身的成本为代价。

表2机器故障和振动传感器考虑因素概述

电动机振动或运动(峰值、尖峰到尖峰和RMS)中的能量量,使我们能够确定机器是否不平衡或偏离,等等。 5 一些故障,如轴承或齿轮缺陷,并不是那么明显,尤其是早期,不能仅仅通过振动的增加来识别或预测。这些故障通常需要一个高性能的低噪声预测维护振动传感器(<100 g 与高性能信号链、处理、收发器和后处理相结合的宽带(5千赫)。

PDM的振动、声波和超声波传感器

微机电系统(MEMS)麦克风含有一个MEMS元件在电路板上,通常包含在一个有底部或顶部端口的金属盒中,以允许声波在内部。MEMS麦克风提供了低成本、小尺寸和有效的方法,如轴承状况,齿轮联轴,泵空化,失调,不平衡。这使MEMS麦克风成为电池驱动应用程序的理想选择。它们可以位于离噪音源很远的地方,是无创的。当多台设备投入使用时,微电话的性能可能会受到来自其他机器的声音噪音或环境因素(如灰尘或湿度)的影响。

大多数MEMS麦克风数据表仍然列出相对良好的应用,如移动终端、笔记本电脑、游戏设备和相机等。一些MEMS麦克风数据表列出了振动传感器或PDM作为潜在的应用,但他们也提到,对机械冲击和不当处理敏感的传感器会对零件造成永久性的损害。其他MEMS麦克风数据表显示,机械冲击的生存能力高达10000 g .对于其中一些传感器是否适合在存在潜在冲击事件的非常恶劣的操作环境中操作,仍然缺乏明确性。

MEM超声波麦克风分析能够在噪音增加的情况下,在复杂的资产中监测电动机的健康状况,因为它能在噪音少得多的非声音频谱(20千赫兹至100千赫兹)中听到声音。低频声音信号的波长通常在大约1.7厘米至17米长之间。高频信号的波长约为0.3厘米至1.6厘米长。当波长的频率增加时,能量增加,使超声波更有指令性。当试图找出轴承或外壳的故障时,这是非常有用的。

加速度计是最常用的振动传感器,振动分析是最常用的PDM技术,主要用于大型旋转设备,如涡轮机、泵、电动机和变速箱。表3和表4显示了在选择高性能MEMS振动和声学传感器时需要考虑的一些关键规格。黄金标准的压振传感器。每个列中的数据代表了该类别中的最小/最大变化,与邻近列无关。

未来五年,建立信任措施产业将有显著增长,无线装置占这一增长的很大一部分。 6 由于尺寸、缺乏集成特性和耗电量等因素的综合作用,压压加速度计不太适合于无线CBM系统,但解决办法确实存在,典型的耗电量在0.2-0.5mA之间。MEMS加速度计和麦克风由于体积小、功率低、性能高,非常适合电池驱动的PDM系统。

所有传感器都有适当的带宽和低噪音,但MEMS加速度计是唯一能够对直流下响应的传感器,可用于检测极低转速下的不平衡和倾斜传感。MEMS加速度计也有一个自我测试功能,在那里传感器可以被证实是100%的功能。这可能证明在安全关键的装置中是有用的,在这些装置中,通过验证传感器是否仍能正常工作,更容易达到系统标准。

有可能在陶瓷包装中完全密封MEMS加速度计,在恶劣、肮脏的环境中使用机械包装中的压压加速度计。表4着重于传感器的物理、机械和环境性能。在这里可以看到每个传感器之间的关键差异,例如集成,对恶劣环境的容忍,机械性能,以及对旋转机器或安装的连接。

表3预测维修传感器性能规格

表4预测维修传感器机械规格

在三个轴上检测振动数据提供了更多的诊断见解,可以导致更好的故障检测。虽然这在每一个PDM安装中是不必要的,但在数据质量、布线和节省空间方面,这是一个明显的优势。

当长期暴露于湿度增加时,MEM麦克风会出现高达-8分贝的变形。 7 虽然这并不是一个明显的弱点,但是值得考虑的是你的PDM应用程序是否存在于高湿度的恶劣环境中。在这种情况下,电子叶冷凝器麦克风(ECMS)显示出比MEMS麦克风的优势。其他可能影响麦克风的环境条件是风、大气压、电磁场和机械冲击。 8

在良性环境中,MEMS麦克风在PDM应用中提供了优异的性能。目前,缺乏关于在有过度振动、污垢或湿度的恶劣操作环境中安装MEMS麦克风的信息。振动会影响MEMS麦克风的性能,这是一个需要考虑的领域,然而,它们的振动敏感性比ECMS要低。 9 如果一个无线PDM解决方案是使用MEMS麦克风,安装盒将需要有一个孔或端口,以使声学信号到达传感器,增加了进一步的设计复杂性,并可能使其他电子产品易受灰尘或湿度的影响。

最近电容式MEMS加速度计技术的进步,使小型、低成本、低功率、无线CBM解决方案得以在较低优先级的资产上实施,从而能够对设施管理有进一步的诊断见解,并维持关键的系统正常运行时间。这些进步还使MEMS加速度计更接近于用于更传统的有线CBM系统。具有如此低的噪音和宽带,加上行业标准的连接(国际电平仪和国际电平仪),压压加速度计已成为用于振动测量的金标准传感器数十年。如图3所示,MEMS加速度计已被改造成可与EepE标准模块接口。转换电路是基于实验室电路参考设计。该电路是设计在一个特殊的电路板上,其特点是在宽带宽上执行,并准备在稍后阶段设计成一个机械模块。

图3MEMS加速度计,iepe参考,印刷电路板设计,允许翻新在iepe机械模块中的Adxl100X系列cbm加速度计。注:模拟设备不产生iepe机械模块.

专用的PDM模块,比如 Adcmxl3021 从模拟设备,提供一个综合方法传感器设计.例如,图4所示的设备包含三个单轴MEMS加速度计、三个ADCS、一个处理器、存储器和算法,所有这些都在共振超过50千赫兹的机械模块中。这突出了MEMS加速度计在传感器节点上集成智能的能力,确保传感器与最佳信号链和处理相匹配,以实现尽可能最佳的性能。该模块可以执行FFFT,触发各种时域或频域警报,生成对于算法或机器学习工具预测故障至关重要的时域静力学。

图4三轴MEMS集成ADC、处理器、FFT和统计模块,以及一个共振频率超过50千赫的机械包。

当涉及到选择最合适的振动传感器为你的PDM解决方案时,真正的挑战在于对传感器进行配对,以满足你资产中最可能的失败模式。MEMS麦克风尚未被证明足够坚固,无法在最恶劣的环境中可靠地检测所有基于振动的故障模式,而振动传感器(加速计)行业标准已经成功地实施和可靠地执行了几十年。MEMS超声麦克风在比加速度计更早检测轴承故障方面显示出了很好的性能,这种潜在的共生关系可以为您的资产未来的振动分析需求提供最佳的PDM解决方案。

虽然很难推荐在PDM系统中使用单一的振动传感器,但是加速度计有一个成功的历史,并继续发展和改进。像模拟设备这样的制造商提供一系列MEMS加速度计,具有通用、低功率、低噪音、高稳定性和高稳定性。 g ,以及智能的边角模块,以满足不同的应用需求。