Повышенная вибрация движущихся частей оборудования свидетельствует об опасных неисправностях в его функционировании. Определить ту тонкую грань, которая отделяет штатные, небольшие значения вибраций от тех, что могут вызвать поломку машины и даже ухудшение здоровья человека, помогут виброметры.

Принцип работы

Как и любой физический колебательный процесс, вибрация характеризуется двумя основными параметрами – частотой и амплитудой. Их совокупность определяет три величины, значения которых позволяет выполнить объективную оценку вибрации: виброперемещение, виброскорость и виброускорение.

Под виброперемещением понимают относительное изменение положения подвижного узла или агрегата в целом от его начального расположения. Соответственно, виброскорость оценивает динамику такого изменения, а виброускорение – интенсивность возрастания виброскорости.

Полезность виброметра зависит от его возможности определять все три вышеуказанных параметра. Происходит это в следующей последовательности:

• Закреплённый в определённом месте датчик вибраций фиксирует исходный сигнал.
• По короткому кабелю сигнал в виде колебаний передаётся на усилитель. Длина кабеля должна быть минимально допустимой.
• Усилитель усиливает исходный сигнал, и перенаправляет его на устройство индикации (в современных виброметрах это либо жидкокристаллический индикатор – для переносных приборов, либо экран монитора – для стационарных).
• Параллельно производится запись текущих показаний в блок памяти.

Для особо сложных сигналов, которые воспринимаются датчиком, в виброметрах предусматривается ещё и блок обработки информации. Там первичный сигнал очищается от шумов и стабилизируется. Для переносных виброметров обработанный сигнал может подаваться и через наушники.

Классификация

По способу приёма и последующей обработки виброметры подразделяются на:

1. Переносные или стационарные (последние применяются преимущественно в лабораторных условиях, при испытании техники или при исследовании её опытных образцов).
2. Контактные или бесконтактные. В виброметрам первого типа относят пьезоэлектрические, ёмкостные и электромагнитные виброметры, а ко вторым – лазерные, оптические и индукционные. В стационарных установках могут использоваться многоконтурные схемы оценки вибраций.
3. Вибрографы и виброметры. Первые позволяют записывать сигнал от первичных датчиков, преимуществом вторых считаются компактность и быстрота оценки конечного результата, иногда даже в ущерб точности.
4. Виброметры и виброанализаторы. Приборы второго типа – комбинированные, они позволяют, наряду с классическим, описанным выше, способом определения интенсивности вибраций, ещё разложить их на спектры, оценить износ подвижных элементов и даже определять зазор в подшипниковых узлах.
5. Одно-, двух- и многоканальные. Многоканальные виброметры, в частности, могут оценивать износ и вибрацию элементов одновременно в нескольких точках измерений, либо по нескольким осям одновременно.

Кроме того, по весу и размерам виброметры классифицируются на портативные (размером не более смартфона), переносные и стационарные. Стационарные варианты предназначены для мониторинга особо ответственного оборудования, они закрепляются на нём и работают в непрерывном режиме. Остальные виды техники используют аккумуляторное или батарейное питание.

В дальнейшем рассматриваются наиболее распространённые виды указанных измерительных приборов, которые отвечают требованиям стандарта ISO 10818-1-97.

Пьезоэлектрические виброметры

Принцип действия таких приборов заключается в том, что на определённых участках измеряемого узла закрепляются датчики с пьезокристаллами, которые передают имеющиеся вибрации механическим путём. Для этого предусматриваются высокочувствительные проволочки, а сами колебания передаются при помощи кристалла, сжимающегося и разжимающегося от воспринимаемых переменных давлений на него. Первичное возбуждение кристалла производится переменным магнитным полем.

Для повышения точности замеров в пьезоэлектрических виброметрах предусмотрены:

• Параллельно подключённая к кристаллу инертная масса, которая производит статическую балансировку прибора и сглаживает все посторонние вибрации (можно сказать, что этот элемент является своего рода электронным маховиком);
• Электронный блок, предназначенный для получения обработки сигнала от пьезоэлемента.

Популярные отечественные виброметры типа ВК5М и ВВМ-311 используют именно пьезоэлектрический способ определения вибрации. При этом ВК-5М – более портативен, и с помощью магнитного держателя может быть установлен непосредственно на измеряемом объекте. Функция записи сигнала на какой-нибудь подключаемый внешний носитель у этих приборов отсутствует.

Пьезоэлектрические виброметры дёшевы, надёжны, характеризуются хорошей воспринимаемостью первичного вибросигнала, способны функционировать в любых внешних условиях. Их недостаток – необходимость в непосредственной установке на измеряемый объект, что не всегда возможно.

Магнитострикционные и электромагнитные виброметры

Принцип действия такой техники схож: и в том, и в другом случае колебания воспринимаются магнитом, и при помощи ферромагнитного проводника передаются далее на регистрирующий блок. Различие заключается лишь в том, что в первом случае электромагнит постоянно включён в электрическую цепь прибора, а во втором – только при замере параметров вибраций.

В качестве первичного датчика используется такой элемент колебательного контура как катушка индуктивности. Её встраивают в контактный держатель, который подносится с небольшим зазором к измеряемому объекту. Имеющиеся вибрации наводят в катушке вихревые токи Фуко, которые, в свою очередь, генерируют переменное электромагнитное поле. Изменяющаяся индуктивность катушки пропорциональна интенсивности вибраций. Держатель снабжается диэлектрическим корпусом, что исключает влияние прочих факторов на индуктивность. Далее, в зависимости от типа прибора, происходит либо передача амплитуды и частоты электромагнитного поля к блоку обработки информации, либо преобразование колебаний контура в сигналы оценки количественного уровня вибрации.

Виброметры, оценивающие вибрацию магнитострикционным методом, работают медленнее, поскольку колебания переменного электромагнитного поля обрабатываются более тщательно. В то же время, для оперативного определения уровня вибраций с резко изменяющимися амплитудой и частотой, удобнее электромагнитные виброметры.

Типичными представителями этого класса измерительной техники являются приборы Янтарь М и СМ 21.

Сравнительный анализ эффективности виброметров различного типа

Выбор виброметра производят, принимая во внимание удобства его использования, точность определения амплитуды и частоты виброперемещений, скорости получения данных по виброскорости и виброускорению, а также практических границах использования, зависимости от условий, в которых проводятся измерения и возможностью фиксирования конечного результата.

По последнему из перечисленных параметров несомненные преимущества имеют лазерные виброметры от Vela (Испания), OMS (США) или отечественный «Кварц». Недостаток такой техники – высокая цена, а также необходимость квалифицированного обслуживания и тарировки. Однако записью на USB-носитель обладают акустический виброметр Fluke-806 (Германия) и отечественный прибор СМ-21.

Сопоставительная таблица возможностей современных измерителей уровня вибрации приведена ниже: