选择最合适的预测性维护传感器GydF4y2Ba

文章：克里斯墨菲GydF4y2Ba

条件的监测GydF4y2Ba(CbM)涉及使用传感器测量当前健康状态的机器或资产的监视。预测性维护(PdM)涉及CbM、机器学习和分析等技术的组合，以预测即将到来的机器或资产故障。在监视一台机器的健康状况时，选择最合适的传感器以确保能够检测、诊断甚至预测故障至关重要。目前有许多传感器用于检测旋转机械及其负载中的故障，其最终目标是避免非计划停机。对每个传感器进行排名是困难的，因为PdM技术应用于许多旋转机械(电机、齿轮、泵和涡轮机)和非旋转机械(阀门、断路器和电缆)。GydF4y2Ba

许多工业电机旨在在连续生产应用中工作，如化学和食品加工厂和发电设施，但有些电动机没有达到预计的寿命。这可能是由于电机的运行不足，维护计划不足，PDM系统中缺乏投资，或者根本不具有PDM系统。PDM使维护团队能够安排维修，并避免计划过时的停机时间。通过PDM的机器故障的早期预测还可以帮助维护工程师识别和修复效率低下的电机，从而提高性能，生产力，资产可用性和一生。GydF4y2Ba

最好的PDM策略是有效地利用尽可能多的技术和传感器，以便提前检测故障并高度置信度，因此，没有一种传感器适合 - 所有解决方案。本文旨在澄清为什么预测维护传感器对早期检测PDM应用中的故障以及它们的优点和缺点。GydF4y2Ba

系统故障时间轴GydF4y2Ba

图1显示了从安装新电机到电机故障的事件的模拟时间轴以及推荐的预测维护传感器类型。安装新电机时，它是保修。经过几年后，保修将过期，此时，将实施更频繁的手动检验团。GydF4y2Ba

图1：机器健康与时间。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

如果在这些预定的维护检查之间出现故障，则存在意外停机的可能性。在这种情况下具有最重要的重要性是具有正确的预测性维护传感器，可以尽早检测潜在的故障，因此本文将专注于振动和声学传感器。振动分析通常被认为是PDM的最佳起点。GydF4y2Ba

预测性维护传感器GydF4y2Ba

一些传感器可以检测某些故障，例如轴承损坏，比其他更早更早，如图1所示。在本节中，讨论了最常用于最早可能的瞬间的传感器，即加速度计和麦克风。表1显示了传感器规范和它们可以检测的一些故障列表。大多数PDM系统只能采用这些传感器中的一些，因此确保潜在的关键故障很好地与最适合检测到它们的传感器相同。GydF4y2Ba

表1.用于CBM的流行传感器（资料来源：ADIM设备）GydF4y2Ba

传感器和系统故障考虑GydF4y2Ba

工业和商业应用中超过90％的旋转机械使用滚动元件轴承。电动机的发生故障的组件的分布显示在图2中，其中可以清楚地看到，选择的PdM传感器时，重要的是把重点放在轴承监控。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宽度能力。GydF4y2Ba

图2.失败电机组件的出现百分比。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

表2显示了与旋转机器相关的一些最常见的故障以及用于PDM应用的一些相应的振动传感器要求。为了尽早检测故障，PDM系统通常需要高性能传感器。资产上使用的预测性维护传感器的性能水平与在整个过程中不断运行的资产的重要性相关，而不是以资产本身的成本。GydF4y2Ba

表2.机器故障和振动传感器注意事项简要概述（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

电动机的振动或运动（峰值，峰值，峰值和RMS）中的能量允许我们确定机器是否具有不平衡或未对准。一些故障，如轴承或齿轮缺陷，并不明显，特别是早期，不能通过单独增加振动的增加或预测。这些故障通常需要具有低噪声的高性能预测性维护振动传感器（<100μGydF4y2BaGGydF4y2Ba/√Hz）和宽带宽（> 5 kHz）配对高性能信号链，加工，收发器和后处理。GydF4y2Ba

用于PDM的振动，声波和超声波传感器GydF4y2Ba

微机电系统（MEMS）麦克风在PCB上包含MEMS元件，通常包含在具有底部或顶部端口的金属壳中以允许内部的声压波。MEMS麦克风提供低成本，体积小，有效的传感机器故障，如轴承条件，齿轮啮合，泵空化，未对准和不平衡。这使MEMS麦克风成为电池供电应用的理想选择。它们可以与噪声源的大致距离位于，并且是非侵入性的。当多种资产运行时，由于来自其他机器或环境因素（如污垢或湿度）的可听噪声的量，麦克风的性能可能会受到影响，从而在麦克风中访问端口孔。GydF4y2Ba

大多数MEMS麦克风数据表仍然列出了相对良性的应用，例如移动终端，笔记本电脑，游戏设备和摄像机等。一些MEMS麦克风数据表列出振动感应或PDM作为潜在应用，但他们还提到了对机械冲击敏感的传感器和处理不当会对部件造成永久性损坏。其他MEMS麦克风数据表陈述了机械冲击生存能力高达10,000GydF4y2BaGGydF4y2Ba。在存在潜在的冲击事件的情况下，这些传感器是否适合在非常严苛的操作环境中操作，仍然缺乏清晰度。GydF4y2Ba

MEMS超声麦克风分析能够在增加可听噪声的情况下监控复杂资产的运动健康，因为它听起来在非吸尘频谱（20kHz至100 kHz）中的声音噪音得多。低频声音信号的波长通常为约1.7厘米至17米。高频信号的波长范围为约0.3厘米至1.6厘米。当波长的频率增加时，能量增加，使超声更高。当试图确定轴承或外壳中的故障时，这非常有用。GydF4y2Ba

加速度计是最常用的振动传感器和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，电机和齿轮箱。表3和表4示出了在选择高性能MEMS振动和声学传感器方面考虑的一些关键规范与金标准压电振动传感器。每列中的数据代表该类别内的最小/最大变化，并且与相邻列没有相关。GydF4y2Ba

煤层气行业将在未来5年实现显著增长，其中无线设备将占很大一部分。由于尺寸、缺乏集成功能和功耗等因素，压电加速度计不太适合无线CbM系统，但确实存在典型功耗在0.2 mA至0.5 mA范围的解决方案。MEMS加速度计和麦克风非常适合电池供电的PdM系统，因为它们体积小，功耗低，高性能。GydF4y2Ba

所有传感器都具有合适的带宽和低噪声，但MEMS加速度计是唯一的传感器，比可以向DC提供响应，可用于在非常低的转速下检测不平衡和倾斜感测。MEMS加速度计还具有自检特征，其中传感器可以验证为100％功能。这可能在安全关键安装中证明可以通过能够验证传感器仍然有用更容易实现会议系统标准。GydF4y2Ba

MEMS加速度计可以完全密封在陶瓷封装中，压电加速度计可以密封在机械封装中，用于恶劣、肮脏的环境。表4重点介绍了传感器的物理、机械和环境性能。这就是每个传感器之间的关键区别，比如集成、对恶劣环境的容忍度、机械性能以及与旋转机器或支架的连接。GydF4y2Ba

表3.预测性维护传感器性能规格（源头：模拟设备）GydF4y2Ba

表4。预测性维护传感器机械规格(来源:模拟设备)GydF4y2Ba

检测三轴中的振动数据提供更多的诊断洞察力，可以导致更好的故障检测。虽然在每个PDM安装中都不是必需的，但它是压电和MEMS加速度计的独特优势，在数据质量，布线和空间节省方面。GydF4y2Ba

当暴露于延长时期时，MEMS麦克风在暴露于增加的湿度时显示出高达-8 dB的变形。虽然这不是一个明显的弱点，但如果您的PDM应用存在于具有高湿度的恶劣环境中，则值得考虑。在这种情况下，驻极体冷凝器麦克风（ECM）已经显示出与MEMS麦克风的优势。可以影响麦克风的其他环境条件是风，大气压，电磁场和机械冲击。GydF4y2Ba

在良好的环境中，MEMS麦克风在PdM应用中提供了优异的性能。目前，关于在振动过大、污垢或湿度过大的恶劣工作环境中安装MEMS麦克风的信息是缺乏的。振动会影响MEMS传声器的性能，这是一个需要考虑的领域;然而，它们的振动灵敏度确实低于ECMs。如果无线PdM解决方案使用MEMS麦克风，安装盒将需要一个孔或端口，以允许声信号到达传感器，进一步增加了设计复杂性，并可能使其他电子产品容易受到污垢或湿度的影响。GydF4y2Ba

电容性MEMS加速度计技术的最新进展允许在较低优先级资产上实现小，低成本，低功耗，无线CBM解决方案，允许进一步诊断洞察设施管理和维护关键系统正常运行时间。这些进步还将MEMS加速度计更靠近压电性能，以便在更传统的有线CBM系统中使用。具有如此低的噪声和宽带宽，与行业标准连接（ICP和IEPE）相结合，压电加速度计是几十年来振动测量中使用的金标准传感器。MEMS加速度计已适用于与IEPE标准模块接口，如图3所示。转换电路基于aGydF4y2Ba来自Lab®的电路GydF4y2Ba参考设计。该电路设计在特殊的PCB上，该特殊PCB的特征在于在宽带宽方面进行，并且准备好在稍后阶段设计成机械模块。GydF4y2Ba

图3. MEMS加速度计，IEPE参考，PCB设计允许IEPE机械模块中的ADXL100x系列CBM加速度计的改装。注意：模拟设备不会产生IEPE机械模块。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

专用PDM模块，如GydF4y2BaADCMXL3021.GydF4y2Ba从模拟设备，提供传感器设计的集成方法。例如，该设备包含三个单轴MEMS加速度计，三个ADC，处理器，存储器和算法，所有在机械模块中都有超过50kHz的谐振。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配对，以实现最佳性能。该模块可以执行FFT，触发各种时域或频域警报，并为算法或机器学习工具生成至关重要的时域分类学，以预测失败。GydF4y2Ba

在为PDM解决方案选择最合适的振动传感器时，真正的挑战在于配对传感器，以满足您资产的最可能潜在的故障模式。尚未证明MEMS麦克风足以可靠地检测在最恶劣的环境中的所有基于振动的故障模式，而振动传感的行业标准加速度计已成功实现并可靠地执行数十年。MEMS超声麦克风在检测比加速度计早期检测轴承故障方面具有明显的性能，并且这种潜在的共生关系可以为您的资产的振动分析需求提供最佳的PDM解决方案。GydF4y2Ba

虽然很难推荐用于PDM系统的单个振动传感器，但加速度计具有成功的历史，并继续发展和改进。模拟设备等制造商提供一系列MEMS加速度计，从通用，低功耗，低噪音，高稳定性和高GydF4y2BaGGydF4y2Ba以及智能边缘节点模块，以满足应用程序的不同要求。GydF4y2Ba

- Chris Murphy是一名应用工程师，欧洲集中应用中心在Adalog设备。GydF4y2Ba