18
Oct
ปริญญา พ่วงไพโรจน์
บทนำ
สิ่งที่สำคัญอย่างหนึ่ง ตั้งแต่แรกเริ่ม ในการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนคือ ข้อมูลที่ได้จากการเก็บสัญญาณการสั่นสะเทือน ดังนั้นข้อมูลที่ได้ จะมีค่าถูกต้องมากน้อยแค่ไหน ปัจจัยที่มีผลโดยตรงอีกปัจจัยหนึ่ง คือ หัววัดการสั่นสะเทือน (Transducer) หากข้อมูลที่เก็บมาได้นั่นมีค่าที่ผิดพลาด ต่อให้ผู้ที่ทำการวิเคราะห์ มีความ สามารถ ในวิเคราะห์มากขนาดไหนก็ตาม ก็จะทำให้การวิเคราะห์ถึงปัญหาที่เกิดขึ้นจริง ไม่สามารถทำได้ ดังนั้น จึงมีความจำเป็นที่จะต้องเลือกใช้ให้ถูกต้อง และต้องทราบถึงคุณลักษณะเฉพาะของหัววัดแต่ละแบบว่ามีคุณสมบัติอย่างไรบ้าง เพื่อใช้เป็นข้อมูลในการเลือกหัววัด ให้ถูกต้องเหมาะสมกับชนิดของการสั่นสะเทือนที่จะทำการตรวจวัด เพื่อให้ได้ค่าสัญญาณการสั่นสะเทือนที่ถูกต้อง ในการนำไปวิเคราะห์ต่อไป
หน้าที่ของหัววัดการสั่นสะเทือน
หัววัดการสั่นสะเทือน (Transducer) ทำหน้าที่ในการเปลี่ยนสัญญาณทางกล (สัญญาณการสั่นสะเทือน) เช่น การกระจัด ความเร็ว ความเร่ง ให้กลายเป็นปริมาณทางไฟฟ้าที่สามารถตรวจจับได้ เช่น กระแสไฟฟ้า หรือ แรงเคลื่อนไฟฟ้า ปริมาณทางไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกนำไปเก็บในอุปกรณ์เก็บข้อมูล (Vibration Analyzer) แล้วส่งข้อมูลที่ได้เหล่านั้นสู่เครื่องคอมพิวเตอร์ เพื่อใช้โปรแกรมช่วยในการวิเคราะห์ข้อมูลการสั่นสะเทือนต่อไป
ประเภทของหัววัดสัญญาณการสั่นสะเทือน
โดยทั่วไปแล้วการวัดสัญญาณการสั่นสะเทือนจะทำการวัดออกมาในปริมาณของ การกระจัด (Displacement) ความเร็ว (Velocity) และความเร่ง (Acceleration) ซึ่งในงานการวัดการสั่นสะเทือน จะแบ่ง Transducer ออกเป็นสามประเภทด้วยกัน คือ
*หัววัดการกระจัด (Displacement Probe) หรือ หัววัดแบบ พร็อกซิมิตี้ (Proximity Probe)
*หัววัดความเร็ว (Velocity Probe)
*หัววัดความเร่ง (Accelerometers)
หัววัดการกระจัด (Displacement Probe)
บางครั้งเรียกว่า Eddy Probe สำหรับหัววัดแบบนี้จะเป็นหัววัด ที่ไม่ต้องสัมผัส (non-contact) กับชิ้นส่วนที่ต้องการวัดการเคลื่อนตัว หัววัดแบบนี้ใช้กับการวัดการเคลื่อนที่ของเพลาหมุน หรือเพลาหยุดนิ่ง ดังในรูปที่ 1
รูปที่ 1 แสดงการติดตั้งของหัววัดการกระจัด (Displacement Probe) หรือ Eddy Probes
สำหรับระบบของการวัด โดยใช้ Proximity Probe นั้น จะมีส่วนประกอบหลักๆ คือ เพลาหมุนที่ต้องการวัดการเคลื่อนที่ หัว Proximity Probe สายสัญญาณจากหัววัดมาที่ตัวขับ (Driver หรือ Oscillator-Demodulator) ต่อจากนั้นจะส่งสัญญาณเข้าสู่อุปกรณ์การเก็บสัญญาณ อุปกรณ์การแสดงค่าแบบ On-line หรือจะเป็น Vibration Analyzer ก็ได้ สำหรับหลักการทำงานจะอาศัยการเหนี่ยวนำทางสนามแม่เหล็กระหว่างหัววัด กับชิ้นส่วนที่ต้องการวัด ดังแสดง ในรูปที่ 2 กล่าวคือ สัญญาณความถี่สูงจาก Driver สร้างสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นที่ Transducer โดยความเข้มของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะสัมพันธ์กับแรงดัน โดย Output จะถูกส่งออกมาในรูปของ DC Voltage ซึ่งแทนความแรงของสนามแม่เหล็ก เมื่อสนามแม่เหล็กส่งผ่านไปยังผิวของวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้า จะเกิดกระแสไหลวนขึ้นมาบนพื้นผิวตัวนำ แล้วทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็กเดิมซึ่งจะมีผลทำให้สนามแม่เหล็กเดิม ถูกหักล้างซึ่งทำให้สนามแม่เหล็กรวมมีค่าลดลง มีผลทำให้ค่า DC Voltage Output มีค่าลดลง ยิ่งผิวของเพลาอยู่ใกล้กับ Probe มากขึ้นเท่าใด กระแสไหลวนจะเกิดมากขึ้น มีผลทำให้ DC Voltage Output น้อยลงตามไปด้วย
สำหรับหัววัดแบบ Proximity Probe นั้น สามารถจะใช้ได้กับโลหะที่นำไฟฟ้าตั้งแต่ Aluminum ถึง Steel สำหรับระบบหัววัดแบบ Proximity Probe โดยทั่วไปแล้วจะมีช่วงความสัมพันธ์ของการเปลี่ยนแปลงของ DC Voltage Output กับระยะห่างของหัววัดกับเพลาหมุนแบบเป็นเชิงเส้นที่ระยะ 0.25-2.5 mm และสามารถใช้จับสัญญาณตั้งแต่ความถี่ต่ำไปถึงความถี่ ที่มากเกินกว่า 10 kHz ได้
รูปที่ 2 แสดงการทำงานของ Proximity Probe
ข้อดีของการใช้หัววัดแบบ Proximity Probe
1.วัดระยะระหว่างหัววัดกับเพลาที่หยุดนิ่งได้
2.วัดระยะระหว่างหัววัดกับเพลาที่หมุนอยู่ได้
3.ง่ายต่อการวัดสอบเทียบ (Calibration)
4.ตอบสนองต่อสัญญาณในช่วงความถี่ใช้งานได้ดีเยี่ยม
5.เหมาะกับการนำมาติดตั้งในบริเวณ ที่มีสภาพแวดล้อมไม่ดีได้
6.โครงสร้างไม่เสียหายง่าย
7.หัววัดไม่ต้องติดกับเพลาที่ต้องการวัด
ข้อเสียของการใช้หัววัดแบบ Proximity Probe
1.มีความไวต่อพื้นผิวที่ขรุขระ หรือมีสภาพที่เป็นแม่เหล็ก
2.มีความไวต่อคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ทำเพลา วัสดุต่างชนิดกันมีความไวแตกต่างกัน การเกิด Eddy Current แตกต่างกัน ดังนั้นต้องมีการสอบวัดเทียบเมื่อเปลี่ยนเพลาที่จะวัด
3.ผิวของเพลาที่ต้องการวัด จะต้องนำไฟฟ้า
4.ต้องติดตั้งถาวร รวมทั้งติดตั้งยาก ต้องทำตัวจับยึด
5.ตอบสนองต่อสัญญาณที่ความถี่ RPM สูง ได้ต่ำ
6.ต้องการแหล่งจ่ายพลังงานจากภายนอก
7.มีความไวต่อการรบกวนจากหัวProximity probes ที่อยู่ใกล้กัน ดังนั้นไม่ควรติดใกล้กันจนเกินไป
8. มีความไวต่อการสั่นพ้องที่เกิดจากตัวของ mounting ที่ยึดติดกับ Probe
หัววัดความเร็ว (Velocity Probe)
รูปที่ 3 แสดงหัววัดแบบความเร็ว (Velocity Probe)
หัววัดแบบความเร็ว(Velocity Probe) จะประกอบด้วย มวลที่เป็นแม่เหล็กถาวร ซึ่งจะถูกแขวนไว้กับสปริงและถูกล้อมรอบด้วยขดลวดไฟฟ้า ดังแสดงในรูปที่ 3เมื่อหัววัดถูกทำให้สั่นสะเทือน จะทำให้มวลที่เป็นแม่เหล็กถาวร เคลื่อนที่สั่นขึ้นลง ซึ่งจะไปตัดผ่านขดลวด (Coil of Wire) ทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง สนามแม่เหล็กจึงเกิดการเปลี่ยนแปลง ก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวด ซึ่งปริมาณของกระแสที่ถูกเหนี่ยวนำขึ้นมาจะมีค่าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร็วของมวลที่เคลื่อนที่ตัดผ่านเส้นฟลักซ์แม่เหล็ก จะเห็นได้ว่า หัววัดแบบความเร็วแบบนี้ สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ด้วยตัวของหัววัดเอง ไดยไม่ต้องการแหล่งจ่ายจากภายนอก จึงสามารถป้อนสัญญาณทางไฟฟ้า เพื่อเอาไว้ตรวจติดตามและเก็บข้อมูลได้ โดยไม่ต้องใช้สัญญาณภายนอกเพิ่มเติม โดยทั่วไปช่วงการใช้งานของหัววัดแบบความเร็วนี้จะอยู่ระหว่างความถี่ 10 Hz ถึง 1500 Hz
ข้อดีของการใช้หัววัดแบบความเร็ว(Velocity Probe)
1.ไม่ต้องการแหล่งจ่ายพลังงานจากภายนอก
2.แข็งแรง
3.การใช้งาน ติดตั้งง่าย
4.มีขนาดเล็ก สามารถเคลื่อนย้ายได้ ทำให้สะดวกต่อการตรวจวัด
ข้อเสียของการใช้หัววัดแบบความเร็ว(Velocity Probe)
1.มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ทำให้เกิดความล้า มีโอกาสสึกหรอสูง เสียหายง่าย (หัววัดความเร็วแบบ Moving coil)
2.มีช่วงความถี่ใช้งานที่จำกัด
3.ต้องพิจารณาแนวการติดตั้ง เนื่องจากมีผลต่อมวลที่เคลื่อนไหวผ่านขดลวดในหัววัด
4.ไวต่อสนามแม่เหล็กภายนอก เพราะว่าหัววัด (Transducer) แบบนี้ใช้สนามแม่เหล็กภายใน ในการทำงาน ดังนั้นในการทำงานอาจถูกรบกวนได้ ถ้านำมาวัดใกล้กับมอเตอร์กระแสสลับขนาดใหญ่
หัววัดความเร่ง (Accelerometers)
หัววัดความเร่ง (Accelerometers) เป็นหัววัดที่มีประจุไฟฟ้าออกมาจากหัววัดเอง เมื่อมีแรงการสั่นสะเทือนมากระทำกับหัววัด ซึ่งปริมาณของประจุที่ออกมาจะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับแรงที่มากระทำ ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีแล้วว่า แรงจะแปรผันโดยตรงกับความเร่ง ดังนั้น ถ้ามีแรงการสั่นสะเทือนมาก มากระทำต่อหัววัด ประจุไฟฟ้าก็จะคลายออกมามาก ซึ่งทำให้รู้ว่ามีความเร่งมากด้วยเช่นกัน ซึ่งทำให้เราสามารถวัดขนาดของสัญญาณการสั่นสะเทือนในหน่วยของความเร่งได้ หน่วยที่ใช้ในการวัดขนาดของความเร่งนั้น จะอยู่ในหน่วยของ G ซึ่ง 1 G = 9.81 m/s2 สำหรับส่วนประกอบของหัววัดแบบความเร่งนั้น ดังแสดงในรูปที่ 4 จะประกอบไปด้วย ฐานรองรับ (Base)หรือ เฟรม(Frame), แผ่น Piezoelectric disk, มวลกด (Seismic Mass), อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขยายสัญญาณ (ICP Amplifier), ตัวจับยึด(Mounting Stud) ซึ่งจะใช้จับยึดกับจุดของชิ้นงานที่ต้องการจะวัด
รูปที่ 4 แสดงหัววัดแบบความเร่ง (Accelerometers)
เมื่อนำหัววัดไปจับยึดกับตำแหน่งที่ต้องการจะวัดของเครื่องจักรที่มีการสั่นสะเทือน แรงจากการสั่นสะเทือน จะกระทำผ่านมาที่ฐานของหัววัดแล้วส่งผ่านมาที่แผ่น Piezoelectric ซึ่งเป็นแผ่นที่อยู่ระหว่างมวลกดกับฐานรองรับ ทำให้เกิดแรงกดอัดจากมวลในแนวตั้งฉากกับแผ่น piezoelectric เนื่องจากแผ่น piezoelectric มีคุณลักษณะแบบเดียวกับผลึกควอตซ์ (Quartz) เฟอร์โรอิเล็กทริกเซรามิก (Ferroelectric ceramics) จะเกิดประจุไฟฟ้าออกมาเมื่อมีแรงมากระทำ ซึ่งจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับแรงการสั่นสะเทือนที่มากระทำ ประจุไฟฟ้าที่ออกมามีค่าน้อยมากโดยขนาดประจุไฟฟ้าที่ออกมาจากแผ่น piezoelectric วัดได้เป็นฟิโคคูลอมบ์ (Pico-coulombs) ต่อ G ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณไฟฟ้าให้สูงขึ้นเป็นมิลลิโวลต์ต่อ G เช่น 100 mV/G เป็นต้น ซึ่งอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ขยายสัญญาณก็คือ Integrated Circuit Piezoelectric(ICP) Amplifier นั่นเอง
ข้อดีของการใช้หัววัดแบบความเร่ง (Accelerometers)
1.มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา
2.มีช่วงความถี่ใช้งานที่กว้าง
3.มีโครงสร้างทางวงจรอิเล็กทรอนิกส์ Solid-state ที่แข็งแรง ทนทาน
4.ใช้วัดสัญญาณการสั่นสะเทือนได้ ในช่วงความถี่สูง
5.ใช้งานได้ง่าย ติดตั้งง่าย ติดตั้งในที่แคบได้ เหมาะกับงานการตรวจวัด ที่เคลื่อนย้ายหัววัดบ่อยๆ
ข้อเสียของการใช้หัววัดแบบความเร่ง (Accelerometers)
1. มีช่วงอุณหภูมิที่ถูกจำกัด (ดูคู่มือการใช้งานหัววัดควบคู่ไปด้วย) การใช้งานในที่อุณหภูมิสูงมีผลให้ฐานรองมีการขยายตัว ทำให้ไปบีบอัดกับแผ่น piezoelectric ทำให้ค่าการวัดผิดพลาดได้
2.การตอบสนองต่อความถี่เปลี่ยนแปลงไปกับวิธีการใช้งานร่วมกับ mounting
3.ต้องการแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าจากภายนอก
4.ไม่สามารถวัดการสั่นสะเทือนหรือตำแหน่งของเพลาได้
5.การอินทิเกรตสองครั้งเพื่อดูปริมาณของการกระจัด มักได้สัญญาณรบกวน (Noise) ช่วงความถี่ต่ำ
จากรูปที่ 5 แสดงให้เห็นว่า แม้เป็นหัววัดประเภทเดียวกันก็ตาม แต่หากติดตั้งกับตัวจับยึด (mounting) คนละประเภทกัน ช่วงสัญญาณการสั่นสะเทือนที่สามารถเก็บได้ก็จะไม่เท่ากันด้วย
รูปที่ 5 แสดงการตอบสนองต่อความถี่สูงสุดของ Mounting แต่ละแบบ
ในรูปที่ 6 แสดงถึงการเลือกใช้ mounting แต่ละแบบที่มีผลต่อความถี่ธรรมชาติ ซึ่งต้องระวังในการเลือกใช้ด้วยว่าสัญญาณการสั่นสะเทือนที่ต้องการวัดมีค่าสูงไปตรงกับความถี่ธรรมชาติหรือไม่
รูปที่ 6 แสดงการตอบสนองต่อความถี่ธรรมชาติของ Mounting แต่ละแบบ
ข้อควรพิจารณาในการเลือกหัววัดการสั่นสะเทือน
1.ประเภทของหัววัด
2.ความถี่ที่ใช้งาน (ความถี่การสั่นสะเทือนของเครื่องจักร)
3.อุณหภูมิที่ใช้งาน
4.ข้อจำกัดในการติดตั้ง
5.ประเภทและสภาพการทำงานของเครื่องจักร อุปกรณ์ รวมทั้งโครงสร้างที่เกี่ยวข้อง
6.ชนิดของอุปกรณ์ประมวลผล และอุปกรณ์ที่ใช้เก็บข้อมูล รวมทั้งลักษณะของการรับสัญญาณการสั่นสะเทือน
7.ตำแหน่งการตรวจวัดการสั่นสะเทือน
|
Types of Transducers
|
Useful Frequency Range
|
Application
|
|
Displacement Transducer
|
0 Hz - 1.5 kHz
|
Heavy Machine and Structural motion
|
|
Velocity Transducer
|
8 Hz – 1.5 kHz
|
General machine condition, Medium-frequency Vibrations
|
|
Acceleration Transducer
|
1 Hz - 20 kHz
|
General machine condition, Medium/high-frequency Vibrations
|
ตารางที่ 1 แสดงช่วงสัญญาณความถี่ของแต่ละประเภทของทรานดิวเซอร์ที่ใช้งานกับเครื่องจักรแต่ละชนิด
รูปที่ 7 แสดงการเลือกใช้หัว Probe กับ bearing แต่ละชนิด
รูปที่ 8 แสดงการเปรียบเทียบของขนาดของสัญญาณกับความถี่
จากรูปที่ 8 จะเห็นว่าสัญญาณในช่วงความถี่ต่ำ การวัดสัญญาณการสั่นสะเทือนในหน่วย การกระจัด Displacement จะให้อัตราการขยายทางสัญญาณมากกว่าในช่วงความถี่สูง จึงเหมาะกับการตรวจจับสัญญาณการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำ เช่น ความถี่จากการสั่นของปัญหาการไม่สมดุล (Unbalance) เป็นต้น แต่ในช่วงความถี่สูงนั่น ในหน่วยของความเร่ง (Acceleration) จะให้อัตราการขยายทางสัญญาณได้สูง ดังนั้น ในการวัดสัญญาณการสั่นสะเทือนจากแหล่งกำเนิดความถี่สูง เช่น ความถี่ที่เกิดจากรางในหรือรางนอกของแบริ่ง ความถี่ของการขบกันของฟันเกียร์ เป็นต้น จึงควรวัดออกมาเป็นหน่วยของความเร่ง ดังนั้น ควรเลือกหัววัดเป็นแบบ Acceleration จะทำให้ได้ค่าออกมาเห็นชัดมากกว่าและสามารถเก็บสัญญาณได้ถูกต้องกว่าหากจะเลือกเป็นแบบ Velocity หรือ Displacement
สรุป
การรู้จักลักษณะหลักการทำงานของหัววัด(Transducer) แต่ละประเภท รวมทั้งข้อดี ข้อเสีย ของหัววัด จะช่วยให้ทำการตัดสินใจเลือกหัววัดที่มีความเหมาะกับงาน รวมทั้งข้อมูลที่เก็บได้มีความถูกต้อง ซึ่งจะนำมาซึ่งการวินิจฉัยปัญหาที่ถูกต้อง มีโอกาสที่จะวิเคราะห์ปัญหาผิดพลาดน้อยลง
เอกสารอ้างอิง
3. R. Keith Mobley, An introduction to predictive maintenance, 2nd ed., 1943.
4. ก่อเกียรติ บุญชูกุศล, สมศักดิ์ ไชยะถินันท์, ชัยโรจน์ คุณพนิชกิจ, การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน การเฝ้าตรวจและการจัดการการบำรุงรักษา, พิมพ์ครั้งที่ 1, สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น), 2540.
5. วินัย เวชวิทยาขลัง, วารสารเทคนิค, เล่มที่ 275, หน้าที่ 142-150, ฉบับประจำเดือน สิงหาคม 2550.
เกี่ยวกับผู้เขียน
คุณปริญญา พ่วงไพโรจน์
อดีตวิศวกร แผนก Plant Maintenance Technology สถาบันไทย-เยอรมัน
วิศวกรบริษัท PTT Maintenance and Engineering Co.,Ltd ในกลุ่ม ปตท.
BACK
0 Comments