Cảm biến đo độ rung là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Cảm biến đo độ rung là gì?

Cảm biến đo độ rung là thiết bị điện tử sử dụng công nghệ áp điện (piezoelectric) hoặc áp trở (piezoresistive), thiết bị này cho phép bạn phát hiện, đo lường mức độ và tần số rung động trong một hệ thống, máy móc hoặc một thiết bị cụ thể. Với giá trị độ rung đo được bạn có thể phát hiện sớm bất kỳ sự cố tiềm ẩn như hỏng hóc thiết bị hoặc biết được các bộ phận bị ăn mòn cần thay thế, qua đó có thể sớm ngăn chặn các vấn đê trước khi nó xảy ra 

Trong nhiều năm qua, các phiên bản khác nhau của cảm biến độ rung đã được cho ra đời để có thể hoạt động ổn định trong nhiều các môi trường làm việc khắc nghiệt trong các ngành công nghiệp. Các cảm biến độ rung hiện đại với cấu trúc bằng thép không gỉ bền bỉ, có thể vận hành tốt ở cả nhiệt độ cao và thấp, thường từ -55 đến +140 độ C. Phần vỏ thép không gỉ được hàn kín để tạo ra khả năng kháng nước và bụi bẩn đạt chuẩn IP68, cho phép nó có thể hoạt động ở điều kiện ngâm hoàn toàn trong chất lỏng cho các ứng dụng dưới nước. 

Ngoài ra, các mẫu sensor đo độ rung khác cũng được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt như chống bức xạ, hoặc các mẫu an toàn nội tại được phê duyệt ATEX đầy đủ để hoạt động trong môi trường có khả năng cháy, nổ. 

Các đơn vị đo độ rung

Khi thực hiện một phép đo độ rung, bạn sẽ gặp nhiều đơn vị tính khác nhau. Mỗi đơn vị trong phép đo độ rung sẽ đặc trưng cho một phương pháp thử nghiệm chuyên biệt. Dưới đây là 4 đơn vị đo phổ biến và giải thích cơ bản khi nào thì cần sử dụng đơn vị này

- Vận tốc rung (Vibration velocity): đặc trưng cho độ nhanh chậm của chuyển động (đơn vị: mm/s, cm/s)     
- Gia tốc rung (Vibration acceleration): đặc trưng cho phương, chiều, giá trị của vận tốc chất điểm chuyển động (đơn vị: mm/s², G)     
- Tần số rung (Vibration frequency): số lần rung động trên một đơn vị thời gian (đơn vị: Hetz)     
- Biên độ rung (Vibration amplitube): độ lệch lớn nhất so với vị trí cân bằng (mm)    

Nguyên lý cảm biến đo độ rung

Cấu tạo của cảm biến rung bao gồm một tinh thể vật liệu áp điện được gắn với một khối lượng (mass). Khi tinh thể bị ứng suất kéo hoặc nén, nó tạo ra một điện tích tỷ lệ với mức gia tốc mà nó đang chịu. Mạch điện bên trong cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu này thành đầu ra điện áp hoặc dòng điện (4-20mA) cho các bộ thu thập dữ liệu đọc và chuyển đổi thành tín hiệu số (digital) hiển thị cho người dùng biết thông qua màn hình thiết bị đo (hoặc bộ thu thập dữ liệu)

Ứng dụng của cảm biến đo rung trong công nghiệp

Dưới đây là danh sách các lĩnh vực công nghiệp phổ biến nhất sử dụng cảm biến đo độ rung để giám sát rung động:

• Hàng không vũ trụ
• Ô tô & Vận tải
• Bột giấy và Giấy
• Thực phẩm và Đồ uống
• Dầu khí, Lọc dầu, Hóa dầu
• Sản xuất Điện (nhiên liệu hóa thạch, hạt nhân, thủy điện, tuabin gió)
• Máy công cụ
• Gia công kim loại
• Khai thác, Chế biến khoáng sản và Xi măng

Các ứng dụng công nghiệp phổ biến nhất của cảm biến đo độ rung bao gồm thiết bị quay như bơm, động cơ, quạt, máy nén, hộp số, tuabin khí, vòng bi trên hệ thống băng tải, hộp số tuabin gió, máy phát điện tuabin gió, phần sấy (bột giấy & giấy), lò nung (chế biến khoáng sản), và máy cán nóng (gia công kim loại).

Ngày càng nhiều ngành công nghiệp nhận thức được tầm quan trọng của việc giám sát tình trạng rung động của nhà máy sản xuất hoặc chế biến của họ.

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đã chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ với lợi nhuận cao. Nhu cầu gia tăng đối với ô tô cũng đã khuyến khích các nhà sản xuất ô tô giám sát hiệu quả sức khỏe của máy móc nhà máy để duy trì dây chuyền sản xuất trong tình trạng hoạt động ổn định. 

Việc giám sát tình trạng dây chuyền sản xuất bằng cảm biến đo độ rung đã trở nên quan trọng để duy trì chất lượng sản phẩm và sự ổn định của quy trình sản xuất. Với sự hỗ trợ của thiết bị giám sát rung động và cảm biến đo độ rung, các nhà máy sản xuất ô tô có thể đảm bảo hoạt động đúng cách, suôn sẻ của các quy trình sản xuất khác nhau.

Ngành công nghiệp nước hiện cần sử dụng cảm biến rung để giám sát nhiều bơm xử lý nước từ những trạm bơm xa xôi đến những địa điểm xử lý nước và khử muối quy mô lớn, công nghệ cao

Ngành chế biến thực phẩm cần giám sát nhiều bộ phận máy móc quay trong hệ thống băng tải rung, quạt làm mát, bơm thực phẩm và máy trộn, vì hỏng hóc có thể gây ra tổn thất chi phí rất lớn, đi kèm đó là tình trạng “đóng băng” dây chuyền

Dịch vụ tòa nhà là một lĩnh vực lớn khác nơi hiệu suất của động cơ, bơm và quạt là quan trọng trong các tòa nhà công cộng như bệnh viện, sân bay, ga xe lửa, tòa nhà văn phòng, khách sạn, v.v.

Cảm biến đo độ rung đóng vai trò quan trọng trong ngành dầu khí bằng cách giám sát và đảm bảo rằng máy móc sản xuất hoạt động ổn định, hạn chế tình trạng ngừng hoạt động ở mức tối đa. Có thể giúp giảm chi phí vận hành và tăng năng suất lao động. Sensor đo độ rung giúp giảm tình trạng ngừng hoạt động không có kế hoạch và tối ưu hóa hiệu suất máy móc. Trong ngành dầu khí, cảm biến đo rung được ứng dụng để giám sát sát động cơ, các bơm quan trọng, quạt, hộp số và máy nén

Giảm thiểu sự xuống cấp của máy móc được sử dụng trong các nhà máy hóa chất và hiệu suất của chúng thường liên quan đến rung động, lệch trục và mất cân bằng trong các bộ phận chuyển động và các bộ phận được bôi trơn kém. 

Việc phát hiện sớm những vấn đề cơ bản này cho phép khắc phục hiệu quả các vấn đề trước khi chúng ảnh hưởng đến các quy trình khác nhau, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của các nhà máy hóa chất. Trong một nhà máy chế biến hóa chất nói chung, cảm biến đo độ rung với tần số tối thiểu 10–10.000 Hz được yêu cầu để giám sát hiệu quả tuabin, cánh quạt và bánh răng.

Ngoài ra, cảm biến cũng nên có khả năng chống chịu được hóa chất, ăn mòn tốt để có thể vận hành ổn định trong môi trường này

Ngành điện đang đối mặt với những thách thức do nhu cầu điện liên tục tăng và yêu cầu giảm tổn thất phân phối. Cảm biến đo độ rung giúp theo dõi sự mất cân bằng rotor, bất đối xứng khí động học, độ nhám bề mặt và hiệu suất tổng thể, cũng như thực hiện các phép đo ứng suất và biến dạng ngoại tuyến và trực tuyến trong ngành năng lượng và điện.

Điều này giúp các công ty sản xuất điện cung cấp nguồn điện liên tục nhờ việc phát hiện bất kỳ thay đổi không mong muốn nào, nâng cao hiệu suất làm việc, giảm thiểu hư hỏng cho máy móc sản xuất trong quá trình vận hành. Một lĩnh vực thời sự khác nơi cảm biến đo độ rung đang được sử dụng rất nhiều đó là ngành điện gió, nơi các rotor có kích thước lớn vận hành và cần được theo dõi chặt chẽ

Để hiểu hơn bạn có thể tham khảo bài viết: Giám sát vận hành của tuabin gió với cảm biến đo độ rung

Trên đây, Lidinco chỉ giới thiệu một số ngành nghề ứng dụng tiêu biểu của cảm biến đo rung. Trong thực thế, ở rất nhiều nhà máy ở mỗi nay bạn thấy một thiết bị đang vận hành có động cơ xoay, motor, vòng bi.. thì đó đều có thể là một thiết bị cần được giám sát độ rung

Có những loại cảm biến rung động nào

Công nghệ cảm biến đã phát triển với tốc độ nhanh chóng, cho ra đời nhiều dòng sản phẩm hiện đại hơn, tiện lợi hơn cho nhiều điều kiện vận hành khác nhau. Một số loại phổ biến có thể kể đến như

• Cảm biến không dây
• Cảm biến sợi quang
• Cảm biến hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là loại cảm biến phổ biến đang ngày càng phổ biến trên toàn thế giới

Ngoài ra, các loại sensor có khả năng chống lại điều kiện khí hậu khắc nghiệt như chống nước và bụi, chống ăn mòn - hóa chất cũng được triển khai rộng rãi trong các ứng dụng giám sát. Nhiều cảm biến được lắp đặt trong mạng cảm biến không dây để cung cấp kết quả chính xác nhanh chóng

Cảm biến đo độ rung và nhiệt độ Dynamox TcAs	Thiết bị đo độ rung Data logger – VSEW mk2-8g	Cảm biến đo độ rung STI CMCP422VT-100-R-M12

Cảm biến đo rung được lắp đặt như thế nào?

Hầu hết các loại động cơ như bơm, máy nén, quạt, băng tải, hộp số, tất cả đều hoạt động liên quan đến cơ chế quay và thường được sử dụng trong máy móc.

Hầu hết các động cơ quay thường có vòng bi hỗ trợ trọng lượng của các bộ phận quay và chịu các lực liên quan đến chuyển động quay và rung động. Nói chung, vòng bi sẽ là nơi chịu một lượng lớn lực khi máy móc hoạt động. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi vòng bi thường là nơi mà các hư hỏng đầu tiên xuất hiện. Từ lí do này, các phép đo rung động - chuẩn đoán thường được thực hiện tại vòng bi của máy móc, với gia tốc kế được lắp đặt tại hoặc gần vòng bi.

Để có thể chuẩn đoán tình trạng máy móc hiệu quả sẽ phụ thuộc rất nhiều vào việc lắp đặt cảm biến đo rung, việc lắp đặt cảm biến chính xác sẽ mang về kết quả đo tin cậy và bám sát tình hình thực tế của thiết bị

Dưới đây là một số lưu ý về việc lắp đặt cảm biến đo độ rung

• Lắp đặt càng gần vòng bi càng tốt
• Đảm bảo cảm biến được gắn chắc chắn
• Đảm bảo cảm biến được định hướng đúng cách
• Lắp đặt cùng một cảm biến ở cùng một vị trí
• Lắp đặt trên một vật có độ bám, chắc chắn
• Bảo trì và quan sát sensor đo rung trong quá trình vận hành
• Bên cạnh đó, việc chú ý đến an toàn cá nhân cũng cần đặt lên hàng đầu vì việc thao tác gần các bộ phận quay luôn tiềm ẩn những nguy hiểm

Các phương pháp để gắn cảm biến rung

Một cân nhắc khác đối với hệ thống đo độ rung của bạn là cách gắn cảm biến gia tốc vào bề mặt mục tiêu. Có bốn phương pháp lắp điển hình như sau:

• Cầm tay hoặc đầu dò
• Dạng từ (magnetic)
• Dạng dính (adhesive)
• Stud mount

Cách lựa chọn cảm biến rung phù hợp

Với ứng dụng đặc biệt và có khá nhiều thông số phức tạp, việc lựa chọn cảm biến rung phù hợp cũng cần cân nhắc kỹ lưỡng tùy từng trường hợp riêng. Dưới đây là một số thông tin bạn nên tìm hiểu để chọn được cảm biến rung thích hợp cho mình:

Phạm vi rung (vibration range): Phạm vi rung hay còn gọi là khoảng rung với giá trị khác nhau sẽ thích hợp với các hoạt động khác nhau của từng loại thiết bị. Thông thường, cảm biến gia tốc được sử dụng để giám sát mức độ rung động cao nên có cường độ và độ nhạy thấp hơn so với ngưỡng đo.

Độ nhạy (sensitivity): Độ nhạy là một trong những thông số quan trọng nhất đối với cảm biến rung. Nó thể hiện chuyển đổi giữa độ rung và điện áp tại tần số đang được tham chiếu (ví dụ như 160 Hz). Độ nhạy có đơn vị là mV/G. Nếu độ nhạy của cảm biến rung thông thường là 100 mV/G và bạn đang đo tín hiệu 10 G thì sẽ cần 1000 mV hoặc 1 V dòng điện đầu ra. Độ nhạy chính xác được xác định trong quá trình hiệu chuẩn và thường được thể hiện trong giấy hiệu chuẩn. Độ nhạy của cảm biến rung phụ thuộc vào tần số. Vì vậy khi hiệu chuẩn cần tiến hành trên cả dải tần số để có thể xác định chính xác độ nhạy của cảm biến rung.

Hình bên trên cho thấy đặc điểm phản hồi tần số của cảm biến gia tốc accelerometer. Nói chung, sử dụng cảm biến rung có độ nhạy thấp để đo tín hiệu biên độ lớn và dùng cảm biến rung độ nhạy cao để đo các tín hiệu biên độ nhỏ.

Số lượng trục: Loại cảm biến gia tốc thông dụng thường chỉ đo gia tốc dọc theo một trục duy nhất. Loại này thường được sử dụng để đo mức độ rung của máy. Ngoài ra, còn có loại cảm biến gia tốc ba trục. Có thể tạo ra một vector gia tốc 3D ở dạng các thành phần trực giao. Sử dụng cảm biến rung dạng này có thể xác định được các loại rung động (ví dụ như rung bên, rung ngang hoặc chuyển động quay).

Ngoài các yếu tố thông số kỹ thuật của cảm biến. Bạn cũng cần lưu ý các thông số thực nghiệm tại hiện trường để có thể chọn sản phẩm chính xác hơn, một số yếu tố có thể kể đến như

• Điều kiện môi trường: một số môi trường đặc biệt khắc nghiệt như nhiệt độ, độ ẩm cao, gần hóa chất dễ ăn mòn hoặc khả năng chống cháy nổ cũng là các yếu tố cần xác định trước khi mua cảm biến để đảm bảo sản phẩm có thể vận hành được
• Hình dạng của bề mặt đo: xác định trước bề mặt cần đo giúp bạn chọn được phương pháp gắn và chuẩn bị hiệu quả nhất trước khi thực hiện phép đo

Mua cảm biến đo rung ở đâu

Hiện nay, Lidinco đang cung cấp nhiều dòng cảm biến đo độ rung đến từ nhiều thương hiệu hàng đầu thế giới như PCB Piezotronic, STI, Dytran, MMF, Convergence Instruments, Spektra. Bạn có thể liên hệ cho chúng tôi để chọn được những sản phẩm phù hợp với mức giá tốt nhất

Nếu bạn còn đang băn khoăn chưa biết chọn mua loại cảm biến nào phù hợp cho ứng dụng của mình, bạn có thể liên hệ ngay cho Lidinco theo thông tin bên dưới. Đội ngũ kỹ sư tư vấn của Lidinco sẵn sàng hỗ trợ bạn hoàn toàn miễn phí, tư vấn đúng sản phẩm phù hợp với ứng dụng của bạn nhờ vào kinh nghiệm thực tiễn và sự hỗ trợ từ đội ngũ kỹ sư cấp cao từ chính các nhà sản xuất

Thông tin liên hệ

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
HCM: 028.39778269 - 028.36016797 - Zalo 0906.988.447
Skype:  Lidinco - Email: sales@lidinco.com
Bắc Ninh: 0222.7300180 - Email: bn@lidinco.com