【河南平衡机源头厂家】风机动平衡采用智能动平衡仪自动量程实现
风机动平衡的关键是准确地测得不平衡振动响应的幅值与相位，对转换精度一定的A/D，振动信号在不发生截顶失真的情况下，其大小越接近A/D满量程，捕捉到的波峰位置就越准确，相应测得的幅值和相位也就越准确。为了对不同大小的振动信号进行精确的测量，动平衡仪采用自动量程来实现对振动信号的放大或衰减。本文以开发成功的智能化整机动平衡仪为例，详细介绍了智能动平衡仪中自动量程的意义及实现。
目前，风机生产厂家在生产时，一般只对叶轮进行单体平衡。但由于装配不当，组装后风机的整机不平衡振动依然很大。另外，由于绝大多数风机叶轮是焊接结构，长期运转后，焊接应力的释放也会引起风机叶轮发生形变，导致新的不平衡量。为了克服上述原因所引起的振动，最简单，也是最有效的方法就是对风机进行整机动平衡。所谓现场整机动平衡是指在不拆卸转子的情况下，在工作转速下直接对转子进行平衡的方法。
根据生产实际需要，成功开发了可应用于风机平衡的智能化现场整机动平衡仪。动平衡仪的开发设计涉及许多方面，本文以开发成功的智能化现场整机动平衡仪为例，从如何准确地测得不平衡振动响应的振幅与相位的角度出发，在分析动平衡仪采用自动量程意义的基础上，详细讨论了自动量程软、硬件的具体实现。
设计自动量程切换的意义
1.拓宽仪器测量范围的需要
动平衡往往采用影响系数法，用该法对转子进行动平衡时，需要对转子系统进行试加重，同时测量试加重前后的不平衡振动响应。由于影响系数法是通过试重前后的振动变化来确定出影响系数，然后再求出原始不平衡量大小，因此准确地测量试重前后的不平衡振动显得尤为重要。但动平衡过程中试加重的大小或位置具有任意性(根据加重方便和动平衡具体操作者的意愿而定)，不同的加重大小和加重位置会导致试重前后振动变化很大，如仪器采用固定的放大或衰减环节，就可能会出现因仪器测量范围有限而不能同时精确地测量试重前后振动响应，从而导致整个动平衡过程的失败。另外不同机器对动平衡精度的要求也不相同，相应的其需要测量的振动大小也不相同。为了使动平衡仪能够适应较宽范围的振动测量及分析，以保障电路工作在线性状态，就必须对振动信号进行必要的放大或衰减，为此需在硬件电路上设置多挡量程切换开关。
2.提高动平衡测相精度的需要
由整机动平衡的机理可知，转子的不平衡相位为不平衡振幅同基准信号上升沿的夹角，如图1所示，因此能否准确地捕捉峰值位置对相位的测量影响很大。由于振动信号在拍峰附近的变化最为缓慢，受量化误差的影响，A/D采到的拍峰同实际拍峰之间会存在一定的误差，由此将造成相位测量误差。
动平衡仪采用8位A/D，型号为ADC0809，其能分辨的最小电压为:ΔV=5V/28=5V/256≈20mV。图2示出了振动信号满量程和欠量程两种情况下因A/D量化误差引起的相位误差。当被测量振动信号为满量程时，即峰值A1=5V，设此时因A/D量化误差引起的最大相位误差为4，1，由A1~A1cos4，1=20mV得4，1=5.1°;当被测量振动信号为欠量程时，如峰值A2=0.5V，设此时因A/D量化误差引起的最大相位误差为4，2，由A2~A2cos4，2=20mV得4，2=16.2°;从上面的分析可知，受A/D变换器精度的限制，量化误差将导致至少5°的相位测量误差，且振动信号越小引起的相位误差越大。为了提高动平衡仪捕捉拍峰的能力，希望A/D在振动信号变化最缓慢时，仍有较高的分辨率，则应尽量将振动信号放大到A/D满量程附近，为此需在硬件电路上设置多挡量程切换开关。
3.防止不平衡振动信号发生截顶失真的需要
不平衡振动波形太小时，振幅的测量误差很大;太大时则有可能使振幅超出放大器的峰峰值，从而导致波形发生截顶失真。截顶失真不仅会引起振幅的测量误差，而且还会造成相位测量的很大误差。如图3所示的就是不平衡振动波形发生了截顶失真的情况。当不发生截顶失真时，波峰对应的相位为4，1、峰峰值为A1;而发生截顶失真时，测得的相位值为4，2，而峰峰值为A2，这样由于截顶失真引起的相位和峰峰值误差分别为
Δ4, = 4,124,2
ΔA = A12A2
截顶失真越严重，测得的振幅和相位误差就越大，设置量程切换能有效地防止截顶失真。
自动量程切换的实现，从上面的分析可知，智能动平衡仪设置信号放大和缩小环节是十分必要的，智能化现场整机动平衡仪是通过自动量程切换来实现这一功能的。自动量程的硬件原理如图4所示。Vin为CD~1型速度传感器测得的振动信号，U1为普通运算放大器OP07构成的电压跟随器，用于改善测振传感器的阻抗特性，隔离量程切换电路对测振传感器的影响。分挡控制由8255的PA0、PA1、PA2控制8路双通道模拟开关4097来实现。放大器U2同相端与反相端所接电阻相同，主要防止因电路的不对称而引入的共模噪声。
1.量程的确定
由整机动平衡原理知，能否有效地捕捉到不平衡峰值，是动平衡好坏的关键所在。为获得最佳的测量效果，在量程设置时，尽可能使被测量的数据接近于某挡量程的上限，减小因A/D的量化误差引起的测相误差。综合各方面的因素，仪器比规律递增，即放大器U2各电阻之间的关系满足:R1:R2:R3:R4:45:R6:R7:R8=1:2:4:8:16:32:64:128。
2.换挡条件的确定
8个挡级均包括上限换挡和下限换挡。从理论上讲，上限换挡的判断条件:读数值(Rx)>满刻度值(M)，下限换挡的判断条件:Rx≤M/K。但实际上振动信号峰值达到A/D满量程时，信号已经发生失真，因此在上限换挡判断值应比满刻度值小一个上限偏移量d。同时为了防止由于测量系统的不稳定和被测量值的不稳定造成在两挡间的频繁切换，自动换挡都需要有个换挡衔接区(裕度D)，因此下限换挡的判断条件:读数值小于等于满度值M，扣除上限偏移量d和换挡裕度D后的1/K。综上得：
上限换挡条件:Rx>M-d
下限换挡条件:Rx≤(M-d-D)/K
对于本智能动平衡仪M=255，K=2，取D=40，d=20;则
上限换挡条件:Rx>235
下限换挡条件:Rx≤106
3.自动换挡的软件控制
自动量程的软件实现比较简单，其软件控制流程如图5所示。
智能化现场整机动平衡仪中，振动信号的放大与衰减就是按照本文提出的自动量程来实现的。实践证明采用自动量程，满足了动平衡仪振动测量需要量程多而细的特点，自动量程大大提高了仪器捕捉波峰的能力，减小了相位的测量误差，为动平衡的快速、高效地进行提供了必要的保障。同时由于采用自动量程，避免了手动量程切换需要人工干预的缺陷，提高了仪器的自动化水平，方便了用户使用，有利于仪器的推广。
目前应用开发成功的智能化现场整机动平衡仪中对多台在役的风机进行了现场动平衡，取得了十分明显的效果。实践证明使用智能化现场整机动平衡仪能大大降低维修成本，提高平衡速度，产生了可观的经济效益，具有广阔的应用前景。
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