Structura unui sistem de achizitii de date pentru vibratii si zgomote

Structura unui sistem de achizitii de date pentru vibratii si zgomote

Masurarea zgomotelor

Cea mai simpla masurare pentru determinarea zgomotului este determinarea nivelului presiunii sonore.

Aparatele concepute pentru masurarea acestuia trebuie sa-si adapteze caracteristica de masurare astfel incat sa detecteze nivelul sonor perceput de catre om.

Aceasta actiune prin care nivelul de presiune acustica din mediul inconjurator este transformat in nivel acustic perceput de catre om se numeste ponderare.

Curbele de ponderare standardizate pentru masurarea nivelului de presiune sunt prezentate in fig. 6.1.

Fig.6.1 Curbele standardizate de ponderare in frecventa

Curbele de ponderare sunt utilizate pentru masurarea zgomotelor care sunt mici:

- 55 fon - pentru curba A;

- 55-85 fon - pentru curba B;

- 85fon - pentru curba C.

Majoritatea masurarilor terestre, inclusiv cele produse de autovehicule se fac prin ponderare dupa curba A. Nivelul de zgomot masurat(ponderat) dupa scara A se masoara in dB.

Schema bloc a unui sistem de masurare a nivelului sonor este prezentata in fig.6.2.

Fig.6.2 Schema bloc de masurare a sonometrului

Nivelul zgomotului global se masoara pe baza presiunii acustice.

Exista mai multe metode de determinare a nivelului sonor, dar componenta acestor aparate difera:

- traductor de presiune sonora (microfon);

- preamplificator al microfonului;

- amplificator, sau atenuator;

- filtru electronic (intern sau extern) - are rolul de a efectua ponderarea semnalului sonor dupa una din curbe (A,B,C,D);

- bloc de ponderare.

Curba de ponderare D este utilizata pentru masurarea zgomotelor produse de avioane.

La iesirea din preamplificator variatia tensiunii semnalului electric este egala cu variatia presiunii acustice dupa o anumita lege de convertire.

Majoritatea sonometrelor sunt echipate cu cel putin un bloc de ponderare A. Pentru alte curbe se poate conecta un filtru exterior.

Marimea semnalului de zgomot este variabila in timp si se poate regla de unul sau mai multe blocuri de amplificare sau atenuare.

Marci tensometrice (5mm - 10mm pe 20mm) - rezonanta ultra fina.

convertorul liniar-logaritmic realizeaza trecerea semnalului undei sonore de la o scara liniara la una logaritmica.

introducerea semnalului intr-un instrument indicator permite afisarea (analogica sau digitala) ponderata sau neponderata.

In general nivelul sonor este variabil ceea ce face imposibila citirea valorii pe un display digital. De aceea sonometrele sunt echipate cu module pentru medierea in timp a semnalului sonor.

In sistemele moderne de achizitii de date privind nivelul sonor, pot fi utilizate sonometre analog-numerice echipate cu memorii pentru stocarea variatiei semnalului intr-un anumit interval de timp. Acestea pot fi cuplate prin intermediul unei interfete la un PC in scopul achizitiei acestor date.

Dupa evolutia in timp a zgomotului, acesta poate fi:

- continuu - zgomot produs de trafic;

- intermitent - trecerea autovehiculelor la intervale mai mari;

- impuls - trantirea portierei.

Sonometrele sunt echipamente de masura de mare precizie, dar caracteristica lor de functionare poate fi afectata. Astfel apare necesitatea calibrarii cu un dispozitiv special de calibrare.

Dupa indepartarea ecranului antivant de pe sonometru, microfonul se introduce in dispozitivul de calibrare. Se pun in functiune ambele aparate, iar la sonometru se selecteaza modul de masurare fara ponderare in frecventa. Se recomanda sa se faca o calibrare inainte si dupa efectuarea oricarei masuratori.

Microfonul trebuie sa indeplineasca anumite conditii tehnice pentru obtinerea unei precizii ridicate de masurare si un numar cat mai mic de erori:

- raspunsul in frecventa;

- sensibilitatea (variatia tensiunii la iesirea din preamplificator raportata la variatia nivelului sonor aplicata la intrarea in microfon);

- domeniul dinamic;

- directivitatea si stabilitatea in functionare;

Eseu: Eterificarea monozaharidelor Eseu: COMBUSTIBILI -combustibili folositi in industria aerospatiala- referat chimie

- microfonul trebuie sa functioneze acceptabil intr-un domeniu larg al variatiilor conditiilor de mediu (umiditate, temperatura, poluare, vant).

Microfoanele :

- traductoare capacitive;

- se bazeaza pe principiul de lucru al condensatorului cu distanta variabila intre placi la care valoarea capacitatii se schimba la modificarea distantei dintre armaturi;

- una dintre placi (spate) este fixa iar cea de-a 2-a placa este diafragma (se deformeaza sub actiunea presiunii sonore deformabile);

- sensibilitatea microfonului este invers proportionala cu capacitatea electrica a circuitului de masurare;

- nu exista fire de legatura intre microfon si preamplificator;

- cu cresterea diametrului diafragmei creste sensibilitatea, dar scade domeniul de raspuns in frecventa;

- se construiesc cu diametre care reprezinta fractiuni de toli(inch) - ¼ ", 1/2 ", si 1".

- caracteristica de raspuns in frecventa a microfonului trebuie sa fie plata pe un domeniu de audiofrecventa larg (20Hz-15kHz);

- dupa fabricare fiecarui microfon i se determina cu exactitate caracteristica de raspuns in frecventa. 

1.1 Traductoare de zgomot (microfoane)

Traductoarele pentru masurarea zgomotelor(presiunii acustice) sunt cunoscute sub denumirea de microfoane. Semnalul de in­trare in microfon este presiunea acustica ce reprezinta parametrul specific al undei acustice, iar semnalul de iesire este electric.

Fig. 3.9 Microfoane - a)-cu condensator; b)-cu electret; c)-piezoelectric; d)-dinamic

Principalele tipuri de microfoane utilizate pentru masurari acus­tice sunt:

microfonul cu condensator (fig. 3.9. a) functioneaza prin deformarea unei diafragme elastice sub actiunea presiunii acustice. Aceasta deformare modifica valoarea capacitatii electrice a condensatorului format din diafragma elastica si electrodul plat. Se aplica o tensiune de polarizare care sa asigure o sarcina constanta si variatii de tensiuni proportionale cu variatia de capacitate(variatia presiunii acustice);

microfonul cu electret utilizeaza o folie (~ 0,02 mm) din mate­rial plastic in locul diafragmei metalice. Folia cu electret este metalizata pe suprafata exterioara constituind astfel, impreuna cu un electrod placa (fig. 3.9. b), un condensator. Partea metalizata a foliei este polarizata, iar miscarea foliei sub actiunea presiunii acustice fata de placa electrod perforata altereaza distributia de sarcini electrice pe suprafata polarizata, cu producerea unei tensiuni electrice variabile corespunzatoare;

microfonul piezoeleclric (fig. 3.9. c) presiunea acustica creeaza o tensiune mecanica intr-un material piezoelectric (cuart, sulfat de litiu, material ceramic de tip titanat de bariu sau titanat de plumb si zirconiu etc), dispus convenabil, cu aparitia unor sarcini electrice pe suprafetele solicitate;

microfonul dinamic presiunea acustica actioneaza si in acest caz asupra unei diafragme (fig. 3.9. d) care deplaseaza o bobina intr-un camp magnetic, cu generare de tensiune in bobina.

Alegerea microfoanelor pentru o schema de masurare si control presupune considerarea urmatoarelor caracteristici:

domeniul de frec­venta cu raspuns liniar;

domeniul dinamic;

directivitatea;

sensibilitatea la temperatura si la variatii de presiune in mediul ambiant;

sensibili­tatea la vibratii;

durabilitatea.

Caracteristicile principale pentru cateva tipuri de microfoane sint prezentate comparativ in tabelul 3.3.

Conditiile de incidenta a undelor acustice fata de microfoane sunt indicate in figura 3.10:

- incidenta perpendiculara;

- incidenta omnidirectionala;

- incidenta de presiune uniforma;

- incidenta tangentiala (90grade);

- camp difuz.

Fig.3.10 Incidenta undelor acustice fata de microfoane

Microfoanele, din acest punct de vedere, pot fi destinate pentru:

masurari de presiune;

de camp liber (propagare directa);

de camp difuz.

Traductoare pentru masurarea vibratiilor

Amplitudinea unei vibratii mecanice poate fi masurata prin intermediul deplasarii, vitezei sau acceleratiei.

Daca se masoara una din cele 3 marimi celelalte pot fi calculate prin derivare sau integrare.

In practica se prefera sa se masoare acceleratia vibratiei intrucat traductoarele de acceleratiei au dimensiuni si mase mai mici decat cele care masoara viteza.

Dimensiunile mici ale traductorului acceleratiei permite masurarea acceleratiei vibratiei pe o suprafata foarte mica, aproape punctuala. Din aceasta cauza se poate obtine distributia acceleratiei pe suprafata piesei.

Integrarea electronica a semnalului de acceleratie este simpla si suficient de precisa pentru a determina viteza, respectiv deplasarea.

In sistemele mecanice deplasarile cu amplitudine mari se manifesta numai la frecvente mici ale vibratiilor. Oscilatia masei nesuspendate a autovehiculului se produce in domeniul de frecvente de 1-4Hz.

Schema bloc a sistemului pentru masurarea vibratiilor ( fig 6.9).

Orice sistem pentru masurarea vibratiilor prin masurarea acceleratiei are 3 parti importante:

- traductorul (senzorul);

- etajul pentru conditionarea, integrarea si masurarea semnalului;

- afisarea (inregistrarea) semnalului.

Traductorul converteste liniar acceleratia vibratiei obiectului pe care este asezat in functie de sarcina electrica la iesirea traductorului.

Amplificatorul de sarcina converteste direct proportional sarcina electrica generata de catre traductor in functie de tensiunea electrica.

Traductoarele piezo-electrice moderne pentru masurarea acceleratiei vibratiilor au amplificatorul de sarcina integrat (accelerometre).

Modulul integrator are rolul de a calcula viteza si deplasarea, prin integrare electronica, a semnalului de la accelerometru.

In continuare pot fi montate filtre de semnal (trece sus, trece jos) - cu rolul de a limita domeniul de frecventa de masurare, pentru a indeparta semnalele nedorite.

Detectorul care calculeaza valoarea eficace (RMS) sau valoarea de varf a semnalului provenit din masurarea vibratiei.

Convertorul liniar-logaritmic care realizeaza trecerea semnalului vibratiei de la o scara liniara, la una logaritmica. Semnalul de iesire din convertor este introdus intr-un modul indicator si este furnizat si la una din iesirile de semnal in scopul inregistrarii semnalului. Intreg sistemul are si o sursa de energie electrica care alimenteaza modulele sistemului.

Traductoare pentru masurarea vibratiilor si a socurilor.

Cel mai utilizat accelerometru este cel care functioneaza pe principiul piezoelectric.

Partea sensibila este un element piezoelectric artificial.

Principiul de functionare se bazeaza pe proprietatea elementului piezoelectric de a genera o sarcina electrica direct proportionala cu forta aplicata asupra elementului piezoelectric.

Forta aplicata : - compresiune;

- forfecare;

Rezulta doua tipuri constructive de accelerometre:

- de compresiune;

- de forfecare.

Traductorul piezoelectric nu poate fi utilizat la masurarea fenomenelor statice (cu frecventa de 0Hz) si nici a vibratiilor de cateva zecimi de Hz. Limita superioara este ridicata pana la mii, zeci de mii de Hz.

Accelerometrul de tip IEPE.

Contine un modul electronic pentru amplificatorul de sarcina (integrat). Datorita acestui fapt pentru a functiona el trebuie alimentat cu tensiune electrica din exterior. Tensiunea la iesire este direct proportionala cu acceleratia vibratiei.

Modulul electronic integrat poate indeplini si rolul de filtru electronic. Acest tip de traductoare sunt simplu de utilizat, nu necesita cabluri cu protectie, cu ecranare. Modulul electric integrat limiteaza functionarea la temperaturi mai mici de 120 ^oC.

Accelerometrul TEDS

Este un accelerometru inteligent, care pot lucra atat analogic cat si digital.

Pe langa modulul electric acest traductor contine o memorie in care se pot scrie si din care se pot citi date in format digital.

Cealalta parte a memoriei este la dispozitia utilizatorului pentru a stoca date despre locul de masurare, pozitia de montare, canalul de masurare.

In afara de componentele obisnuite utilizate pentru masurare, un sistem de achizitie de date trebuie sa contina un modul specializat pentru citirea datelor. Cuplarea acestuia la sistem este de tipul Plug&Play.

Traductorul capacitiv

Permite masurarea acceleratiilor, oscilatiilor de joasa frecventa si chiar a acceleratiilor continue (acc. gravitationala).

Principiul de functionare consta in modificarea capacitatii electrice a elementului sensibil in functie de acceleratia mecanica la care este supus. Elementul sensibil este reprezentat de doua condensatoare. Condensatoarele sunt conectate in mod diferential fiind cuplate intr-o punte de masurare. Aceasta punte este completata cu 2 condensatoare cu valori fixe.

Condensatoarele au comuna una dintre placi realizata sub forma unei diafragme care are rol de masa seismica. Aceasta diafragma se deformeaza sub influenta acceleratiei continue sau variabila. Celelalte placi ale condensatorului sunt fixe. Valoarea tensiunii electrice la iesirea din traductor este egala cu valoarea acceleratiei.

Traductoarele de tip mecanic cu punct fix (tastografe) (fig 3.3a);

Vibrografe (seismice) - erau inglobati intr-un aparat mecanic < 200Hz.

Fig 3.4 - traductoare electrice:

- traductoare parametrice (a,b,c,d);

- rezistive (marci tensometrice) - se pot masura eforturi unitare;

- functionarea ca element cu impedanta variabila (rezistenta, capacitatea, inductanta)

- sunt alimentate din exterior de la un circuit cu curent constant, sau din exterior cu o sursa cu frecventa purtatoare a carei valoare este fixa.

Traductoare generatoare -  bazate pe deplasarea intr-un camp magnetic a unei bobine (e,f), sau pe incarcare variabila de compresiune, sau forfecare (piezoelectrice).

Fig.5.2 Pozitii pentru masurarea zgomotului in miscare