Chuẩn rung: hiệu chuẩn gia tốc kế bằng giao thoa laser và so sánh theo ISO 16063, đáp ứng tần số

Hiệu chuẩn gia tốc kế theo ISO 16063: dịch chuyển, vận tốc, gia tốc theo tần số, phương pháp giao thoa laser và so sánh lưng tựa lưng, đọc đáp ứng tần số và chuỗi liên kết chuẩn rung.

Đo rung là công cụ chính để theo dõi tình trạng máy quay: bơm, quạt, động cơ, hộp số. Quyết định dừng máy hay chạy tiếp thường dựa vào vài milimét trên giây vận tốc rung, nên gia tốc kế và máy đo rung phải đúng. Khác với lực hay áp suất, rung là đại lượng động: độ nhạy của cảm biến thay đổi theo tần số, nên hiệu chuẩn rung là hiệu chuẩn cả một đường đáp ứng tần số chứ không phải một con số. Bài này trình bày các đại lượng rung, hai phương pháp hiệu chuẩn gia tốc kế theo bộ tiêu chuẩn ISO 16063 (giao thoa laser và so sánh lưng tựa lưng), cách đọc đáp ứng tần số và chuỗi liên kết chuẩn của phép đo rung.

1. Dịch chuyển, vận tốc và gia tốc

Với rung hình sin tần số f, ba đại lượng liên hệ qua v = a/(2πf) và d = a/(2πf)². Mỗi đại lượng phù hợp với một vùng tần số và một mục đích:

• Dịch chuyển (µm): tần số thấp, khe hở trục (đầu dò dòng xoáy).
• Vận tốc (mm/s): đánh giá mức rung tổng thể của máy theo ISO 20816 trong khoảng 10–1000 Hz.
• Gia tốc (m/s² hoặc g): tần số cao, hư hỏng ổ lăn, bánh răng; gia tốc kế áp điện đo trực tiếp đại lượng này.

Hình cho thấy vì sao hiệu chuẩn rung khó: cùng 10 m/s², ở 10 Hz bàn rung phải đi 2,5 mm, còn ở 5 kHz chỉ dịch chuyển khoảng 10 nm.

2. Gia tốc kế và độ nhạy

Gia tốc kế áp điện gồm khối lượng chấn động ép lên tinh thể áp điện; khi rung, lực quán tính tạo điện tích tỉ lệ với gia tốc. Có hai loại đầu ra:

• Loại điện tích: độ nhạy tính bằng pC/(m/s²), cần bộ khuếch đại điện tích.
• Loại IEPE (có mạch khuếch đại tích hợp): độ nhạy tính bằng mV/(m/s²), cấp dòng không đổi qua cáp đồng trục.

Hiệu chuẩn xác định độ nhạy ở tần số tham chiếu (thường 160 Hz hoặc 80 Hz, biên độ 10 hoặc 100 m/s²) và đáp ứng tần số trên dải sử dụng. Bộ tiêu chuẩn ISO 16063 quy định các phương pháp: phần 1 khái niệm cơ bản, phần 11 hiệu chuẩn tuyệt đối bằng giao thoa laser, phần 21 hiệu chuẩn so sánh với gia tốc kế chuẩn.

3. Hai phương pháp hiệu chuẩn

• Tuyệt đối, giao thoa laser (ISO 16063-11): gia tốc kế gắn trên máy rung tạo rung hình sin rất sạch; giao thoa kế laser đo trực tiếp dịch chuyển của bề mặt gia tốc kế. Các phương pháp xử lý tín hiệu gồm đếm vân (tần số thấp), điểm cực tiểu và xấp xỉ hình sin (dải rộng tới 10 kHz). Từ dịch chuyển và tần số tính ra gia tốc, so với điện áp ra để có độ nhạy. Liên kết thẳng tới mét (bước sóng laser) và giây (tần số), dùng ở viện đo lường và phòng chuẩn bậc cao, độ không đảm bảo cỡ 0,5 % ở tần số giữa.
• So sánh lưng tựa lưng (ISO 16063-21): gia tốc kế cần hiệu chuẩn gắn chặt trên đỉnh gia tốc kế chuẩn (đã hiệu chuẩn tuyệt đối), cả hai chịu cùng một gia tốc. Độ nhạy cần hiệu chuẩn = độ nhạy chuẩn × tỉ số điện áp ra. Nhanh, rẻ, là phương pháp của hầu hết phòng hiệu chuẩn rung.

Nguồn sai số chính của phương pháp so sánh: chuyển động ngang và lắc của máy rung, ảnh hưởng của khối lượng cảm biến cần hiệu chuẩn lên chuẩn, mặt lắp không phẳng, mô men siết sai, cáp rung tạo tín hiệu giả, nhiệt độ.

4. Đọc đáp ứng tần số

• Cộng hưởng lắp đặt: khối lượng chấn động và độ cứng tinh thể tạo một cộng hưởng ở tần số cao (vài chục kHz). Độ nhạy bắt đầu tăng từ khoảng 1/5 tần số cộng hưởng (+4 %) và tăng 10 % ở khoảng 1/3. Vùng dùng được với sai số nhỏ là từ tần số thấp tới khoảng 1/5 tần số cộng hưởng.
• Tần số thấp: mạch điện (hằng số thời gian của bộ khuếch đại) làm độ nhạy suy giảm dưới vài Hz.
• Cách gắn quyết định cộng hưởng: gắn bằng vít trên mặt phẳng có mỡ cho cộng hưởng cao nhất; gắn nam châm, keo dán, đầu dò cầm tay làm cộng hưởng giảm mạnh, vùng phẳng hẹp lại (xem bài về gá lắp gia tốc kế trong loạt).

5. Ví dụ kết quả hiệu chuẩn so sánh

Gia tốc kế có độ nhạy 10,20 mV/(m/s²) ở 160 Hz, phẳng trong ±1 % từ 20 Hz tới 2,5 kHz, lệch +2,9 % ở 5 kHz và +7,7 % ở 8 kHz. Người dùng đo rung ổ lăn ở dải 1–10 kHz phải dùng đường đáp ứng này để hiệu chính, hoặc chọn gia tốc kế có cộng hưởng cao hơn. Đo vận tốc rung tổng thể 10–1000 Hz thì có thể dùng một độ nhạy duy nhất.

6. Chuỗi liên kết chuẩn

Máy đo rung cầm tay và hệ thống giám sát rung cần hiệu chuẩn cả bộ: gia tốc kế, cáp, bộ xử lý (tích phân ra vận tốc, lọc dải tần). Ngoài hiệu chuẩn định kỳ ở phòng thí nghiệm, nên kiểm tra nhanh bằng bộ hiệu chuẩn cầm tay trước các đợt đo quan trọng.

7. Những lỗi hay gặp

8. Xem thêm

• Cảm biến gia tốc: cấu tạo MEMS răng lược, áp điện, cách chế tạo và đo góc nghiêng bằng ESP32.
• Cảm biến gia tốc áp điện RION PV-90B (charge output).
• Các bài khác trong loạt: kiểm tra máy đo rung tại hiện trường và ISO 20816, gá lắp gia tốc kế theo ISO 5348, thực hành hiệu chuẩn tĩnh gia tốc kế MEMS bằng trọng trường.