Vibrasyon Ölçüm Birimleri: Hız, İvme ve Yer Değiştirme

Vibrasyon genliği tek bir sayı değildir; hareketin yer değiştirme, hız veya ivme olarak ifade edilmesine göre fiziksel anlamı ve frekans duyarlılığı değişir. Ayrıca RMS, Peak ve Peak-to-Peak gibi genlik tanımları aynı sinyali farklı biçimde özetler. Doğru birim seçimi, ölçüm cihazının ekranda sayı göstermesinden önce makinenin hangi hareketinin araştırıldığını belirlemekle başlar.

Genlik kavramı

Genlik, titreşim hareketinin büyüklüğünü anlatır. Bir sensör zamana bağlı sinyal üretir; cihaz bu sinyali seçilen frekans bandında filtreler, gerekirse matematiksel olarak entegre eder ve belirlenen genlik türünde sunar. “5 birim titreşim” ifadesi; birim, RMS/Peak tanımı, bant ve yön belirtilmeden teknik olarak eksiktir.

Yer değiştirme

Yer değiştirme (displacement), hareket eden noktanın referans konumuna göre mesafesidir. SI uygulamalarında mikrometre (µm) veya milimetre (mm), İngiliz birim sisteminde mil kullanılır. Bir mil, inçin binde biridir; milimetre ile aynı birim değildir. Büyük düşük frekanslı gövde hareketleri, yavaş dönen rotorlar ve kaymalı yataklı makinelerde milin yatağa göre hareketi yer değiştirme ile takip edilebilir.

Mutlak gövde hareketi ivmeölçerden entegrasyonla elde edilebilir. Göreli mil hareketi ise çoğunlukla yakınlık probuyla doğrudan ölçülür. Bu iki ölçüm aynı fiziksel referansa sahip olmadığı için sayıları doğrudan karşılaştırılmamalıdır.

Hız

Titreşim hızı (velocity), yer değiştirmenin zamana göre değişim oranıdır. Yaygın birimler mm/s ve in/s'dir. Endüstriyel makinelerin gövde vibrasyonunda çoğunlukla RMS olarak raporlanır. Hız, geniş bir orta frekans bölgesindeki mekanik hareketi dengeli temsil ettiği için genel makine durumunun trendlenmesinde kullanışlıdır.

Bir mm/s RMS değerinin anlamı frekans bandına bağlıdır. 10–1000 Hz bandındaki sonuç ile 2–1000 Hz bandındaki sonuç aynı makinede farklı olabilir. Ölçüm karşılaştırmalarında filtre sınırları ve sensör montajı sabit tutulmalıdır.

İvme

İvme (acceleration), hızın zamana göre değişimidir. m/s² veya yerçekimi ivmesi cinsinden g ile ifade edilir. 1 g yaklaşık 9,80665 m/s²'dir. Yüksek frekanslı ve kısa süreli hareketler ivmede belirginleştiği için rulman darbeleri, dişli teması ve sürtünme kaynaklı rezonansların değerlendirilmesinde yaygın kullanılır.

İvmeölçer geniş frekans aralığı sağlar; fakat sensörün montaj rezonansı, kablo gürültüsü ve seçilen bant yüksek frekans sonucunu etkileyebilir. Vibrasyon sensörleri seçilirken hassasiyet, frekans aralığı, sıcaklık ve montaj koşulları birlikte ele alınmalıdır.

RMS, Peak ve Peak-to-Peak

RMS

RMS (root mean square), sinyal örneklerinin karelerinin ortalamasının kareköküdür. İşaret yönünden bağımsız etkin seviyeyi temsil eder ve sürekli titreşimin trendlenmesinde kararlı bir ölçüdür. Kısa bir darbe Peak değerini çok yükseltirken tüm kayıt boyunca enerji sınırlıysa RMS daha az değişebilir.

Peak

Peak, referans çizgisinden ulaşılan en büyük anlık genliktir. Cihazın “true peak”, hesaplanmış peak veya maksimum örnek göstermesi sonucu değiştirebilir. Kayıt süresi uzadıkça rastgele sinyalde daha yüksek bir tepe yakalama olasılığı artar.

Peak-to-Peak

Peak-to-Peak, pozitif tepe ile negatif tepe arasındaki toplam aralıktır. Özellikle yer değiştirme ölçümlerinde milin toplam hareket aralığını anlatmak için kullanılır. Dalga asimetrikse yalnız pozitif Peak'in ikiyle çarpılması gerçek Peak-to-Peak değerini vermez.

Matematiksel ve fiziksel ilişki

İdeal tek frekanslı sinüzoidal harekette yer değiştirme x(t)=X sin(2πft) olarak yazılabilir. Hız genliği 2πfX, ivme genliği ise (2πf)²X olur. Dolayısıyla aynı yer değiştirme, frekans yükseldikçe çok daha büyük hız ve özellikle ivme üretir. Ters yönde dönüşüm için sinyal frekansına bölme gerekir; sıfıra yakın frekanslarda entegrasyon gürültüyü büyütebilir.

İdeal sinüste Peak = RMS × √2 ve Peak-to-Peak = 2 × Peak ilişkisidir. Bu bağıntı harmonik, darbeli, modüle veya rastgele sinyaller için genel dönüşüm kuralı değildir. Gerçek sinyalde RMS, Peak ve Peak-to-Peak aynı kayıttan ayrı ayrı hesaplanmalıdır.

Frekansın birimlere etkisi

Düşük frekansta yer değiştirme büyük görünürken ivme küçük kalabilir. Orta frekanslarda hız, farklı makine hızları arasında genel mekanik şiddeti izlemek için dengeli bir görünüm sağlar. Yüksek frekansta küçük bir hareket mesafesi dahi yüksek ivme oluşturabilir. Bu nedenle aynı titreşim kaynağı üç birimde tamamen farklı grafik ölçeğine sahip olur.

Tablodaki frekans bölgeleri kesin sınır değildir. Makine boyutu, dönme hızı, sensör, cihaz filtresi ve aranan arıza mekanizması seçimi değiştirir.

Overall ve spektral genlik

Overall değer, belirli banttaki bütün bileşenlerin birleşik seviyesidir. Spektral genlik ise enerjinin frekans hücrelerine dağılımını gösterir. Tek bir spektrum piki ile overall değer doğrudan aynı sayı olmayabilir; pencereleme, çözünürlük, genlik ölçekleme ve bant genişliği sonucu etkiler. FFT analizi sırasında bu ayarlar raporlanmalıdır.

Overall düşükken dar bantta erken bir rulman belirtisi bulunabilir. Tersine geniş bant proses gürültüsü overall değeri yükseltirken tek bir mekanik bileşen baskın olmayabilir. Zaman dalga formu, kısa darbelerin overall içindeki etkisini anlamayı destekler.

ISO değerlendirmelerine genel yaklaşım

Makine gövdesi titreşim değerlendirmelerinde bazı ISO yaklaşımları belirlenmiş frekans bantlarında hız RMS gibi parametreler kullanır. Ancak uygulanacak kriter; makine tipi, güç, yatak ve destek sınıfı, ölçüm konumu ve işletme şartına göre seçilir. Bir standardın tablosunu bağlamından ayırarak her makineye uygulamak doğru değildir. Ölçüm bandı ve çalışma koşulu ilgili değerlendirme yöntemiyle uyumlu olmalıdır.

Sensör tipine göre ölçüm büyüklüğü

İvmeölçer doğrudan ivme üretir; hız ve yer değiştirme cihaz içinde entegrasyonla hesaplanabilir. Elektrodinamik hız sensörü doğrudan hız çıkışı sağlayabilir ve düşük frekans davranışı uygulamaya göre avantaj sunabilir. Yakınlık probu mil ile prob ucu arasındaki göreli yer değiştirmeyi ölçer. 4–20 mA transmitter ise seçilmiş bir bant ve büyüklüğün overall değerini otomasyon sistemine iletebilir; ham dinamik sinyal sağlaması modele bağlıdır.

Cihaz ayarlarında sık yapılan hatalar

• RMS ile Peak değerleri etiketlemeden karşılaştırmak.
• mm/s ile in/s veya µm ile mil birimlerini karıştırmak.
• Farklı alt ve üst filtre sınırlarındaki overall değerleri aynı kabul etmek.
• İvmeden hıza entegrasyonda çok düşük frekanslı gürültüyü mekanik hareket sanmak.
• Sensör hassasiyetini yanlış girmek ve bütün genliği ölçek hatasına uğratmak.
• Spektrumda RMS, Peak veya power ölçeklemesini raporlamamak.
• AC titreşim ile DC proses çıkışını aynı veri türü sanmak.

Birim dönüşümünde frekans bilgisi neden zorunludur?

Yer değiştirme, hız ve ivme arasında dönüşüm yalnız genlik sayısına bakılarak yapılamaz; dönüşüm frekansa bağlıdır. Tek frekanslı sinüste 10 Hz ve 1000 Hz'deki aynı yer değiştirme, çok farklı ivme üretir. Karmaşık bir sinyalde bütün spektrum bileşenleri ayrı ayrı entegre veya türevlenir. Overall bir sayıyı tek bir varsayılan frekansla dönüştürmek fiziksel içeriği bozabilir.

Dijital cihazlar spektral entegrasyon uygularken düşük frekans gürültüsünü sınırlamak için filtre kullanır. Bu nedenle cihazdan okunan hız ile başka bir cihazda farklı alt kesim frekansıyla hesaplanan hız eşleşmeyebilir. Dönüşüm yöntemi, filtre eğimi ve frekans bandı raporun parçası olmalıdır.

SI ve İngiliz birimleri arasında dikkat

Hız dönüşümünde 1 in/s = 25,4 mm/s'dir. Yer değiştirmede 1 mil = 0,001 inç = 25,4 µm olarak kullanılır. “mil” ifadesi Türkçedeki mekanik şaft anlamıyla karıştırılmamalıdır. İvmede g birimi standart yerçekimi ivmesine dayanır; bazı ekranlarda g Peak, bazı raporlarda g RMS gösterilebilir.

Yazılım dışa aktarımlarında birim etiketi mutlaka veri sütunuyla birlikte saklanmalıdır. Ondalık nokta/virgül dönüşümü genliği değiştirmemeli; binlik ayırıcı hataları özellikle yüksek veri setlerinde kontrol edilmelidir.

Ölçüm zinciri ve belirsizlik

Sonuç yalnız sensörün hassasiyetinden oluşmaz. Montaj rijitliği, kablo, sinyal şartlandırıcı, analog-dijital çevirici, filtre ve hesaplama yöntemi toplam ölçüm zinciridir. İvmeölçerin nominal mV/g hassasiyeti cihaza yanlış girilirse bütün spektrum aynı oranda hatalı ölçeklenir. Mıknatıs veya el probu yüksek frekans cevabını değiştirebilir.

Karşılaştırılabilir trend için aynı sensör tipi, nokta, yön, montaj ve ayarlar korunmalıdır. Sensör değiştiğinde yeni cihazın hassasiyeti ve kalibrasyon bilgisi kaydedilir. Beklenmedik seviye değişiminde mekanik arıza sonucuna geçmeden önce ölçüm zinciri doğrulanır.

Genlik sunumunda raporlama

Grafik başlığında ölçüm büyüklüğü, birim, RMS/Peak tanımı ve bant bulunmalıdır. Spektrumda pencere ve çözünürlük; dalga formunda örnekleme hızı ve kayıt süresi eklenmelidir. Göreli mil yer değiştirmesinde prob yönü ve boşluk gerilimi, gövde ölçümünde sensör montajı belirtilmelidir.

Bu bilgiler olmadan farklı tarihlerde veya farklı cihazlarla alınan sonuçların eşdeğer olduğu varsayılamaz. İyi raporlama, sayıyı yeniden üretilebilir ölçüm koşuluyla birlikte sunar.

Alarm ve trend ekranlarında birim değiştirildiğinde geçmiş eşiklerin otomatik olarak doğru dönüşüp dönüşmediği kontrol edilmelidir. Özellikle RMS hız alarmını Peak ivme ekranında aynı sayıyla kullanmak fiziksel olarak geçerli değildir. Her alarm, ölçüm büyüklüğü, genlik tanımı ve frekans bandıyla birlikte tanımlanmalı; kullanıcı arayüzünde bu bilgiler açıkça görünmelidir.

Uygulamaya göre birim seçimi

Yavaş dönen büyük bir rotorun mekanik açıklığı araştırılıyorsa yer değiştirme; genel gövde titreşimi ve makine sınıfı trendleniyorsa hız RMS; kısa rulman veya dişli darbeleri aranıyorsa ivme ve yüksek frekans yöntemleri öne çıkar. En güvenli yaklaşım, ham ivme sinyalini uygun sensörle toplamak ve gerekli görünümleri ölçüm amacı doğrultusunda üretmektir.

Profesyonel ölçüm ve raporlama için BALANSTEK vibrasyon analizi hizmeti, ölçüm temelleri için Vibrasyon Analizi Nedir?, rulman değerlendirmesi için rulman arıza frekansları ve diğer rehberler için Teknik Akademi sayfası incelenebilir.