Разбиране на IEPE акселерометри
Един IEPE акселерометър - съкращение от Интегрирана електроника – пиезоелектрически, както и се предлага под търговската марка ICP® или се описва като сензор в „режим на напрежение“ или „с постоянен ток“ — е пиезоелектричен акселерометър с вградена в собствения си корпус миниатюрна електроника за обработка на сигнала. Тази електроника се захранва с постоянен ток (обикновено 2–20 mA), подаван по същия двужичен коаксиален кабел, който пренася изходния сигнал обратно към уреда. Чрез преобразуване на миниатюрния заряд с високо съпротивление на сензора в стабилно напрежение с ниско съпротивление още при източника, конструкцията IEPE елиминира необходимостта от външен усилвател на заряда и ви позволява да използвате обикновен, евтин коаксиален кабел на големи разстояния, без да се влошава качеството на сигнала. Именно благодарение на това нововъведение IEPE сензорът се превърна в стандартния избор преобразувател за индустриални вибрация измерване.
1. Определение: Какво представлява IEPE акселерометърът?
В същността си всеки пиезоелектрически сензор генерира електрически заряд, пропорционален на ускорение. Проблемът е, че този заряд се генерира при изключително висок импеданс, поради което не може да се предава по обикновен кабел, без да се улавят шумове и да се загуби амплитуда. Традиционните сензори в заряден режим решават този проблем с помощта на обемист външен усилвател и специален кабел с ниско ниво на шум. Акселерометърът IEPE, от друга страна, съдържа в себе си малък FET усилвател или усилвател с интегрална схема вътре в сензора, така че преобразуването на заряда в напрежение се извършва, преди сигналът да напусне корпуса.
Резултатът е сензор, който се държи като обикновен източник на напрежение. Той е близък роднина на акселерометър в режим на напрежение и, както повечето съвременни промишлени обекти, обикновено се изгражда като акселерометър в режим на срязване за стабилна работа с ниско ниво на шум. Смята се, че IEPE сензорите се използват в над 90% от промишлените акселерометър приложенията — те са ежедневният работен кон на мониторинг на състоянието, балансиране, както и отстраняване на неизправности.
2. Как работи: захранване и сигнал по един кабел
Вътрешно строителство
- Пиезоелектрически елемент: генерира заряд, пропорционален на ускорението, когато сензорният кристал или керамиката се подложат на напрежение.
- Вграден усилвател: един FET или интегрален схемен етап вътре в корпуса преобразува този заряд с високо съпротивление (в пикокулони) в напрежение с ниско съпротивление (в миливолта).
- Двужилен кабел: един коаксиален кабел пренася както захранващото напрежение, така и измервателния сигнал.
Електрическата и сигналната верига
Трикът, който позволява един кабел да изпълнява две функции, се състои в това да се наслагва сигналът за променливотоковото вибриране върху постояннотоковото напрежение на поляризация:
- Уредът подава регулиран постоянен ток (обикновено 4 mA) по кабела.
- Този ток захранва вътрешната електроника на сензора, която работи при постояннотоково напрежение на поляризация от около 8–12 V.
- Механичните вибрации модулират това напрежение, поради което измерената стойност се проявява като малък променливотоков сигнал, насложен върху постояннотоковото отклонение.
- Входният етап на уреда е свързан по променлив ток: той блокира постояннотоковото отклонение и отчита само променливотоковата съставна част на колебанията.
Тъй като сигналът напуска сензора при ниско съпротивление, той е до голяма степен защитен от капацитивния и трибоелектричния шум, които са често срещан проблем при кабелите за зареждане с високо съпротивление.
3. Основни предимства
- Простота: без външен усилвател на сигнала, обикновено двужично свързване, стандартен коаксиален кабел и бърз монтаж.
- Дълги кабелни трасета: изходът с ниско съпротивление позволява използването на кабели с дължина до около 300 м (1000 фута) с минимална загуба на сигнал и без необходимост от специален кабел.
- Устойчивост на шум: Ниското съпротивление на източника осигурява значително по-добро потискане на електромагнитните и радиочестотните смущения в сравнение с режима на заряд, поради което IEPE сензорите се представят отлично в производствени обекти с високи нива на електромагнитни смущения.
- Икономическа ефективност: Премахването на усилвателите на заряда намалява както разходите за системата, така и тези за монтажа, а сензорите са широко разпространен индустриален стандарт, който се предлага в големи количества.
4. Технически характеристики и експлоатационни показатели
Типични спецификации
- Чувствителност: Обичайно е да се използва диапазон от 10–100 mV/g, като 100 mV/g е де факто стандартът за общо машиностроене; виж чувствителност на сензора за това как това мащабира изхода.
- Честотен диапазон: приблизително от 0,5 Hz до 10 kHz, като долната честотна граница се определя от променливотоковото свързване.
- Диапазон на измерване: За промишлените устройства типичният диапазон е от ±50 г до ±500 г.
- Температурен диапазон: От -50 °C до +120 °C в стандартното изпълнение, като вариантите за високи температури достигат +175 °C.
- Необходимо е захранване: Захранване 18–30 VDC при постоянен ток 2–20 mA.
Характеристики на производителността
Качествено изработените IEPE сензори предлагат отлична линейност (обикновено с грешка под 1%), ниско ниво на шума, равна честотна характеристика в целия работен диапазон и калибриране, което остава стабилно в продължение на години. Препоръчително е да проверите дали чувствителността съответства на входния диапазон на вашия уред Калкулатор за чувствителност на вибрационния сензор така че очакваното от вас пълно ускорение няма да претовари усилвателя.
5. Ограничения, които трябва да се спазват
Нискочестотен отговор
Тъй като изходът е с променливотокова връзка, кондензаторът блокира постояннотоковото напрежение и честотната характеристика започва да спада при нискочестотна граница, обикновено между 0,5 и 2 Hz (точката на −3 dB). Поради това IEPE сензорът не може да измерва истинско постояннотоково напрежение или много бавни промени. Това не представлява проблем за повечето машини, работещи при обороти над ~300 об./мин., но се превръща в сериозно ограничение при валове с много ниска скорост, където е за предпочитане да се използва сензор, способен да измерва постояннотоково напрежение.
Температурни ограничения
Вградената електроника е слабото място при високи температури: стандартните IEPE датчици са ограничени до около 120 °C, а дори и вариантите за високи температури достигат максимум около 175 °C. При по-високи температури електрониката излиза от строя, което е и причината датчиците от типа „charge-mode“ — които нямат вътрешна електроника — да остават предпочитаният избор при температури над около 200 °C, в ядрената енергетика и в други екстремни условия.
Чувствителност към заземяващи вериги
Потискането на общия режим е само умерено, така че разликите в потенциала на заземяването между сензора и уреда могат да предизвикат шум. Правилното заземяване и, където е необходимо, електрическата изолация предотвратяват това; при правилно изпълнена инсталация това рядко представлява проблем.
6. Най-добри практики при използването и инсталирането
IEPE сензорите се срещат почти навсякъде, където се измерват вибрации: мониторинг по маршрут с преносим колектор на данни, постоянни онлайн системи, временни връзки за отстраняване на неизправности, магазин и балансиране на полето изпитване на работоспособността и приемателните изпитвания на нови или ремонтирани машини. В контекста на балансирането същият IEPE канал измерва както 1× амплитуда и фаза. Преносим двуканален уред като Balanset-1A прилага същия принцип на измерване със своите два аналогови MEMS акселерометъра (не IEPE устройства): измерва в собствените лагери на машината при работна скорост, изчислява коефициентите на влияние и проверява остатъчен дисбаланс в сравнение с избрания клас на качество — и всичко това без балансираща машина.
Методи за монтаж
Начинът, по който свързвате сензора, пряко ограничава неговата използваема честотна лента — вижте специалната бележка по този въпрос монтаж на сензора и международните правила в ISO 5348:
- Монтаж на шпилка: най-добра производителност и най-висока работна честота (над 10 kHz).
- Лепило: добри, полупостоянни характеристики до около 7–8 kHz.
- Магнитни: удобно и подходящо за рутинно наблюдение до около 2–3 kHz.
- Ръчна сонда: само бърз преглед, с ограничена точност и обхват.
Проверка на кабелите и захранването
- Използвайте качествен коаксиален кабел, избягвайте прегъването или острите завои, закрепете го така, че да не се разклаща, и го дръжте на разстояние от високоволтови кабели.
- Уверете се, че уредът подава правилния постоянен ток (2–20 mA), проверете напрежението на поляризация (обикновено 8–12 VDC) и се уверете, че захранването е в диапазона 18–30 VDC.
- Ако имате съмнения, проверете канала с изправен сензор, за да установите къде се намира повредата – в сензора, кабела или уреда.
7. IEPE в сравнение с други видове акселерометри
| Тип | Електроника | Окабеляване | Най-добро прилягане |
|---|---|---|---|
| IEPE / ICP® | Вграден усилвател | Обикновени коаксиални кабели с голяма дължина | ~95 % от индустриалната дейност |
| Режим на зареждане | Няма (изисква външен заряден усилвател) | Специален кабел с ниско ниво на шум | Екстремна топлина (>175 °C), ядрена |
| МЕМС | Микрообработен силиций | Често интегрирани/цифрови | Ниска цена, компактни размери, отклик при постоянен ток |
В сравнение с режима на заряд, IEPE печели по отношение на простота и цена, но отстъпва по отношение на устойчивостта при много високи температури. В сравнение с MEMS, пиезоелектрическият IEPE предлага по-добра чувствителност, по-широка честотна лента и по-дълъг доказан опит, докато MEMS отговаря с по-ниска цена, по-малки размери и истински DC отклик. За по-голямата част от машините в заводите, IEPE акселерометърът остава оптималният баланс между производителност, простота и цена — което е точно причината, поради която той е изместил по-старите сензори в режим на заряд и сензорите с високоимпедансно напрежение при повечето стандартни задачи за мониторинг на състоянието, балансиране и отстраняване на неизправности.
