Разбиране на зарядния усилвател
A усилвател на заряда е електронно устройство за кондициониране на сигнала, което преобразува малкия високоомен заряд, измерван в пикокуломи (pC), на заряден режим пиезоелектричен акселерометър в нискоимпедансно напрежение, подходящо за окабеляване и за обработка от измервателен уред. По същество това е прецизен преобразувател на заряд в напрежение и усилвател и е елементът, който прави практично отчитането в режим на заряд. Сензорите в режим на зареждане нямат вградена електроника, така че те издържат на екстремни температури и тежки условия, при които IEPE акселерометър просто ще се провали.
Зарядните усилватели са много по-рядко срещани в рутинния промишлен мониторинг, отколкото някога - самостоятелният сензор IEPE ги е изместил почти навсякъде - но те остават от съществено значение навсякъде, където сензорната електроника не може да издържи: при температури над 175 °C, в полета на ядрена радиация и в някои искробезопасни инсталации. Затова разбирането на начина на работа на усилвателя на заряд е от значение както за високотемпературните вибрация мониторинг и за поддържане на работата на по-стари измервателни системи.
1. Принцип на действие
Преобразуване на заряд в напрежение
Пиезоелектричен кристал генерира електрически заряд Q пропорционално на ускорение усеща се. Този заряд се пренася по специален кабел с ниско ниво на шум в усилвателя, където операционен усилвател го интегрира върху кондензатор за обратна връзка. След това изходното напрежение е просто:
V = Q / Cобратна връзка
Тъй като кондензаторът за обратна връзка, а не кабелът, определя усилването, резултатът е чисто, нискоимпедансно напрежение, обикновено до ±10 V при пълна скала, което може да управлява дълги кабелни трасета, без да губи вярност.
Основни характеристики на веригата
- Много висок входен импеданс (повече от 1012 Ω), така че ценният заряд да не изтече, преди да бъде измерен.
- Кондензатор за обратна връзка определя коефициента на усилване и следователно системата чувствителност.
- Резистор за обратна връзка задава пречупването на ниските честоти (ъгъла на високочестотната лента).
- Дизайн с ниско ниво на шум, което е от решаващо значение, тъй като входният сигнал е много слаб.
- Множество настройки на усилването така че един усилвател може да обслужва сензори с различна чувствителност.
2. Защо да изберете система с режим на зареждане
Цялата причина да се приеме допълнителният хардуер на усилвателя на заряда е способността на сензора, който той захранва:
- Екстремна температура: Сензорите с режим на зареждане работят до 650 °C, а някои - до 1000 °C, тъй като вътре няма полупроводници, които да се нагряват. Това е незаменимо за изпускателните системи, пещите, пещите и работата по тестване на двигатели - сензорът IEPE се ограничава до 175 °C.
- Устойчивост на радиация: без активна електроника в главата на сензора, устройствата с режим на зареждане са подходящи за ядрени среди, където електрониката на IEPE би била унищожена.
- Възможност за смяна на кабели: тъй като усилването зависи от кондензатора за обратна връзка, а не от кабела, можете да променяте дължината на кабела в рамките на ограниченията, без да извършвате повторно калибриране - полезна гъвкавост по време на инсталацията.
3. Недостатъци и практически предизвикателства
Тези предимства имат реална цена, поради което режимът на зареждане вече е специализиран избор:
- Сложност на системата: отделен външен усилвател увеличава разходите, обема и допълнителната точка на повреда, а настройката е по-сложна от веригата IEPE.
- Изисквания към кабелите: Системата изисква специален кабел с ниско ниво на шум, тъй като при движение на обикновения кабел се генерира лъжлив заряд през трибоелектричен ефект. Кабелът трябва да се притиска, за да се предотврати огъването му, струва повече от стандартния коаксиален кабел и обикновено е ограничен до около 100 м.
- Чувствителност към влага: много високият импеданс, на който се основава конструкцията, също е уязвим към спад в съпротивлението на изолацията. Навлизането на влага причинява отклонение на сигнала и шум, така че доброто уплътняване и състоянието на кабела са от съществено значение.
4. Кога да използвате режима на зареждане и кога не
Истински необходимо
- Висока температура: над 175 °C - изпускателни системи, пещи, пещи, изпитване на двигатели.
- Ядрена среда: нива на радиация, които са по-високи от допустимите за сензорната електроника.
- Експлозивни атмосфери: Искробезопасни сензори без активна електроника в главата.
- Изследване: специализирано изпитване, което зависи от характеристиките на режима на зареждане.
По-добре да се избягва
- Стандартен индустриален мониторинг на състоянието - вместо това използвайте IEPE.
- Дълги кабелни трасета през електрически шумни инсталации.
- Проекти с ограничен бюджет, тъй като усилвателите на заряда са скъпи.
- рутинна работа по маршрути, при която допълнителната сложност не е оправдана.
5. Функции, настройка и калибриране
Типичен усилвател на заряда предлага регулируеми усилване/чувствителност - обикновено варира от 0,1 до 1000 mV/pC, така че един и същ уред може да служи за много сензори, при условие че е калибриран за използвания - плюс управление на честотната реакция чрез регулируем високочестотен ъгъл (често 0,1-10 Hz), нискочестотен филтър против изглаждане, а понякога и вградени интеграция или диференциация за осигуряване на скорост или преместване. Изходът с нисък импеданс захранва дълги кабели - обикновено ±10 V - и може да захранва повече от един инструмент.
Конфигурацията следва ясна последователност: свържете сензора с правилния кабел с нисък шум; настройте усилването, за да съответства на чувствителността на сензора към заряд; настройте ъглите на високочестотната и нискочестотната лента за приложението; насочете изхода към анализатора; и накрая проверете цялата верига от край до край с известно възбуждане. Тази проверка обикновено се извършва на трептяща маса, с ръчен преносим калибратор или чрез обратно сравнение с референтен сензор - проверява се както чувствителността, така и честотната характеристика. Издаване на нов сертификат за калибриране след тази стъпка се запазва проследимостта на измерванията - точно тази дисциплина, която е в основата на всяка надеждна калибриране режим.
6. Съвременни тенденции и мястото на зарядния усилвател днес
Траекторията е на намаляваща употреба: IEPE замени режима на зареждане в по-голямата част от приложенията, тъй като е по-прост, по-евтин и по-лесен за внедряване, а някои съоръжения активно се отказват от системите с режим на зареждане. Въпреки това остава твърдо ядро от задължения - високотемпературен мониторинг на газови турбини и двигатели, атомни електроцентрали, изследователски лаборатории, прецизни измервания, които използват характеристиките на режима на зареждане, и поддръжка на стари инсталации. За повечето полеви дейности практическата алтернатива е автономна верига IEPE, захранваща преносим уред, като например Балансет-1а, който инженерът използва за измерване на амплитуда и фаза и да балансира ротор в собствените си лагери без преден край на усилвател на заряда. Следователно усилвателят на заряда е специализиран инструмент: сложен и скъп, но единственият начин да се отведе сензор там, където обикновената електроника не може да го последва.
