Pochopení citlivosti senzoru
Citlivost je to poměr výstupního signálu snímače k fyzikální veličině, kterou měří – v podstatě jde o jeho zesílení nebo převodní faktor. Pro vibrace u snímačů určuje citlivost, kolik elektrického výstupu (napětí nebo náboje) se vygeneruje na jednotku vibrace, ať už jsou tyto vibrace vyjádřeny jako zrychlení, rychlost nebo výchylka. Vyšší citlivost zajišťuje větší výstupní signál při dané úrovni vibrací, což zlepšuje rozlišení a poměr signálu k šumu – zároveň však omezuje maximální úroveň vibrací, kterou lze změřit, než dojde k nasycení výstupu snímače. Citlivost je základní parametr, který musíte znát, abyste mohli převést surové napětí snímače na smysluplné technické jednotky. Je pevně nastavena již při výrobě kalibrace, zaznamenáno na kalibrační certifikáta používá se ve všech následujících výpočtech vibrací.
Hned na úvod jedno upřesnění: tento článek se zabývá senzor citlivost, tedy poměr výstupu snímače k vstupu. Nesmí se zaměňovat s citlivost vyvažování, který popisuje, o kolik se měřená hodnota vyvažovacího stroje změní na jednotku nevyváženosti rotoru – jde o související pojem, avšak o odlišnou veličinu.
1. Jednotky citlivosti podle typu snímače
Akcelerometry
Na stránkách akcelerometr je základním přístrojem pro měření vibrací a jeho citlivost se uvádí různě v závislosti na typu zpracování signálu.
- IEPE / napěťový režim: vyjádřené v mV/g (milivoltů na gram zrychlení); typické hodnoty 10–1000 mV/g, přičemž 100 mV/g nejběžnější univerzální hodnota. Přístroje s vysokou citlivostí v rozmezí 500–1000 mV/g jsou vhodné pro práci v prostředí s nízkými vibracemi, zatímco přístroje s nízkou citlivostí v rozmezí 10–50 mV/g jsou vhodné pro prostředí s vysokými vibracemi a nárazy.
- Nábojový režim: vyjádřené v pC/g (pikokoulomby na gram); typické hodnoty 1–1000 pC/g, přičemž pro běžné použití je běžná hodnota 10–50 pC/g.
Snímače rychlosti a snímače posuvu
- Snímače rychlosti: mV na in/s nebo mV na mm/s — typicky 100 mV/in/s, což odpovídá přibližně 3.94 mV/mm/s; někdy se uvádí jako V na m/s (100 mV/in/s ≈ 3.94 V/(m/s)).
- Snímače posunutí: mV/mil nebo V/mm — obvykle 200 mV/mil nebo 7,87 V/mm pro snímače vířivých proudůa vždy kalibrovány pro konkrétní cílový materiál a rozsah mezery.
2. Kompromisy v citlivosti
Hlavním rozporem při výběru snímače je to, že citlivost a měřicí rozsah směřují opačným směrem.
Vysoká citlivost (100–1000 mV/g)
- Výhody: vysoký výstupní signál při nízkých vibracích, lepší rozlišení pro detekci drobných změn, lepší poměr signálu k šumu a ideální výkon u strojů s nízkými vibracemi.
- Nevýhody: a omezený dynamický rozsah který dosahuje nasycení již při nižších vibracích (obvykle v rozmezí ±5 g až ±50 g), a proto není vhodný pro použití v prostředí s vysokými vibracemi nebo nárazy.
Nízká citlivost (10–50 mV/g)
- Výhody: široký dynamický rozsah umožňující měření silných vibrací (±100 g až ±10 000 g), vhodnost pro měření nárazů a otřesů a absence saturace i v extrémních podmínkách.
- Nevýhody: menší výstupní signál pro nízké vibrace, horší poměr signálu k šumu, snížené rozlišení a riziko, že uniknou malé změny.
3. Volba citlivosti podle účelu použití
Obecně platí, že snímač je třeba zvolit tak, aby odpovídal předpokládané úrovni vibrací, a signál tak pohodlně vyplnil vstupní rozsah přístroje, aniž by docházelo k ořezání signálu.
- Nízké vibrace (< 5 mm/s): vysoká citlivost (100–500 mV/g) pro přesné a pomalu běžící stroje, u nichž záleží na dobrém rozlišení drobných změn.
- Střední vibrace (5–20 mm/s): standardní citlivost (50–100 mV/g) pro běžné průmyslové stroje – nejčastěji používaný rozsah.
- Silné vibrace (> 20 mm/s): nízká citlivost (10–50 mV/g), aby se zabránilo saturaci na drtičích, mlýnech a zařízeních s vysokým nevyvážením.
- Náraz a úder: velmi nízká citlivost (1–10 mV/g) pro dosažení hodnot ±1000 g a více při nárazových a kolizních zkouškách.
4. Vliv na měření
Úroveň signálu, dynamický rozsah a šum
- Úroveň signálu: Vyšší citlivost poskytuje vyšší signální napětí, které lépe vyplňuje vstupní rozsah přístroje a zvyšuje rozlišení – zároveň však omezuje maximální měřitelnou amplitudu vibrací.
- Dynamický rozsah: rozsah od šumové hladiny po saturaci; vysoká citlivost poskytuje úzký rozsah (vhodný pro malé signály), nízká citlivost široký rozsah (vhodný pro proměnlivé signály) – jde o přímý kompromis mezi rozlišením a rozsahem.
- Šumové vlastnosti: Každý snímač má svou vlastní úroveň elektrického šumu; při nízkých vibracích zajišťuje vyšší citlivost lepší poměr signálu k šumu, zatímco s klesající citlivostí se tento šum stává úměrně výraznější.
Praktický příklad: snímač s citlivostí 100 mV/g vystavený vibracím o síle 50 g vygeneruje výstupní signál o napětí 5 V. Pokud je vstupní rozsah přístroje ±5 V, je tento snímač plně využit až do svého maximálního zatížení 50 g – při překročení této hodnoty dojde k ořezání signálu.
5. Kalibrace a ověřování
Citlivost má smysl pouze tehdy, je-li přesná a aktuální, a proto se ověřuje ve třech bodech životnosti snímače.
- Tovární kalibrace: Nové snímače jsou kalibrovány ve výrobním závodě, přičemž citlivost je uvedena na těle snímače nebo v certifikátu s tolerancí obvykle ±5–10 %; před jakýmkoli kritickým použitím ji ověřte.
- Pravidelná rekalibrace: Citlivost se může v průběhu času měnit, proto snímač každoročně nebo podle plánu překalibrujte, z nového certifikátu převezměte aktualizovanou hodnotu a zadejte ji do přístroje nebo proveďte korekci.
- Ověření v terénu: Ruční kalibrátor vysílá známý referenční vibrační signál, díky čemuž můžete ověřit, zda výstup odpovídá očekávané hodnotě (citlivost × vstup) – jde o rychlou kontrolu správnosti fungování před důležitými měřeními.
To se liší od trvalá kalibrace při vyvažování rotorů, kde se tento pojem vztahuje na uloženou a opakovaně použitelnou kalibraci samotného vyvažovacího stroje, na rozdíl od citlivosti snímače.
6. Související specifikace
- Rozsah měření: maximální hodnota vibrací, kterou senzor dokáže zaznamenat, a která je nepřímo úměrná citlivosti – senzor s citlivostí 100 mV/g a výstupním napětím ±5 V má rozsah ±50 g.
- Rozlišení: nejmenší zjistitelná změna, omezená šumem a digitalizací; vyšší citlivost obvykle znamená lepší rozlišení.
- Linearita: jak stabilní zůstává citlivost v celém měřicím rozsahu – kvalitní snímače vykazují odchylku od lineárního průběhu < 1 %, což se udává jako procentuální chyba v plném rozsahu.
7. Praktické aspekty
Přizpůsobení vstupů přístrojů a heterogenní sady snímačů
- Shoda vstupů: vstupní rozsah přístroje musí odpovídat výstupu snímače – snímač s citlivostí 100 mV/g při zrychlení 50 g generuje signál 5 V, který musí být kompatibilní se vstupem ±5 V; díky nastavitelným vstupním zesílením může jeden přístroj pracovat s různými citlivostmi.
- Více senzorů: Používání senzorů s různou citlivostí v rámci jednoho programu vyžaduje nastavení přístroje pro každý z nich, přičemž zadání nesprávné citlivosti je častým zdrojem chyb – sjednocení na jednu citlivost provoz výrazně zjednodušuje.
U přenosného přístroje představuje hodnota citlivosti přesně to, co software potřebuje k převodu milivoltů ze snímače na hodnoty amplitudy a fáze, které se používají pro diagnostiku a vyvažování. Polní analyzátor, jako je například Balanset-1A je nastavena s citlivostí každého dodaného akcelerometr aby se naměřené hodnoty zobrazovaly v reálných technických jednotkách; zadání správné hodnoty zaručuje, že naměřená hodnota v mm/s je dostatečně spolehlivá pro výpočet korekce vyvážení. Pokud zadaná citlivost neodpovídá nainstalovanému snímači, budou všechny následující hodnoty chybné ve stejném poměru. Očekávaný výstup pro daný snímač a vibrace si můžete ověřit pomocí našeho Kalkulačka citlivosti vibračního senzoru.
Citlivost snímače je základní parametr, který určuje převod fyzických vibrací na elektrický signál. Porozumění jednotkám, výběr hodnoty odpovídající očekávané úrovni vibrací a její správné zadání do měřicího přístroje jsou zásadní pro přesná měření, správný výběr snímače a pro zamezení chybám způsobeným nesouladem citlivosti nebo saturací.
