Įtampos režimo akselerometrų supratimas
A įtampos režimo akselerometras yra pjezoelektrinis akselerometras su įmontuota signalo apdorojimo elektronika, kuri pjezoelektrinio kristalo generuojamą didelės varžos elektros krūvį paverčia mažos varžos įtampos išėjimo signalu. Šis terminas iš esmės yra sinonimas IEPE akselerometras (Integrated Electronics Piezo-Electric) ir su ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric, „PCB Piezotronics“ prekės ženklas). „Įtampos režimo“ pavadinimas tiesiog pabrėžia, kad jutiklis teikia įtampą (paprastai milivoltus vienam gramui), o ne krūvį (pikokulombus vienam gramui), todėl jis skiriasi nuo senesnio krūvio režimo modelio. Pripažįstant, kad įtampos režimas, IEPE ir ICP iš esmės apibūdina tą patį keitiklis leidžia daug lengviau susipažinti su produktų specifikacijomis ir technine literatūra.
Įtampos režimu veikiantys įrenginiai tapo vyraujančiu standartu pramonėje vibracija matavimams – gerokai daugiau nei 95 % taikymų – dėl savo paprastumo (nereikia išorinio stiprintuvo), patogumo naudoti (paprastas dviejų laidų jungimas) ir mažos kainos. Tai yra pagrindiniai jutikliai, naudojami daugumoje šiuolaikinių vibracijos stebėjimas ir diagnostika.
1. Kaip veikia įmontuota elektronika
Pagrindinis bruožas – mikroelektroninis stiprintuvas, įmontuotas jutiklio korpuse, esantis iškart už pjezoelektrinio elemento:
- Įtampos ir srovės keitimas: FET arba mažas integrinis stiprintuvas kristalo didelės varžos krūvį paverčia mažos varžos įtampa tiesiog šaltinyje, dar prieš signalui pasiekus kabelį.
- Nuolatinės srovės galia: stiprintuvas maitinamas nuolatinės srovės, kurią tiekia matavimo prietaisas – tie patys du laidai perduoda tiek nuolatinės srovės maitinimą, tiek kintamosios srovės signalą.
- Nuokrypis ir signalas kartu: . pagreitis signalas šiuo vieninteliu išėjimu perduodamas kaip kintamosios srovės įtampa, pridėta prie nuolatinės srovės poliarizacijos įtampos.
Kadangi impedanso keitimas vyksta pačiame jutiklyje, nebereikia naudoti ilgo, trapaus, elektros krūvį perduodančio kabelio, kuris kėlė problemų ankstesniuose modeliuose, o kartu išnyksta ir didžioji dalis su juo susijusių trukdžių bei jautrumo aplinkos veiksniams.
2. Išvesties formatas ir maitinimo reikalavimai
Output format
- Jautrumas: paprastai 10–1000 mV/g.
- Įprasta reikšmė: 100 mV/g yra pramonės standartas.
- Signal type: Kintamosios srovės įtampa, proporcinga pagreičiui.
- Išėjimo varža: mažas, paprastai mažesnis nei 100 omų.
Maitinimo reikalavimai
- Nuolatinė srovė: Paprastai 2–20 mA, dažniausiai nustatoma 4 mA.
- Maitinimo įtampa: 18–30 VDC.
- Bias voltage: Išėjime yra 8–12 V nuolatinės srovės.
- Dviejų laidų schema: Maitinimas ir signalas perduodami vienu koaksialiniu kabeliu.
3. Privalumai
Sistemos paprastumas
- Nėra išorinio įkrovimo stiprintuvas yra privaloma.
- Jutiklis prijungiamas tiesiogiai prie prietaiso.
- Mažesnės bendros sistemos išlaidos.
- Mažiau komponentų, taigi ir mažiau gedimų vietų.
Kabelio pralaidumas
- Dėl mažos išėjimo varžos galima prijungti ilgus kabelius – iki maždaug 300 m.
- Galima naudoti įprastą, nebrangų koaksialinį kabelį.
- Geras atsparumas elektros trukdžiams, atsirandantiems laidų trasoje.
- Lankstus ir nesudėtingas montavimas.
Ease of use
- Paprastas „plug-and-play“ veikimas.
- Minimal setup.
- Standartizuota, plačiai palaikoma sąsaja.
- Plačiai suderinama su įvairiais prietaisais ir duomenų surinkimo įrenginiais.
4. Palyginimas su įkrovimo režimo akselerometrais
Pasirinkimas tarp įtampos ir krūvio režimo schemų priklauso nuo eksploatavimo sąlygų.
| Aspektas | Įtampos režimas (IEPE/ICP) | Charge-Mode |
|---|---|---|
| Sistemos sudėtingumas | Paprasta — nereikia išorinio stiprintuvo | Reikalingas išorinis įkrovimo stiprintuvas |
| Kaina | Mažesnės | Aukštesnis |
| Cable | Ilgi kabeliai, standartinis koaksialinis kabelis, geras atsparumas trukdžiams | Trumpas, specialus, mažai triukšmo keliančio kabelis |
| Didžiausia temperatūra | Iki ~175 °C (elektronikos ribinė vertė) | Iki ~650°C |
| Ypatingos aplinkos | Ribotas | Atsparus radiacijai (branduolinis); neturi aktyvių elektroninių komponentų, kurie galėtų sugesti |
Trumpai tariant, įtampos režimas tinka daugiau nei 95 % pramoninių taikymų, o krūvio režimas skirtas tik toms nišinėms sritims, kuriose darbinė temperatūra viršija maždaug 175 °C arba yra jonizuojančiosios spinduliuotės, galinčios sugadinti įmontuotą elektroniką.
5. Bendrosios specifikacijos
Jautrumo nustatymai
- 10 mV/g: didelės vibracijos ir smūgiai (maždaug ±500 g diapazone).
- 50 mV/g: bendrojo naudojimo (apytiksliai ±100 g diapazonas).
- 100 mV/g: pramonės standartas (maždaug ±50 g ribose).
- 500–1000 mV/g: mažos vibracijos, tikslus darbas (maždaug ±5–10 g diapazone).
Tinkama vertė priklauso nuo numatomų amplitudžių; išėjimo įtampos ir fizinio pagreičio perskaičiavimas konkrečiam įrenginiui yra būtent tai, ką vibracijos jutiklio jautrumo skaičiuoklė kam jis skirtas, ir tai tiesiogiai susiję su nurodyta jutiklio jautrumas.
Dažnių atsakas
- Žemiausios dažnio riba: maždaug 0,5–5 Hz ties −3 dB tašku (su kintamosios srovės jungtimi).
- Aukšto dažnio riba: auga link nustatytos rezonansinės dažnio vertės, kuri, priklausomai nuo jutiklio dydžio, svyruoja nuo 10 iki 70 kHz.
- Usable band: iki maždaug vienos penktosios (20%) sumontuoto rezonanso dažnio, kad amplitudės tikslumas būtų kelių procentų ribose (pagal ISO 5348); vienas trečdalis rezonanso yra tik apytikslė atrankinė riba, su maždaug 10–12% amplitudės paklaida.
Temperatūros diapazonas
- Standartinis: nuo −50 iki +120 °C.
- Išplėstinis: nuo −50 iki +150 °C.
- High-temp: nuo −50 iki +175 °C.
- Esant aukštesnei nei 175 °C temperatūrai, būtinas įkrovimo režimo jutiklis.
6. Variantai, pakuotės ir lygiaverčiai terminai
Dizaino variantai
- IEPE su slėgio režimu (dažniausiai naudojamas, ekonomiškas).
- Šlyties režimas IEPE (aukščiausios klasės, pasižymintis didesniu atsparumu baziniam deformavimui ir temperatūros svyravimams).
- Diferencinis išėjimas (pagerintas bendrojo režimo slopinimas).
- Mažai triukšmo keliančios versijos (itin mažas triukšmo lygis, skirtas tiksliems matavimams).
Package types
- Pramoninis (hermetiškai uždaromas ir tvirtas).
- Miniatiūrinis (skirtas vietoms, kur trūksta vietos).
- Triaxialus (trys statmenios ašys viename korpuse).
- Subminiatiūrinis (sveria mažiau nei 10 gramų, skirtas lengvoms konstrukcijoms).
Panašūs terminai, su kuriais susidursite
- Voltage-mode: bendrasis apibūdinimas.
- IEPE: Integruota elektronika Pjezoelektronika — standartinis bendrinis terminas.
- ICP®: Piezoelektrinė integrinė grandinė — „PCB Piezotronics“ prekės ženklas.
- CCLD: Nuolatinės srovės linijinis maitinimas — „Brüel & Kjær“ terminija.
- Deltatron®: „Brüel & Kjær“ prekės ženklas.
- Visa tai: iš esmės ta pati technologija – pjezoelektrinis elementas ir įmontuota elektronika, maitinama nuolatinės srovės šaltiniu.
7. Geriausia praktika šioje srityje
Atliekant kasdienius su besisukančiais mechanizmais susijusius darbus, protingiausias pasirinkimas yra 100 mV/g pramoninio lygio hermetiškai užsandarintas jutiklis; pasirinkite temperatūros klasę, atitinkančią montavimo vietą, o užterštoms ar drėgnoms aplinkoms – sandarų korpusą. Montavimo būdas yra labai svarbus, nes nuo to, kaip pritvirtinamas jutiklis, priklauso didžiausias jo darbinis dažnis:
- Smeigės tvirtinimas siekiant atlikti aukščiausio dažnio ir labiausiai pakartojamus matavimus.
- Klijai skirta pusiau nuolatinėms instaliacijoms.
- Magnetic base greitam maršruto tyrimui — patogu, tačiau tai sumažina rezonansą ir kartu naudingą dažnių juostą.
- Teisingai jutiklio montavimas už ISO 5348 yra labai svarbus; galite įvertinti, kaip tam tikras montavimo būdas pakeičia didėjantis rezonansas with an akcelerometro tvirtinimo rezonanso skaičiuoklė.
Reguliariai kalibruokite jutiklį (svarbiausiems įrenginiams – kartą per metus), patikrinkite laidus, įsitikinkite, kad montavimas yra tinkamas, ir prieš atliekant bet kokį svarbų matavimą atlikite greitą funkcionalumo patikrinimą; periodiškai kalibravimas būtent tai užtikrina rodmenų atsekamumą. Atkreipkite dėmesį, kad ne kiekvienas nešiojamas prietaisas yra IEPE rodmenų įrenginys: šis Balanset-1A, pavyzdžiui, tiekiamas su dviem analoginiais MEMS akcelerometrai o ne IEPE/ICP įrenginiais, ir šio prietaiso suderinamumas su trečiųjų šalių IEPE/ICP jutikliais nėra viešai paskelbtas — prieš planuodami tokią integraciją pasitarkite su gamintoju.
Įtampos režimo akselerometrai (IEPE/ICP) yra pagrindiniai šiuolaikinės pramoninės vibracijos stebėjimo jutikliai, kuriuose aukštos kokybės pjezoelektrinis signalų keitimas derinamas su integruota elektronika, užtikrinančia paprastumą ir patikimumą. Jų dominavimas atspindi optimalų našumo, kainos ir naudojimo paprastumo balansą daugumoje besisukančių mašinų būklės stebėjimo ir diagnostikos taikymų.
