Įkrovos stiprintuvo veikimo principas
A įkrovimo stiprintuvas yra elektroninis signalų apdorojimo įrenginys, kuris konvertuoja nedidelį, didelės varžos krūvio išėjimą — matuojamą pikokulombais (pC) — krūvio režimo pjezoelektrinis akselerometras į mažos varžos įtampą, tinkamą perduoti kabeliais ir apdoroti matavimo prietaisu. Iš esmės tai yra tikslus krūvio-įtampos keitiklis ir stiprintuvas, ir būtent šis elementas leidžia praktiškai taikyti krūvio režimo jutiklius. Krūvio režimo jutikliai neturi įmontuotos elektronikos, todėl jie atlaiko ekstremalias temperatūras ir atšiaurias aplinkos sąlygas, kuriose IEPE akselerometras tiesiog nepavyktų.
Įkrovos stiprintuvai kasdienėje pramoninėje stebėsenoje naudojami kur kas rečiau nei anksčiau – juos beveik visur išstūmė savarankiški IEPE jutikliai – tačiau jie tebėra nepakeičiami ten, kur jutiklio elektronika negali veikti: esant temperatūrai, viršijančiai maždaug 175 °C, branduolinės spinduliuotės laukuose ir tam tikrose iš esmės saugiose sistemose. Todėl supratimas, kaip veikia įkrovos stiprintuvas, yra svarbus tiek aukštos temperatūros vibracija stebėjimui ir senesnių matavimo sistemų veikimo užtikrinimui.
1. Veikimo principas
Įkrovos ir įtampos keitimas
Pjezoelektrinis kristalas generuoja elektros krūvį Q proporcingai pagreitis taip jaučiasi. Šis krūvis specialiu mažai triukšmo keliančiu kabeliu perduodamas į stiprintuvą, kur operacinis stiprintuvas jį integruoja į grįžtamojo ryšio kondensatorių. Tuomet išėjimo įtampa yra paprasčiausiai:
V = Q / Cfeedback
Kadangi stiprinimą nustato grįžtamojo ryšio kondensatorius, o ne kabelis, gaunamas švarus, mažos varžos įtampos signalas, paprastai siekiantis iki ±10 V esant maksimaliam matavimo diapazonui, kuris gali perduoti signalą per ilgus kabelius neprarandant garso kokybės.
Pagrindinės grandinės savybės
- Labai didelė įėjimo varža (daugiau nei 10)12 Ω), kad brangusis krūvis neišsisklaidytų prieš jį išmatuojant.
- Grįžtamojo ryšio kondensatorius nustato stiprinimą ir kartu visą sistemą jautrumas.
- Atsiliepimo rezistorius nustato žemo dažnio nuolydį (aukšto dažnio filtro ribą).
- Tylus veikimas, o tai yra labai svarbu, nes įėjimo signalas yra labai silpnas.
- Įvairūs stiprinimo nustatymai todėl vienas stiprintuvas gali aptarnauti skirtingo jautrumo jutiklius.
2. Kodėl verta rinktis „Charge-Mode“ sistemą
Pagrindinė priežastis, dėl kurios verta rinktis papildomą įkrovos stiprintuvo įrangą, yra jo maitinamo jutiklio galimybės:
- Ekstremalios temperatūros: Įkrovos tipo jutikliai gali veikti esant iki 650 °C temperatūrai, o kai kurie – net iki 1000 °C, nes jų viduje nėra puslaidininkių, kurie galėtų perkaisti. Tai yra būtina išmetimo sistemose, krosnyse, degimo krosnyse ir atliekant variklių bandymus – IEPE jutiklio veikimo riba yra apie 175 °C.
- Atsparumas radiacijai: Kadangi jutiklio galvutėje nėra aktyvių elektroninių komponentų, krūvio režimo įrenginiai tinka branduolinėms aplinkoms, kuriose IEPE elektronika būtų sunaikinta.
- Kabelio keičiamumas: Kadangi stiprinimas priklauso nuo grįžtamojo ryšio kondensatoriaus, o ne nuo kabelio, kabelio ilgį galima keisti tam tikrose ribose be pakartotinio kalibravimo – tai suteikia naudingą lankstumą montavimo metu.
3. Trūkumai ir praktiniai sunkumai
Šie privalumai turi savo kainą, todėl įkrovimo režimas dabar yra skirtas tik specialistams:
- Sistemos sudėtingumas: Atskiras išorinis stiprintuvas padidina išlaidas, užima daugiau vietos ir sukuria papildomą gedimo tašką, o jo įrengimas yra sudėtingesnis nei „plug-and-play“ tipo IEPE grandinės.
- Kabelio reikalavimai: Šiai sistemai reikalingas specialus mažai triukšmo keliančio kabelis, nes judant įprastam kabeliui susidaro netikrasis krūvis per triboelektrinis efektas. Kabelis turi būti pritvirtintas, kad nesilankstytų, kainuoja brangiau nei įprastas koaksialinis kabelis ir paprastai jo ilgis neviršija maždaug 100 m.
- Jautrumas drėgmei: labai didelė varža, kuria grindžiamas šis projektas, taip pat yra jautri izoliacijos varžos sumažėjimui. Drėgmės patekimas sukelia signalo nukrypimus ir triukšmą, todėl labai svarbu užtikrinti gerą sandarumą ir gerą kabelių būklę.
4. Kada naudoti įkrovimo režimą — ir kada to nedaryti
Iš tikrųjų būtina
- Aukšta temperatūra: daugiau nei 175 °C — išmetimo sistemos, krosnys, degimo krosnys, variklių bandymai.
- Branduolinės aplinkos: spinduliuotės lygis, viršijantis jutiklio elektronikos tolerancijos ribas.
- Sprogiosios aplinkos: iš esmės saugūs jutikliai, kurių galvutėje nėra aktyviosios elektronikos.
- Tyrimai: specializuoti bandymai, priklausantys nuo įkrovimo režimo charakteristikų.
Better avoided
- Standartinis pramoninis būklės stebėjimas — vietoj to naudokite IEPE.
- Ilgas kabelis eina per elektros trukdžių turinčią gamyklą.
- Projektai su ribotu biudžetu, nes signalų stiprintuvai yra brangūs.
- Įprastas, maršrutu grindžiamas darbas, kur papildomas sudėtingumas nėra pateisinamas.
5. Funkcijos, nustatymas ir kalibravimas
Tipinis įkrovos stiprintuvas turi reguliuojamą jautrumas — paprastai svyruoja nuo maždaug 0,1 iki 1000 mV/pC, todėl tas pats matavimo prietaisas gali būti naudojamas su daugeliu jutiklių, jeigu jis yra kalibruotas pagal konkrečiai naudojamą jutiklį — be to dažnių atsako reguliavimas per reguliuojamą aukšto dažnio filtrą (dažniausiai 0,1–10 Hz), žemo dažnio antialiasing filtras, o kartais ir integruotos integracija arba differentiation greičiui arba poslinkiui matuoti. Jo mažos varžos išėjimas tinka ilgoms laidų atkarpoms – paprastai ±10 V – ir gali maitinti daugiau nei vieną matavimo prietaisą.
Konfigūravimas vyksta pagal aiškią seką: prijunkite jutiklį tinkamu mažai triukšmo keliančiu kabeliu; nustatykite stiprinimą taip, kad jis atitiktų jutiklio krūvio jautrumą; nustatykite aukšto dažnio ir žemo dažnio ribas pagal konkrečią taikymo sritį; nukreipkite išėjimą į analizatorių; ir galiausiai patikrinkite visą grandinę nuo pradžios iki galo naudodami žinomą sužadinimo signalą. Šis patikrinimas paprastai atliekamas ant vibracinio stalo, naudojant nešiojamą kalibratorių arba atliekant tiesioginį palyginimą su etaloniniu jutikliu – tikrinant tiek jautrumą, tiek dažnio atsaką. Išduodant naują kalibravimo sertifikatas po šio žingsnio išlieka matavimų atsekamumas – būtent tas principas, kuriuo grindžiamas bet koks patikimas kalibravimas regime.
6. Šiuolaikinės tendencijos ir įkrovos stiprintuvo vieta šiandien
Ši technologija vis rečiau naudojama: daugumoje atvejų IEPE jau pakeitė krūvio režimą, nes ji yra paprastesnė, pigesnė ir lengviau įdiegti, o kai kurios įmonės aktyviai atsisako krūvio režimo sistemų. Vis dėlto lieka keletas pagrindinių taikymo sričių – aukštos temperatūros stebėjimas dujų turbinose ir varikliuose, branduolinėse elektrinėse, mokslinių tyrimų laboratorijose, tikslūs matavimai, kuriuose išnaudojamos krūvio režimo savybės, bei senųjų įrenginių priežiūra. Daugeliui lauko darbų praktiška alternatyva yra autonominė IEPE grandinė, maitinančia nešiojamąjį prietaisą, pvz., Balanset-1A, kurį inžinierius naudoja matuoti amplitudė ir fazė ir siekiant subalansuoti rotorius veikiant savarankiškai, be krūvio stiprintuvo priekinės grandinės. Taigi krūvio stiprintuvas yra specializuota priemonė: sudėtinga ir brangi, tačiau vienintelis būdas panaudoti jutiklį ten, kur įprasta elektronika negali pasiekti.
