Akcelerometry piezoelektryczne – omówienie
A akcelerometr piezoelektryczny jest wibracja czujnik wykorzystujący efekt piezoelektryczny — właściwość, dzięki której niektóre kryształy wytwarzają ładunek elektryczny pod wpływem naprężeń mechanicznych — do przekształcania energii mechanicznej przyśpieszenie na sygnał elektryczny proporcjonalny do amplitudy drgań. Gdy czujnik ulega przyspieszeniu, wewnętrzna masa sejsmiczna ściska lub ścina element piezoelektryczny, a powstały ładunek lub napięcie jest przetwarzane i wysyłane jako sygnał pomiarowy. Dzięki szerokiemu zakresowi częstotliwości (od około 0,5 Hz do ponad 50 kHz), wysokiej czułości, wytrzymałości oraz samogenerującemu się elementowi pomiarowemu, który nie wymaga zewnętrznego zasilania, akcelerometr piezoelektryczny jest najczęściej stosowanym czujnikiem drgań w przemyśle i stanowi podstawę nowoczesnych analiza drgań oraz monitorowanie stanu.
1. Efekt piezoelektryczny
Zasada fizyczna
- Niektóre kryształy (kwarc, turmalin) i ceramika (PZT, tytanian baru) są piezoelektryczne
- Naprężenie mechaniczne powoduje powstanie ładunku elektrycznego na powierzchniach kryształu.
- Ładunek jest proporcjonalny do przyłożonej siły.
- Efekt ten jest odwracalny — przyłożenie napięcia powoduje odkształcenie elementu.
- Jest samogenerujący się, więc do wytworzenia samego ładunku nie jest potrzebna energia.
Wewnątrz akcelerometru
Łańcuch łączący ruch z sygnałem jest krótki i bezpośredni:
- Wibracje powodują drgania podstawy czujnika i obudowy.
- Na wewnętrzną masę sejsmiczną działa siła F = m × a.
- Siła ta wywiera nacisk na kryształ piezoelektryczny.
- Kryształ wytwarza ładunek proporcjonalny do siły, a zatem do przyspieszenia.
- Ładunek gromadzi się na elektrodach i jest przekształcany w sygnał mierzalny.
Ponieważ sygnał wyjściowy odzwierciedla przyspieszenie, ten sam sygnał można zintegrować elektronicznie w celu prędkość do analizy uszkodzeń w zakresie średnich częstotliwości lub bezpośrednio do prac w zakresie wysokich częstotliwości.
2. Rodzaje według budowy wewnętrznej
Sposób, w jaki kryształ jest obciążany przez masę sejsmiczną, określa charakter czujnika.
- Rodzaj sprężania: najpopularniejsza konstrukcja, w której kryształ jest ściśnięty między masą a podstawą. Jest wytrzymała i charakteryzuje się szerokim zakresem temperatur, dzięki czemu sprawdza się w trudnych warunkach — może jednak być bardziej wrażliwa na odkształcenia podstawy i skoki temperatury.
- Shear type: kryształ jest ścinany przez ruch masy. Taka konstrukcja zapewnia doskonałą izolację od odkształceń podstawowych, lepszą charakterystykę w zakresie niskich częstotliwości oraz niską wrażliwość na zmiany temperatury, dlatego też akcelerometr ścinający to najlepszy wybór do wymagających pomiarów.
- Typ zginający: Kryształ pracuje na zginanie, co umożliwia bardzo wysoką czułość, ale jest mniej wytrzymały i rzadziej spotykany w zastosowaniach przemysłowych.
Rodzaje ze względu na elektronikę
Drugi podział dotyczy tego, czy układ elektroniczny przetwarzający sygnał znajduje się wewnątrz czujnika, czy poza nim.
- Tryb ładowania: Wynikiem jest wartość ładunku w pikokulombach, co wymaga zastosowania zewnętrznego wzmacniacz ładunku. Wyjście o wysokiej impedancji jest wrażliwe na ruchy kabla i szum tryboelektryczny, ale dzięki braku wewnętrznych elementów elektronicznych czujniki te są odporne na ekstremalne temperatury (do około 650 °C), co czyni je nieodzownymi w specjalistycznych zastosowaniach wymagających pracy w wysokich temperaturach.
- IEPE / ICP (tryb napięciowy): wbudowana elektronika przekształca ładunek w napięcie o niskiej impedancji. IEPE interfejs — określany również jako akcelerometr pracujący w trybie napięciowym — stanowi standard branżowy, zapewniając proste połączenie dwuprzewodowe oraz doskonałą odporność na zakłócenia. Sprawdzi się w ponad 95% zastosowań przemysłowych.
4. Parametry techniczne
Czułość
Czułość to sygnał wyjściowy na jednostkę przyspieszenia — zazwyczaj 10–100 mV/g w przypadku czujników IEPE lub 1–100 pC/g w trybie ładunkowym. Wyższa czułość zapewnia większą rozdzielczość, ale mniejszy zakres maksymalny, dlatego wartość tę dobiera się tak, aby odpowiadała przewidywanym poziomom drgań; Kalkulator czułości czujnika drgań pomaga w przeliczaniu napięcia wyjściowego na odpowiadające mu przyspieszenie.
Zakres częstotliwości
- Niska częstotliwość: dolna granica wynosząca około 0,5–5 Hz, ustalona przez układ elektroniczny.
- Wysoka częstotliwość: górna granica w zakresie 5–50 kHz, regulowana przez zamontowany rezonans.
- Usable range: dla dokładności amplitudy rzędu kilku procent, do około jednej piątej (20%) rezonansu montażowego częstotliwości, zgodnie z ISO 5348; jedna trzecia rezonansu jest jedynie przybliżonym limitem przesiewowym, przy którym odczyt amplitudy jest już zawyżony o około 10–12%.
- Efekt montażu: Sposób montażu znacznie ogranicza osiągalną charakterystykę częstotliwościową w zakresie wysokich częstotliwości.
Zakres amplitudy i zakres dynamiczny
- Zakres ogólny: od ±50 g do ±500 g.
- Wysoka czułość: od ±5 g do ±50 g.
- Czujniki wstrząsów: od ±500 g do ±10 000 g.
Sygnał nie może w żadnym wypadku przekraczać zakresu czujnika, ponieważ spowoduje to jego przesterowanie i może doprowadzić do uszkodzenia elementu; szeroki zakres dynamiki pozwala jednemu czujnikowi wychwycić zarówno słabe tony łożyskowe, jak i silne drgania związane z prędkością obrotową w ramach tego samego pomiaru.
5. Kryteria wyboru
Dobór czujnika do danego zadania stanowi podstawę prawidłowej konfiguracji pomiarowej.
- Ogólne monitorowanie maszyn: akcelerometr IEPE o czułości 100 mV/g, z zakresem pomiarowym ±50 g, pasmem przenoszenia od 1 Hz do 10 kHz, przemysłowym zakresem temperatur (od -40 do +120 °C) oraz hermetyczną obudową.
- Wykrywanie uszkodzeń łożysk: szerszy zakres częstotliwości (do ponad 20 kHz) w celu uchwycenia częstotliwości uszkodzeń łożysk, umiarkowana czułość (10–50 mV/g), szeroki zakres dynamiczny oraz mocowanie śrubowe zapewniające optymalne sprzężenie wysokich częstotliwości — idealne połączenie do wykrywania początkowych wady łożysk.
- Zastosowania w wysokich temperaturach: IEPE do wysokich temperatur (do około 175 °C) lub w trybie ładunkowym (do około 650 °C), ze specjalnym mocowaniem i okablowaniem, przy czym dopuszcza się pewne pogorszenie parametrów technicznych w zamian za odporność na wysokie temperatury.
6. Montaż i instalacja
Interfejs mocujący stanowi część układu pomiarowego: określa on częstotliwość rezonansową mocowania, a tym samym górną granicę częstotliwości. Od najlepszego do najgorszego:
- Stud mount: najlepsze sprzężenie, płaskie do ponad 10 kHz.
- Klej: dobre, płaskie do około 7–8 kHz.
- Magnetyczny: dopuszczalne, płaskie do około 2–3 kHz.
- Sonda / urządzenie ręczne: słabe — ograniczone do niskich częstotliwości i pomiarów jakościowych.
Aby uzyskać wiarygodne dane o wysokiej częstotliwości, powierzchnia musi być czysta i płaska, śruba mocująca dokręcona z odpowiednim momentem, warstwa kleju cienka i równomierna, podstawa magnetyczna całkowicie osadzona, a kabel zamocowany tak, aby nie doszło do jego wyrwania. kalkulator rezonansu mocowania szacuje, gdzie kończy się użyteczne pasmo częstotliwości każdej z metod; w przypadku czujników zamontowanych na stałe należy przestrzegać zasad prawidłowego montaż czujnika są skodyfikowane w ISO 5348.
W terenie czujniki te stanowią podstawowy element każdego przenośnego analizatora. Urządzenie dwukanałowe, takie jak Balanset-1A rejestruje tę samą zsynchronizowaną amplitudę i fazę — przy użyciu dwóch analogowych akcelerometrów MEMS dostarczanych w zestawie zamiast czujników piezoelektrycznych IEPE — potrzebną do wyważania w jednej i dwóch płaszczyznach równoważenie oraz do rutynowej diagnostyki łożysk maszyny przy prędkości roboczej. W połączeniu z czujnikiem zbliżeniowym oraz przetwornik prędkości, akcelerometr piezoelektryczny jest jednym z trzech głównych czujników drgań transducers — i zdecydowanie najbardziej wszechstronny, dlatego też pozostaje podstawą przemysłowego monitorowania drgań, diagnostyki i wyważania na całym świecie.
