Zrozumienie czułości czujnika
Czułość to stosunek sygnału wyjściowego czujnika do mierzonej przez niego wielkości fizycznej - w efekcie jego wzmocnienie lub współczynnik konwersji. Dla wibracja Czułość czujników określa, ile sygnału elektrycznego (napięcia lub ładunku) jest wytwarzane na jednostkę drgań, niezależnie od tego, czy drgania te są wyrażone jako przyśpieszenie, prędkość lub przemieszczenie. Wyższa czułość zapewnia większy sygnał wyjściowy dla danego poziomu drgań, co poprawia rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu - ale także ogranicza maksymalne drgania, które można zmierzyć przed nasyceniem wyjścia czujnika. Czułość jest podstawową specyfikacją, którą należy znać, aby przekonwertować surowe napięcie czujnika na znaczące jednostki inżynieryjne. Jest ona ustalana podczas produkcji kalibracji, zarejestrowany na certyfikat kalibracji, i wykorzystywany we wszystkich obliczeniach drgań.
Na początku jedno wyjaśnienie: ten artykuł dotyczy czujnik czułość, stosunek sygnału wyjściowego do wejścia przetwornika. Nie należy jej mylić z wrażliwość równoważenia, która opisuje, jak bardzo zmienia się odczyt wyważarki na jednostkę niewyważenia wirnika - jest to pokrewna idea, ale inny pomiar.
1. Jednostki czułości według typu czujnika
Akcelerometry
The akcelerometr jest podstawowym narzędziem pomiarów drgań, a jego czułość jest różnie określana w zależności od typu kondycjonowania sygnału.
- IEPE / tryb napięcia: wyrażony w mV/g (miliwolty na g przyspieszenia); typowe wartości 10-1000 mV/g, z 100 mV/g najbardziej popularna wartość ogólnego zastosowania. Jednostki o wysokiej czułości 500-1000 mV/g nadają się do pracy z niskimi wibracjami, podczas gdy jednostki o niskiej czułości 10-50 mV/g nadają się do pracy z wysokimi wibracjami i wstrząsami.
- Tryb ładunkowy: wyrażony w pC/g (pikokulomby na g); typowe wartości 1-1000 pC/g, z 10-50 pC/g powszechnie stosowanymi do celów ogólnych.
Czujniki prędkości i sondy przemieszczenia
- Czujniki prędkości: mV na in/s lub mV na mm/s — zwykle 100 mV/in/s, co odpowiada około 3.94 mV/mm/s; czasem podawane jako V na m/s (100 mV/in/s ≈ 3.94 V/(m/s)).
- Sondy przemieszczenia: mV/mil lub V/mm - zazwyczaj 200 mV/mil lub 7,87 V/mm dla Sondy wiroprądowe, i zawsze skalibrowany dla określonego materiału docelowego i zakresu rozstawu.
2. Kompromisy czułości
Główną sprzeczność związaną z wyborem czujnika stanowi fakt, że czułość i zakres pomiarowy konkurują ze sobą.
Wysoka czułość (100-1000 mV/g)
- Zalety: duży sygnał wyjściowy dla niskich wibracji, lepsza rozdzielczość do wykrywania małych zmian, lepszy stosunek sygnału do szumu i idealne działanie w maszynach o niskich wibracjach.
- Wady: ograniczony zakres dynamiki który nasyca się przy niższych wibracjach (typowy zakres ±5g do ±50g), co czyni go nieodpowiednim do pracy z wysokimi wibracjami lub wstrząsami.
Niska czułość (10-50 mV/g)
- Zalety: szeroki zakres dynamiczny umożliwiający pomiar wysokich wibracji (od ±100 g do ±10 000 g), odporność na wstrząsy i uderzenia oraz brak nasycenia w gwałtownych warunkach.
- Wady: mniejszy sygnał wyjściowy przy niskich wibracjach, gorszy stosunek sygnału do szumu, zmniejszona rozdzielczość i ryzyko przeoczenia niewielkich zmian.
3. Dobór czułości do zastosowania
Praktyczną zasadą jest dopasowanie czujnika do oczekiwanego poziomu wibracji, tak aby sygnał wygodnie wypełniał zakres wejściowy instrumentu bez obcinania.
- Niski poziom wibracji (< 5 mm/s): wysoka czułość (100-500 mV/g) dla precyzyjnych i wolnoobrotowych maszyn, gdzie liczy się dobra rozdzielczość małych zmian.
- Umiarkowane wibracje (5-20 mm/s): standardowa czułość (50-100 mV/g) dla ogólnych maszyn przemysłowych - najbardziej powszechny zakres.
- Wysokie wibracje (> 20 mm/s): Niska czułość (10-50 mV/g) zapobiega nasyceniu w kruszarkach, młynach i urządzeniach o wysokim niewyważeniu.
- Wstrząs i uderzenie: bardzo niska czułość (1-10 mV/g), aby osiągnąć ±1000 g lub więcej w testach zderzeniowych.
4. Wpływ na pomiary
Poziom sygnału, zakres dynamiczny i szumy
- Poziom sygnału: Wyższa czułość daje większe napięcie sygnału, które lepiej wypełnia zakres wejściowy urządzenia i poprawia rozdzielczość - ale ogranicza maksymalne mierzalne wibracje.
- Zakres dynamiki: zakres od dna szumu do nasycenia; wysoka czułość daje wąski zakres (dobry dla małych sygnałów), niska czułość szeroki zakres (dobry dla zmiennych sygnałów) - bezpośredni kompromis między rozdzielczością a zakresem.
- Charakterystyka szumów: Każdy czujnik ma nieodłączny poziom szumów elektrycznych; wyższa czułość zapewnia lepszy stosunek sygnału do szumu przy niskich wibracjach, podczas gdy szum staje się proporcjonalnie bardziej znaczący wraz ze spadkiem czułości.
Praktyczny przykład: czujnik 100 mV/g wystawiony na wibracje 50 g wytwarza 5 V na wyjściu. Jeśli wejście przyrządu wynosi ±5 V, czujnik ten jest dopasowany do pułapu 50 g - wszystko, co wykracza poza ten pułap, powoduje zacięcie.
5. Kalibracja i weryfikacja
Czułość jest przydatna tylko wtedy, gdy jest dokładna i aktualna, dlatego jest weryfikowana w trzech punktach życia czujnika.
- Kalibracja fabryczna: Nowe czujniki są kalibrowane fabrycznie, z czułością oznaczoną na obudowie lub certyfikacie z tolerancją zwykle ±5-10%; należy ją zweryfikować przed każdym krytycznym użyciem.
- Okresowa rekalibracja: Czułość może dryfować w czasie, dlatego należy przeprowadzać ponowną kalibrację co roku lub zgodnie z harmonogramem, pobrać zaktualizowaną wartość z nowego certyfikatu i wprowadzić ją do urządzenia lub zastosować korektę.
- Weryfikacja w terenie: Ręczny kalibrator stosuje znane wibracje referencyjne, dzięki czemu można potwierdzić, że wynik jest zgodny z oczekiwaną wartością (czułość × wejście) - szybka kontrola poprawności przed ważnymi pomiarami.
Różni się to od stała kalibracja w wyważaniu wirników, gdzie termin ten odnosi się do przechowywanej kalibracji wyważarki wielokrotnego użytku, a nie do wzmocnienia przetwornika.
6. Powiązane specyfikacje
- Zakres pomiarowy: maksymalne drgania, jakie może zarejestrować czujnik, odwrotnie proporcjonalne do czułości - czujnik 100 mV/g z wyjściem ±5 V daje zakres ±50 g.
- Rozdzielczość: najmniejsza wykrywalna zmiana, ograniczona przez szum i cyfryzację; wyższa czułość oznacza zazwyczaj lepszą rozdzielczość.
- Liniowość: jak stała pozostaje czułość w całym zakresie pomiarowym - dobre czujniki utrzymują odchylenie < 1% od liniowego, określone jako procent błędu pełnej skali.
7. Rozważania praktyczne
Dopasowanie wejścia urządzenia a flota mieszana
- Dopasowanie wejścia: zakres wejściowy przyrządu musi być dostosowany do wyjścia czujnika - czujnik 100 mV/g przy 50 g wytwarza napięcie 5 V, które musi pasować do wejścia ±5 V; regulowane wzmocnienia wejściowe pozwalają jednemu przyrządowi obsługiwać różne czułości.
- Wiele czujników: Używanie czujników o różnej czułości w jednym programie oznacza konfigurowanie przyrządu dla każdego z nich, a wprowadzanie niewłaściwej czułości jest częstym źródłem błędów - standaryzacja na jednej czułości znacznie upraszcza operacje.
W przyrządzie przenośnym wartość czułości jest dokładnie tym, czego oprogramowanie potrzebuje do przekształcenia miliwoltów przetwornika w odczyty amplitudy i fazy używane do diagnostyki i wyważania. Analizator terenowy, taki jak Balanset-1A jest skonfigurowany z czułością każdego dostarczonego akcelerometr aby jego pomiary były odczytywane w prawdziwych jednostkach inżynieryjnych; wprowadzenie prawidłowej wartości gwarantuje, że odczyt 1× w mm/s jest wystarczająco wiarygodny, aby obliczyć korektę wyważenia. Jeśli wprowadzona czułość nie pasuje do zamontowanego czujnika, każda kolejna liczba jest błędna o ten sam współczynnik. Oczekiwaną wartość wyjściową dla danego czujnika i wibracji można sprawdzić za pomocą naszego narzędzia Kalkulator czułości czujnika drgań.
Czułość czujnika to podstawowa specyfikacja, która definiuje konwersję między drganiami fizycznymi a sygnałem elektrycznym. Zrozumienie jednostek, wybór wartości pasującej do oczekiwanego poziomu drgań i prawidłowe wprowadzenie jej do przyrządu pomiarowego są niezbędne do dokładnych pomiarów, prawidłowego wyboru czujnika i uniknięcia błędów wynikających z niedopasowania czułości lub nasycenia.
