Pochopenie zosilňovačov náboja
Definícia: Čo je to zosilňovač náboja?
Zosilňovač nabíjania je elektronické zariadenie na úpravu signálu, ktoré prevádza vysokoimpedančný nábojový výstup (meraný v pikocoulomboch, pC) z nabíjacieho režimu piezoelektrické akcelerometre na nízkoimpedančný napäťový výstup vhodný na prenos cez káble a spracovanie meracími prístrojmi. Zosilňovač náboja funguje ako impedančný prevodník a zosilňovač, čo umožňuje použitie senzorov v režime nabíjania, ktoré môžu pracovať pri extrémnych teplotách a náročných podmienkach, kde IEPE akcelerometre by zlyhal.
Hoci sú v bežnom priemyselnom monitorovaní menej bežné (nahradené jednoduchšími IEPE senzormi), zosilňovače náboja zostávajú nevyhnutné pre špecializované aplikácie vyžadujúce extrémnu teplotnú odolnosť (nad 175 °C), jadrové prostredie alebo situácie, kde elektronika senzorov nie je tolerovateľná. Pochopenie fungovania zosilňovača náboja je dôležité pre vysokoteplotné... vibrácie monitorovacie a historické meracie systémy.
Princíp fungovania
Prevod náboja na napätie
- Piezoelektrický senzor generuje náboj (Q) úmerný zrýchleniu
- Náboj zhromažďovaný na špeciálnom nízkošumovom kábli s kapacitou
- Zosilňovač náboja integruje náboj pomocou spätnoväzobného kondenzátora
- Výstupné napätie V = Q / C spätná väzba
- Výsledok: Nízkoimpedančný napäťový výstup (typicky ±10 V v plnom rozsahu)
Kľúčové vlastnosti obvodu
- Veľmi vysoká vstupná impedancia (> 10^12 ohmov) na zabránenie úniku náboja
- Spätnoväzobný kondenzátor definuje zisk/citlivosť
- Spätnoväzobný rezistor nastavuje nízkofrekvenčnú odozvu
- Nízkošumový dizajn je kritický pre slabé signály
- Viacero nastavení zosilnenia pre rôzne citlivosti snímača
Výhody systémov nabíjacieho režimu
Schopnosť extrémnych teplôt
- Snímače v režime nabíjania pracujú do 650 °C (niektoré až do 1 000 °C)
- Žiadna elektronika v senzore by nezlyhala v dôsledku tepla
- Nevyhnutné pre výfukové systémy, pece, motory
- IEPE obmedzené na maximálne ~175°C
Odolnosť voči žiareniu
- Žiadna aktívna elektronika v senzore
- Vhodné pre jadrové prostredie
- Elektronika IEPE poškodená žiarením
Zameniteľnosť káblov
- Možnosť zmeny dĺžky kábla bez nutnosti rekalibrácie
- Náboj necitlivý na kapacitu kábla (v rámci limitov)
- Flexibilita pri inštalácii
Nevýhody a výzvy
Zložitosť systému
- Vyžaduje samostatný externý zosilňovač nabíjania (cena, veľkosť)
- Viac komponentov = viac potenciálnych bodov poruchy
- Nastavenie a konfigurácia sú zložitejšie ako IEPE
Požiadavky na kábel
- Musí sa použiť špeciálny kábel s nízkym šumom
- Pohyb kábla môže generovať šum (triboelektrický efekt)
- Kábel musí byť zaistený, aby sa zabránilo vibráciám
- Drahší ako štandardný koaxiálny kábel
- Praktický limit dĺžky ~100 m typicky
Citlivosť na vlhkosť
- Vysoká impedancia citlivá na izolačný odpor
- Vlhkosť môže spôsobiť posun signálu alebo šum
- Vyžaduje dobré utesnenie a stav kábla
Kedy použiť režim nabíjania
Požadované aplikácie
- Vysoká teplota: >175 °C (výfukové systémy, pece, sušiarne, testovanie motorov)
- Jadrové prostredie: Žiarenie prekračuje toleranciu elektroniky
- Výbušné atmosféry: Iskrovo bezpečné senzory bez aktívnej elektroniky
- Výskum: Špecializované testovanie vyžadujúce charakteristiky nabíjacieho režimu
Neodporúča sa, keď
- Štandardné priemyselné monitorovanie (namiesto toho použite IEPE)
- Dlhé káblové trasy v elektricky rušivom prostredí
- Rozpočtové obmedzenia (drahé zosilňovače náboja)
- Rutinný monitoring stavu (zložitosť nie je opodstatnená)
Funkcie zosilňovača nabíjania
Nastavenia zosilnenia/citlivosti
- Nastaviteľné podľa citlivosti senzora
- Typické rozsahy: 0,1 – 1 000 mV/pC
- Umožňuje použitie rôznych senzorov s rovnakým zosilňovačom
- Musí byť kalibrovaný pre použitý senzor
Ovládanie frekvenčnej odozvy
- Nastaviteľná medzná hodnota hornopriepustného filtra (typicky 0,1 – 10 Hz)
- Nízkopriepustný filter pre vyhladzovanie hrany
- Integračné/derivačné funkcie
- Optimalizované pre požiadavky aplikácie
Možnosť káblového pohonu
- Nízkoimpedančný výstup poháňa dlhé káble k nástrojom
- Typický výstup ±10 V
- V prípade potreby dokáže ovládať viacero nástrojov
Nastavenie a kalibrácia
Konfigurácia
- Pripojte senzor k zosilňovaču nabíjania pomocou kábla s nízkym šumom
- Nastavte zosilnenie zosilňovača tak, aby zodpovedalo citlivosti snímača
- Nastavenie frekvenčného rozsahu (hornopriepustný a dolnopriepustný filter)
- Pripojte výstup zosilňovača k meraciemu prístroju
- Overte kalibráciu od konca ku koncu so známym budením
Overenie kalibrácie
- Kalibrácia trepačky
- Prenosný kalibrátor (ručný budič)
- Porovnanie s referenčným senzorom
- Skontrolujte citlivosť a frekvenčnú odozvu
Moderné trendy
Klesajúce používanie
- IEPE nahradil režim nabíjania vo väčšine aplikácií
- Jednoduchšie, lacnejšie, ľahšie použiteľné
- Režim nabíjania je odsunutý na špecializované aplikácie
- Niektoré zariadenia postupne vyraďujú systémy nabíjacieho režimu
Zostávajúce aplikácie
- Monitorovanie vysokých teplôt (plynové turbíny, motory)
- Jadrové elektrárne
- Výskumné laboratóriá
- Presné merania vyžadujúce výhody nabíjacieho režimu
- Údržba starších systémov
Zosilňovače náboja sú špecializované zariadenia na úpravu signálu, ktoré umožňujú použitie piezoelektrických akcelerometrov v nabíjacom režime v extrémnych podmienkach, kde IEPE senzory nemôžu fungovať. Hoci ich zložitosť a cena ich obmedzujú na špecializované aplikácie, pochopenie fungovania zosilňovača náboja zostáva dôležité pre monitorovanie vibrácií pri vysokých teplotách a údržbu starších meracích systémov v priemyselných zariadeniach.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 