ทำความเข้าใจเกี่ยวกับตัวขยายสัญญาณประจุ
A เครื่องขยายประจุไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์ปรับสภาพสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลงประจุเอาต์พุตที่มีอิมพีแดนซ์สูงขนาดเล็กมาก — วัดเป็นพิโคคูลอมบ์ (pC) — ของ เครื่องวัดความเร่งแบบเพียโซอิเล็กทริก เป็นแรงดันไฟฟ้าที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำเหมาะสำหรับการติดตั้งสายและการประมวลผลโดยอุปกรณ์วัด มันเป็นหลักการแล้วตัวแปลงประจุเป็นแรงดันไฟฟ้าความแม่นยำและตัวขยายสัญญาณ และมันคือองค์ประกอบที่ทำให้การตรวจสอบโหมดประจุเป็นไปได้จริง เซ็นเซอร์โหมดประจุไม่มีอิเล็กทรอนิกส์ในตัว ดังนั้นจึงสามารถอยู่รอดได้ในอุณหภูมิที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่ขรุขระซึ่ง เครื่องวัดความเร่ง IEPE จะล้มเหลวไป
ตัวขยายสัญญาณประจุนั้นพบได้น้อยมากในการตรวจสอบอุตสาหกรรมประจำวันมากกว่าเมื่อก่อน — เซ็นเซอร์ IEPE ที่บรรจุตัวเองได้แทนที่พวกเขาเกือบทุกที่ — แต่พวกเขายังคงจำเป็นอยู่ทุกที่ที่อิเล็กทรอนิกส์เซ็นเซอร์ไม่สามารถอยู่รอดได้: เหนือประมาณ 175 °C ในสนามรังสีนิวเคลียร์ และในการติดตั้งที่ปลอดภัยโดยเนื้อแท้บางแห่ง ดังนั้นการทำความเข้าใจว่าตัวขยายสัญญาณประจุทำงานอย่างไรจึงสำคัญต่อ การสั่นสะเทือน การตรวจสอบและสำหรับการรักษาระบบวัดที่เก่ากว่าให้ทำงาน
1. หลักการทำงาน
การแปลงประจุเป็นแรงดันไฟฟ้า
คริสตัลไพโซอิเล็กทริกสร้างประจุไฟฟ้า Q แปรผันตามสัดส่วนกับ การเร่งความเร็ว ที่มันรู้สึก ประจุนั้นเดินทางลงสายเคเบิลที่มีสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษไปยังตัวขยายสัญญาณ โดยที่ตัวขยายปฏิบัติการสามารถรวมมันลงบนตัวเก็บประจุข้อเสนอแนะ แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะเป็นดังนี้:
V = Q / Cฟีดแบ็ก
เนื่องจากตัวเก็บประจุข้อเสนอแนะ — ไม่ใช่สายเคเบิล — ตั้งค่าอัตราขยาย ผลลัพธ์จึงเป็นแรงดันไฟฟ้าสะอาดที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ โดยทั่วไปสูงถึง ±10 V ในมาตราส่วนเต็ม ซึ่งสามารถขับสายเคเบิลยาวได้โดยไม่สูญเสียความเที่ยงตรง
คุณลักษณะวงจรหลัก
- อิมพีแดนซ์อินพุตสูงมาก (มากกว่า 1012 Ω) เพื่อให้ประจุที่มีค่านั้นไม่รั่วไหลไปก่อนที่จะวัด
- ตัวเก็บประจุป้อนกลับ กำหนดอัตราขยายและระบบโดยรวม ความอ่อนไหว.
- ตัวต้านทานป้อนกลับ กำหนดการตัดต่ำความถี่ (มุมความถี่สูงผ่าน)
- การออกแบบสัญญาณรบกวนต่ำซึ่งมีความสำคัญเพราะสัญญาณอินพุตอ่อนแอมาก
- ตั้งค่าอัตราขยายได้หลายระดับ เพื่อให้แอมปลิฟายเตอร์ตัวเดียวสามารถใช้กับเซ็นเซอร์ที่มีความไว (sensitivity) ต่างกันได้
2. ทำไมจึงควรเลือกระบบโหลดประจุ
เหตุผลหลักในการรับเอาฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมของแอมปลิฟายเตอร์ประจุ คือ ความสามารถของเซ็นเซอร์ที่ใช้งาน:
- อุณหภูมิสูงสุด: เซนเซอร์แบบ charge-mode ทำงานได้ถึง 650 °C และบางรุ่นถึง 1000 °C เนื่องจากภายในไม่มีสารกึ่งตัวนำที่จะเสียหายจากความร้อน คุณสมบัตินี้ขาดไม่ได้สำหรับงานระบบไอเสีย เตาเผา เตาอบ และการทดสอบเครื่องยนต์ — ในขณะที่เซนเซอร์ IEPE ถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 175 °C
- ความต้านทานต่อรังสี: เนื่องจากไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบแอ็กทีฟอยู่ในหัวเซนเซอร์ อุปกรณ์แบบ charge-mode จึงเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมงานนิวเคลียร์ ซึ่งวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของ IEPE จะถูกทำลาย
- ความเข้ากันได้ของสาย: เนื่องจากอัตราขยายขึ้นอยู่กับตัวเก็บประจุป้อนกลับแทนที่จะเป็นสาย คุณสามารถเปลี่ยนความยาวสายในช่วงที่อนุญาตได้โดยไม่ต้องสอบเทียมใหม่ ซึ่งมีความยืดหยุ่นที่มีประโยชน์ระหว่างการติดตั้ง
3. ข้อเสียและความท้าทายในทางปฏิบัติ
ข้อดีเหล่านี้มีค่าใช้จ่ายจริง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโหลดประจุจึงเป็นตัวเลือกของผู้เชี่ยวชาญในปัจจุบัน:
- ความซับซ้อนของระบบ: แอมปลิฟายเตอร์แยกต่างหากภายนอกเพิ่มเติมทำให้ต้นทุน ปริมาณและจุดวิफลที่เพิ่มขึ้น และการตั้งค่าซับซ้อนกว่าห่วงโซ่ IEPE แบบเสียบใช้
- ข้อกำหนดของสาย: ระบบต้องการสายโลหะรันต่ำสัญญาณรบกวนพิเศษ เนื่องจากการเคลื่อนไหวของสายธรรมดาสร้างประจุที่ไม่ต้องการผ่าน ปรากฏการณ์ไตรโบอิเล็กทริกสายจะต้องยึดอยู่เพื่อป้องกันการโค้งงอ มีต้นทุนสูงกว่าสายโคแอกซ์มาตรฐาน และโดยทั่วไปจำกัดที่ประมาณ 100 เมตร
- ความไวต่อความชื้น: อิมพีแดนซ์ที่สูงมากซึ่งการออกแบบต้องพึ่งพาก็มีความเสี่ยงต่อการลดลงของความต้านทานการหลุดรั่ว ความชื้นที่เข้าซึมเข้ามาจะทำให้สัญญาณเลื่อนตัวและมีเสียงรบกวน ดังนั้นการปิดผนึกที่ดีและสภาพของสายเคเบิลจึงจำเป็น
4. เมื่อใดที่ควรใช้ Charge Mode — และเมื่อใดที่ไม่ควร
จำเป็นอย่างแท้จริง
- อุณหภูมิสูง: มากกว่า 175 °C — ระบบไอเสีย เตาอบ เตาเผา การทดสอบเครื่องยนต์
- สภาพแวดล้อมนิวเคลียร์: ระดับการแผ่รังสีที่เกินกว่าที่อิเล็กทรอนิกส์ของเซนเซอร์สามารถทนได้
- บรรยากาศที่อาจระเบิด: เซนเซอร์ที่มีความปลอดภัยในตัว (intrinsically safe) โดยไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบแอ็กทีฟอยู่ในหัวเซนเซอร์
- วิจัย: การทดสอบเฉพาะทางที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของ charge mode
ควรหลีกเลี่ยง
- มาตรฐานอุตสาหกรรม การติดตามสภาพ — ให้ใช้ IEPE แทน
- สายเคเบิลที่วิ่งยาวผ่านโรงงานที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า
- โครงการจำกัดงบประมาณ เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์ charge mode มีราคาแพง
- งานตรวจสอบตามเส้นทางปกติ ซึ่งความซับซ้อนเพิ่มเติมไม่สมควร
5. คุณสมบัติ การตั้งค่า และการเทียบเครื่อง
แอมพลิฟายเออร์ charge mode ทั่วไปมีความสามารถปรับได้ เกน/ความไว — โดยปกติมีช่วงประมาณ 0.1 ถึง 1000 mV/pC ดังนั้นหน่วยเดียวกันสามารถใช้ได้กับเซนเซอร์หลายตัวหากปรับเทียบให้เหมาะสำหรับหน่วยที่ใช้งาน — บวกกับ การควบคุมการตอบสนองความถี่ ผ่านทางตัวตรวจจับมุมสูงขึ้นที่ปรับได้ (มักจะ 0.1–10 Hz) ตัวตรวจจับค่า-ต่ำ ตัวกรอง Anti-Aliasingและบางครั้งมีตัวตรวจจับในตัว การบูรณาการ หรือ การหาอนุพันธ์ เพื่อให้ความเร็วหรือการกระจัด เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำของมันขับเคลื่อนสายเคเบิลยาว — โดยปกติ ±10 V — และสามารถป้อนเครื่องมือมากกว่าหนึ่งเครื่อง
การกำหนดค่าเป็นไปตามลำดับที่ชัดเจน: เชื่อมต่อเซ็นเซอร์ด้วยสายแรงสัญญาณต่ำที่ถูกต้อง กำหนดค่าเกนให้สอดคล้องกับความไวต่อประจุของเซ็นเซอร์ กำหนดค่าเสริมความถี่สูงและความถี่ต่ำสำหรับการใช้งาน กำหนดทางออกไปยังเครื่องวิเคราะห์ และสุดท้ายให้ตรวจสอบห่วงโซ่ทั้งหมดจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งด้วยการกระตุ้นแบบทราบค่า การตรวจสอบดังกล่าวมักจะทำบนตัวสั่นแบบขับเคลื่อน ด้วยเครื่องปรับเทียบแบบพกพาที่ถือด้วยมือ หรือโดยการเปรียบเทียบแบบหลังต่อหลังกับเซ็นเซอร์อ้างอิง โดยตรวจสอบทั้งความไวและการตอบสนองความถี่ การออกใบรับรอง ใบรับรองการสอบเทียบ หลังจากขั้นตอนนี้จะรักษาความสามารถในการติดตามการวัด ซึ่งเป็นวินัยที่แท่นรองพื้นของทุก การสอบเทียบ ระบบการทำงาน
6. แนวโน้มสมัยใหม่และบทบาทของเครื่องขยายประจุในปัจจุบัน
ทิศทางการใช้งานกำลังลดลง: IEPE ได้เข้ามาแทน charge mode ในการใช้งานส่วนใหญ่ เพราะง่ายกว่า ถูกกว่า และนำไปใช้งานได้ง่ายกว่า และบางโรงงานก็กำลังทยอยเลิกใช้ระบบ charge-mode อย่างจริงจัง อย่างไรก็ตามยังมีงานบางกลุ่มที่ยังต้องใช้ — การเฝ้าติดตามอุณหภูมิสูงบนกังหันก๊าซและเครื่องยนต์ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ห้องปฏิบัติการวิจัย การวัดความแม่นยำสูงที่ใช้คุณลักษณะของ charge-mode และการดูแลระบบเดิมที่ติดตั้งไว้ สำหรับงานภาคสนามส่วนใหญ่ ทางเลือกเชิงปฏิบัติคือเซนเซอร์แบบ self-contained ที่มีอิเล็กทรอนิกส์ในตัว — IEPE หรือ MEMS accelerometer — ป้อนสัญญาณให้เครื่องมือพกพา The Balanset-1Aตัวอย่างเช่น มาพร้อม analog MEMS accelerometers สองตัว ซึ่งวิศวกรใช้วัด แอมพลิจูดและเฟส และเพื่อปรับสมดุล โรเตอร์ ในลูกปืนของมันเองโดยไม่มีเครื่องขยายประจุด้านหน้า เครื่องขยายประจุจึงเป็นเครื่องมือที่เฉพาะเจาะจง: ซับซ้อนและมีราคาแพง แต่เป็นวิธีเดียวที่จะนำเซ็นเซอร์ไปยังที่ที่อิเล็กทรอนิกส์ธรรมดาไม่สามารถไปถึงได้
