Misura delle vibrazioni con accelerometri IEPE

Gli accelerometri IEPE sono il sensore standard per la misura delle vibrazioni su banchi di prova, macchine e strutture. Sono robusti e facili da cablare, ma richiedono la corretta eccitazione, il giusto accoppiamento, il guadagno e la frequenza di campionamento adeguati. Questo articolo spiega come funziona un accelerometro IEPE, come dimensionare guadagno e frequenza di campionamento per il vostro intervallo di frequenze, cosa verificare prima della prima misura e quali condizionatori di segnale, moduli DAQ e sensori ICP DAS sono adatti.

Come funziona un accelerometro IEPE

IEPE sta per Integrated Electronics Piezo-Electric. L'elemento piezoelettrico produce una carica proporzionale all'accelerazione, e un piccolo amplificatore interno al sensore la converte in una tensione a bassa impedenza. L'amplificatore è alimentato attraverso gli stessi due fili che trasportano il segnale, di solito un cavo coassiale.

Il dispositivo di misura fornisce una corrente costante di alcuni milliampere da un'alimentazione con una tensione di compliance di circa 18-30 V. Con il sensore collegato, sulla linea compare una tensione di polarizzazione continua, e il segnale di vibrazione si sovrappone ad essa. L'accelerometro iSN-701-F15, per esempio, specifica una polarizzazione di 10-14 VDC. L'ingresso deve quindi essere accoppiato in AC: un condensatore blocca la polarizzazione e solo il segnale dinamico passa all'amplificatore e al convertitore A/D.

Ne derivano due conseguenze. Il condensatore di accoppiamento forma un filtro passa-alto, quindi le frequenze molto basse vengono attenuate. Inoltre, la differenza tra tensione di compliance e tensione di polarizzazione limita l'escursione del segnale prima della saturazione.

Sensibilità, portata e guadagno

La sensibilità è espressa in mV/g: un sensore da 100 mV/g fornisce 100 mV per 1 g. Scegliete sensibilità e guadagno in modo che la vibrazione massima attesa non saturi il segnale, mentre la vibrazione minima di interesse resti ben al di sopra del rumore di fondo.

Esempio pratico: un accelerometro iSN-701-F15 (100 mV/g, ±80 g) alimenta un condizionatore SG-3227 con uscita ±10 V. L'impostazione del guadagno determina l'intervallo utilizzabile:

Il guadagno influisce anche sulla banda passante. Sull'SG-3227 la frequenza di taglio superiore è 80 kHz con ×1 e ×10, e 50 kHz con ×100.

Frequenza di campionamento rispetto all'intervallo di frequenze

Il teorema del campionamento richiede una frequenza di campionamento superiore al doppio della frequenza più alta. Per l'analisi dello spettro, un fattore di 2,56 è una scelta comune perché lascia spazio al filtro anti-aliasing. Gli impulsi d'urto e le altre forme d'onda nel dominio del tempo richiedono campionamenti ancora più rapidi.

• Fino a 1 kHz: almeno 2,56 kS/s per canale
• Fino a 5 kHz: almeno 12,8 kS/s per canale
• Fino a 10 kHz: almeno 25,6 kS/s per canale

Al limite inferiore, è l'accoppiamento in AC a fissare il limite: l'SG-3227 ha una frequenza di taglio inferiore di 1,6 Hz con accoppiamento da 0,1 µF o 0,2 Hz con 1 µF, mentre il PET-AR400 indica 0,16 Hz. Verificate anche l'accelerometro; l'iSN-701-F15 è specificato da 0,5 Hz.

Sugli ingressi multicanale la frequenza può dipendere dal numero di canali attivi. Il PET-AR400 campiona a 128 kHz con un canale, 64 kHz con due e 32 kHz con tre o quattro, con una banda passante di 12,8 kHz (−0,1 dB) per uno o due canali e 6,4 kHz per tre o quattro.

Lista di controllo per la configurazione

• Impostate la corrente di eccitazione secondo la scheda tecnica del sensore. L'SG-3227 offre 2, 4, 6 o 10 mA per canale; correnti più elevate aiutano a pilotare cavi lunghi alle alte frequenze.
• Verificate la tensione di polarizzazione prima di misurare. Un valore vicino allo zero indica un cortocircuito, un valore vicino alla tensione di alimentazione indica un circuito aperto. L'SG-3227 lo segnala per canale con dei LED: verde per il normale, giallo per aperto, rosso per cortocircuito.
• Montate il sensore in modo rigido. Il montaggio con perno filettato offre la banda più ampia; magneti e supporti adesivi riducono la frequenza superiore utilizzabile.
• Evitate gli anelli di massa tra macchina e sistema DAQ, per esempio con ingressi isolati o con una base di montaggio isolante.

Prodotti ICP DAS per la misura delle vibrazioni con IEPE

Condizionatore di segnale per hardware DAQ esistente

L'SG-3227 è un condizionatore di segnale IEPE a 2 canali. Ogni canale si imposta con interruttori DIP per corrente di eccitazione (2, 4, 6 o 10 mA) e guadagno (×1, ×10 o ×100), e dispone di un'uscita in tensione ±10 V. L'uscita può andare a qualsiasi ingresso DAQ con portata ±10 V, come la scheda PCIe-8620 con campionamento simultaneo o il modulo DAQ Ethernet PET-7H16M.

DAQ Ethernet con ingressi IEPE

Il PET-AR400 dispone di quattro ingressi IEPE differenziali su connettori BNC con eccitazione da 4 mA, un convertitore A/D a 24 bit, accoppiamento AC o DC selezionabile tramite jumper e trigger a soglia software o analogico. I dati si leggono con streaming TCP o Modbus TCP, con SDK per Windows (incluso LabVIEW) e Linux, e il modulo può essere alimentato tramite PoE.

Registrazione autonoma e monitoraggio permanente

I data logger AR-200 e AR-400 acquisiscono simultaneamente 2 o 4 canali IEPE con eccitazione da 3 mA e risoluzione a 16 bit, fino a 200 kHz (AR-200) o 125 kHz (AR-400) per canale. I dati vengono memorizzati su scheda microSD per l'analisi offline, e la registrazione può essere attivata da pulsante, timer, soglia o ingresso digitale.

Per il monitoraggio permanente, l'iSN-701X alimenta un accelerometro IEPE con 4 mA, converte il segnale in valori caratteristici della vibrazione e genera un allarme quando un valore supera la sua soglia. I valori si leggono tramite Modbus TCP o Modbus RTU; l'iSN-701X-mA aggiunge un'uscita 0/4-20 mA.

Accelerometri

L'iSN-701-F15 è un accelerometro IEPE monoassiale con sensibilità 100 mV/g, portata ±80 g e risposta in frequenza da 0,5 Hz a 15 kHz, con grado di protezione IP68 (senza cavo), disponibile con cavo da 3 m o 6 m. I moduli sensore di vibrazione iSN-711 e iSN-713 utilizzano sensori MEMS anziché IEPE e sono adatti al monitoraggio a bassa frequenza tramite RS-485.

Inviate il tipo di sensore, l'intervallo di frequenze e il numero di canali al nostro team di vendita tecnica, e vi aiuteremo a definire la catena di misura.