Pomiar drgań akcelerometrami IEPE

Akcelerometry IEPE są standardowym czujnikiem do pomiaru drgań na stanowiskach badawczych, w maszynach i konstrukcjach. Są wytrzymałe i łatwe w okablowaniu, ale wymagają właściwego zasilania, sprzężenia, wzmocnienia i częstości próbkowania. Ten artykuł wyjaśnia, jak działa akcelerometr IEPE, jak dobrać wzmocnienie i częstość próbkowania do zakresu częstotliwości, co sprawdzić przed pierwszym pomiarem oraz które kondycjonery sygnałów, moduły DAQ i czujniki ICP DAS będą pasować.

Jak działa akcelerometr IEPE

IEPE to skrót od Integrated Electronics Piezo-Electric (zintegrowana elektronika piezoelektryczna). Element piezoelektryczny generuje ładunek proporcjonalny do przyspieszenia, a wewnątrz czujnika mały wzmacniacz zamienia go na napięcie o niskiej impedancji. Wzmacniacz jest zasilany przez te same dwa przewody, którymi przesyłany jest sygnał, zwykle kabel koncentryczny.

Urządzenie pomiarowe dostarcza stały prąd o wartości kilku miliamperów ze źródła o napięciu zgodności około 18 do 30 V. Po podłączeniu czujnika w linii pojawia się napięcie polaryzacji stałej, a sygnał drgań nakłada się na nie. Akcelerometr iSN-701-F15 na przykład określa polaryzację na poziomie 10 do 14 V DC. Wejście musi więc być sprzęgnięte w sposób AC: kondensator blokuje napięcie polaryzacji i tylko składowa dynamiczna trafia do wzmacniacza i przetwornika A/C.

Wynikają z tego dwie konsekwencje. Kondensator sprzęgający tworzy filtr górnoprzepustowy, więc bardzo niskie częstotliwości są tłumione. Ponadto różnica między napięciem zgodności a napięciem polaryzacji ogranicza zakres wahań sygnału przed jego obcięciem.

Czułość, zakres i wzmocnienie

Czułość podaje się w mV/g: czujnik o czułości 100 mV/g daje 100 mV przy 1 g. Dobierz czułość i wzmocnienie tak, aby największe spodziewane drgania nie powodowały obcięcia, a najmniejsze interesujące drgania pozostawały wyraźnie powyżej poziomu szumów.

Przykład obliczeniowy: akcelerometr iSN-701-F15 (100 mV/g, ±80 g) podłączony jest do kondycjonera SG-3227 z wyjściem ±10 V. Ustawienie wzmocnienia określa użyteczny zakres:

Wzmocnienie wpływa też na pasmo przenoszenia. W SG-3227 górna częstotliwość graniczna wynosi 80 kHz przy ×1 i ×10, a 50 kHz przy ×100.

Częstość próbkowania a zakres częstotliwości

Twierdzenie o próbkowaniu wymaga częstości próbkowania większej niż dwukrotność najwyższej częstotliwości. Do analizy widmowej częstym wyborem jest współczynnik 2,56, ponieważ pozostawia miejsce na filtr antyaliasingowy. Impulsy wstrząsowe i inne przebiegi w dziedzinie czasu wymagają jeszcze szybszego próbkowania.

• Do 1 kHz: co najmniej 2,56 kS/s na kanał
• Do 5 kHz: co najmniej 12,8 kS/s na kanał
• Do 10 kHz: co najmniej 25,6 kS/s na kanał

Na dolnym krańcu pasma o granicy decyduje sprzężenie AC: SG-3227 ma dolną częstotliwość graniczną 1,6 Hz przy sprzężeniu 0,1 µF lub 0,2 Hz przy 1 µF, a PET-AR400 podaje 0,16 Hz. Sprawdź również akcelerometr; iSN-701-F15 jest określony od 0,5 Hz.

W wejściach wielokanałowych częstość może zależeć od liczby aktywnych kanałów. PET-AR400 próbkuje z częstością 128 kHz przy jednym kanale, 64 kHz przy dwóch i 32 kHz przy trzech lub czterech, z pasmem 12,8 kHz (−0,1 dB) dla jednego lub dwóch kanałów oraz 6,4 kHz dla trzech lub czterech.

Lista kontrolna konfiguracji

• Ustaw prąd zasilania zgodnie z kartą katalogową czujnika. SG-3227 oferuje 2, 4, 6 lub 10 mA na kanał; wyższe prądy pomagają w sterowaniu długimi kablami przy wysokich częstotliwościach.
• Sprawdź napięcie polaryzacji przed pomiarem. Wartość bliska zeru wskazuje zwarcie, a wartość bliska napięciu zasilania oznacza przerwę w obwodzie. SG-3227 pokazuje to dla każdego kanału za pomocą diod LED: zielona oznacza stan normalny, żółta przerwę, czerwona zwarcie.
• Montuj czujnik sztywno. Montaż na śrubie daje najszersze pasmo częstotliwości; magnesy i podkładki klejone obniżają użyteczną górną częstotliwość.
• Unikaj pętli masy między maszyną a systemem DAQ, na przykład stosując wejścia izolowane lub izolowaną podstawę montażową.

Produkty ICP DAS do pomiaru drgań IEPE

Kondycjoner sygnałów do istniejącego sprzętu DAQ

SG-3227 to 2-kanałowy kondycjoner sygnałów IEPE. Każdy kanał ustawia się przełącznikami DIP dla prądu zasilania (2, 4, 6 lub 10 mA) i wzmocnienia (×1, ×10 lub ×100), a jego wyjście napięciowe wynosi ±10 V. Wyjście może trafić na dowolne wejście DAQ z zakresem ±10 V, na przykład na kartę PCIe-8620 z jednoczesnym próbkowaniem lub na moduł Ethernet DAQ PET-7H16M.

Ethernet DAQ z wejściami IEPE

PET-AR400 ma cztery różnicowe wejścia IEPE na złączach BNC z zasilaniem 4 mA, przetwornik A/C 24-bitowy, sprzężenie AC lub DC wybierane zworką oraz wyzwalanie programowe lub analogowe progiem. Dane odczytuje się strumieniowo przez TCP lub Modbus TCP, z zestawami SDK dla Windows (w tym LabVIEW) i Linuksa, a moduł może być zasilany przez PoE.

Samodzielna rejestracja i stały monitoring

Rejestratory danych AR-200 i AR-400 akwizycjonują jednocześnie 2 lub 4 kanały IEPE z zasilaniem 3 mA i rozdzielczością 16 bitów, z częstością do 200 kHz (AR-200) lub 125 kHz (AR-400) na kanał. Dane są zapisywane na karcie microSD do analizy offline, a nagrywanie może być wyzwalane przyciskiem, timerem, progiem lub wejściem cyfrowym.

Do stałego monitoringu iSN-701X zasila jeden akcelerometr IEPE prądem 4 mA, przelicza sygnał na charakterystyczne wartości drgań i zgłasza alarm, gdy wartość przekroczy próg. Wartości odczytuje się przez Modbus TCP lub Modbus RTU; wersja iSN-701X-mA dodaje wyjście 0/4-20 mA.

Akcelerometry

iSN-701-F15 to jednoosiowy akcelerometr IEPE o czułości 100 mV/g, zakresie ±80 g i charakterystyce częstotliwościowej od 0,5 Hz do 15 kHz, z klasą szczelności IP68 (bez kabla), z kablem 3 m lub 6 m. Moduły czujników drgań iSN-711 i iSN-713 wykorzystują czujniki MEMS zamiast IEPE i nadają się do monitoringu niskoczęstotliwościowego przez RS-485.

Przekaż typ czujnika, zakres częstotliwości i liczbę kanałów naszemu zespołowi sprzedaży technicznej, a pomożemy zestawić łańcuch pomiarowy.