Vibrationsmåling med IEPE-accelerometre

IEPE-accelerometre er standardsensoren til vibrationsmåling på prøvestande, maskiner og konstruktioner. De er robuste og nemme at kable, men kræver korrekt excitation, kobling, forstærkning og samplingsrate. Denne artikel forklarer, hvordan et IEPE-accelerometer fungerer, hvordan du dimensionerer forstærkning og samplingsrate til dit frekvensområde, hvad du skal kontrollere før den første måling, og hvilke signalomformere, DAQ-moduler og sensorer fra ICP DAS der passer.

Sådan fungerer et IEPE-accelerometer

IEPE står for Integrated Electronics Piezo-Electric. Det piezoelektriske element afgiver en ladning, der er proportional med accelerationen, og en lille forstærker inde i sensoren omsætter den til en lavimpedant spænding. Forstærkeren forsynes via de samme to ledere, som fører signalet, typisk et koaksialkabel.

Måleudstyret leverer en konstant strøm på nogle få milliampere fra en forsyning med en compliance-spænding på ca. 18 til 30 V. Når sensoren er tilsluttet, opstår der en DC-biasspænding på ledningen, og vibrationssignalet ligger oven på den. Accelerometret iSN-701-F15 angiver eksempelvis en bias på 10 til 14 VDC. Indgangen skal derfor være AC-koblet: En kondensator blokerer biasspændingen, så kun det dynamiske signal sendes videre til forstærkeren og A/D-konverteren.

Det har to konsekvenser. Koblingskondensatoren danner et højpasfilter, så meget lave frekvenser dæmpes. Og forskellen mellem compliance-spænding og biasspænding begrænser, hvor stort signaludsvinget kan blive, før det klipper.

Følsomhed, måleområde og forstærkning

Følsomheden angives i mV/g: En sensor på 100 mV/g afgiver 100 mV ved 1 g. Vælg følsomhed og forstærkning, så den største forventede vibration ikke klipper, mens den mindste relevante vibration ligger et godt stykke over støjgulvet.

Regneeksempel: Et accelerometer af typen iSN-701-F15 (100 mV/g, ±80 g) er tilsluttet en omformer af typen SG-3227 med ±10 V udgang. Forstærkningsindstillingen bestemmer det anvendelige måleområde:

Forstærkningen påvirker også båndbredden. På SG-3227 er den øvre grænsefrekvens 80 kHz ved ×1 og ×10 og 50 kHz ved ×100.

Samplingsrate kontra frekvensområde

Samplingsteoremet kræver en samplingsrate på mere end det dobbelte af den højeste frekvens. Til spektrumanalyse vælges ofte en faktor 2,56, fordi den giver plads til anti-aliasing-filteret. Stødimpulser og andre signalformer i tidsdomænet kræver endnu hurtigere sampling.

• Op til 1 kHz: mindst 2,56 kS/s pr. kanal
• Op til 5 kHz: mindst 12,8 kS/s pr. kanal
• Op til 10 kHz: mindst 25,6 kS/s pr. kanal

I den lave ende er det AC-koblingen, der sætter grænsen: SG-3227 har en nedre grænsefrekvens på 1,6 Hz med 0,1 µF kobling eller 0,2 Hz med 1 µF, og PET-AR400 angiver 0,16 Hz. Kontrollér også accelerometret; iSN-701-F15 er specificeret fra 0,5 Hz.

På flerkanalsindgange kan samplingsraten afhænge af antallet af aktive kanaler. PET-AR400 sampler med 128 kHz ved én kanal, 64 kHz ved to og 32 kHz ved tre eller fire, med en båndbredde på 12,8 kHz (−0,1 dB) ved én eller to kanaler og 6,4 kHz ved tre eller fire.

Tjekliste til opsætning

• Indstil excitationsstrømmen efter sensorens datablad. SG-3227 tilbyder 2, 4, 6 eller 10 mA pr. kanal; højere strøm hjælper med at drive lange kabler ved høje frekvenser.
• Kontrollér biasspændingen før måling. En værdi tæt på nul tyder på kortslutning, en værdi tæt på forsyningsspændingen på afbrydelse. SG-3227 viser dette pr. kanal med lysdioder: grøn for normal, gul for afbrydelse, rød for kortslutning.
• Montér sensoren stift. Boltmontering giver det bredeste frekvensområde; magneter og klæbepuder sænker den anvendelige øvre frekvens.
• Undgå jordsløjfer mellem maskine og DAQ-system, f.eks. med isolerede indgange eller en isolerende monteringssokkel.

ICP DAS-produkter til IEPE-vibrationsmåling

Signalomformer til eksisterende DAQ-hardware

SG-3227 er en 2-kanals IEPE-signalomformer. Hver kanal indstilles med DIP-switche for excitationsstrøm (2, 4, 6 eller 10 mA) og forstærkning (×1, ×10 eller ×100) og har en ±10 V spændingsudgang. Udgangen kan tilsluttes enhver DAQ-indgang med et ±10 V-område, f.eks. det simultant samplende kort PCIe-8620 eller Ethernet-DAQ-modulet PET-7H16M.

Ethernet-DAQ med IEPE-indgange

PET-AR400 har fire differentielle IEPE-indgange på BNC-stik med 4 mA excitation, en 24-bit A/D-konverter, AC- eller DC-kobling valgt med jumper samt software- eller analog tærskeltrigger. Data læses via TCP-streaming eller Modbus TCP med SDK'er til Windows (inklusive LabVIEW) og Linux, og modulet kan forsynes via PoE.

Selvstændig logning og permanent overvågning

Dataloggerne AR-200 og AR-400 opsamler 2 eller 4 IEPE-kanaler simultant med 3 mA excitation og 16-bit opløsning ved op til 200 kHz (AR-200) eller 125 kHz (AR-400) pr. kanal. Data gemmes på et microSD-kort til offline-analyse, og optagelsen kan startes med trykknap, timer, tærskelværdi eller digital indgang.

Til permanent overvågning forsyner iSN-701X ét IEPE-accelerometer med 4 mA, omsætter signalet til karakteristiske vibrationsværdier og giver alarm, når en værdi overskrider sin tærskel. Værdierne læses via Modbus TCP eller Modbus RTU; iSN-701X-mA har desuden en 0/4–20 mA-udgang.

Accelerometre

iSN-701-F15 er et enakset IEPE-accelerometer med 100 mV/g følsomhed, ±80 g måleområde og et frekvensområde fra 0,5 Hz til 15 kHz, IP68-klassificeret (uden kabel), med 3 m eller 6 m kabel. Vibrationssensormodulerne iSN-711 og iSN-713 bruger MEMS-sensorer i stedet for IEPE og egner sig til lavfrekvent overvågning via RS-485.

Send sensortype, frekvensområde og antal kanaler til vores tekniske salgsteam, så hjælper vi dig med at sammensætte målekæden.