Vibrasjonsmåling med IEPE-akselerometre

IEPE-akselerometre er standardsensoren for vibrasjonsmåling på testbenker, maskiner og konstruksjoner. De er robuste og enkle å kable, men krever riktig eksitasjon, kobling, forsterkning og samplingsrate. Denne artikkelen forklarer hvordan et IEPE-akselerometer virker, hvordan du dimensjonerer forsterkning og samplingsrate for frekvensområdet ditt, hva du bør kontrollere før første måling, og hvilke signalomformere, DAQ-moduler og sensorer fra ICP DAS som passer.

Slik virker et IEPE-akselerometer

IEPE står for Integrated Electronics Piezo-Electric. Det piezoelektriske elementet gir en ladning som er proporsjonal med akselerasjonen, og en liten forsterker inne i sensoren omformer den til en lavimpedant spenning. Forsterkeren forsynes over de samme to lederne som fører signalet, vanligvis en koaksialkabel.

Måleinstrumentet leverer en konstant strøm på noen få milliampere fra en forsyning med en compliance-spenning på omtrent 18 til 30 V. Når sensoren er tilkoblet, oppstår en DC-biasspenning på linjen, og vibrasjonssignalet ligger oppå denne. Akselerometeret iSN-701-F15 har for eksempel en spesifisert biasspenning på 10 til 14 VDC. Inngangen må derfor være AC-koblet: en kondensator blokkerer biasspenningen, og bare det dynamiske signalet går videre til forsterkeren og A/D-omformeren.

Dette får to konsekvenser. Koblingskondensatoren danner et høypassfilter, slik at svært lave frekvenser dempes. Og avstanden mellom compliance-spenning og biasspenning begrenser hvor stort signalutslaget kan bli før det klippes.

Følsomhet, måleområde og forsterkning

Følsomheten oppgis i mV/g: en sensor på 100 mV/g gir 100 mV ved 1 g. Velg følsomhet og forsterkning slik at den største forventede vibrasjonen ikke klippes, samtidig som den minste vibrasjonen du er interessert i, ligger godt over støygulvet.

Regneeksempel: et akselerometer av typen iSN-701-F15 (100 mV/g, ±80 g) er koblet til en omformer av typen SG-3227 med ±10 V utgang. Forsterkningsinnstillingen bestemmer det brukbare måleområdet:

Forsterkningen påvirker også båndbredden. På SG-3227 er øvre grensefrekvens 80 kHz ved ×1 og ×10, og 50 kHz ved ×100.

Samplingsrate og frekvensområde

Samplingsteoremet krever en samplingsrate på mer enn det dobbelte av den høyeste frekvensen. For spektralanalyse er en faktor på 2,56 et vanlig valg, fordi det gir rom for antialiasingfilteret. Støtpulser og andre bølgeformer i tidsdomenet krever enda raskere sampling.

• Opptil 1 kHz: minst 2,56 kS/s per kanal
• Opptil 5 kHz: minst 12,8 kS/s per kanal
• Opptil 10 kHz: minst 25,6 kS/s per kanal

I nedre ende er det AC-koblingen som setter grensen: SG-3227 har en nedre grensefrekvens på 1,6 Hz med 0,1 µF kobling eller 0,2 Hz med 1 µF, og PET-AR400 oppgir 0,16 Hz. Kontroller også akselerometeret; iSN-701-F15 er spesifisert fra 0,5 Hz.

På flerkanalsinnganger kan samplingsraten avhenge av antall aktive kanaler. PET-AR400 sampler med 128 kHz med én kanal, 64 kHz med to og 32 kHz med tre eller fire, med en båndbredde på 12,8 kHz (−0,1 dB) for én eller to kanaler og 6,4 kHz for tre eller fire.

Sjekkliste for oppsett

• Still inn eksitasjonsstrømmen i henhold til sensorens datablad. SG-3227 gir 2, 4, 6 eller 10 mA per kanal; høyere strøm gjør det lettere å drive lange kabler ved høye frekvenser.
• Kontroller biasspenningen før du måler. En verdi nær null tyder på kortslutning, en verdi nær forsyningsspenningen på brudd. SG-3227 viser dette per kanal med lysdioder: grønn for normal, gul for brudd, rød for kortslutning.
• Monter sensoren stivt. Montering med gjengetapp gir det bredeste frekvensområdet; magneter og limputer senker den brukbare øvre frekvensen.
• Unngå jordsløyfer mellom maskin og DAQ-system, for eksempel med isolerte innganger eller en isolerende monteringssokkel.

ICP DAS-produkter for IEPE-vibrasjonsmåling

Signalomformer for eksisterende DAQ-maskinvare

SG-3227 er en 2-kanals IEPE-signalomformer. Hver kanal stilles inn med DIP-brytere for eksitasjonsstrøm (2, 4, 6 eller 10 mA) og forsterkning (×1, ×10 eller ×100), og har en spenningsutgang på ±10 V. Utgangen kan kobles til enhver DAQ-inngang med ±10 V måleområde, for eksempel kortet PCIe-8620, som sampler simultant, eller Ethernet-DAQ-modulen PET-7H16M.

Ethernet-DAQ med IEPE-innganger

PET-AR400 har fire differensielle IEPE-innganger med BNC-kontakter og 4 mA eksitasjon, en 24-bits A/D-omformer, AC- eller DC-kobling som velges med jumper, samt programvare- eller analog terskeltrigging. Data leses via TCP-strømming eller Modbus TCP, med SDK-er for Windows (inkludert LabVIEW) og Linux, og modulen kan forsynes via PoE.

Frittstående logging og permanent overvåking

Dataloggerne AR-200 og AR-400 registrerer 2 eller 4 IEPE-kanaler simultant med 3 mA eksitasjon og 16-bits oppløsning, med opptil 200 kHz (AR-200) eller 125 kHz (AR-400) per kanal. Data lagres på et microSD-kort for analyse i etterkant, og opptak kan startes med trykknapp, tidsur, terskelverdi eller digital inngang.

For permanent overvåking forsyner iSN-701X ett IEPE-akselerometer med 4 mA, omformer signalet til karakteristiske vibrasjonsverdier og gir alarm når en verdi overskrider terskelen sin. Verdiene leses via Modbus TCP eller Modbus RTU; iSN-701X-mA har i tillegg en 0/4–20 mA-utgang.

Akselerometre

iSN-701-F15 er et enakset IEPE-akselerometer med 100 mV/g følsomhet, ±80 g måleområde og en frekvensrespons fra 0,5 Hz til 15 kHz, med kapslingsgrad IP68 (uten kabel) og 3 m eller 6 m kabel. Vibrasjonssensormodulene iSN-711 og iSN-713 bruker MEMS-sensorer i stedet for IEPE og egner seg for lavfrekvent overvåking over RS-485.

Send sensortype, frekvensområde og antall kanaler til vårt tekniske salgsteam, så hjelper vi deg med å sette sammen målekjeden.