Traductoare de acceleraţie
Accelerometrul piezoelectric
Accelerometrul de tip compresiv ilustrat mai sus, a fost prima aplicaţie de acest tip introdusă în practică. Există mai multe tipuri de accelerometre, iar unul dintre acestea constă într-o soluţie constructivă, care este în general preferată şi la care elementul activ descompune forţele.
Accelerometrul piezoelectric poate fi considerat traductorul standard pentru măsurarea vibraţiilor maşinilor. Acest tip de accelerometru este întâlnit în practică în configuraţii diferite, dar vom folosi modelul clasic pentru a explica principiul de funcţionare.
Masa seismică este fixată pe bază printr-un bolţ axial care coboară într-un arc circular. Elementul piezoelectric este comprimat între masa seismică şi bază. Atunci când un cristal piezoelectric este supus unei anumite forţe, se generează o diferenţă de potenţial între suprafeţele sale. Există multe tipuri de astfel de materiale, dar cuarţul este cel mai frecvent utilizat. Există, de asemenea, materiale ceramice piezoelectrice care funcţionează bine, şi, în unele cazuri, suportă temperaturi mai mari decât cristalele de cuarţ. În cazul în care temperatura cristalului creşte până când atinge punctul Curie sau temperatura Curie, atunci acesta îşi va pierde proprietatea piezoelectrică. Când se întâmplă acest lucru, traductorul se defectează iremediabil.
Atunci când accelerometrul se deplasează sus-jos, elementul activ dezvoltă forţa necesară pentru a muta masa seismică. Conform legii a doua a lui Newton, această forţă este proporţională cu acceleraţia. Forţa care acţionează asupra cristalului produce semnalul de ieşire, care este, prin urmare, proporţional cu acceleraţia traductorului.
Accelerometrele au un domeniu dinamic foarte larg. Nivele cele mai mici de acceleraţie pe care accelerometrele piezoelectrice le pot detecta sunt determinate doar de zgomotul electric produs de echipamentele electronice, şi cele mai înalte nivele sunt limitate doar de distrugerea elementului piezoelectric în sine. Acest domeniu de acceleraţie se poate întinde pe un domeniu de amplitudine de aproximativ 160 dB! Nici un alt tip de traductor nu poate ajunge la această performanţă.
Accelerometrul piezoelectric este foarte stabil pe perioade lungi de timp, şi va rămâne calibrat dacă este folosit corespunzător. Cele două moduri în care pot fi deteriorate accelerometre sunt expunerea la căldură excesivă şi la cădere pe o suprafaţă dură. Dacă a căzut de la o înălţime mică pe o podea de beton sau pe o suprafaţă metalică, accelerometrul ar trebui recalibrat pentru a vă asigura că nu s-a spart cristalul. O fisură oricât de mică va determina scăderea sensibilităţii şi va afecta răspunsul în frecvenţă al accelerometrului.
Este bine a calibra accelerometrele o dată pe an în cazul în care funcţionează împreună cu colectoarele de date portabile.
Domeniul de frecvenţă al accelerometrului este foarte larg şi se întinde de la frecvenţe foarte scăzute până la câteva zeci de kHz. Răspunsul de înaltă frecvenţă este limitat de rezonanţa masei seismice şi de elasticitatea elementului piezoelectric. Această rezonanţă produce un vârf de mare amplitudine la frecvenţa naturală a traductorului, iar acest lucru este, de obicei, undeva aproape de 30 kHz pentru accelerometrele uzuale. O regulă de bază spune că un accelerometru este utilizabil până la aproximativ 1/3 din frecvenţa sa naturală.
|
Când se utilizează un accelerometru ICP, trebuie să vă asiguraţi că nu aveţi de măsurat un nivel de acceleraţie pentru care tensiunea de ieşire va depăşi câţiva volţi.
Altfel, preamplificatorul intern va fi suprasolicitat şi date măsurate la ieşire vor fi denaturate!
|
Majoritatea accelerometrelor folosite astăzi în industrie sunt de tip ICP, adică au în alcătuire un circuit integrat intern de preamplificare. Acest preamplificator este alimentat de semnalul în sine, astfel încât nu este nevoie de conexiuni suplimentare. Accelerometrul trebuie să aibă această tensiune de curent continuu disponibilă.
Majoritatea accelerometrelor ICP au o frecvenţă redusă, în jur de 1 Hz. Există însă unele care sunt special concepute pentru a merge la 0,1 Hz, dacă trebuie achiziţionate date de foarte joasă frecvenţă.
|
Când accelerometrul ICP este conectat la sursa de alimentare, are nevoie de câteva secunde pentru ca amplificatorul să se stabilizeze, iar în acest timp, datele colectare vor fi afectate de o tensiune uşor variabilă. Din acest motiv, colectoarele de date care lucrează cu accelerometre iau în calcul un timp de aşteptare până când unitatea devine stabilă şi poate începe colectarea datelor. În cazul în care timpul de întârziere este prea scurt, peste forma de undă în timp se va suprapune o rampa de tensiune exponenţială şi spectrul de frecvenţă va afişa o caracteristică de foarte joasă frecvenţă, care presupune o creştere exponenţială de amplitudine, uneori denumită ”pârtie de schi”. Acest lucru ar trebui evitat, deoarece domeniul dinamic de măsurare va fi compromis.
Frecvenţa de rezonanţă a unui accelerometru este puternic dependentă de montaj. Cel mai bun tip constructiv întrebuinţat până acum este cel cu ştift filetat, orice altă soluţie constructivă reducând domeniul de frecvenţă efectiv al traductorului.
La montarea unui accelerometru, este important să se ţină seama ca distanţa de la sursa de vibraţii la accelerometru să fie cât mai scurtă posibil, mai ales dacă se măsoară vibraţiile rulmenţilor.
