Inleiding tot piëzo-elektrische industriële versnellingsmeters

In het afgelopen decennium is het volgen van trillingsparameters de meest gebruikte technologie geworden voor het bewaken van de gezondheid van machines. Industriële versnellingsmeters zijn het werkpaard geworden in de markt van predictief onderhoud. Deze sensoren zijn extreem robuust, hebben een groot dynamisch bereik en zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties om te voldoen aan individuele installatievereisten.

Er ontstaat vaak verwarring bij het kiezen van de juiste versnellingsopnemer voor een bepaalde toepassing. Er zijn veel goede versnellingsmeters voor algemene toepassingen die geschikt zijn voor 80% van de toepassingen. Voor de overige 20% zijn speciale trillingssensoren nodig. Deze toepassingen kunnen monitoring bij zeer hoge frequentie, metingen bij zeer lage frequentie, zeer lage amplitude, installaties bij hoge temperatuur en vele andere omvatten.

Deze paper/presentatie schetst de basisontwerpkenmerken van versnellingsmeters. Er zal speciale aandacht worden besteed aan het beschrijven van de criteria waaruit speciale sensoren zoals een laagfrequente versnellingsmeter bestaan. Er worden toepassingsadviezen gegeven met betrekking tot het installeren van versnellingsmeters, montagetechnieken en bekabeling.

Materiaal keuze

Versnellingsmeters zijn piëzo-elektrische apparaten, dat wil zeggen dat het primaire sensorelement een piëzo-elektrisch element is dat zodanig is geconstrueerd dat wanneer het wordt belast door trillingskrachten, er een proportioneel elektrisch signaal wordt geproduceerd. Sommige materialen blijken van nature piëzo-elektrisch te zijn. Kwarts is een natuurlijk materiaal dat vaak wordt gebruikt in versnellingsmeters en vertoont een ongeëvenaarde stabiliteit op lange termijn. Van polykristallijne keramische materialen kunnen piëzo-elektrische eigenschappen worden gemaakt. Loodzirkonaat titinaat (PZT) is een veelgebruikt materiaal in versnellingsmeters nadat ze "gepolariseerd" zijn. Het polariseren van PZT onderwerpt het keramiek aan zeer hoge gelijkspanning bij hoge temperaturen in een poging om de domeinen uit te lijnen langs de polarisatie-as. PZT vertoont een natuurlijk verval in output na verloop van tijd en zal regelmatig opnieuw gekalibreerd moeten worden. Speciale inspanningen om de eenheden kunstmatig te verouderen verminderen deze toestand. Hoge schokken of installaties met hoge temperaturen kunnen ook leiden tot verschuivingen in de uitvoer van sensoren op basis van PZT.

In het algemeen worden kwarts en PZT beide gebruikt bij de productie van versnellingsmeters. Elk materiaal heeft bepaalde voor- en nadelen. Zoals eerder vermeld vertoont kwarts een superieure temperatuurstabiliteit en heeft het geen verouderingseffecten, waardoor het extreem stabiel is in de loop der tijd. Kwarts-sensoren hebben een hoge spanningsgevoeligheid en vereisen spanningsversterkers om het signaal te conditioneren. Spanningsversterkers, met grote gewaardeerde weerstanden, zijn normaal gesproken inherent lawaaieriger en beperken het minimaal meetbare signaal, maar maken het mogelijk om zeer hoge trillingsniveaus te monitoren. Op PZT gebaseerde sensoren bieden een hoge ladingsuitvoer en een hoge capaciteit. Er worden "stillere" micro-elektronische ladingsversterkers gebruikt, waardoor de lage trillingsniveaus gemeten kunnen worden.

Andere materiaalselecties die overwogen moeten worden bij het ontwerp van versnellingsopnemers zijn het materiaal van de behuizing, de keuze van de connector en de afdichtingsmethode. Industriële versnellingsmeters moeten onder zeer ongunstige omgevingsomstandigheden werken. Harde chemicaliën zijn vaak aanwezig waardoor de sensor wordt blootgesteld aan corrosieve en uiteindelijk schadelijke omstandigheden. Niet-corrosieve 316L roestvast stalen behuizingen zijn vereist in zware industriële omgevingen om de overlevingskansen van de sensor te verzekeren. 316L roestvast staal wordt ook gebruikt vanwege de niet-magnetische eigenschappen wat belangrijk is bij grote motoren. Geanodiseerd aluminium behuizingen zijn niet bestand tegen extreme omstandigheden. Sommige nieuwere sensoren zijn in opkomst met een composiet behuizing. Sommige composietmaterialen zijn even corrosiebestendig als roestvast staal. Connectoren moeten even robuust zijn. Roestvrijstalen connectoren met hermetische afdichtingen zijn ook vereist in ruwe omgevingen. Niet-hermetische connectoren zoals BNC's, hoewel handig, zullen industriële omstandigheden niet overleven. BNC-connectoren hebben ook de neiging om te verslijten bij herhaald gebruik en onder zware trillingen. Verontreinigingen kunnen de sensor binnendringen via epoxy afdichtingen en de sensor permanent beschadigen. Hermetische connectoren en hermetische laser- of elektronenbundellassen zorgen ervoor dat de sensor is afgesloten van verontreinigingen van buitenaf.

Mechanisch

Er worden drie structurele basisontwerpen gebruikt bij de productie van industriële versnellingsmeters. Dit zijn de buig-, compressie- en afschuifontwerpen. Alle drie ontwerpen bevatten de basiscomponenten piëzo-elektrisch element, seismische massa, basis en behuizing.

Bij het buigontwerp is het piëzo-elektrisch element bevestigd aan de seismische massa in de vorm van een dubbele cantileverbalk. Figuur 1 toont het sensorelement/massasysteem dat wordt aangedreven op het steunpunt of de basis. Flexibele ontwerpen hebben een lagere resonantiefrequentie en zijn over het algemeen niet geschikt voor machinebewakingstoepassingen. Vanwege hun zeer hoge output (tot 100 V/g) blinken flexurale ontwerpen uit in seismische toepassingen met een laag niveau en lage frequentie. Het buigelement is vaak geëpoxeerd, wat de toepassing in omgevingen met hoge schokken beperkt.

Het compressieontwerp is over het algemeen het eenvoudigst en het gemakkelijkst te begrijpen. Het kristal, kwarts of keramiek, is ingeklemd tussen de seismische massa en de basis met een elastische bout. Beweging (trilling) in de basis knijpt het kristal samen waardoor een output ontstaat. Compressieontwerpen zijn veel geschikter dan buigontwerpen voor bewakingstoepassingen van industriële machines vanwege hun hoge resonantie en duurzamer ontwerp. Compressieontwerpen hebben over het algemeen een dikke basis en moeten worden gebruikt op structuren met dikke wanden vanwege de spanning van de basis en de gevoeligheid voor thermische transiënten.

Het afschuifontwerp onderwerpt het detectie-element aan een afschuifspanning. Het piëzo-elektrisch detectie-element en de seismische massa worden vastgezet op een centrale paal/basis die rechtop staat via een borgring zoals getoond in figuur 3. Deze voorspanning zorgt voor een stijve structuur. Deze voorspanning zorgt voor een stijve structuur met een goede frequentierespons en een grotere mechanische integriteit. Aangezien de gevoelige as niet in lijn ligt met het montageoppervlak, produceren ongunstige omgevingsomstandigheden zoals basisbelasting en thermische transiënten geen valse signalen zoals bij de andere ontwerpen.

Bij het selecteren van versnellingsmeters moeten trillingsspecialisten drie belangrijke gebieden in overweging nemen: amplitudebereik, frequentiebereik en omgevingsoverwegingen

Amplitudebereik

Versnellingsmeters die gebruikt worden in toepassingen voor predictief onderhoud zijn intern versterkte ICP® sensoren. Deze sensoren worden gevoed met een constante gelijkstroomvoeding. De voedingsspanning wordt geregeld tussen 18 en 28 volt DC en de stroom wordt beperkt, via een constante stroomdiode, tussen 2 en 20 mA. De signaaluitgang van ICP® sensoren is een DC-gebaseerd AC-signaal. Het trillingssignaal, typisch 100 mV/g AC, wordt gesuperponeerd op de DC bias. Deze DC bias wordt normaal gesproken geblokkeerd door een ontkoppelingscondensator, zodat de uitleesapparatuur AC gekoppeld kan worden. Als een normaal biasniveau van 12 VDC wordt gebruikt met een 18 volt DC voeding en het signaal van de versnellingsmeter is 100 mV/g, dan is het maximaal meetbare signaal 50 g of 5VAC. Dit maximumniveau kan worden verhoogd door de voedingsspanning te verhogen of de gevoeligheid van de versnellingsmeter te verlagen. Door een versnellingsmeter van 10 mV/g te gebruiken met dezelfde maximale output van 5VAC, neemt de trillingslimiet toe tot 500 g.

Het andere criterium om te overwegen bij het bekijken van het amplitudebereik is het laagst meetbare trillingsniveau. Dit wordt gespecificeerd als de ruisvloer of de resolutie van de sensor. De resolutie van de sensor wordt bepaald door twee factoren: elektrische ruis van de interne versterker en mechanische versterking van het massa/piezo-elektrisch systeem. Hoe groter de seismische massa, hoe groter de output van de sensor vóór versterking. Deze hoge mechanische versterking verbetert metingen op lage niveaus door aanzienlijke elektrische signalen te produceren zonder gebruik te maken van versterkerversterking. Keramische sensorelementen bieden doorgaans een grotere signaal-ruisverhouding, waardoor kleine trillingsniveaus gemeten kunnen worden zonder dat elektrische ruis de analyse verstoort.

Frequentierespons

De frequentierespons van een intern versterkte ICP® versnellingsmeter wordt beschreven als het frequentiebereik waarover de sensor een lineaire respons geeft. De bovengrens van de frequentierespons wordt bepaald door de mechanische stijfheid en de grootte van de seismische massa in het sensorelement, terwijl het lage frequentiebereik wordt bepaald door de roll-off van de versterker en de ontlaadtijdconstante. Figuur 4 toont een typische frequentierespons.

Frequentierespons aan de bovenkant

De frequentierespons aan de bovenkant wordt bepaald door de formule w=Ök/m, waarbij w de resonantiefrequentie (2pf) is, k de stijfheid van de meetstructuur en m de grootte van de seismische massa. Bij een gegeven stijfheid zal een sensor met een grote seismische massa een lage resonantie hebben. Een grote seismische massa zal ook een hogere mechanische versterking produceren en daardoor resulteren in een versnellingsmeter met minder ruis en een grotere gevoeligheid. Een kleinere seismische massa produceert minder signaal maar resulteert in een sensor met een hogere resonantiefrequentie. Het uitgangssignaal kan laag zijn bij gebruik van een kleinere seismische massa, maar het frequentiebereik zal groter zijn waardoor metingen bij een hogere frequentie kunnen worden uitgevoerd.

Stijfheid, de tweede variabele in de vergelijking w=Ök/m, is afhankelijk van de sensorconstructie. Flexibele ontwerpen, zoals eerder vermeld, bieden een aanzienlijke mechanische winst, maar de stijfheid is erg laag. Flexurale ontwerpen hebben meestal een hoge output, lage resonantie en beperkte schokbestendigheid. Compressieversnellingsmeters hebben door de voorbelasting van de compressieschroef een hogere stijfheid dan buigzame eenheden en hebben daarom een hogere resonantie en een breder frequentiebereik. Zoals eerder vermeld, kunnen andere omgevingsfactoren zoals basisspanning en thermische transiënten hun gebruik beperken. Schuifmodussensoren vertonen, wanneer ze mechanisch bevestigd zijn, een hoge stijfheid en dus een hoge resonantie. De ongevoeligheid voor omgevingsfactoren zoals rek en thermische verschuivingen plaatst het shear ontwerp bovenaan de lijst.

Laagfrequentierespons

De onderkant wordt elektrisch bepaald door een resistief capacitief circuit dat de ontladingstijdconstante (t=R*C) bepaalt. Hoe hoger de DTC, hoe langzamer het signaal wordt afgevoerd en hoe beter dus de laagfrequentierespons (zie tabel 1). De DTC kan worden vergeleken met een trechter. Hoe kleiner de opening in de bodem van de trechter (of hoe hoger de tijdconstante), hoe minder water (signaal) eruit stroomt. Een sensor met een hogere DTC betekent een betere laagfrequente respons. Een laagfrequente toepassing zal vaak onhandelbaar zijn zonder een sensor met de juiste DTC. De DTC bepaalt echter niet alleen de laagfrequente respons, maar is ook een belangrijke factor bij het bepalen van de bezinktijd. Hoe hoger de DTC, hoe langer de bezinktijd. (Opmerking: Een voorzichtige vuistregel is dat een bezinktijd van 10 keer de ontlaadtijdconstante het signaal laat vervallen tot binnen 1% van de uitgangsbias). Een bezinktijd van een paar seconden of meer lijkt misschien niet significant voor iemand die in een laboratoriumomgeving met een of twee punten werkt, maar iemand die in het veld gegevens van punt tot punt opneemt zal daar zeker anders over denken. Daarom moet er vaak een compromis gesloten worden tussen de lage frequentierespons en de settlingtijd.

Materiaal

Industriële versnellingsmeters zijn bedoeld om permanent geïnstalleerd te worden in zeer ruwe omgevingen. Eerdere discussies over materiaalselectie hebben direct effect op het vermogen van de sensor om zware omgevingen te overleven. De sensoren moeten gemaakt zijn van 316L roestvrij staal en de connectoren moeten hermetische connectoren zijn in militaire stijl. De behuizing moet ook hermetisch afgesloten zijn. Versnellingsmeters met een aluminium behuizing zullen de ruwe industriële installatie niet overleven. BNC's en 10-32 coaxiale connectoren gaan niet lang mee in industriële toepassingen. De interne kristalstructuur moet mechanisch worden vastgezet en niet aan elkaar worden gelijmd.

Kabelassemblages moeten net zo robuust zijn als de sensor. Contrasterende connectoren moeten worden afgedicht als vervuiling wordt verwacht. De materialen van de kabelmantel moeten ook bestudeerd worden om er zeker van te zijn dat chemicaliën of temperatuurbereiken het bruikbare bereik van de kabel niet overschrijden. Maar al te vaak worden installaties gecompromitteerd omdat er niet genoeg aandacht wordt besteed aan de connectoren en de kabels. De sensor kan industrieel robuust zijn, maar er treden storingen op in de kabels en de connectoren.

Montage

Een andere omgevingsfactor om rekening mee te houden is de montagemethode van de trillingssensoren. Er worden vier hoofdmethoden gebruikt voor het bevestigen van sensoren op meetlocaties bij predictief onderhoud. Ze zijn gemonteerd met tapeinden, gelijmd, magnetisch gemonteerd en het gebruik van sondepunten of stingers. Elke methode heeft invloed op de hoogfrequente respons van de versnellingsopnemer. Bevestiging met draadeinden biedt de breedste frequentierespons en de veiligste en betrouwbaarste bevestiging. Figuur 5 toont de ideale voorbereiding van het oppervlak voor montage van sensoren met draadeinden.

Alle andere genoemde methoden verminderen het bovenste frequentiebereik van de sensor. Door de sensor uit het intieme contact met het meetpunt te halen en alternatieve montagestukken zoals zelfklevende pads, magneten of tasterpunten aan te brengen, wordt een gemonteerde resonantie geïntroduceerd. Deze gemonteerde resonantie is lager dan de natuurlijke resonantie van de sensor en verkleint het bovenste frequentiebereik. Hoe verder de sensor van het meetpunt verwijderd is, hoe lager de gemonteerde resonantie en hoe lager het bruikbare frequentiebereik. Figuur 6 toont deze verandering in gemonteerde resonantie.

Een laatste aandachtspunt bij montage betreft de voorbereiding van het oppervlak. De oppervlakken moeten zo vlak mogelijk, schoon en vrij van vuil zijn en de montagegaten moeten loodrecht zijn. Deze coating draagt bij aan de doorlaatbaarheid van de hoger frequente trillingen en verbetert de hoogfrequente respons van de sensoren. Gewoonlijk wordt siliconenvacuümvet, zware machineolie of bijenwas gebruikt.

Bekabeling

Zoals eerder vermeld heeft de keuze van connectoren en kabels een directe invloed op de robuustheid en betrouwbaarheid van de sensorinstallatie. Een andere overweging bij kabels is de manier waarop de kabelgeleiders worden afgesloten. ICP® versnellingsmeters zijn intern versterkte, tweedraads versnellingsmeters. Aansluitingen op de sensor vereisen twee aders, één voor de voeding en het signaal en de andere voor de common en signaalretour. Vaak worden coaxkabels gebruikt omdat er maar twee draden nodig zijn en coaxkabels minder duur zijn. Foutieve signalen kunnen worden geïnduceerd in sensorsystemen die coaxkabels gebruiken via aardlussen of elektromagnetische of radiofrequente interferentie (EMI of RFI). Om aardlussen te voorkomen mag er maar één aarde in het systeem zijn.

Permanente installaties vereisen afgeschermde kabels met twee geleiders om een schone overdracht van het trillingssignaal te garanderen. Met twee geleiders afgeschermde kabels zijn het signaal en de signaalretour (common) volledig afgeschermd van de sensor naar de uitleesapparatuur. Voor de beste afscherming tegen EMI en RFI en om te zorgen dat er geen aardlussignalen worden geïnduceerd, moet de afscherming slechts aan één uiteinde worden afgesloten. Gewoonlijk wordt de afscherming van een tweeaderige afgeschermde kabel open gelaten of niet aangesloten aan de sensorzijde en verbonden met massa aan de instrumentatiezijde.

Samengevat zijn industriële versnellingsmeters het werkpaard van een programma voor predictief onderhoud en trillingsmonitoring. Het is noodzakelijk dat de gebruikte sensor voldoet aan de eisen van de toepassing. De trillingsanalist moet de toepassing beoordelen met sensor selectiecriteria in gedachten om de applicatie-ingenieur te helpen de juiste sensor te selecteren. De drie belangrijkste criteria zijn de inwendige constructie, de uitwendige constructie en de installatie. Intern zijn het materiaal en de structuur van het sensorelement belangrijk voor het dynamisch bereik. De externe constructie is belangrijk voor de betrouwbaarheid en duurzaamheid op lange termijn. En tot slot is de installatie belangrijk om de nadelige effecten van de montage en de bekabeling te beperken.