Prinsip Kerja Transducer Piezoelectric Accelerometer Untuk Pengukuran Vibrasi

 Accelerometer piezoelektrik compression-type yang ditunjukkan pada Gambar dibawah adalah salah satu jenis accelerometers piezoelektrik pertama yang dikembangkan.

Ada juga desain lain untuk akselerometer. Shear-type accelerometer memiliki kristal piezoelektrik aktif yang berorientasi pada deformasi pada bidang geser, dan sering digunakan untuk pengukuran percepatan dengan senstivitas tinggi di mana distorsi dasar yang signifikan diantisipasi dari transien termal yang besar atau dipasang pada struktur fleksibel. Accelerometer piezoelektrik telah secara luas dianggap sebagai transduser getaran standar untuk pengukuran getaran mesin. Konfigurasi kristal piezoelektrik dan massa seismik bergantung pada rentang frekuensi transduser yang diinginkan.

Gambar Compression-Type Piezoelectric Accelerometer

Massa seismik dijepit ke dasar oleh baut aksial yang menempel di pegas melingkar. Elemen piezoelektrik (kristal) dijepit antara massa dan dasarannya. Bila bahan piezoelektrik mengalami gaya, ia menghasilkan muatan listrik di antara permukaannya.

Ada banyak bahan seperti itu, dengan kuarsa menjadi salah satu yang paling umum digunakan. Bahan keramik piezo sintetis baru saja dikembangkan untuk aplikasi pada suhu tinggi. Jika suhu bahan piezo meningkat sampai suhu batasnya,  pengukuran piezoelektrik akan los dan transduser akan rusak dan tidak dapat diperbaiki.

Ketika akselerometer dipindahkan ke sumbu arah pengukuran primer, gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan massa seismik muncul oleh elemen piezoelektrik aktif. Hukum kedua Newton, kekuatan ini sebanding dengan percepatan massa.

Gaya pada kristal menghasilkan sinyal keluaran, yang oleh karenanya sebanding dengan percepatan transduser. Karena respon linier kristal piezoelektrik, akselerometer memiliki rentang dinamis yang sangat besar. Tingkat akselerasi terkecil yang dapat diukur hanya ditentukan oleh noise listrik, dan tingkat tertinggi hanya dibatasi oleh kerusakan elemen piezoelektrik itu sendiri.

Accelerometer piezoelektrik dibangun agar cukup stabil dalam jangka waktu yang lama, dan akan mempertahankan kalibrasinya jika digunakan sesuai prosedur. Accelerometer bisa rusak akibat suhu yang berlebihan dan shock loading.

Untuk memastikan bahwa kristal internal tidak retak atau rusak, akselerometer harus dikalibrasi setiap tahun bila digunakan dalam dengan sistem akuisisi data. Sebuah celah kecil akan menyebabkan kepekaan berkurang dan juga akan sangat mempengaruhi resonansi, dan dengan demikian respon frekuensi. Accelerometer yang telah rusak kristalnya umumnya tidak dapat diperbaiki.

Rentang frekuensi akselerometer sangat lebar, terbentang dari frekuensi sangat rendah di beberapa unit hingga beberapa puluh kilohertz. Respon frekuensi tinggi dibatasi oleh resonansi massa seismik yang digabungkan ke titik puncak elemen piezo. Resonansi ini menghasilkan puncak yang sangat tinggi dalam respon pada frekuensi alami transduser, dan ini biasanya berada di dekat 30 kHz untuk akselerometer yang umum digunakan. Aturan praktisnya adalah bahwa accelerometer dapat digunakan hingga sekitar 1/3 dari frekuensi alami.

Data di atas frekuensi ini akan ditekankan oleh respons resonan, namun dapat digunakan jika efeknya dipertimbangkan. Tipikal Respons frekuensi accelerometer piezoelektrik ditunjukkan pada Gambar berikut:



Saat memasang akselerometer, penting agar jalur getaran dari sumber ke accelerometer sesingkat mungkin, terutama jika getaran roller elemen bearing akan diukur.

Gambar Accelerometer Phase Lag Roll-off vs. Frequency


Gambar Accelerometer Temperature Sensitivity


Parameter lain untuk menentukan spesifikasi accelerometers adalah fase lag roll-off dan sensitivitas suhu, ditunjukkan pada Gambar diatas. Nilai tertentu dari bahan piezoelektrik dan sirkuit penguat terkait akan memiliki drift lag fase pengukuran, karena waktu respon yang unik dari rangkaian.

Drift fase biasanya akan sesuai dengan ketidakstabilan yang terkait dengan frekuensi alami accelerometer dan frekuensi rendah nonlinier. Akhirnya sangat penting untuk memilih accelerometer yang tepat untuk aplikasi suhu. Kebanyakan accelerometers memiliki sensitivitas rata-rata (mV / g) untuk penggunaan normal pada kisaran 40 ° F - 180 ° F. Saat ini, model akselerometer suhu tinggi telah dikembangkan untuk penggunaan hingga 1000 ° F.

Velocity transducers. Standar pengaplikasian velocity transducer dibuat dengan koil bergerak di luar magnet stasioner, seperti yang digambarkan pada Gambar berikut :

Gambar Velocity “Seismic” Transducer


Velocity Transducer adalah salah satu transduser pengukuran vibrasi pertama yang digunakan. Ini terdiri dari gulungan kawat dan magnet yang disusun sehingga jika housing digerakkan, magnet cenderung tetap tidak bergerak karena inersia. Gerakan relatif antara medan magnet dan koil menginduksi arus yang proporsional dengan kecepatan (velocity) --> (dx / dt) dari gerakan. 

Unit pengukuran menghasilkan sinyal yang berbanding lurus dengan kecepatan getaran (velocity vibration). Hal ini menguntungkan karena pengukuran getaran self-generating dan tidak memerlukan alat bantu untuk beroperasi, dan memiliki impedansi keluaran elektrik yang relatif rendah sehingga membuatnya tidak sensitif terhadap induksi noise. Jenis transduser velocity lainnya terdiri dari sebuah accelerometer dengan built-in electronic integrator, yang lebih unggul dari classic mechanic-style seismic velocity probe.

Terlepas dari kelebihan ini, velocity transducer memiliki banyak kelemahan sehingga membuatnya hampir usang untuk instalasi baru, walaupun masih banyak yang masih menggunakannya sampai sekarang. Hal ini relatif berat dan kompleks sehingga mahal, dan memiliki respons frekuensi yang kurang baik, biasanya berkisar antara 10 Hz sampai 1000 Hz. Gambar berikut menunjukkan kurva respons frekuensi transduser frekuensi koil-massa standar.

Gambar Kurva Frekuensi respon velocity transducer


Spring dan magnet membentuk sistem resonansi frekuensi rendah dengan frekuensi alami sekitar 10 Hz. Resonansi ini perlu diredam untuk menghindari large-peak pada respon frekuensi ini. Coil-mass velocity transducer, karena konstruksinya, berorientasi pada suhu. Adalah penting bahwa transduser seismik dipasang dalam kisaran arah yang ditentukan, dan pada suhu aplikasi yang tepat.

Eddy-Current (Proximity) Probe.  Eddy Current probe adalah displacement transducer yang dipasang permanen, dan memerlukan penguat sinyal untuk menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan jarak antara ujung transduser (ujung probe) dan poros. Lihat Gambar dibawah:

Gambar Eddy Current Proximity Probe


transducer ini beroperasi dengan prinsip magnetik, dan dengan demikian peka terhadap anomali magnetik pada poros - perawatan harus dilakukan agar poros tidak dimagnetisasi, atau memiliki ketidaksempurnaan mekanis (goresan, burr, puing) di area sensor probe, untuk memastikan Sinyal keluaran tidak terdistorsi. Penting untuk disadari bahwa transduser mengukur perpindahan relatif antara bearing dan journal, dan tidak mengukur tingkat getaran total poros atau housing.
Gambar Hubungan Tegangan proximity probe vs Gap

Displacement transducer sangat umum dipasang pada mesin besar dengan bearing journal di mana ia digunakan untuk mendeteksi bearing failure dan kerusakan mekanis lainnya, dan mematikan mesin sebelum terjadi kerusakan yang lebih parah. Biasanya, sepasang probe orthogonally dipasang diikatkan melalui casing bearing ke area journal yang terbuka, di bidang horizontal dan vertikal. Perubahan tegangan celah yang diukur antara bidang horizontal dan vertikal akan menghasilkan poros "orbit" pada osiloskop, yang menampilkan jalur journal saat bermigrasi di sekitar bearing. Berbagai diameter ujung dan ukuran  / konfigurasi ditawarkan untuk memungkinkan rentang sekecil 200 mikro inch ke atas dari 1,1 inci displacement. Lihat Gambar Gambar Hubungan Tegangan proximity probe vs Gap diatas.
Prinsip Kerja Transducer Piezoelectric Accelerometer Untuk Pengukuran Vibrasi Rating: 4.5 Diposkan Oleh: budis

No comments:

Berlangganan Via Email