Accelerometro

Che cosa è un sensore di forza piezoelettrico?

Un sensore di forza piezoelettrico presenta una rigidezza comparabile ad un pezzo di acciaio delle medesime dimensioni. Questa rigidità e resistenza permette a questi sensori di essere inserire direttamente in macchine come parte della loro struttura.

Tipi di accelerometro

Esistono due tipi di accelerometri piezoelettrici (sensori di vibrazione). Il primo tipo è un accelerometro con carica di uscita ad "alta impedenza". In questo tipo di accelerometro, il cristallo piezoelettrico genera una carica elettrica direttamente collegata agli strumenti di misurazione. La carica di uscita necessita di accorgimenti e strumentazione speciali, normalmente presenti nelle strutture di ricerca. Questo tipo di accelerometro viene inoltre utilizzato per applicazioni ad alta temperatura (>120 °C) in cui non è possibile utilizzare modelli a bassa impedenza.

Il secondo tipo di accelerometro è con uscita a bassa impedenza. Un accelerometro a bassa impedenza è dotato di un accelerometro di carica all'estremità anteriore, ma dispone di un piccolo microcircuito integrato e di un transistor FET che converte la carica in tensione a bassa impedenza, per interfacciarsi facilmente con la strumentazione standard. Questo tipo di accelerometro viene comunemente utilizzato in ambito industriale. Un alimentatore per accelerometri come ACC-PS1 fornisce l'elettricità necessaria al microcircuito da 18 ... 24 V a 2 mA a corrente costante, rimuove il livello di polarizzazione CC e, generalmente, emette un segnale di uscita a base zero fino a +/- 5 V a seconda del valore nominale mV/g dell'accelerometro. Tutti gli accelerometri OMEGA (R) sono del tipo a bassa impedenza.

Specifiche dell'accelerometro

Gamma dinamica dell'accelerometro: è l'ampiezza massima approssimativa che l'accelerometro è in grado di misurare prima che il segnale di uscita venga distorto o limitato. Normalmente specificata in g.

Risposta in frequenza dell'accelerometro: è determinata da massa, proprietà piezoelettriche del cristallo e frequenza di risonanza. È la gamma di frequenza in cui l'uscita dell'accelerometro rientra in una deviazione specificata, normalmente +/- 5%.

g 1g: è l'accelerazione dovuta alla gravità della Terra (32.2 piedi/sec2, 386 poll./sec2 o 9,8 m/sec2).

Messa a terra dell'accelerometro: negli accelerometri, esistono due tipi di messa a terra del segnale. Gli accelerometri con corpo messo a terra hanno la parte bassa del segnale collegata al corpo. Dato che il corpo fa parte del percorso del segnale e potrebbe essere a contatto con un materiale conduttivo, occorre prestare attenzione quando si utilizza questo tipo di accelerometro per evitare interferenze dal piano di terra. Negli accelerometri isolati da terra, i componenti elettrici sono isolati dal corpo e sono molto meno soggetti a interferenze da terra.

Limite di alta frequenza dell'accelerometro: è la frequenza a cui l'uscita supera la deviazione di uscita data. È normalmente stabilito dalla risonanza meccanica dell'accelerometro.

Limite di bassa frequenza dell'accelerometro: è la frequenza a cui l'uscita inizia a scendere al di sotto della precisione data. L'uscita non "si interrompe" ma, con frequenze più basse, la sensibilità diminuisce rapidamente.

Rumore dell'accelerometro: il rumore elettronico è generato dal circuito di amplificazione. Il rumore può essere a banda larga (specificato su uno spettro di frequenze) o spettrale - designato a frequenze specifiche. I livelli di rumore vengono espressi in g, cioè 0,0025 g in una gamma di 2-25.000 Hz. Normalmente il rumore diminuisce all'aumentare della frequenza, quindi il problema del rumore è maggiore a basse frequenze che non ad alte frequenze.

Come scegliere un accelerometro?

• Ampiezza delle vibrazioni da monitorare
• Gamma di frequenza da monitorare
• Gamma di temperatura dell'installazione
• Forma e dimensioni del campione da monitorare
• Presenza di campi elettromagnetici
• Presenza di livelli elevati di rumore elettrico nell'area
• Eventuale messa a terra della superficie su cui verrà montato l'accelerometro
• Eventuale corrosività dell'ambiente
• Necessità di strumenti a sicurezza intrinseca o antideflagranti
• Stato dell'area (umida o di lavaggio)

Frequenza di risonanza dell'accelerometro: è la frequenza a cui il sensore suona o squilla. Le misurazioni della frequenza devono rimanere ben al di sotto della frequenza di risonanza dell'accelerometro.

Sensibilità dell'accelerometro: è la tensione di uscita generata da una determinata forza misurata in g. Gli accelerometri, normalmente, si dividono in due categorie - quelli che generano 10 mV/g o 100 mV/g. La frequenza della tensione di uscita CA corrisponderà alla frequenza delle vibrazioni. Il livello di uscita sarà proporzionale all'ampiezza delle vibrazioni. Gli accelerometri a uscita bassa vengono utilizzati per misurare livelli di vibrazioni elevati, mentre gli accelerometri a uscita alta si utilizzano per misurare vibrazioni di livello basso.

Sensibilità alla temperatura: è l'uscita di tensione per grado di temperatura misurata. I sensori sono compensati in temperatura, per mantenere la variazione in uscita entro i limiti specificati per un cambiamento di temperatura.

Gamma di temperatura dell'accelerometro: è limitata dal microcircuito elettronico, che converte la carica in un'uscita a bassa impedenza. Normalmente la gamma di temperatura è compresa tra -50 e 120 °C.

Altre considerazioni:

La massa degli accelerometri dovrebbe essere decisamente più piccola rispetto alla massa del sistema da monitorare. La gamma dinamica dell'accelerometro dovrebbe essere più ampia rispetto alla gamma di ampiezza prevista delle vibrazioni del campione. La gamma di frequenza dell'accelerometro dovrebbe rientrare nella gamma di frequenza prevista. La sensibilità dell'accelerometro dovrebbe generare un'uscita elettrica compatibile con la strumentazione a disposizione. Per misurare vibrazioni di ampiezza elevata è consigliabile utilizzare un accelerometro a bassa sensibilità, mentre per misurare vibrazioni di ampiezza ridotta è consigliabile utilizzare un accelerometro ad alta sensibilità.

Tipo industriale
Gli accelerometri di tipo industriale sono il pilastro di questo settore. Si utilizzano su tutto, dalle macchine utensili ai miscelatori di vernici. OMEGA propone quattro modelli tra cui scegliere. ACC101 (in figura) è un accelerometro dall'ottimo rapporto qualità-prezzo, per applicazioni di carattere generale. ACC 102A è sigillato ermeticamente per ambienti difficili, ha un cavo fisso e pesa soltanto 50 grammi. I modelli ACC786A (cavo dall'alto) e ACC787A (cavo laterale) sono sigillati ermeticamente e dispongono di cavi scollegabili antintemperie.

Triassiale
Gli accelerometri triassiali misurano la vibrazione su tre assi X, Y e Z. Hanno tre cristalli, posizionati in modo che ognuno reagisca alla vibrazione su un asse diverso. L'uscita ha tre segnali, ognuno rappresentante la vibrazione per ognuno dei tre assi. ACC301 è costruito in titanio ultraleggero e ha un'uscita a 10 mV/g con una gamma dinamica di +/-500 g su una gamma da 3 a 10 kHz.

Montaggio dell'accelerometro

Per misurare correttamente le vibrazioni, il sensore deve essere montato direttamente sulla superficie della macchina. Questa operazione può essere eseguita con diversi mezzi:

• Magnete piatto
• Magnete a 2 poli
• Adesivi (epossidici/cianoacrilati)
• Perno di montaggio
• Perno di isolamento

Generalmente, gli attacchi magnetici sono provvisori.

Gli attacchi magnetici si utilizzano per fissare l'accelerometro su materiali ferromagnetici di cui sono composti strumenti, strutture e motori di macchine. Con questo tipo di attacco il sensore può essere facilmente riposizionato in vari punti, per letture da posizioni multiple. Gli attacchi con magnete a due poli si utilizzano per fissare l'accelerometro su una superficie ferromagnetica curva.

Adesivi e perni filettati sono attacchi permanenti.

È comprovato che gli adesivi, ad esempio quelli epossidici o cianoacrilati, sono in grado di fornire un fissaggio soddisfacente per la maggior parte delle applicazioni. Occorre mantenere la pellicola il più sottile possibile, per evitare smorzamenti indesiderati delle vibrazioni dovuti alla flessibilità della pellicola. Per rimuovere un accelerometro fissato con adesivo, utilizzare una chiave per afferrare il corpo e girare per rompere il fissaggio dell'adesivo. NON USARE UN MARTELLO. Colpire l'accelerometro ne comporterebbe il danneggiamento.

I perni di montaggio sono la tecnica di montaggio più adatta.

Per usare i perni occorre che la struttura sia forata e maschiata, ma questi forniscono un fissaggio solido e affidabile. Per evitare di danneggiare il sensore o i filetti, rispettare i valori di coppia specificati.