İvmeölçer Nedir? Piezoelektrik ve IEPE

Neden ivmeölçerlere ihtiyaç duyarız?

İvme ve şok günlük hayatımızın her alanında sık sık karşılaştığımız kavramlardır. Titreşim, motorlar, türbinler, makineler, köprüler, kuleler hatta insan vücudu tarafından üretilebilirler ve iletilebilirler. Meydana gelen titresimlerin bazilari tahammül edilebilir seviyede iken, bazilari rahatsız edici ve hatta yıkıcı düzeyde olabilir. Sonuç olarak, titreşimi yaratan nedenleri anlamak ve bu titreşimleri ölçerek korunma metodlarını geliştirebilmemiz için ivmeölçerlere büyük bir ihtiyaç vardır.

AC Cevaplı Piezoelektrik İvmeölçer

”Piezo” yunanca kökenli bir kelime olup sıkma, sıkıştırma anlamına gelir. Piezoelektrik madde gerginliğe maruz kaldığında elektrik yükü üretir. Sismik kütle ile birleşerek titreme ivmesiyle orantılı bir şekilde elektrik yük sinyali oluşturur. Genelde ivmeölçerlerin aktif elemanı Kursun-Zirkon it-Titan(PZT) adında mükemmel Piezoelektrik özelliklere sahip seramik maddeden oluşur. Özel olarak formüle edilmiş PZT istikrarlı bir performans ve uzun dönem sağlamlılığı sağlar. Kuvars maddelerle karşılastırıldığında seramiklerin duyarlılığı 100 kat daha büyüktür. Ayrıca, düşük frekanslarda ve düşük ivmelerde Piezoelektrik ivmeölçerler, birden fazla kristal/seramik içermeleri sebebiyle iyi çözümler sunabilmektedir. Charge (yük) ve Voltage(gerilim) tipi çıkışlı olmak üzere iki ayrı ivmeölçer modeli piyasada bulunmaktadır.

Charge (yük) tipi ivmeölçer, elektronik içermeyen pasif tipte oldukları için -200 ila 400 Derece arasında sıcaklıklarda çalışabilir ve 120 dB (>10kHz bant genişliği) dinamik range aralığında ölçüm yapabilirler. IEPE gerilim tipi ivmeölçerler ise 175 dereceye kadar çalışabilmektedirler.

Her iki tipte ivmeölçer kendilerine özel sinyal şartlandırıcılar (signal conditioners) ile birlikte kullanılmaktadırlar.

İvmeölçer kullanılarak İvme, Hız ve Deplasman Ölçümü

Vibrasyonla ilgili yapılan çalışmaların pekçoğu önemli değişkenler olan ve bir yapının dizaynı veya validasyonu için aranan ivme,hız ve deplasman bilgisi üzerinedir. Genel olarak ivmeölçerden alınan ham “g” bilgisi güzel bir referans olarak kabul edilsede hız ve deplasman(yer değişim) değişkenlerine dizayn hesaplamaları için ihtiyaç duyulur. Hız ve yer değişimi ivmeölçer çıkışının entegrasyonu ile analog veya dijital ortamda elde edilmektedir. Bu noktada AC cevaplı ivmeölçerler için bir sorundan bahsedilebilir.

Bu promlemi daha iyi anlatabilmek için, aşağıdaki resimde uzun süre ile yarım sinus sinyalinin AC cevaplı bir ivmeölçer ile ölçümünü görebilirsiniz. Bu sensörün çıkışı, yapısı gereği taşıdığı RC devresinin zaman sabiti nedeniyle asla bu eğrinin tepe noktasını takip edemez. Aynı sorun eğrinin sonunda sensör çıkışının bir offset üretmesine neden olacaktır. Kırmızı eğri AC çıkışlı ivmeölçerin çıkış sinyalini göstermektedir.

İlk bakışta küçük görünen bu sapma nümerik entegrasyon esnaısnda çok büyük hatalara yol açacaktır. DC cevaplı bir ivmeölçer ise yapısı gereği böyle bir risk taşımaz ve çok yavaş hareketleri on derece düzgün şekilde takip edebilir. Günümüz uygulmalarında pek sık karşılaşılmasada bu temel farkın bilinmesinde yarar olacaktır. Örneğin bir frenleme ivmesi bu örneği anlamanıza yardımcı olabilir.

IEPE mi, yük (charge) çıkışlı mı?

Piezoelektrik ivmeölçerler iki temel çıkış biçiminde sunulur. IEPE tipinde yükselteç sensörün içindedir; sabit akım beslemesi ile çalışır ve düşük empedanslı gerilim çıkışı verir. Bu sayede standart kablo kullanılabilir ve kurulum basitleşir.

Yük çıkışlı tipte ise sensör pasiftir, elektronik içermez. Bu özellik onu yüksek sıcaklık gibi dahili elektroniğin dayanamayacağı ortamlarda kullanılabilir kılar, ancak düşük gürültülü özel kablo ve harici yük yükselteci gerektirir.

Montaj rezonansı ve kullanılabilir bant

Bir ivmeölçerin katalogda verilen frekans aralığı, belirli bir montaj koşulu için geçerlidir. Gerçek kurulumda sensör-yapı birleşimi kendi rezonansını oluşturur ve bu rezonansa yaklaşıldıkça ölçüm giderek daha fazla abartılı değer verir.

Pratik yaklaşım, çalışma bandını montaj rezonansından belirgin biçimde uzakta tutmaktır. Ölçümde beklenmedik yüksek genlikli tepe değerleri görülüyorsa, bunun gerçek bir yapı davranışı mı yoksa montaj rezonansı mı olduğu mutlaka sorgulanmalıdır.

Kalibrasyon ve izlenebilirlik

İvmeölçerin duyarlılığı zamanla, aşırı şok sonrası veya kablo hasarı nedeniyle değişebilir. Düzenli kalibrasyon, ölçülen değerin izlenebilir bir referansa bağlı kalmasını sağlar.

Saha koşullarında hızlı bir doğrulama için taşınabilir kalibratörler kullanılır; bunlar sensöre bilinen bir titreşim uygulayarak ölçüm zincirinin bütününün doğru çalıştığını teyit eder.

Ölçüm aralığı ve duyarlılık dengesi

İvmeölçer seçiminde duyarlılık ile ölçüm aralığı ters yönde çalışır. Yüksek duyarlıklı bir sensör küçük titreşimleri iyi çözer ancak büyük genliklerde doyuma gider. Düşük duyarlıklı sensör geniş aralığı kapsar fakat küçük sinyalleri gürültünün içinde bırakabilir.

Bu yüzden seçim, ölçülecek en küçük ve en büyük genliklerin birlikte değerlendirilmesiyle yapılır.