산업별 어플리케이션

데이터 수집 시스템에서 가속도계 측정 신뢰성 향상

집적 전자 압전(IEPE) 가속도계는 산업 진동 모니터링 시장의 핵심 부품입니다. 가속도계는 진동 질량을 움직일 때 발생하는 힘을 이용하여 질량의 가속도를 측정합니다. 이러한 견고한 장치는 다양한 산업 분야에서 현장 진동 시험, 특히 저주파 진동 측정 분야에 널리 사용됩니다. IEPE는 넓은 동적 범위, 넓은 주파수 응답, 높은 감도, 넓은 작동 온도 범위 및 낮은 출력 임피던스와 같은 장점으로 인해 일반적으로 사용됩니다. 그러나 이러한 장치에도 한계가 있으며, 과도 현상 및 잡음의 영향을 받기 쉽습니다.

풍력 터빈 시장의 폭발적인 성장으로 인해 이러한 거대하고 저속으로 회전하는 장비를 모니터링하는 데 센서가 가장 적합한 선택지가 되었습니다. 효과적인 풍력 터빈 모니터링은 터빈 나셀의 다섯 가지 주요 위치에 센서를 설치하여 수행됩니다. 육상 풍력 터빈의 상태 모니터링에 관한 ISO 10816 표준(파트 21)에서는 그림 1과 같이 이러한 위치를 명시하고 있습니다.

그림 1. 풍력 터빈의 개략도

KEY :

1. 본체(메인 베어링 장착)
2. 메인프레임(뒤쪽)
3. 탑
4. 메인 베어링
5. 변속 장치
6. 
   

IEPE 가속도계 절연 설계의 작동 원리

통합 전자 압전(IEPE) 가속도계는 감지 결정에서 발생하는 높은 출력 임피던스의 전하 신호를 가속도계 데이터 분석을 위한 낮은 임피던스의 전압 출력 신호로 변환하는 내부 증폭기를 갖추고 있습니다. 이러한 표준화된 설계는 대부분의 휴대용 데이터 수집기 및 FFT 분석기와 호환됩니다.

그림 2. 전단 설계 IEPE 가속도계

그림 2는 전단형 IEPE 가속도계의 기본 구성을 보여줍니다. 베이스, 압전 결정 및 질량은 감지 구조의 핵심입니다. 증폭기 회로가 포함된 인쇄 회로 기판은 질량 위에 놓여 센서 펠릿을 완성합니다. 무선 주파수(RF) 신호의 영향을 제한하기 위해 핵심 부분 주위에 패러데이 차폐막이 부착됩니다. 펠릿 어셈블리는 베이스와의 유일한 고정점을 통해 가속도계 본체에 삽입됩니다. 가속도계 베이스와 펠릿 어셈블리 사이에는 100~500V의 보호 기능을 제공하는 절연 재료가 사용됩니다. 대부분의 응용 분야에서 이 절연은 산업 환경에서 센서를 보호하기에 충분합니다. 아래 그림은 센서 본체와 내부 전자 장치의 전기적 특성을 보여줍니다.

그림 3. IEPE 센서의 전기적 특성

현재 상황: 풍력 터빈에 낙뢰 발생

번개가 풍력 터빈에 떨어지면 수천 볼트의 전기가 짧은 시간 동안 타워에 유입됩니다. 적절한 보호 장치가 없으면 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다. 보호 조치가 마련되어 있더라도 수천 볼트의 단기적인 과도 에너지가 나셀 내부에 존재하며 끊임없이 접지로 향하는 경로를 찾습니다. 가속도계가 이 경로 내에 있으면 치명적인 손상을 입을 수 있습니다. 아래 사진은 번개를 맞은 풍력 터빈 타워의 가속도계입니다. 작은 검은색 표시는 에너지가 가속도계 케이스에서 활성 IEPE 회로로 이동한 지점을 나타냅니다. IEPE 회로의 영구적인 손상을 확인할 수 있습니다.

낙뢰 발생 시 어떤 현상이 일어나는지 더 잘 이해하기 위해, 일반적인 IEPE 센서에서 고장을 일으키는 전자기 간섭(EMI) 유형을 조사하는 연구를 수행했습니다. 국제전기기술위원회(IEC) 61000의 전자기 호환성 조건을 준수하여 다양한 테스트를 진행했습니다. 이 테스트의 목적은 최대 4kV의 고속 과도 전압에 대한 센서의 저항성과 최대 6kV의 서지 내성을 확인하는 것이었습니다.

현재 상황: 풍력 터빈에 낙뢰 발생

여러 차례 EFT 버스트 내성 테스트를 수행했습니다. 이 테스트에서는 차폐선과 신호선에 각각 별도의 정전 용량 방식으로 에너지를 직접 인가했습니다. 차폐선에 서지 에너지를 인가했을 때(접지 또는 부동 상태) 손상은 발생하지 않았습니다. 신호선 A와 B에 동시에 서지 에너지를 인가했을 때도 손상은 발생하지 않았습니다. 그러나 신호선 A 또는 B 중 하나에만 서지 에너지를 인가했을 때는 센서가 치명적인 고장을 일으켰습니다.

서지 내성 테스트를 위해 접지된 경우와 접지되지 않은 경우 모두 센서 케이블 실드에 에너지를 가했습니다. 이 구성에서 가속도계는 손상되지 않았습니다.

그 후 가속도계 신호선 A와 B에 서지 에너지를 가했습니다. 이 테스트에서 인쇄 회로 기판 어셈블리에 눈에 띄는 손상이 발생했습니다. 이러한 고장 양상은 풍력 터빈 응용 분야에서 관찰되는 고장 양상과 일치하지 않았습니다.

이러한 시험 결과를 바탕으로 풍력 터빈 나셀에서 발생하는 급격한 전압 변동으로 인한 고장을 방지할 수 있는 새로운 센서 본체 설계를 위한 엔지니어링 연구가 시작되었습니다. 새로운 프로토타입 설계에 대한 예비 시험 결과, 최대 6kV의 서지 전압을 견딜 수 있는 유망한 결과를 보여주었습니다.

데이터 수집 시스템에서 주입되는 노이즈

많은 IEPE 가속도계는 우수한 잡음 특성을 가지고 있지만, 신호 컨디셔너/데이터 수집 시스템이 이러한 성능을 제대로 활용하지 못하면 성능이 저하될 수 있습니다. 가속도계 데이터 수집 시스템의 잡음 성능을 신중하게 고려하여 가속도계로 측정되는 데이터의 품질이 저하되지 않도록 해야 합니다.

일부 저가형 신호 컨디셔너/데이터 수집 시스템은 특히 이 부분에서 문제가 발생할 수 있습니다. IEPE 전원 공급 방식의 특성상, 정전류 레귤레이터의 전압 공급에서 발생하는 노이즈가 가속도계 출력 신호에 직접적으로 유입됩니다. 이러한 저가형 시스템에 사용되는 전압은 대개 노이즈가 심한 단순 스위칭 DC-DC 컨버터에서 공급됩니다.

데이터 수집 시스템 자체의 잡음 외에도, 가속도계는 적절한 전원이 공급될 경우 가속도에 비례하는 동적 교류 신호와 함께 직류 바이어스 전압을 출력합니다. 이는 IEPE 전원 공급 방식에 내재된 특성입니다. 동적 신호를 추가로 처리하려면 신호 컨디셔너/데이터 수집 시스템 내에서 이 직류 바이어스를 제거해야 합니다. 일반적으로 RC 회로를 사용하여 이 과정을 수행하며, 이로 인해 시스템의 저주파 응답이 결정됩니다. 가속도계는 매우 낮은 주파수까지 감지할 수 있도록 설계될 수 있지만, 가속도계 데이터 수집 시스템이 동일하거나 더 나은 수준으로 설계되지 않으면 성능이 저하될 수 있습니다.

이러한 점들을 고려하여 ScopeCorder DL850E는 광대역 고전압 가속도계의 입력을 수용할 수 있도록 내장형 안티앨리어싱 필터를 갖도록 설계되었습니다. 701275 가속도 모듈은 IEPE 가속도계의 직접 입력을 지원하므로 그림 4에서와 같이 전하 증폭기가 필요하지 않습니다. 또한, 이는 낮은 임피던스 입력으로 탁월한 노이즈 제거 특성을 제공하는 추가적인 이점도 있습니다.

그림 4. 내장형 앰프 타입 가속도 센서를 DL850E에 연결하기

결론

IEPE 가속도계를 사용할 때, 특히 새로 출시된 통합 신호 조절기/가속도계 데이터 수집 시스템과 함께 사용할 때는 사용자가 고려해야 할 몇 가지 요소가 있습니다. 이러한 요소는 다음과 같습니다.

이러한 요소들을 올바르게 관리하면 사용자는 IEPE 가속도계에서 발생하는 오류 데이터를 방지하고 측정 데이터의 품질을 기대하고 요구하는 수준으로 유지할 수 있습니다.

1. 신호 컨디셔너/DAQ 시스템이 가속도계에 적절한 전원을 공급하기 위해 충분한 정전류를 공급하는지 확인하십시오.
2. 신호 컨디셔너/DAQ 시스템이 가속도계의 적절한 규격 전압 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.
3. 신호 컨디셔너/DAQ 시스템의 잡음 성능을 고려해야 합니다. 저가형 시스템 중 상당수는 가속도계의 잡음 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다.
4. 측정 시스템의 고주파 응답을 고려해야 합니다. 특히, 긴 케이블을 사용하거나 고진폭 및/또는 고주파 가속도를 측정할 때 신호 컨디셔너/DAQ 시스템이 충분한 전류를 공급할 수 있는지 확인해야 합니다.
5. 신호 컨디셔너/DAQ 시스템의 저주파 응답을 고려해 보세요.

Improving Accelerometer Measurement Reliability in Data Acquisition Systems

Integrated electronics piezoelectric (IEPE) accelerometers are a mainstay of the industrial vibration monitoring market. Accelerometer devices use the force generated by moving a seismic mass to measure the acceleration of the mass. These rugged devices are found in a variety of industries for field vibration testing, especially in the area of low frequency vibration measurements. IEPE are commonly used for the advantages of wide dynamic range, wide frequency response, high sensitivity, wide operating temperature range, and low output impedance. However, these devices are not without their limitations and can be susceptible to the effects of transients and noise.

The explosion of the wind turbine market has made them the sensor of choice for monitoring these massive, slow speed equipment. Effective wind turbine monitoring is performed in the nacelle with sensors located at five key locations. ISO 10816 standards for condition monitoring of onshore wind turbines (Part 21) identifies these locations as shown in Figure 1.

Figure 1 schematic diagram of a wind turbine

Key:

1. mainframe (mounting of main bearing)
2. mainframe (back)
3. tower
4. main bearing
5. gearbox

Working Principle of IEPE Accelerometer Isolation Design

Integrated electronics piezoelectric (IEPE) accelerometers feature an internal amplifier which converts the high-output impedance charge signal from the sensing crystals into a low-impedance voltage output signal for accelerometer data analysis. This standardized design is compatible with most handheld data collectors and FFT analyzers.

Figure 2 shear design IEPE accelerometer

Figure 2 illustrates the basic configuration of a shear design IEPE accelerometer. The base, piezoelectric crystal and mass is the core of the sensing structure. The printed circuit board with the amplifier circuit sits on top of the mass completing the sensor pellet. A faraday shield is attached around the core to limit the influence of radio frequency (RF) signals. The pellet assembly is inserted into the accelerometer body with the only attachment point being the base. An isolation material is used between the base of the accelerometer and the pellet assembly, providing from 100 – 500 volts of protection. For most applications the isolation is sufficient enough to protect the sensor in industrial environments. The figure below shows the electrical characteristics of sensor body and internal electronics.

Figure 3 electrical characteristics of IEPE sensors

Current status: Lightning strikes in wind turbines

When lightning strikes wind turbines, several thousand volts of electricity are injected into the tower for a short period. If not properly protected catastrophic failures can result. Even when measures are in place, several thousand volts of short term transient energy can be present inside the nacelle constantly searching for a path to ground. If an accelerometer is within that path it can be fatally destroyed. The photo below is an accelerometer from a wind tower that sustained a lightning strike. Notice the small black mark indicative of the location where the energy jumped from the case of the accelerometer into the active IEPE circuit. Permanent damage to the IEPE circuit can be seen.

To better understand what happens in cases of lightning strikes, a study was conducted to investigate what types of electromagnetic interference (EMI) caused failures in typical IEPE sensors. Various tests were performed conforming to International Electrotechnical Commission (IEC) 61000 conditions of achieving electromagnetic compatibility. The purpose of the tests was to identify typical sensor resistance to electrical fast transients up to 4 kV and surge immunity tests up to 6 kV.

Current status: Lightning strikes in wind turbines

Several EFT burst immunity test were performed. For this test, energy was capacitively coupled directly to the shield and signal lines in separate test. When surge energy was applied to the shield, grounded or floating, no damage resulted. When surge energy was applied to both signal lines A and B simultaneously no damage occurred. When surge energy was applied to either the A or B signal line separately, the sensor sustained catastrophic failure.

For the surge immunity test, energy was coupled to the sensor cable shield, both grounded and ungrounded. Under this configuration, no damage was sustained to the accelerometer.

Then surge energy was applied to the accelerometer signal lines A and B. For this test, visible damage occurred to the printed circuit board assembly. This failure mode was not consistent with the failures seen in wind turbine applications.

As a result of these tests, an engineering study commenced to design a new sensor body that would eliminate failures due to fast transients being presents in wind turbine nacelles. Preliminary testing of a new prototype design has shown promising results in being able to withstand surge voltages as high as 6 kV.

Injected Noise from Data Acquisition Systems

Many IEPE accelerometers have excellent noise specifications, but if the signal conditioner/data acquisition system cannot take advantage of this capability, this high performance can be degraded. Carefully consider the noise performance of the accelerometer data acquisition system to ensure it does not degrade the quality of the measurements being taken by the accelerometer.

Some lower cost signal conditioner/data acquisition systems may especially have a problem in this area. Inherent in the way the IEPE powering scheme works, any noise originating from the voltage supply for the constant current regulator will directly couple into the accelerometer’s output signal. Frequently, the voltage supply used on these lower cost systems is derived from simple switching DC-to-DC converters, which typically are noisy.

In addition to the inherent noise of the data acquisition system, when properly powered, an accelerometer will output a DC bias voltage, as well as the dynamic AC signal proportional to acceleration. This is inherent in the IEPE powering scheme. This DC bias must be filtered out within the signal conditioner/data acquisition system in order for the dynamic signal to be further processed. This is typically done with an RC network, thus setting the low frequency response of the system. The accelerometer may be specified down to a very low frequency, but if the accelerometer data acquisition system isn’t specified to the same (or better) level, it will degrade that performance.

Taking these considerations into account, the ScopeCorder DL850E was designed with built-in antialiasing filters to accept inputs from wide bandwidth, high voltage accelerometers. The 701275 acceleration module supports direct input of IEPE accelerometers, thus eliminating the need for charge amplifiers as shown in Figure 4. This also has the added benefit of providing low impedance inputs for excellent noise eliminating characteristics.

Figure 4 Connecting built-in amp type acceleration sensor to DL850E

Conclusion

There are several factors for a user to consider when using an IEPE accelerometer, particularly when used with newly available integrated signal conditioner/accelerometer data acquisition systems. These factors are:

Correctly managing these factors will help the user avoid erroneous data from their IEPE accelerometer and ensure the quality of the measurement data is at the level they expect and require.

1. Ensure the signal conditioner/DAQ system supplies adequate constant current to properly power the accelerometer.
2. Ensure the signal conditioner/DAQ system meets the proper compliance voltage requirement of the accelerometer.
3. Consider the noise performance of the signal conditioner/DAQ system. Many lower cost systems can significantly degrade the noise performance of the accelerometer.
4. Consider the high frequency response of the measurement system. In particular, ensure the signal conditioner/DAQ system can supply adequate current when using long cables, or measuring high amplitude and/or high frequency accelerations.
5. Consider the low frequency response of the signal conditioner/DAQ system.