ICP® is een term die PCB's piëzo-elektrische sensoren met ingebouwde micro-elektronische versterkers uniek identificeert. (ICP® is een geregistreerd handelsmerk van PCB Group, Inc.) Aangedreven door constante stroom signaal conditioners, is het resultaat een eenvoudig te bedienen, lage-impedantie, tweedraads systeem zoals getoond in figuur 5.
Afbeelding 5: Typische
ICP® sensorsystemen
Naast gebruiksgemak en eenvoud van bediening bieden ICP®-sensoren vele voordelen ten opzichte van traditionele ladinguitgangssensoren, waaronder
1.) Vaste spanningsgevoeligheid, onafhankelijk van kabellengte of capaciteit.
2.) Lage uitgangsimpedantie (<100 Ohm) maakt het mogelijk signalen over lange kabels door ruwe omgevingen te sturen met vrijwel geen verlies van signaalkwaliteit.
3.) Het tweedraads systeem is geschikt voor standaard goedkope coaxiale of andere tweedraads kabel.
4.) Hoogwaardige spanningsuitvoer die compatibel is met standaard uitlees-, opname- of acquisitie-instrumenten.
5.) Intrinsieke sensor zelftest functie door controle van de sensor uitgangsspanning.
6.) Lage kosten per kanaal omdat de sensoren alleen goedkope conditioners voor constante stroomsignalen nodig hebben.
7.) Minder systeemonderhoud.
8.) Richting werking in uitlees- en data-acquisitie instrumenten die stroom bevatten voor gebruik met PCB's ICP® sensoren.
Figuur 6 toont schematisch de elektrische grondbeginselen van typische kwarts- en keramische ICP®-sensoren. Deze sensoren bestaan uit een basis piëzo-elektrisch transductiemechanisme (met een uitgang die evenredig is met kracht, drukversnelling of rek, afhankelijk van het sensortype) gekoppeld aan een zeer betrouwbare geïntegreerde schakeling.
Figuur 6: Elementaire kwarts en keramische
ICP® sensoren
In ICP®-sensoren worden doorgaans twee soorten geïntegreerde schakelingen gebruikt: spanningsversterkers en ladingsversterkers. Kwartsdetectoren met lage capaciteit hebben een zeer hoge spanningsoutput (volgens V = q/C) en worden gewoonlijk gebruikt met MOSFET-spanningsversterkers. Keramische detectie-elementen met een zeer hoge ladingsuitvoer worden gewoonlijk gekoppeld aan ladingsversterkers.
Eerst wordt de theorie achter de ICP®-kwartsdetectietechnologie uitgelegd. Het proces begint wanneer een meetgrootheid, die op het piëzo-elektrisch meetelement inwerkt, een hoeveelheid lading produceert die ∆q wordt genoemd. Deze lading verzamelt zich in de kristalcapaciteit, C, en vormt een spanning volgens de wet van de elektrostatica: ∆V = ∆q/C. Omdat kwarts een zeer lage capaciteit heeft, is het resultaat een hoog voltage, geschikt voor gebruik met spanningsversterkers. De versterking van de versterker bepaalt dan de gevoeligheid van de sensor.
Deze ∆V verschijnt onmiddellijk aan de uitgang van de spanningsversterker, gevoegd bij een biasniveau van ongeveer +10 VDC. Dit voorspanningsniveau is constant en vloeit voort uit de elektrische eigenschappen van de versterker zelf. (Normaal gesproken wordt de bias verwijderd door een externe signaalconditioner voordat de gegevens worden geanalyseerd. Dit concept wordt later volledig uitgelegd). Bovendien is het impedantieniveau aan de uitgang van de sensor minder dan 100 ohm. Dit maakt het gemakkelijk om lange kabels door ruwe omgevingen te leiden met vrijwel geen verlies aan signaalkwaliteit.
ICP® sensoren met keramische sensorelementen werken over het algemeen anders. In plaats van de spanning over het kristal te gebruiken, werken keramische ICP® sensoren met ladingsversterkers. In dit geval is de hoge laaduitgang van het keramische kristal de gewenste eigenschap.
De elektrische kenmerken van de sensor zijn analoog aan die welke eerder zijn beschreven voor systemen met laadmodus, waarbij de uitgangsspanning gewoon de door het kristal gegenereerde lading is, gedeeld door de waarde van de terugkoppelcondensator. (De versterking van de versterker (mV/pC) bepaalt uiteindelijk de uiteindelijke gevoeligheid van de sensor). In dit geval zijn veel van de beperkingen opgeheven. Alle circuits met hoge impedantie zijn namelijk beschermd in een stevige, hermetische behuizing. Zorgen of problemen met vervuiling en ruisarme bekabeling vallen weg.
Hieronder volgt een korte vergelijking van spannings- en laadversterkers met geïntegreerde schakelingen:
Merk op dat de schema's in figuur 6 ook een extra weerstand bevatten. In beide gevallen wordt de weerstand gebruikt om de ontladingstijdconstante van de RC-schakeling (weerstand-condensator) in te stellen. Dit wordt nader toegelicht in het hoofdstuk "Ontladingstijdconstante van de opnemer".
In-line laad- en spanningsversterkers
Voor bepaalde toepassingen (zoals testen bij hoge temperaturen) kan het nodig zijn geïntegreerde schakelingen uit de sensor te verwijderen. Daarom zijn er verschillende in-line laadversterkers en in-line spanningsversterkers beschikbaar. De werking is identiek aan die van een ICP® -sensor, behalve dat de kabel die de sensor met de versterker verbindt een signaal met hoge impedantie doorgeeft. Er moeten speciale voorzorgsmaatregelen worden genomen, zoals die welke eerder zijn besproken in de secties over lading en spanning, om betrouwbare en herhaalbare gegevens te garanderen.
Voeding voor ICP® systemen
Een typisch detectiesysteem met een kwarts ICP® -sensor, een gewone twee-aderige kabel en een basis conditioner voor constante stroom wordt getoond in figuur 7. Alle ICP®-sensoren hebben voor een goede werking een constante stroombron nodig. De eenvoud en het principe van tweedraadswerking zijn duidelijk te zien.
Figuur 7: Typisch sensorsysteem
De signaalconditioner bestaat uit een goed geregelde bron van 18 tot 30 VDC (batterij of lichtnet), een stroomregulerende diode (of een gelijkwaardige constante stroomkring) en een condensator voor de ontkoppeling (verwijdering van de biasspanning) van het signaal. De voltmeter (VM) controleert de voorspanning van de sensor (gewoonlijk 8 tot 14 VDC) en is nuttig voor het controleren van de werking van de sensor en het opsporen van open of kortgesloten kabels en aansluitingen.
De stroomregelende diode wordt om verschillende redenen gebruikt in plaats van een weerstand. De zeer hoge dynamische weerstand van de diode levert een bronvolger versterking op die zeer dicht bij eenheid ligt en onafhankelijk is van de ingangsspanning. Ook kan de diode worden aangepast om hogere stromen te leveren voor het aansturen van lange kabellengtes. Constante stroomdiodes, zoals getoond in figuur 8, worden gebruikt in alle batterijgevoede signaalconditioners van PCB. (De juiste oriëntatie van de diode in het circuit is essentieel voor een goede werking). Met uitzondering van speciale modellen, vereisen standaard ICP® sensoren een minimum van 2 mA voor een goede werking.
Afbeelding 8: Constante Stroom Diode
De huidige technologie beperkt dit type diode tot maximaal 4 mA; er kunnen echter meerdere diodes parallel worden geplaatst voor hogere stroomniveaus. Alle PCB lijngevoede signaalconditioners gebruiken constante stroomkringen met een hogere capaciteit (tot 20 mA) in plaats van de diodes, maar het werkingsprincipe is identiek.
De ontkoppeling van het datasignaal vindt plaats in de eindtrap van de signaalconditioner. De condensator van 10 tot 30 µF verschuift het signaalniveau om de voorspanning van de sensor in wezen te elimineren. Het resultaat is een driftvrije AC-werking. Optionele DC gekoppelde modellen elimineren de biasspanning door gebruik te maken van een DC spanningsverschuiver.
Effect van de excitatiespanning op het dynamisch bereik van ICP® sensoren
De gespecificeerde excitatiespanning voor alle standaard ICP®-sensoren en -versterkers ligt doorgaans tussen 18 en 30 volt. Het effect van dit bereik wordt getoond in figuur 9.
Figuur 9: Typische spanningsmodus systemen
Ter verduidelijking van de grafiek wordt uitgegaan van de volgende waarden:
VB = voorspanning sensor = 10 VDC
VS1 = voedingsspanning 1 = 24 VDC
VE1 = bekrachtigingsspanning 1 =VS1 -1 = 23 VDC
VS2 = voedingsspanning 2 = 18 VDC
VE2 = bekrachtigingsspanning 2 =VS2 -1 = 17 VDC
Maximaal bereik sensorversterker = ±10 volt.
Merk op dat een daling van ongeveer 1 volt over de stroombegrenzende diode (of gelijkwaardig circuit) moet worden aangehouden voor een correcte stroomregeling. Dit is belangrijk, omdat twee 12 VDC batterijen in serie een voedingsspanning van 24 VDC hebben, maar slechts een bruikbaar sensorniveau van 23 VDC.
De effen curve geeft de ingang voor de interne elektronica van een typische ICP®-sensor weer, terwijl de gearceerde curven de uitgangssignalen voor twee verschillende voedingsspanningen weergeven.
In de negatieve richting wordt de spanningszwaai doorgaans beperkt door een ondergrens van 2 VDC. Onder dit niveau wordt de uitgang niet-lineair (niet-lineair gedeelte 1 op de grafiek). Het uitgangsbereik in de negatieve richting kan worden berekend door:
Negatief bereik = VB-2(vergelijking 4)
Hieruit blijkt dat de negatieve spanningszwaai alleen wordt beïnvloed door de voorspanning van de sensor. In dit geval is het negatieve spanningsbereik 8 volt.
In de positieve richting wordt de spanningszwaai beperkt door de bekrachtigingsspanning. Het uitgangsbereik in de positieve richting kan worden berekend door:
Positief Bereik = (Vs - 1) - VB =VE - VB (Vergelijking 5)
Voor een voedingsspanning van 18 VDC resulteert dit in een dynamisch uitgangsbereik in positieve richting van 7 volt. Ingangsspanningen buiten dit punt resulteren eenvoudigweg in een clipped golfvorm zoals afgebeeld.
Bij een voedingsspanning van 24 VDC bedraagt het theoretische uitgangsbereik in positieve richting 13 volt. De micro-elektronica in ICP®-sensoren is echter zelden in staat nauwkeurige resultaten op dit niveau te leveren. (De veronderstelde maximale spanningszwaai in dit voorbeeld is 10 volt.) De meeste zijn gespecificeerd op ±3, ±5 of ±10 volt. Boven het gespecificeerde niveau is de versterker niet-lineair (niet-lineair gedeelte 2 op de grafiek). Voor dit voorbeeld breidde de 24 VDC voedingsspanning het bruikbare sensoruitgangsbereik uit tot +10/-8 volt.