PiezoelektrischeBeschleunigungs-

aufnehmer

Theorie und Anwendung

Manfred Weber

Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K. © 2012

Herausgeber:

Manfred Weber

Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K.Meißner Str. 58D-01445 Radebeul Telefon +49-351-836 2191Fax +49-351-836 2940Email Info@MMF.deInternet www.MMF.de

Bearbeitet von: Johannes Wagner (1993)Jan Burgemeister (2012)

6. überarbeitete Auflage

© 2012 Metra Mess- und Frequenztechnik RadebeulNachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung.

Änderungen vorbehalten.

Inhaltsverzeichnis

1. Vorbemerkungen.......................................................................1

1.1 Wozu Schwingungssensoren?............................................1

1.2 Was sind das für Sensoren?................................................1

1.3 Welche Signalverarbeitung?..............................................32. Funktion und Aufbau................................................................4

2.1 Piezoelektrisches Prinzip....................................................4

2.2 Piezosysteme......................................................................7

2.3 IEPE - Sensorelektronik.....................................................93. Sensordaten..............................................................................14

3.1 Übertragungsfaktoren.......................................................15

3.2 Frequenzgang...................................................................16

3.3 Querrichtungsfaktor..........................................................16

3.4 Maximalbeschleunigung..................................................17

3.5 Linearität...........................................................................17

3.6 Schwingungsunabhängige Kennwerte.............................18

3.6.1 Temperatureinflüsse...............................................183.6.1.1 Arbeitstemperaturbereich.............................183.6.1.2 Temperaturkoeffizienten..............................183.6.1.3 Temperatursprungempfindlichkeit...............19

3.6.2 Bodendehnung........................................................20

3.6.3 Magnetfelder..........................................................20

3.6.4 Schalldruck.............................................................21

3.6.5 Innenkapazität........................................................21

3.6.6 Eigenrauschen und Nachweisgrenze......................224. Anwendung...............................................................................25

4.1 Messverstärker..................................................................25

4.1.1 Aufnehmer mit Ladungsausgang...........................254.1.1.1 Ladungsverstärker........................................254.1.1.2 Spannungsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz.....................................................26

4.1.2 IEPE-Aufnehmer....................................................28

4.2 Elektronisches Datenblatt nach IEEE 1451.4..................31

4.2.1 Einführung..............................................................31

4.2.2 Anordnung der TEDS-Daten im Speicher.............334.2.2.1 Basic TEDS..................................................334.2.2.2 Template Nr. 25............................................33

4.3 Vorbereitung der Messung...............................................35

4.3.1 Auswahl der Messstelle..........................................35

4.3.2 Auswahl des Sensors..............................................36

4.3.3 Befestigungsarten...................................................37

4.3.4 Kabel.......................................................................43

4.3.5 Vermeidung von Erdschleifen...............................46

4.4 Kalibrierung......................................................................48

4.5 Fehlerbetrachtung.............................................................495. Normen für Schwingungssensoren........................................51

1. Vorbemerkungen

1.1 Wozu Schwingungssensoren?In vielen Bereichen unseres Lebens laufen Bewegungen ab: Das Auto rollt, ein Kompressor arbeitet, eine Werkzeugmaschineschleift, ein Bagger hebt eine Grube aus, Flugzeugtriebwerkedrehen sich, Förderbänder und Greifer transportieren Pakete, ichwohne an einer verkehrsreichen Straße.Alle Bewegungen erzeugen gewollt, ungewollt als Begleiter-scheinung oder auch durch Abnutzung Schwingungen und Stöße.Häufig stören sie, wenn sie nur groß genug sind: Das Auto rumpelt, der Kompressor vibriert, die bearbeiteten Teilewerden ungenau und rau, der Baggerfahrer wird durchgerüttelt, einTriebwerk fällt aus oder sogar ab, Pakete und ihr Inhalt werdenbeschädigt, beim Vorbeifahren eines Brummis klirren die Gläserim Schrank.Allen Störungen ist gemeinsam, dass ihre Ursache Schwingungenund Stöße sind. Werden diese kontinuierlich oder im Turnusgemessen, werden Fehlfunktion, Abnutzung und Schäden erkanntund können behoben werden.

1.2 Was sind das für Sensoren?Apparaturen, mit denen man Schwingung misst, lassen sich inzwei Kategorien einteilen:· Berührungslose Messverfahren· KontaktmessverfahrenZur ersten Kategorie gehören das Wirbelstromverfahren sowie dielaser-optischen Messverfahren. Zur zweiten Kategorie zählenpiezoelektrische, piezoresistive und induktive Messverfahren.

Die Beschleunigungsaufnehmer, die Metra seit über 50 Jahrenentwickelt und produziert, basieren auf dem piezoelektrischenWirkprinzip. “Piezo” kommt aus dem Griechischen (πιέξειν) undsteht für drücken oder pressen. Wird ein piezoelektrisches MaterialDruck oder mechanischen Spannungen ausgesetzt, produziert eselektrische Ladung. Wird es mit einer seismischen Massekombiniert, liefert es ein Ladungssignal, das zur eingeleitetenSchwingbeschleunigung proportional ist.Das aktive Element der Beschleunigungsaufnehmer von Metrabesteht aus einer Piezokeramik mit ausgewählten Eigenschaften.

1

Es handelt sich dabei um Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), das fürstabile Übertragungseigenschaften gegenüber Umgebungsein-flüssen und hohe Langzeitkonstanz optimiert wurde. EineLangzeitkonstanz, die die Größenordnung von Quarzsensorenerreicht, wird durch künstliche thermische Alterung während derProduktion erreicht. Ein gravierender Vorteil von Piezokeramikgegenüber Quarz ist die um den Faktor 100 höhereEmpfindlichkeit. Das ist insbesondere bei niedrigen Frequenzenund geringen Schwingamplituden vorteilhaft.Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer sind heute allgemeinals die beste Sensorik für Schwingungen anerkannt. Verglichenmit anderen Sensorprinzipien bieten sie eine Reihe entscheidenderVorteile:· Außerordentlich großer Dynamikumfang. Ihr geringes

Rauschen macht piezoelektrische Sensoren gleichermaßengeeignet für die Messung kaum wahrnehmbarerSchwingungen und starker Stöße.

· Hervorragende Linearität über den gesamten Dynamikbereich.· Weiter Frequenzbereich, auch höchste Frequenzen sind

messbar.· Hohe Empfindlichkeit bei kleinen Abmessungen.· Keine beweglichen inneren Teile, die beim Gebrauch ver-

schleißen können.· Selbstgenerierendes Prinzip – Hilfsenergie ist nicht

erforderlich.· In vielen Varianten herstellbar, damit gut anzupassen.· Das Beschleunigungssignal kann einfach oder doppelt inte-

griert werden um die Schwinggeschwindigkeit oder denSchwingweg zu erhalten.

Die folgende Tabelle stellt weitere gebräuchliche Sensortypen fürSchwingungen den piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmerngegenüber:

2

Sensortyp Vorteil Nachteil

Piezoresistiv

Auch für statische Beschleunigung

Eingeschränkte Auflösung durch Widerstands-rauschenNur für tiefe und mittlere FrequenzenVersorgungs-spannung erforderlich

ElektrodynamischGeophon

Nur für tiefe Frequenzen

Kapazitiv

Auch für statische BeschleunigungPreiswerte Her-stellung mit Halb-leitertechnologie

Geringere AuflösungZerbrechlich

1.3 Welche Signalverarbeitung?Der Wandlungsvorgang benötigt keine Hilfsenergie. Die an dasnachfolgende Messgerät oder an den integrierten IEPE-Verstärkerals Signal abgegebene Energie bezieht der Aufnehmer aus derBeschleunigung beim Messvorgang. Grundsätzlich wirdWechselbeschleunigung gemessen, häufig auch Vibration genannt.Gleichbleibende Beschleunigung, z.B. die Erdbeschleunigung, istnicht messbar.Das Signal des Sensors muss verstärkt und ggf. gefiltert oderintegriert werden. IEPE-Aufnehmer benötigen zusätzlich eineKonstantstromversorgung. Hierfür eignen sich z.B. die Mess-verstärker M28, M32, M68 und M208 von Metra. Für Sensorenohne Elektronik werden Ladungsverstärker benötigt, z.B. dieTypen M68 oder IEPE100.Nach der Vorverstärkung werden verschiedene Auswerteverfahrenfür das Schwingsignal angewandt:

3

· Bildung von Momentanwert, Spitzenwert und Effektivwertder Schwingbeschleunigung,

· Einfache oder zweifache Integration zur Bestimmung vonSchwinggeschwindigkeit oder Schwingweg,

· Anwendung von Filterung und Frequenzbewertung, FFT undKreuzkorrelation.

Um die Leistungsfähigkeit moderner Messwertverarbeitungs-systeme auszuschöpfen, ist es unumgänglich, das kritischste Gliedder Messkette, den Sensor, genau zu kennen. Dazu soll Ihnen dievorliegende Anleitung verhelfen.

2. Funktion und Aufbau

2.1 Piezoelektrisches PrinzipIm Aufnehmergehäuse ist ein piezoelektrisches Material befestigt.Bild 1 erläutert das Wirkprinzip anhand einer Kompressions-scheibe. Diese ähnelt einem Keramikkondensator mit zwei sichgegenüberliegenden Elektroden. Eine senkrecht zur Elektroden-fläche einwirkende Kraft bewirkt eine Ladungsverschiebung in derKeramik und kann als Spannung an den Elektroden abgenommenwerden.

4

Bild 1: Piezoelektrischer Effekt, Grundberechnungen

ElektrodenflächeDickeKraftLadungSpannungPiezokonstanten

AdFqud33, e33

Piezoscheibe

q = d33 F

u = Fd33 de33 A

A F

q

u

F

d

Ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor besteht aus zweiGrundkomponenten:· Piezoelektrisches Material· Seismische Masse

Die eine Seite der Piezoscheibe ist mit der so genanntenseismischen Masse verbunden, die andere mit einem starrenTräger. Wenn diese Kombination in mechanische Schwingungversetzt wird, wirkt über die seismische (träge) Masse eine Kraftauf die Piezoscheibe. Nach dem Newtonschen Gesetz ist dieentstehende Kraft das Produkt aus Beschleunigung und Masse.Durch den piezoelektrischen Effekt entsteht an den Elektrodeneine Ladung, die proportional zur Kraft und damit auch zurBeschleunigung ist (vgl. Bild 2).

Das Piezoelement ist mit der Sensorbuchse über ein Drähtchenverbunden. Viele Beschleunigungsaufnehmer sind auch mit einemintegrierten Impedanzwandler nach IEPE-Standard bestückt,womit die sehr hohe Impedanz der Piezokeramik in eine niedrigereumgesetzt wird (vgl. S. 9).Über einen breiten Frequenzbereich folgen der Sensorboden unddie seismische Masse der gleichen Bewegung, wodurch der Sensorkorrekt die Beschleunigung misst. Ein piezoelektrischer Beschleu-nigungsaufnehmer kann als mechanischer Tiefpass mit Resonanz-spitze betrachtet werden. Die seismische Masse bildet mit derPiezokeramik und anderen “nachgiebigen” Teilen ein Feder-Masse-System. Dieses weist ein typisches Tiefpassverhalten mitlinearem Frequenzbereich und Resonanzüberhöhung auf. Dadurchwird die obere Grenzfrequenz bestimmt. Um eine höhereGrenzfrequenz zu erzielen, muss die Resonanz nach oben

5

Bild 2: Wirkprinzip eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers

F = m a

Ladungsempfindlichkeit:

Bqa = qa

Bua = ua

Spannungsempfindlichkeit:Beschleunigung a

mSeismische Masse

Piezokeramik

q

u

.

verschoben werden, was durch Verringerung der seismischenMasse geschieht. Je geringer die seismische Masse jedoch wird,desto geringer ist auch die Empfindlichkeit des Sensors. Das hatzur Folge, dass Beschleunigungsaufnehmer mit hoherGrenzfrequenz nur geringe Empfindlichkeiten besitzen (abgesehenvon Sensoren mit interner Verstärkung). Andererseits habenhochempfindliche, seismische Sensoren immer eine relativ geringeobere Grenzfrequenz.

Bild 3 zeigt das typische Frequenzverhalten eines Beschleu-nigungsaufnehmers bei Anregung mit konstanter Beschleunigung.

Aus dem Diagramm lassen sich folgende charakteristischeFrequenzgrenzen ablesen:

· Bei etwa 1/5 der Resonanzfrequenz steigt die Empfindlichkeit auf das 1,05-fache. Der Messfehler gegenüber der Kalibrierfrequenz wird ca. 5 %.

· Bei etwa 1/3 der Resonanzfrequenz wird der Fehler ca. 10 %. Diese Grenze wird oft als linearer Bereich charakterisiert.

· Die 3 dB-Grenzfrequenz, die mit ca. 30 % Messfehler identisch ist, liegt bei der Hälfte der Resonanzfrequenz.

Diese Angaben stellen typische Werte dar und können je nachAufnehmertyp variieren.

6

Bild 3: Frequenzgang eines Beschleunigungsaufnehmers

f 0fr0.5fr

0.3fr

0.2fr ffu 2fu3fu

0.900.951.001.051.10

1.30

0.71

fu

f 0fr

untere GrenzfrequenzKalibrierfrequenz

Resonanzfrequenz

Die untere Grenzfrequenz wird hauptsächlich vom ange-schlossenen Messverstärker bestimmt. Bei vielen Geräten ist siewählbar. Bei Verwendung von Spannungsverstärkern (vgl. Seite26) wird sie von der RC-Zeitkonstante bestimmt, die sich aus demVerstärker-Eingangswiderstand, sowie den Kapazitäten vonSensor, Kabel und Verstärkereingang bildet.

2.2 PiezosystemeDie Grundfunktion, also die Wandlung mechanischer Beschleuni-gung in ein elektrisches Signal, ist bei allen piezoelektrischen Be-schleunigungsaufnehmern identisch. Die verschiedenen Konstruk-tionsvarianten dienen der Anpassung an die unterschiedlichstenMessaufgaben und dem Schutz gegen äußere Störeinwirkungen.Drei Wirkungsmechanismen für die mechanisch-elektrischeWandlung wenden wir an. Die Typenbezeichnungen unsererAufnehmer sind daraus abgeleitet:· Schersystem (KS-Typen)· Kompressionssystem (KD-Typen)· Biegesystem (KB-Typen)

Die folgende Tabelle fasst die Vor- und Nachteile dieser dreiGrundtypen zusammen:

Scherung Kompression Biegung

Vorteile Geringe Tempe-ratursprung-empfindlichkeitGeringe Beein-flussung durch Messobjekt-dehnung

Hohe Empfind-lichkeitRobustheitBewährte TechnologiePreisgünstig herzustellen

Hohe Empfind-lichkeit bei geringer Masse

Nachteile Geringere Empfindlichkeit

Hoher Störeinflussbei Temperatur-sprüngenHoher Störeinflussbei Messobjekt-dehnung

BruchempfindlichRelativ hoher Störeinfluss bei Temperatur-sprüngen

7

Die meisten neu entwickelten Beschleunigungsaufnehmer gehörenzum Schertyp, wenngleich auch die anderen Bauweisen noch ihreDaseinsberechtigung behalten.

Die folgenden Abbildungen zeigen die drei Grundtypen mit ihren wichtigsten Bestandteilen:

Schersystem (Ringkonus):

Sch

erkr

aft

Kompressionssystem:

Kom

pres

sion

skra

ft

Biegesystem:

Bie

gekr

aft

8

Deckel

Piezokeramik

Boden

Buchse

Seismische Masse

Tellerfeder

Spannschraube

Deckel

Buchse

PiezokeramikSockel

Boden

Seismische Masse

DeckelPiezokeramik

Seismische Masse

Boden

Feder

2.3 IEPE - SensorelektronikMetra fertigt eine Vielzahl von Beschleunigungsaufnehmern miteingebautem Impedanzwandler oder Vorverstärker. Dieser wandeltdas hochimpedante Signal der Piezokeramik in ein Spannungs-signal mit niedriger Impedanz um. Dafür verwendet Metra denetablierten IEPE-Standard, wodurch Kompatibilität zu Sensorenund Messgeräten vieler anderer Hersteller gewährleistet ist. DieAbkürzung IEPE steht für "Integrated Electronics Piezo Electric".Andere Bezeichnungen für dasselbe Prinzip sind ICP®, Isotron®,Deltatron®, Piezotron®, LIVM®, CCLD® etc. Die eingebauteElektronik wird über Konstantstrom versorgt (vgl. Bild 4).

Eine Besonderheit liegt darin, dass Versorgungsstrom und Sensor-signal über das gleiche Kabel übertragen werden. Über demSensor bildet sich dabei eine positive Arbeitspunktspannung. DasSchwingsignal wird vom Sensor zurück übertragen, indem es derArbeitspunktspannung aufmoduliert wird. Der KoppelkondensatorCc vor dem Messgeräteeingang dient zur Auskopplung desGleichanteils. Da die Ausgangsimpedanz üblicher IEPE-Auf-nehmer im Bereich 100 - 300 W liegt, darf das Kabel bis zueinigen hundert Metern lang sein, ohne dass dabei dieSignalqualität leidet. Auf teure störarme Kabel kann zugunstenpreiswerter Koaxialkabel verzichtet werden.

9

Bild 4: IEPE-Prinzip

IntegrierterImpedanzwandler

U Messgerät

I

Q UPiezo-System

C R

C

I

R

Koppelkondensator

Konstanter Versorgungsstrom

Eingangswiderstand des Messgerätes

U Versorgungsspannung derKonstantstromquelle

Koaxialkabel,über 100 m lang

IEPE-Aufnehmer

c

const

inp

s

inpc

const

s

Der Konstantstrom kann zwischen 2 und 20 mA liegen (nicht zuverwechseln mit dem 4-20 mA-Stromschleifenstandard). Je kleinerder Speisestrom, desto höher wird die Ausgangsimpedanz unddamit die Störempfindlichkeit. Ein Konstantstrom von 4 mAliefert in den meisten Fällen ein sinnvolles Optimum zwischenStörfestigkeit und Strombedarf. Die Arbeitspunktspannung am Sensorausgang, d.h. dieRuhespannung ohne Beschleunigung, liegt bei Metra-Sensoren imBereich von 12 bis 14 V. Sie ist von der Temperatur und vomSpeisestrom abhängig. Um diese Arbeitspunktspannung oszilliertdas Sensorsignal (vgl. Bild 5). Die Sensorspannung kann dabei nienegativ werden. Die obere Aussteuergrenze wird durch dieVersorgungsspannung der Konstantstromquelle bestimmt. Diesesollte im Bereich von 24 bis 30 V liegen. Die untere Aus-steuergrenze wird durch die Sensorelektronik bestimmt. Metragarantiert eine Mindestaussteuerbarkeit je nach Typ von ± 5 V bis± 6 V.

Neben den Standard-IEPE-Sensoren bietet Metra eine Low-Power-Variante an. Diese Typen sind mit einem „L“ gekennzeichnet. Sieeignen sich besonders für batteriebetriebene Anwendungen, z.B.Handmessgeräte oder Telemetriesysteme. Die Arbeitspunkt-spannung liegt hier bei 5 bis 7 V bei einem Konstantstromzwischen 0,1 und 6 mA. Infolge der geringeren Arbeitspunkt-spannung ist die Aussteuerung auf ± 2 V begrenzt.

10

Die untere Grenzfrequenz der IEPE-Beschleunigungsaufnehmervon Metra liegt bei 0,1 bis 0,3 Hz für die meisten Scher- undBiegesysteme sowie bei 3 Hz für Kompressionssysteme. Die obere Grenzfrequenz hängt hauptsächlich von der mecha-nischen Konstruktion des Sensors ab. Bei längeren Kabeln muss ggf. die Kabelkapazität für die obereGrenzfrequenz mit in Betracht gezogen werden. TypischeKoaxialkabel für IEPE-Aufnehmer, wie sie von Metra geliefertwerden, haben eine Kapazität von ca. 100 pF/m. Bild 6 zeigt die maximale Aussteuerbarkeit über die Frequenz mitden Parametern Kabelkapazität und Speisestrom. Mit steigenderKabelkapazität sinkt die Aussteuerbarkeit. Ursache ist dieverringerte Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des Verstärkersdurch umzuladende Kapazitäten. Bei sehr langen Kabeln ist nurnoch bei Frequenzen bis zu einigen hundert HertzVollaussteuerung von ± 6 V möglich. Dieser Effekt kann durchErhöhung des Speisestroms in gewissen Grenzen kompensiertwerden. Bis zu 10 nF Kabelkapazität (entspricht 100 mStandardkabel) ist bei 4 mA Speisestrom keine Einschränkung derAussteuerbarkeit zu erwarten.

11

Bild 5: IEPE-Aussteuergrenzen

maximale Sensorspannung = Versorgungsspannung

der Konstantstromquelle(24 bis 30 V)

Sättigungsspannung

Arbeitspunktspannnung(12 bis 14 V)

negative Übersteuerung

Aus

steu

erb

erei

ch

0V

positive Übersteuerung

Bild 7 zeigt den Frequenzgang der Sensorelektronik bei unter-schiedlichen Kabelkapazitäten und Speiseströmen. Bei höherenKapazitäten sinkt die obere Grenzfrequenz. Ursache ist der RC-Tiefpass, der sich aus Aufnehmerinnenwiderstand und Kabel-kapazität bildet. Bei 4 mA kann bis zu einer Kabelkapazität vonca. 50 nF (entspricht 500 m Standardkabel) mit einem unver-fälschten Frequenzgang gerechnet werden.

12

Bild 6: Aussteuerbarkeit von IEPE-Aufnehmern in Abhängigkeit von Kabelkapazität und Speisestrom

0,1 0,5 1 5 10 kHz0,1

1

6û / V

Au

sste

uer

bar

keit

3,2 µF600 nF

1 µF200 nF

320nF60 nF

100 nF20 nF

Kabelkapazität4 mA

20 mA

Speise-strom

Bild 7: Frequenzgang eines IEPE-Ausgangs in Abhängigkeit von Kabelkapazität und Speisestrom

10 kHz510

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

1 µF / 20 mA

Ve

rstä

rkun

g (n

orm

iert

)

320 nF / 20 mA

200 nF / 4 mA

20 nF / 4 mA

60 nF / 4 mA

Im Allgemeinen werden heute IEPE-Beschleunigungsaufnehmerdenen mit Ladungsausgang vorgezogen. Es gibt jedoch Anwen-dungsfälle, in denen Ladungsaufnehmer überlegen sind. Die fol-gende Tabelle vergleicht Vor- und Nachteile beider Sensortypen:

IEPE-Ausgang Ladungsausgang

Vorteil Empfindlichkeit wird nicht von Länge und Art des Kabels beeinflusstNiederimpedanter Ausgang erlaubt lange SensorkabelKeine Spezialkabel erforderlichEinfache Selbsttestfunktion möglichBessere Beständigkeit gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit

Keine Stromversorgung erforderlich - ideal für BatteriegeräteKein Rauschen - höchste AuflösungHoher DynamikbereichHöhere Umgebungstemperaturen möglichKleinere Bauformen möglich

Nachteil Konstantstromspeisung erforderlichInterne Rauschquelle durch die ElektronikUmgebungstemperatur begrenzt auf <120 °C

Nur kurze SensorkabelSpezielle störarme Kabel erforderlichLadungsverstärker erforderlich

Weitere Informationen zu IEPE-Beschleunigungsaufnehmern fin-den Sie ab Seite 28.

13

3. SensordatenMetra verwendet zur Werkskalibrierung ein modernes PC-gestütztes Messsystem. Die Kalibrierung basiert auf einemTransfernormal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt(PTB).Unsere Aufnehmer werden, von wenigen Ausnahmen abgesehen,mit einem individuellen Kennblatt ausgeliefert (siehe Beispiel inBild 8). Darauf sind alle individuell gemessenen Daten vermerkt,wozu Empfindlichkeit, Querempfindlichkeit, Isolationswiderstand,Kapazität, Arbeitspunktspannung und Frequenzgang gehören.Weiterhin sind die verfügbaren typischen Kennwerte enthalten.

Frequenzgangdiagramm (individuell gemessen)Typische KennwerteEmpfindlichkeit (individuell gemessen)Querempfindlichkeit (individuell gemessen)ICP-Arbeitspunktspannung (individuell gemessen)Typ und Seriennummer

Bild 8: Kennblatt für Metra-Beschleunigungsaufnehmer

Die folgenden Abschnitte erläutern die im Kennblatt angegebenenMessgrößen.

14

3.1 ÜbertragungsfaktorenEin piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer mit Ladungs-ausgang kann entweder als Ladungsquelle oder als Spannungs-quelle mit sehr hohem Innenwiderstand betrachtet werden.Demzufolge werden Ladungs- oder Spannungsempfindlichkeit(auch Übertragungsfaktoren genannt) angegeben, um dasVerhalten des Sensors gegenüber der Beschleunigung zubeschreiben. Im Kennblatt gibt Metra denLadungsübertragungsfaktor, gemessen in Picocoulomb je m/s²oder je g (1 g = 9,81 m/s²) bei einer Frequenz von meist 80 Hz undRaumtemperatur, an.Bei IEPE-Aufnehmern wird die Empfindlichkeit in Millivolt jem/s² oder je g angegeben.

Die Messunsicherheit dieser Kalibrierung beträgt 1.8 % beif = 80 Hz, T = 21 °C, a = 10 m/s², CKABEL = 150 pF, ICONST = 4 mA.

Diese Messunsicherheit darf nicht mit der Toleranz vom Nennwertverwechselt werden, die bei einigen Typen angegeben wird. DerBeschleunigungsaufnehmer KS80 hat z.B. eine Toleranz von± 5 % bezogen auf die Nennempfindlichkeit von 100 mV/g. DieStandardtoleranz vom Nennwert ist, wenn nicht anders angegeben,± 20 %. Die tatsächliche Empfindlichkeit darf also von der imKatalog angegebenen Nennempfindlichkeit um die angegebeneToleranz abweichen.

Der Ladungsübertragungsfaktor ist bei piezokeramischen Sensorengeringfügig frequenzabhängig. Er vermindert sich um typisch 2 %je Frequenzdekade. Für Präzisionsmessungen weit ab von derWerkskalibrierfrequenz 80 Hz sollte eine Nachkalibrierung bei dergewünschten Frequenz erfolgen.

Bevor ein Beschleunigungsaufnehmer das Werk verlässt,durchläuft er einen künstlichen Alterungsprozess. Dennoch kannweitere Alterung nicht gänzlich ausgeschlossen werde. Typisch istein Absinken der Empfindlichkeit um 3 % in den ersten 3 Jahrennach Herstellung. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte einregelmäßiger Nachkalibrierzyklus eingehalten werden (vgl. Seite48).

15

3.2 Frequenzgang Die Messung des Frequenzgangs erfolgt durch mechanischeAnregung. Metra nutzt hierzu einen Hochfrequenz-Schwingungs-erreger, der mit Sinussignalen von 20 (80) bis 40000 Hz gespeistwird. Die Beschleunigung wird mit Hilfe einer Referenzschleifeannähernd auf 3 m/s² konstant gehalten. Die meisten Beschleu-nigungsaufnehmertypen werden mit einer individuell gemessenenFrequenzgangkurve ausgeliefert. Diese gibt die Änderung derSensorempfindlichkeit in Dezibel bis in den Resonanzbereich an.Die Resonanzspitze ist oft durch Nebenresonanzen überlagert. Ausdem Diagramm kann z.B. die 3-dB-Grenzfrequenz ermitteltwerden. Sie gibt die Frequenz an, bei der der Messfehler 30 %erreicht. Die 3 dB-Frequenz liegt üblicherweise bei ca. 50 % derResonanzfrequenz (vgl. Seite 6). Die 1 dB-Grenzfrequenzkennzeichnet die 10 %-Fehlergrenze. Sie liegt bei etwa einemDrittel der Resonanz. Metra führt die Messung des Frequenzgangs unter optimalenAnkoppelbedingungen durch. In der Praxis kann der tatsächlicheFrequenzgang von der gemessenen Kurve abweichen, da dieAnkoppelbedingungen oft schlechter sind. Durch sehr lange Sensorkabel kann das Frequenzverhalten vonIEPE-Aufnehmern beeinträchtigt werden (vgl. Seite 11).Die untere Grenzfrequenz von IEPE-Aufnehmern kann aus denAngaben zum linearen Frequenzbereich im Datenblatt entnommenwerden. Sie liegt für Abweichungen von 5 %, 10 % und 3 dB vor(vgl. auch Seite 6). Bei Aufnehmern mit Ladungsausgang erfolgtkeine Angabe zur unteren Grenzfrequenz, da diese imWesentlichen durch die Nachfolgeelektronik bestimmt wird.

3.3 QuerrichtungsfaktorDer Aufnehmer überträgt grundsätzlich Schwingungen in seinergeometrischen Hauptrichtung bzw. in der gekennzeichneten Rich-tung. Konstruktionsbedingt nimmt er jedoch auch von dieserRichtung abweichende Schwingungen auf. Das Verhältniszwischen Übertragungsfaktor quer zur Hauptrichtung und demÜbertragungsfaktor in Hauptrichtung nennt man Querrichtungs-faktor. Der Querrichtungsfaktor ist winkelabhängig und hat eineAchtercharakteristik.

16

Im Kennblatt wird der Maximalwert G90max des Querrichtungs-faktors angegeben. Er wird als Verhältnis der Übertragungsfakto-ren bei f = 40 Hz bestimmt. Übliche Werte sind <5 % für Scher-aufnehmer und <10 % für Kompressions- und Biegeaufnehmer.

3.4 MaximalbeschleunigungIn den Technischen Daten sind folgende Grenzwerte angegeben:· â+ Maximale Beschleunigung in positiver Richtung.

Das Messobjekt bewegt sich zum Aufnehmer hin.· â- Maximale Beschleunigung in negativer Richtung.· Das Messobjekt bewegt sich vom Aufnehmer weg.· âq Maximale Beschleunigung in Querrichtung.

(bei Stoßaufnehmern)

Bei Ladungsaufnehmern sind diese Grenzwerte üblicherweise nurdurch den mechanischen Aufbau des Sensors definiert. Wenn einerder Grenzwerte kurzzeitig überschritten wird, z.B. durchFallenlassen des Sensors, funktioniert dieser in der Regel noch. Eswird jedoch eine Nachkalibrierung dringend empfohlen.Andauernde Wechselbeschleunigung ist nur bis zu 25 % derGrenzwerte zulässig, um Ermüdungsschäden zu vermeiden. Wirdein Aufnehmer für sehr genaue Messungen verwendet, bei denenhohe zeitliche Stabilität der Kennwerte gefordert ist, so darf er nurmit 10 % der Grenzwerte belastet werden. Typen mit sehr hoher Maximalbeschleunigung werden alsStoßaufnehmer bezeichnet. Sie zeichnen sich durch eine besondersrobuste Konstruktion und relativ geringe Empfindlichkeit aus.Bei IEPE-Aufnehmern werden die Grenzwerte â+ und â- in derRegel durch die Aussteuergrenzen des integrierten Impedanz-wandlers bestimmt (vgl. Bild 5).

3.5 Linearität Die mechanischen Sensorelemente piezoelektrischer Sensorenweisen sehr geringe Linearitätsfehler auf. Über den angegebenenMessbereich ist der Linearitätsfehler in der Regel kleiner als 1 %. Anders verhält es sich bei Sensoren mit IEPE-Ausgang. Hierkommen Linearitätsfehler der Sensorelektronik hinzu, die sichinsbesondere bei höheren Ausgangsamplituden auswirken. EinLinearitätsfehler unter 1 % ist in der Regel bis ca. 70 % derMaximalaussteuerung gewährleistet.

17

3.6 Schwingungsunabhängige Kennwerte

3.6.1 Temperatureinflüsse

3.6.1.1 Arbeitstemperaturbereich

Die obere Temperaturgrenze wird von der so genannten Curie-Temperatur des Wandlermaterials bestimmt, bei Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik etwa 320 °C. Oberhalb dieser Temperaturdegenerieren die piezoelektrischen Eigenschaften. Da bereitsunterhalb der Curietemperatur irreversible Veränderungen ein-treten, ist die obere Temperaturgrenze dadurch definiert, dass sichdie Übertragungsfaktoren um nicht mehr als 3 % ändern. Beigeklebten Aufnehmern und Aufnehmern mit innerem Verstärkerist die Temperaturbeständigkeit durch die verwendeten Klebstoffebzw. die elektronischen Bauelemente festgelegt. Übliche Tempera-turbereiche sind -10 .. 80 °C, -20 .. 120 °C oder -40 .. 250 °C.Oberhalb von 120 °C kommen aufgrund der Temperatur-empfindlichkeit elektronischer Bauteile nur noch Aufnehmer mitLadungsausgang ohne integrierte IEPE-Elektronik in Betracht. Miteinem abgesetzten IEPE-Verstärker (z.B. IEPE100 von Metra)kann das Sensorsignal zur Weiterleitung konditioniert werden.

3.6.1.2 Temperaturkoeffizienten

Außer den irreversiblen Veränderungen gibt es reversible Än-derungen, die mit Temperaturkoeffizienten berechenbar sind. Im Kennblatt werden bei Ladungsaufnehmern die Temperatur-koeffizienten für den Ladungsübertragungsfaktor TK(Bqa) und dieInnenkapazität TK(Ci) angegeben. Die Temperaturkoeffizientenvon Bqa und Ci gelten mit einem 1,5 m-Anschlusskabel mit einerKapazität von 150 pF. Bei IEPE-Aufnehmern wird der Temperaturkoeffizient desSpannungsübertragungsfaktors TK(Bua) angegeben. Wie dasBeispiel in Bild 9 zeigt, kann sich der Temperaturkoeffizient überden Arbeitstemperaturbereich ändern. Im Datenblatt werdendeshalb mitunter Temperaturkoeffizienten für Teilbereicheangegeben. Anderenfalls erfolgt die Angabe als Maximalwert imArbeitstemperaturbereich.

18

Bei Aufnehmern mit Ladungsausgang besteht durch dieunterschiedliche Größe der Temperaturkoeffizienten von Bqa, Bua

und Ci eine einfache Möglichkeit zur Verbesserung des Tempera-turkoeffizienten. Dies geschieht bei Betrieb an einemLadungsverstärker mit einer in Reihe zum Aufnehmer geschaltetentemperaturunabhängigen Kapazität und beim Einsatz eineshochimpedanten Spannungsverstärkers mit einer Parallelkapazität.Der Wert dieser Kompensationskapazität errechnet sich nach:

C=C i

TK C i −TK BqaTK Bqa

Diese Möglichkeit kann genutzt werden, wenn die Temperaturhäufig stark schwankt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass derresultierende Übertragungsfaktor kleiner wird.

3.6.1.3 Temperatursprungempfindlichkeit

An Piezoelementen aus keramischem Material entstehen beisprungartigen Temperaturänderungen Ladungsverschiebungen.Ursache ist der so genannte pyroelektrische Effekt. Bei Scher-aufnehmern mit ihrer gegenüber Kompressionsaufnehmern um denFaktor 100 geringeren Pyroelektrizität sind jedoch nur Störungendurch Wärmedehnung der Konstruktionsteile von Bedeutung.Diese Störeinwirkungen werden im Störübertragungsfaktor fürTemperatursprünge baT zusammengefasst.Die in den Aufnehmerdaten angegebenen Werte baT wurden ausder Sprungantwort auf einen Temperatursprung von 20 auf 50 °Cmit einer unteren Frequenzgrenze von fu = 1 Hz ermittelt, wobei

19

Bild 9: Beispiel für den Verlauf des Temperaturkoeffizienteneines IEPE-Aufnehmers

der Sensor auf einen Aluminiumblock mit 200 g Massemontiertist.Temperatursprünge äußern sich als Störgröße im Sensorausgangs-signal vor allem im tiefen Frequenzbereich unter 10 Hz.lInsbesondere bei empfindlichen Messungen mit Kompressions-aufnehmern kann es bereits unter Einwirkung von Zugluft zutieffrequenten Störsignalen kommen. Aufnehmer mit Biege-keramik liegen hinsichtlich der Temperatursprungempfindlichkeitzwischen Scher- und Kompressionsaufnehmern. Eine Ver-besserung kann mitunter durch thermische Isolation des Sensorsmit Styropor o.ä. erreicht werden. Durch geeignete Wahl derunteren Grenzfrequenz am Messverstärker können diese Störungenweitestgehend eliminiert werden. Sollen tieffrequente Messungenunter 10 Hz durchgeführt werden, empfiehlt sich generell derEinsatz von Aufnehmern nach dem Scherprinzip.

3.6.2 Bodendehnung

Durch Dehnung des Messobjektes wird bei fester Verbindung dieKoppelfläche des Aufnehmers mit verformt. Diese Deformationbewirkt unterschiedliche Einwirkungen auf das innere Wandlerele-ment. Diese werden im Störübertragungsfaktor für Mess-objektdehnung baS zusammengefasst. Die in den Aufnehmerdaten angegebenen Werte baS werden durchDehnungsanregung bei den Frequenzen f = 8 bzw. 15 Hz aufeinem Biegebalken ermittelt.Messobjektdehnung stört vor allem im Frequenzbereich unterf = 500 Hz. Sie bewirkt schwer zu beseitigende Fehler, da sie beischwingenden Teilen meist ein dem Nutzsignal ähnliches Spek-trum hat. Stark ausgeprägt ist der Effekt bei Kompressions-aufnehmern, während Scherbeschleunigungsaufnehmer kaum aufMessobjektdehnung reagieren.

3.6.3 Magnetfelder

Magnetische Wechselfelder wirken durch Induktion und Magneto-striktion in den Wandlerkern. Beide Einwirkungen werden imStörübertragungsfaktor für Magnetfelder baB zusammengefasst. Die den Aufnehmerdaten angegebenen Werte baB werden bei dermagnetischen Flussdichte B = 0,01 T und der Frequenz f = 50 Hzermittelt. Aufnehmer mit Edelstahlgehäuse zeigen eine höhere Immunitätgegen Magnetfelder als solche mit Aluminiumgehäuse.

20

Die Magnetfeldempfindlichkeit piezoelektrischer Beschleuni-gungsaufnehmer ist relativ gering und kann in der Regelvernachlässigt werden. Starke Magnetfelder können zum Beispielin der Umgebung von elektrischen Maschinen und Frequenz-umrichtern entstehen.Voraussetzung für die störungsfreie Signalübertragung beiVorhandensein elektromagnetischer Felder ist auch eine guteKabelschirmung. Dies ist von besonderer Wichtigkeit bei Sensorenmit Ladungsausgang.Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Vermeidung vonErdschleifen (siehe Seite 46). Bei langen Messkabeln oderMehrkanalanwendungen empfiehlt sich die isolierte Montage desAufnehmers. Einige Aufnehmer (z.B. KS74 und KS80) haben vonder Signalmasse isolierte Gehäuse. Geeignet sind auchIsolierflansche.

3.6.4 Schalldruck

Sehr hohe Schalldruckpegel bewirken eine Deformation desAufnehmergehäuses, die in das Wandlerelement hineinwirkt. DerSchalleinfluss wird mit dem Störübertragungsfaktor fürSchalldruck baP beschrieben.Die bei einigen Aufnehmern angegebenen Werte baP werden beieinem Schalldruck von 134 dB bestimmt. Die Zahlenwerte sindbezogen auf den Schalldruck 1 kPa (154 dB), der weit über derSchmerzgrenze liegt und praktisch nur bei Stoßwellen auftritt.Schalldruck kann als Störgröße in der Regel vernachlässigtwerden. Dominant ist meistens die durch Schalleinwirkunginduzierte Vibration des Messobjekts.

3.6.5 Innenkapazität

Die Angabe der Innenkapazität erfolgt nur bei Beschleunigungs-aufnehmern mit Ladungsausgang. Sie ist relevant, falls derAufnehmer in Verbindung mit einem hochohmigen Spannungs-verstärker betrieben wird (vgl. Seite 26). Die Aufnehmerkapazitätwird mit der Kapazität des bei der Kalibrierung verwendetenStandardkabels angegeben. Die Kapazität dieses Kabels ist aufdem Kennblatt separat vermerkt und muss von derAufnehmerkapazität subtrahiert werden, um die tatsächlicheInnenkapazität des Sensors zu erhalten.

21

3.6.6 Eigenrauschen und Nachweisgrenze

Ein piezoelektrisches Sensorelement kann als rein kapazitiveQuelle betrachtet werden und ist somit rauschfrei. Erst dieSignalverarbeitungselektronik verursacht ein Rauschen infolge derWärmebewegung der Elektronen. Somit ist eine Angabe zumEigenrauschen nur bei IEPE-Aufnehmern sinnvoll.Unterhalb von ca. 100 Hz besitzt es eine typische 1/f-Charakteristik, oberhalb von 100 Hz ist es nahezu konstant.Bild 9 veranschaulicht diesen Zusammenhang an einem typischenRauschspektrum eines IEPE-Beschleunigungsaufnehmers.

Es ist zweckmäßig, das Rauschen am Signalausgang einesAufnehmers auf dessen Eingangsgröße zu beziehen. Hierzu wirddie gemessene Rauschspannung (un) durch den Übertragungsfaktor(Bua) des Aufnehmers geteilt. Man erhält damit einen demRauschen äquivalenten Schwingpegel (an):

a n=un

Bua

Während un nur von der Elektronik bestimmt wird und bei denmeisten Typen ähnliche Werte hat, geht die Empfindlichkeit desSensorelements in den äquivalenten Rausch-Schwingpegel ein.Man erkennt, dass Aufnehmer mit empfindlichem Piezosystem

22

0,01

0,1

1

10

µV

0,07

0,7

7

70

µg

150 100 0 50 Hz 200

Bild 10: Typisches Rauschspektrum einesIEPE-Aufnehmers

eine sehr hohe Auflösung liefern. Um die Auflösungsgrenze eines Aufnehmers abzuschätzen, wird inden Daten der meisten Sensoren das dem Rauschen äquivalenteBeschleunigungssignal (an) als Effektivwert über den linearenFrequenzbereich sowie Rauschdichten für ausgewählte Frequenzenangegeben.

Beispiel für eine Rauschangabe im Sensordatenblatt:

Breitbandrauschen: an wb < 14 µg (0,5 bis 1000 Hz; ±3 dB) Rauschdichte bei f1 = 0,1 Hz: an1 = 3 µg/√HzRauschdichte bei f2 = 1 Hz: an2 = 1 µg/√HzRauschdichte bei f3 = 10 Hz: an3 = 0,3 µg/√HzRauschdichte bei f4 = 100 Hz: an4 = 0,1 µg/√Hz

Das Breitbandrauschen ist der Effektivwert der äquivalentenRauschbeschleunigung über den Nutzfrequenzbereich des Sensors.

Rauschdichten zeigen das Verhalten des Sensors bei bestimmtenFrequenzen, was insbesondere bei tiefen Frequenzen wichtig seinkann. Um die äquivalente Rauschbeschleunigung in einembestimmten Frequenzbereich (fmin bis fmax) abzuschätzen, kannfolgende Formel benutzt werden:

a n f min ... f max=∑i= j

k

ani f i1− f i

Darin sind ani die Rauschdichten, die in dem Frequenzbereichenthalten sind und fi die zugehörigen Frequenzen.

Die Indizes j und k werden so gewählt, dass gilt: fj ≤ fmin

fk < fmax

Beispiel: Berechnung des Eigenrauschens eines Beschleunigungs-aufnehmers mit den oben angegebenen Rauschdaten imFrequenzbereich von 0,1 bis 100 Hz:

23

a n=∑i=1

3

ani f i1− f i

a n=3µg

Hz1 Hz−0,1Hz

1µg

Hz10Hz−1 Hz

0,3µg

Hz100 Hz−10 Hz

a n=8,7µg

Bei der Bestimmung des Eigenrauschens einer Messanordnung istauch das Rauschen der an den Sensor angeschlossenenSignalverarbeitungselektronik zu berücksichtigen.

Das Eigenrauschen bestimmt die Auflösung eines Aufnehmers.Messsignale die kleiner als der angegebene Rauschpegel sind,können nicht erfasst werden.

Die Nachweisgrenze ist nach DIN 45661 der Effektivwert derEingangsbeschleunigung, bei der die Sensorspannung um denFaktor 2 über dem Rausch-Effektivwert liegt.

Der Signal-Rausch-Abstand Sn ist ein Maß für den durch dasRauschen verursachten Messfehler. Er ist definiert alslogarithmische Maßzahl des Quotienten von Nutzsignal (a) undRauschsignal (an):

S n=20 logaan

24

4. Anwendung

4.1 Messverstärker

4.1.1 Aufnehmer mit Ladungsausgang

4.1.1.1 Ladungsverstärker

Aufnehmer mit Ladungsausgang erzeugen ein Ausgangssignal inder Größenordnung von einigen Picocoulomb mit einer sehr hohenAusgangsimpedanz. Um Standardmesstechnik zur Weiter-verarbeitung nutzen zu können, muss es in ein niederimpedantesSignal umgewandelt werden.Zu diesem Zweck setzt man vorzugsweise Ladungsverstärker ein.Deren Eingangsstufe besteht aus einem kapazitiv rückgekoppeltenDifferenzverstärker. Das Ladungssignal am Eingang wird durchdas rückgekoppelte Ladungssignal kompensiert. Die am Ausganganliegende Spannung ist ein Maß für die eingespeiste Ladung.Bild 11 zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Ladungs-verstärkerstufe:

Die Eingangsladung qin fließt in den Summenpunkt am inver-tierenden Eingang des Differenzverstärkers. Diese Ladung verteiltsich auf die Kabelkapazität Cc, die Eingangskapazität desVerstärkers Cinp und den Rückkoppelkondensator Cf. DieKnotengleichung für den Eingang lautet demzufolge:

qin=qcqinpq f

Unter Verwendung der elektrostatischen Gleichung: q=u⋅C

und Ersetzen von qc, qinp und qf erhält man:

25

Bild 11: Ladungsverstärker

R

C

-

+

GND

Sensor

q

vout

inf

f

CinpCc

qf

qc

qinp u

inp

qin=uinp⋅C cC inpu f⋅C f

Da die Spannungsdifferenz am Eingang eines Differenzverstärkersunter normalen Betriebsbedingungen Null wird, kann man davonausgehen, dass die Eingangsspannung u inp gleich Massepotenzial(GND) ist. Mit uinp = 0 lässt sich die Gleichung wie folgtvereinfachen:

qin=u f⋅C f

und nach der Ausgangsspannung uout auflösen:

uout=u f =qin

C f

Das Ergebnis zeigt, dass die Ausgangsspannung eines Ladungs-verstärkers lediglich von der eingespeisten Ladung und derRückkoppelkapazität abhängt. Eingangs- und Kabelkapazitätenbleiben ohne Einfluss. Dies ist interessant zu wissen, wenn einBeschleunigungsaufnehmer mit unterschiedlichen Kabeln einge-setzt wird. Der Rückkoppelwiderstand Rf in Bild 11 hat die Aufgabe, denVerstärker gleichspannungsmäßig zu stabilisieren und denAusgang driftfrei zu machen. Gleichzeitig bestimmt Rf die untereGrenzfrequenz des Verstärkers.Die Prinzipschaltung in Bild 11 stellt nur die Eingangsstufe einesüblichen Ladungsverstärkers dar. Weitere Stufen, wie Spannungs-verstärker, Filter und Integratoren, sind nicht gezeigt.

Typische Ladungsverstärker sind zum Beispiel die Geräte derReihe M68 oder der Ladungsvorverstärker IEPE100 von Metra.

4.1.1.2 Spannungsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz

Anstelle von Ladungsverstärkern eignen sich für Ladungs-aufnehmer auch Wechselspannungsverstärker mit sehr hoherEingangsimpedanz. Im Gegensatz zum Ladungsverstärker müssenin diesem Fall jedoch die Kapazitäten von Sensor, Kabel undVerstärkereingang berücksichtigt werden (Bild 12).

26

Der Spannungsübertragungsfaktor Bua eines Sensors mitbekanntem Ladungsübertragungsfaktor Bqa und der InnenkapazitätCi kann nach folgender Formel berechnet werden:

Bua=Bqa

C i

Die Werte für Bqa und Ci findet man im Datenblatt.

Berücksichtigt man die Kapazität des verwendeten SensorkabelsCc und die Eingangskapazität des Spannungsverstärkers C inp, ergibtsich der korrigierte Spannungsübertragungsfaktor B ｴ ua wie folgt:

B 'ua=Bua

C i

C iC cC inp

Der korrigierte Spannungsübertragungsfaktor B'ua ist kleiner alsBua. Ein typisches Anschlusskabel vom Typ 009 mit 1,5 m Längehat eine Kapazität von ca. 135 pF.

Die untere Grenzfrequenz fu wird von Cc, Cinp und Rinp bestimmt:

f u=1

2 Π R inpC iC cC inp

Die untere Grenzfrequenz steigt mit sinkendem Verstärker-eingangswiderstand.Beispiel: An einen typischen Oszilloskopeingang mit 10 MWEingangswiderstand und 20 pF Eingangskapazität soll einBeschleunigungsaufnehmer vom Typ KS50 mit einerInnenkapazität von 1,4 nF angeschlossen werden. Das Sensorkabelvom Typ 009 hat eine Kapazität von 135 pF. Ergebnis: Die untere Grenzfrequenz ist ca. 10 Hz.

27

Bild 12: Ladungsaufnehmer an Wechselspannungsverstärker

C

C

C

CB CInnenkapazität des Sensors

Kabelkapazität

Eingangskapazität des Verstärkers

Cii

c inp

cRinpR inp Eingangswiderstand des Verstärkers

qaBqa Ladungsübertragungsfaktor

Beschleunigungsaufnehmermit Ladungsausgang

Spannungs-verstärker

inp

4.1.2 IEPE-Aufnehmer

Eine Besonderheit von IEPE-Sensoren liegt in der Übertragungvon Messsignal und Versorgungsenergie über eine gemeinsameLeitung. Daher kommen Aufnehmer dieses Typs, ebenso wieLadungsaufnehmer, mit nur einem massebezogenen Koaxialkabelaus. Bild 13 zeigt das Prinzip der IEPE-Versorgung.

Der im Sensor integrierte Impedanzwandler oder Verstärker wirdmit Konstantstrom zwischen 2 und 20 mA versorgt. Typisch ist einStrom von 4 mA. Einige batteriebetriebene Geräte, z.B. dasSchwingungsmessgerät VM30, arbeiten auch mit 2 mA Konstant-strom. Der Konstantstrom Iconst wird in das Signalkabel eingespeist. Die Höhe des Konstantstromes und die Kabellänge können unterUmständen die obere Grenzfrequenz beeinflussen. (vgl. Seite 11). Der Entkoppelkondensator Cc hält Gleichspannungsanteile vomnachfolgenden Messgerät fern. Die RC-Kombination aus Cc undRinp wirkt als Hochpassfilter. Die Zeitkonstante muss ausreichendhoch dimensioniert sein, um alle relevanten Signalanteiledurchzulassen.

28

Bild 13: IEPE-Prinzip

IntegrierterImpedanzwandler

U Messgerät

I

Q UPiezo-System

C R

C

I

R

Koppelkondensator

Konstanter Versorgungsstrom

Eingangswiderstand des Messgerätes

U Versorgungsspannung derKonstantstromquelle

Koaxialkabel,über 100 m lang

IEPE-Aufnehmer

c

const

inp

s

inpc

const

s

Wichtig: · An einen IEPE-Aufnehmer darf unter keinen Umständen eine

Spannungsquelle ohne Strombegrenzung angeschlossenwerden. Dies könnte die Sensorelektronik sofort zerstören.

· Falschpolung des Sensorkabels kann ebenfalls zur Zerstörungder Elektronik führen.

Aus Bild 14 ist ersichtlich, dass IEPE-Beschleunigungsaufnehmereine einfache Selbsttestmöglichkeit über ihre Arbeitspunkt-spannung haben.

Mit Hilfe der am Messgeräteeingang anliegenden Arbeitspunkt-spannung UBIAS lassen sich folgende Informationen über denSensorzustand gewinnen:

· UBIAS < 0.5 bis 1 V: Kurzschluss (bzw. negative Übersteuerung)· 1 V < UBIAS < 18 V: O.K., Betrieb im Normalbereich· UBIAS > 18 V: Messeingang offen, z.B. Kabelbruch oder Stecker

lockerAufnehmer mit IEPE-Ausgang besitzen eine innere Zeitkonstante,die näherungsweise einem R-C-Hochpass erster Ordnungentspricht. Wird ein Sprungimpuls an den Eingang gelegt,antwortet der Ausgang mit einer exponentiell abklingendenAmplitude (Bild 15).

29

Bild 14: Aussteuerbereich eines IEPE-Aufnehmers

maximale Sensorspannung = Versorgungsspannung

der Konstantstromquelle(24 bis 30 V)

Sättigungsspannung

Arbeitspunktspannnung(12 bis 14 V)

negative Übersteuerung

Aus

steu

erb

erei

ch

0V

positive Übersteuerung

Sprungimpulse entstehen, wenn der Sensor an die IEPE-Versorgung angeschlossen wird oder wenn Stoßbeschleunigungeneinwirken. Die Abklingzeit kann je nach unterer Grenzfrequenzbis zu einer Minute betragen. Dies ist insbesondere beitieffrequenten Messungen zu beachten.Eine Vielzahl von Messgeräten ist mit eingebauter IEPE-Versor-gung ausgestattet. Beispiele von Metra sind die Messverstärker derSerie M68, M208 und M32, der Schwingungswächter M12 oderdas Kalibriersystem VC110. Die IEPE-Versorgung kann auch eineseparate Einheit sein, wie z.B. das Versorgungsmodul M28.

30

Bild 15: Sprungantwort einesIEPE-Aufnehmers

R

C

Eingang Ausgang

tAusgang

Eingang

4.2 Elektronisches Datenblatt nach IEEE 1451.44.2.1 Einführung

Der vor einigen Jahren verabschiedete Standard IEEE 1451 kommtder wachsenden Bedeutung digitaler Messwerterfassungssystemeentgegen. IEEE 1451 definiert hauptsächlich Protokolle und Netz-werkstrukturen für Sensoren mit rein digitalem Ausgang. Der TeilIEEE 1451.4 beschäftigt sich hingegen mit "Mixed Mode" Senso-ren, die zwar einen herkömmlichen Analogausgang besitzen, zu-sätzlich aber einen Speicher für ein "Elektronisches Datenblatt"enthalten. Dieser Datenspeicher wird auch "TEDS" (TransducerElectronic Data Sheet) genannt. In dem 64 + 256 Bit großen Spei-cher sind für den Anwender relevante Sensordaten abgelegt. AufGrund der geringen Speichergröße werden die Daten komprimiertin speziellen Zahlenformaten abgelegt.

Das Elektronische Datenblatt eröffnet dem Anwender eine Reihevon Vorteilen:· Bei Messaufgaben mit einer hohen Anzahl von Sensoren wird

die Zuordnung eines Sensors zum zugehörigen Messeingangvereinfacht. Das Messsystem identifiziert den Sensor selbstund ordnet ihn einem bestimmten Kanal zu. Es entfällt diezeitaufwändige Verfolgung und Markierung von Kabeln.

· Das Messsystem liest die Kalibrierdaten selbstständig ein. Bis-her war es erforderlich, manuell eine Datenbank mit Sensorda-ten (Seriennummer, Messgröße, Empfindlichkeit etc.) zu füh-ren.

· Der Austausch eines Sensors innerhalb eines komplexenMesssystems ist mit minimalem Aufwand verbunden ("Plug &Play"), da sich der Sensor selbst identifiziert.

· Sensorkennblätter gehören zu den am häufigsten verlorenenDokumenten. Da der TEDS-Sensor selbst alle relevantenDaten enthält, kann die Messung auch durchgeführt werden,wenn das Kennblatt gerade einmal nicht auffindbar ist.

Der Standard IEEE 1451.4 baut auf dem bekannten IEPE-Prinzipauf. TEDS-Sensoren sind daher abwärtskompatibel zu üblichenIEPE-Sensoren. Bild 16 erläutert das Prinzip.

31

Beim Anschließen einer Konstantstromquelle verhält sich derTEDS-Sensor wie ein normaler IEPE-kompatibler Sensor. DasProgrammieren und Lesen des integrierten 256 Bit großennichtflüchtigen Speichers vom Typ DS2430 erfolgt ebenfalls überdie Sensorleitung. Die Kommunikation basiert auf dem 1-Wire® -Protokoll von Dallas Semiconductor. Der Datenaustausch erfolgtmit TTL-Pegel, wobei die Polarität umgekehrt zur Konstant-stromquelle ist. Im Sensor werden Analog- und Digitaldatenmittels Dioden getrennt.

Der 8-Kanal-IEPE-Messverstärker M208A von Metra bietetTEDS-Unterstützung mit automatischer Normierung der Sensor-empfindlichkeit.

32

Bild 16: TEDS-Beschleunigungsaufnehmer

U

I const

s

C k

K oaxia lkabe l,bis e in ige

hundert M eter

ICP-kompatibler Sensor mit TEDS

a

m

Mess-gerät

TEDS-Speicher

Verst.

TEDS-Schreib-/Lese-

Schaltungnach IEEE 1451.4

- Typenbezeichnung (lesen- Seriennummer (lesen)- Messgröße (lesen)- Empfindlichkeit (lesen/kalibrieren)- Achsenrichtung (lesen)- Kalibrierdatum (lesen/kalibrieren)- Messort (lesen/schreiben)

4.2.2 Anordnung der TEDS-Daten im Speicher

4.2.2.1 Basic TEDS

In einem 64 Bit großen Teil des Speichers, dem Applikationsregis-ter, liegt das so genannte "Basic TEDS". Es enthält grundlegendeInformationen zur Identifikation des Sensors:

· Typenbezeichnung, Versionsnummer: Metra legt in diesemBereich eine verschlüsselte Typenbezeichnung ab. Die voll-ständige Typenbezeichnung, z.B. "KS78.100", befindet sich ineinem nach IEEE 1451.4 standardisierten File, dem "Manufac-turer Model Enumeration File", das Sie im Download-Bereichunserer Internetseiten finden.

· Seriennummer: Die im Speicher abgelegte Seriennummer istidentisch mit der auf dem Gehäuse eingravierten.

· Herstellercode: Hier befindet sich eine herstellerspezifische,von der IEEE zugewiesene Nummer. Metra hat die Hersteller-nummer 61. Eine vollständig Liste der Herstellercodes findenSie hier:http://standards.ieee.org/develop/regauth/manid/public.html

Das Basic TEDS wird ausschließlich vom Hersteller gespeichert.

4.2.2.2 Template Nr. 25

Die Kalibrierdaten liegen in einem 256 Bit großen Bereich. IhreAnordnung wird in so genannten Templates definiert. Für Schwin-gungsaufnehmer wird in den meisten Fällen das standardisierteTemplate Nr. 25 verwendet. Mit Hilfe von Schaltbits kann beimTemplate Nr. 25 zwischen TEDS-Daten mit oder ohne Übertra-gungsfunktion gewählt werden. Metra verwendet, wenn vom Kun-den nicht anders gefordert, die Version mit Übertragungsfunktion. Die gespeicherten Angaben zur Übertragungsfunktion, z.B. untereGrenzfrequenz, Resonanzfrequenz und Güte, sind dabei typischeKennwerte. Im Einzelnen enthält das Template Nr. 25 folgendeAngaben:

33

· Empfindlichkeit in V/m/s²: Die im mitgelieferten Kennblattangegebene Empfindlichkeit bei Referenzbedingungen ,

· Kalibrierfrequenz der Empfindlichkeit in Hz,· Untere Grenzfrequenz in Hz: Typischer Kennwert gemäß Da-

tenblatt ,· Messrichtung: Relevant bei Triaxialaufnehmern (0 = X; 1 = Y;

2 = Z; 3 = keine Angabe),· Sensormasse in Gramm,· Polarität des Ausgangssignals bei positiver Beschleunigungs-

richtung: 0 = positiv, 1 = negativ,· Tiefpassfrequenz in Hz (falls der Sensor einen Tiefpass ent-

hält),· Resonanzfrequenz in Hz: Typischer Kennwert gemäß Daten-

blatt,· Amplitudenanstieg in Prozent pro /Dekade, · Temperaturkoeffizient in Prozent pro Kelvin: Typischer Kenn-

wert gemäß Datenblatt ,· Kalibrierdatum (TT.MM.JJ), · Initialen des Kalibrierenden (3 Großbuchstaben),· Kalibrierintervall in Tagen: Empfohlene Zeit bis zur nächsten

Kalibrierung.Diese Daten werden vom Hersteller bei Auslieferung gespeichertund können im Rahmen einer Nachkalibrierung auch von einemKalibrierlabor verändert werden.

Darüber hinaus enthält der TEDS-Speicher einige Bytes messstel-lenspezifische Daten, die vom Anwender editiert werden können:

· Messstellennummer (1 bis 2046): Eine Nummer zur Identi-fikation der Messstelle,

· Anwendertext: 13 Textzeichen.

Hinweis: Im Download-Bereich unserer Internetseite http://www.mmf.de/software-download.htmfinden Sie einen TEDS-Editor, mit dem Sie über ein von Metraerhältliches Interfacekabel die Sensordaten auslesen und editierenkönnen.

34

4.3 Vorbereitung der Messung 4.3.1 Auswahl der Messstelle

Um Messfehler zu vermeiden, sind die Voraussetzungen fürrichtiges Messen zu prüfen und ggf. zu schaffen. Folgende Fragensollten geklärt werden:

· Ist zu erwarten, dass an der vorgesehenen Messstelle die für das Ziel der Messung wichtigen Schwingungen unverfälscht auftreten und die zu treffende Aussage sicher abgeleitet werden kann?

· Befinden sich zwischen dem Entstehungsort der Schwingungen und der Messstelle nachgiebige Bauteile?

· Kann und darf die Koppelstelle für den Aufnehmer in der notwendigen Qualität ausgeführt werden (ebene und glatte Oberfläche herstellen, Befestigungsgewinde einbringen)?

· Ist zwischen Messstelle und nachfolgendem Gerät mit Poten-zialdifferenzen der Schutzleiter- bzw. Erdpotenziale zu rechnen?

· Welche Belastung tritt an der Messstelle auf (Wärmestrahlung, EMV-Probleme, Niederschlag, Spülflüssigkeit, Öl, Staub u.a.)?

35

4.3.2 Auswahl des Sensors

Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Auswahlkriterien:

Kriterium Sensoreigenschaften Amplituden- und Frequenzbereich

Übertragungsfaktor, Maximalbeschleunigung und Resonanzfrequenz auswählen,Stoßaufnehmer für extreme Amplituden,Seismische Aufnehmer für geringste Amplituden

Masse des Messobjektes Aufnehmermasse <1/10 der Massedes Messobjektes,Miniaturaufnehmer für leichte Messobjekte

Temperatursprünge, Messobjektdehnung, Magnetfelder, extreme Schallpegel

Einfluss mit Hilfe der Störübertragungsfaktoren abschätzen,Scheraufnehmer bei Temperatursprüngen und Messobjektdehnung, Edelstahlgehäuse bei starken Magnetfeldern

Feuchtigkeit und Staub Industrieaufnehmer mit Schutzgrad IP67 verwenden

Messung von Schwing-geschwindigkeit und -weg

Einfach- und Doppelintegration, unter 20 Hz vorzugsweise Scheraufnehmer

BefestigungSchnelle Messung mit geringer Genauigkeit unter 1 kHzTemporäre Messung ohne Eingriffe am MessobjektLangzeitmessung

Tastspitze verwenden1

Befestigung mit Haftmagnet, Klebewachs oder KlebstoffenBefestigung mit Stiftschraube oder Isolierflansch

Erdungsprobleme, starke Isolierflansch oder isolierte

1 Metra bietet mit dem Typ KST94 eine Kombination aus Beschleuni-gungsaufnehmer und federnd gelagerter, vom Gehäuse entkoppelterTastspitze an

36

Ausgleichsströme Aufnehmer verwendenLange Entfernung zwischen Sensor und Messgerät

IEPE-Aufnehmer verwenden

4.3.3 Befestigungsarten

Die richtige Befestigung des Sensors hat entscheidenden Einflussauf die Messgenauigkeit.

Für höchste Genauigkeitsanforderungen, besonders bei Frequen-zen im Kilohertzbereich, müssen Sensor und Messobjektsaubere, ebene, glatte und gratfreie Koppelflächen haben.

Eine zerkratzte Sensorkoppelfläche kann durch Bearbeitung mitSchleifpulver auf einer Läpp-Platte geglättet werden.

Die Schwingungsübertragung bei höheren Frequenzen wird durchBehandlung der Koppelfläche mit Silikonfett verbessert.

Wichtig ist auch eine starre Verbindung des Sensors mit derSchwingquelle. Bleche, Kunststoffverkleidungen oder dünne Bau-teile eignen sich in der Regel nicht für die Sensorbefestigung.

Verfälschungen aufgrund von Eigenschwingungen des Sensors könnendurch eine symmetrische Ankopplung minimiert werden. Die Massedes Sensors inklusive Befestigungsteilen soll gering gegenüber derMessobjektmasse sein. Als Richtwert gelten 10 % der Messobjekt-masse)

Fehlausrichtungen zwischen der Messachse des Aufnehmers und derzu messenden Richtung müssen möglichst gering gehalten werden,insbesondere bei dominanten Querschwingungen. Bei Schraubbefesti-gung ist darauf zu achten, dass die Schraube nicht länger als dieBohrung ist und ein Spalt unter dem Sensorboden entsteht.

37

Bild 17: Häufige Ursachen von Ankoppelfehlern

Unebene Koppelfläche

Raue Koppelfläche

Nachgiebiger Ankoppelpunkt

F

Die folgenden Befestigungsarten sind bei Beschleunigungsaufnehmernüblich:· Schraubbefestigung mit Stiftschraube, Isolier- oder Klebeflansch· Haftmagnet· Klebebefestigung mit Bienenwachs, Sekundenkleber,

Epoxydharz · Tastspitze mit Handandruck · Automatisierte Ankopplung mit beweglich gelagerter Tastspitze

Bild 20 vergleicht das Verhalten der verschiedenen Ankoppelartenbei höheren Frequenzen. Die Koppelresonanzen werden durchzusätzliche Massen und Nachgiebigkeiten verursacht.

38

Bild 18: Befestigungsarten für Beschleunigungsaufnehmer

Stift-schraube

HaftmagnetIsolier-flansch

DirekteKlebung

TastspitzeKlebepad Triaxial-Montagewürfel

Bild 19: Beschleunigungsaufnehmer mit beweglicher Tast-spitze KST94

a Tastspitze

b Isolierflansch

c Haftmagnet

d Kleben

e Stiftschraube

Bild 20: Resonanzfrequenzen typischer Befestigungsarten

Die folgende Tabelle vergleicht einige übliche Ankopplungsartenfür Beschleunigungsaufnehmer im Hinblick auf verschiedeneKriterien (Quelle: ISO 5348).

Resonanz-frequenz

Tempe-ratur

Sensor-masse undKoppel-steifigkeit

Resonanz-über-höhung (Q)

Relevanz der Ober-flächen-güte

Stift-schraube

Sekunden-kleber

Bienen-wachs

Doppel-seitiges Klebeband

Haft-magnet

Tastspitze

hoch mittel gering

39

0.5 1 5 10 200.1

0

10

20

30

40

-10kHz

dB20lg

Bua(f)

Bua(f0)

a b

c

ed

Die Beschleunigungsaufnehmer von Metra haben folgendeBefestigungsgewinde: M3, M5 und M8. Einige Typen haben auchintegrierte Befestigungsbolzen mit M4-, M6- oder M10-Gewinde.

Viele Typen sind in der Bestelloption „/01„ mit einem Zubehörseterhältlich. Darin enthalten sind alle passenden Befestigungsteile.

Die folgende Übersicht zeigt das verfügbare Befestigungszubehör vonMetra:

Stiftschrauben

021 (M3) 003 (M5) 043 (M8)022 (M3 auf M5)044 (M5 auf M8)045 (M5 auf 10-32)046 (M5 auf ¼”-28)

è Für beste Ankoppelbedingungen. Für dauerhafte Montage.

Gewindebohrung im Messobjekt erforderlich.Etwas Silikonfett zwischen den Koppelflächenverbessert die Übertragung. Empfohlenes Anzugsdrehmoment: 1 Nm. Stiftschraube darf nicht zu lang sein, damit sichkein Spalt zwischen den Koppelflächen bildet.

Isolierflansche

106 (2 x M3)006 (2 x M5)206 (2 x M8)129 (M3, kleben)029 (M5, kleben)

è Vermeiden Erdschleifen. Etwas schlechtereÜbertragung bei hohen Frequenzen. Typ 006 nicht für Einsatz über 100 °C.

Typen 029 und 129 für die Klebebefestigungmit Sekundenkleber oder Epoxydharz.

NichtisolierendeBefestigungspads

229 (M8)

è Für optimale Ankoppelung an Messobjekte, die keine ebenen und glatten Oberflächen aufweisen. Zur Klebebefestigung mit Sekundenkleber (z.B. das gelartige Loctite 454) oder Epoxydharz.

40

Triaxial-Befestigungs-würfel

130 (M3)030 (M5)230 (M8)330 (M10)

è Für die dreiachsige Montage einachsigerAufnehmer.

Handgriff-adapter

140 (M3)

è Für die Montage ein- und dreiachsiger Beschleunigungsaufnehmer mit M3-Gewinde auf gewölbten Oberflächen, z.B. auf Handgriffen von Elektrowerkzeugen.

HandgehaltenerAdapter

142 (M3)

è Für die Ankopplung ein- und dreiachsiger Beschleunigungsaufnehmer mit M3-Gewinde durch Handandruck auf gewölbten Oberflächen, z.B. auf Handgriffen von Elektrowerkzeugen.

41

Haftmagneten

108 (klein, M3)308 (groß, M3)408 (M4-Bohrung)008 (M5)208 (M8)608 (2 x M5)

è Für die schnelle Befestigung mit schlechterer Übertragung bei höheren Frequenzen.

Magnetische Messobjekte mit glatter und flacherOberfläche erforderlich. Wenn nicht möglich,eine magnetische Edelstahlscheibe aufschweißenoder mit Epoxydharz aufkleben. Wichtig: Magnet nicht auf das Messobjektaufschnappen lassen, um starke Stoßbelastungdes Sensors zu vermeiden. Langsam abrollen. Nicht für seismische Aufnehmer verwenden.

Typ 608: Für Rohre etc.

Tastspitze 001 (M5)

è Für schnelle Überblicksmessungen zwischen 5 und 1000 Hz.

Befestigung über M5-Gewinde. Senkrecht aufMessobjekt drücken. Eine Senkbohrung imMessobjekt verbessert die Reproduzierbarkeit.

42

Klebewachs 002

è Für die schnelle Befestigung leichter Sensoren bei Raumtemperatur und tiefen Frequenzen. Mit Fingern erwärmen, dünne Schicht auf dasMessobjekt auftragen und Sensor andrücken.

Kabelklammern004 (M5)020 (M3)

è Vermeiden Krafteinleitung über das Kabel.Gemeinsam mit dem Sensor auf dasMessobjekt schrauben.

4.3.4 Kabel

Kabel und Steckverbinder sind in der Regel die schwächstenGlieder einer Messkette. In unseren Sensordatenblättern bekommen Sie Empfehlungen fürgeeignete Kabeltypen zu jedem Beschleunigungsaufnehmer.Besonders bei Aufnehmern mit Ladungsausgang ist die Wahl desrichtigen Kabels entscheidend. Wenn ein Koaxialkabel Biege-oder Zugbeanspruchung ausgesetzt wird, kann es zu örtlichenKapazitätsänderungen kommen, die wiederum zu Ladungs-verschiebungen im Kabel führen. Diese Erscheinung nennt manTriboelektrischen Effekt. Das resultierende Ladungssignal amMessgeräteeingang lässt sich nicht vom eigentlichen Sensorsignalunterscheiden. Besonders bei tiefen Frequenzen und geringenBeschleunigungen kann es sehr stören. Zur Vermeidung diesesProblems bietet Metra zu seinen Ladungsaufnehmern störarmeKabel an. Diese zeichnen sich durch eine spezielle Ableitschichtauf dem Dielektrikum aus. Auch bei Verwendung störarmer Kabelsollte auf ordnungsgemäße Befestigung am Messobjekt geachtetwerden.

43

Wichtig: Die Steckverbindungen von Ladungsaufnehmern müssensehr sauber gehalten werden. Schmutz und Feuchtigkeit imStecker kann den Isolationswiderstand verringern und damit dieuntere Grenzfrequenz verfälschen.

Die Kabellänge bei Ladungsaufnehmern sollte 10 m nichtüberschreiten.

IEPE-Aufnehmer benötigen keine störarmen Spezialkabel. Sielassen sich mit normalen Koaxialkabeln anschließen.

Starke Magnetfelder können zu Störungen führen. Dies istbesonders bei Ladungsaufnehmern der Fall. Daher sollte das Kabelimmer so weit wie möglich von elektromagnetischen Störquellen,wie Motoren, Generatoren oder Wechselrichtern, entfernt verlegtwerden. Das Sensorkabel sollte nicht parallel zu Starkstrom-leitungen verlaufen und diese möglichst rechtwinklig kreuzen.

Bewegung des Kabels relativ zum Sensor kann ebenfallsMessfehler verursachen, indem Kräfte über das Kabel in denSensor eingeleitet werden. Miniaturaufnehmer und Beschleu-nigungsaufnehmer mit Kompressionskeramik („KD„-Typen) sinddafür besonders anfällig. Dieses Problem kann durch ordnungs-gemäße Kabelbefestigung mit Schellen o.ä. vermieden werden.Metra bietet dafür die Kabelschellen 004 und 020 als Zubehör an.Handelsübliche Kabelhalter mit Selbstklebesockel oder O-Ringeeignen sich ebenso (vgl. Bild 21).

Bei der Befestigung des Kabels sollte eine hinreichende Schlaufegelassen werden, damit keine mechanische Spannung auf denSensor einwirkt.Bevor Sie mit der Messung beginnen, überprüfen Sie bitte, dassalle Steckverbindungen ordnungsgemäß festgeschraubt sind.

44

Bild 21: Kabelbefestigung

O-RingKlebeschelle

KabelschelleMod. 004Mod. 020

Lockere Steckermuttern sind eine häufige Fehlerursache.Verwenden Sie keine Zange, normalerweise reicht Handkraft aus.Eine geringe Menge Schraubensicherungskleber kann auf dasAußengewinde als zusätzlicher Schutz gegen Lockerung aufge-tragen werden. Vermeiden Sie dabei eine Verschmutzung desIsolators.

Die Standardkabel von Metra haben folgende Steckertypen:· Microdot: Koaxialsteckverbindung mit UNF 10-32-Gewinde· Subminiatur: Koaxialsteckverbindung mit M3-Gewinde· TNC: Koaxialsteckverbindung mit UNF7/16-28-Gewinde und

Schutzgrad IP64· BNC: Koaxialsteckverbindung mit Bajonettverschluss · Binder 707: 4-poliger Rundsteckverbinder mit M5-Gewinde und

IP67· Binder 711: 4-poliger Rundsteckverbinder mit M8-Gewinde· Binder 713: 4-poliger Rundsteckverbinder mit M12-Gewinde

und Schutzgrad IP67· Binder 718: 4-poliger Rundsteckverbinder mit M8-Gewinde

und Schutzgrad IP67

45

4.3.5 Vermeidung von Erdschleifen

Zu den häufigsten Problemen bei Messaufbauten mit empfind-licher Sensorik zählen Erd- oder Masseschleifen. Diese entstehendurch ungewollte Potenzialunterschiede im Stromkreis zwischenSensor und Messgerät. In der Regel treten sie auf Masseleitung,Erdung bzw. Schutzleiter auf. Ursachen dafür können sein:· Große Entfernung zwischen Messstelle und nachfolgendem

Gerät· Spannungsabfälle über zu schwachen Leitungsquerschnitten

im Erdungs- oder Schutzleiternetz · Messung in der Umgebung leistungsstarker elektrischer

Maschinen und Einrichtungen, die starke Ausgleichsströme imErdungssystem bewirken

Diese Potenzialdifferenzen können Ausgleichströme auf demSchirm der Messleitung verursachen. Die Folge sind Spannungs-abfälle, die sich dem Messsignal überlagern. Diese äußern sichhäufig durch starke Störanteile bei 50 oder 100 Hz bzw. beiFrequenzumrichtern auch im höherfrequenten Bereich. Der Stromweg über den Schirm sollte daher durch elektrischeIsolierung unterbrochen werden.Folgendes einfache Verfahren hat sich bei vielen Anwendungenbewährt: Die ganze Messkette wird, falls überhaupt erforderlich, nur aneinem Punkt mit dem Schutzleiter verbunden bzw. geerdet. DerAufnehmer, ein ggf. notwendiger Vorverstärker und der Schirmder Kabel werden vom Messobjekt und allen Konstruktionsteilenelektrisch isoliert. Die Verbindung mit dem Schutzleiter- bzw.Erdanschluss wird im nachfolgenden Gerät hergestellt (vgl.Bild 22und 23). Besonders wichtig ist ein zentraler Masse-/Erdungspunkt inMehrkanal-Messsystemen.Empfehlenswert ist der Einsatz von Sensoren mit isoliertemGehäuse, z.B. die Typen KS74 und KS80.

46

Schlechtes Erdungskonzept:

Besser:

47

Bild 23: Unterbrechung des Erdungsstromkreises durch isolierteSensormontage

Bild 22: Sensormontage ohne Isolierung führt zu Ausgleichs-strömen über das Sensorkabel

Sensor

Messgerät

Erdpotenzial (Maschinenerde)

Signal

Schirm

Signal

MassePotenzialdifferenz

Ausgleichsstromüber Kabelschirm

Sensor

Messgerät

Isolation

Erdpotenzial (Maschinenerde)

Masse anSensorgehäuse

Signal

Schirm

Signal

MassePotenzialdifferenz

Erdung, falls erforderlich

4.4 KalibrierungBei Einsatz unter Normalbedingungen sind piezoelektrischeSensoren äußerst stabil. Ihre Kalibrierwerte ändern sich kaum überdie Zeit. Oft werden Sensoren jedoch unter extremen Bedingungeneingesetzt, z.B. Stoßbelastung, hohe Temperaturen oder Feuchtig-keit. Daher ist ein regelmäßiger Kalibrierzyklus zu empfehlen. BeiGebrauch unter Normalbedingungen empfehlen wir eineNachkalibrierung alle 1 bis 2 Jahre und bei Einsatz unterExtrembedingungen im Anschluss an jede Messung.Für eine Werkskalibrierung senden Sie den Aufnehmer bitte anMetra. Unser Kalibrierlabor arbeitet mit einem erstabgeleitetenReferenznormal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt(PTB).Viele Firmen ziehen es vor, eigene Kalibrierausrüstungen anzu-schaffen. Das kann kosten- und zeitsparend sein, sobald einegrößere Anzahl von Aufnehmern im Einsatz ist. Oft ist es auchwünschenswert, den Sensor in einer ganzen Messkette oder Anlagezu kalibrieren, die sich nicht zum Einschicken eignet.Zu diesem Zweck bietet Metra die batteriebetriebenenSchwingungskalibratoren der Serie VC2x an. Typ VC20 liefert eingeregeltes, quarzstabiles Schwingsignal von 10 m/s² (Schwingbe-schleunigung), 10 mm/s (Schwinggeschwindigkeit) oder 10 µm(Schwingweg) bei einer Frequenz von 159,2 Hz. Der VC21 bietet7 Frequenzen von 15,92 / 40 / 80 / 159,2 / 320 / 640 / 1280 Hzmit bis zu 5 Amplituden von 1 bis 20 m/s².Das Schwingungskalibriersystem VC110 hat eine einstellbareSchwingfrequenz von 70 bis 10000 Hz. Es liefert 1 m/s²Schwingpegel. Auch Frequenzgänge können mit dem VC110gemessen werden. Die Bedienung und die Anzeige dergemessenen Empfindlichkeit kann über ein LC-Display oder perPC-Software erfolgen.Falls kein Schwingungskalibrator verfügbar ist, kann dieMesskette elektrisch kalibriert werden, indem· Die Verstärkung des Messverstärkers auf die Empfindlichkeit

des Aufnehmers abgeglichen wird. Einige Messverstärker bieten hierzu eine numerische Einstellmöglichkeit.

· Eingabe der Aufnehmerempfindlichkeit als Korrekturfaktor bei PC-Messsystemen.

48

· Ersatz des Aufnehmers durch ein Generatorsignal und Einspeisung der entsprechenden Spannung.

Bitte berücksichtigen Sie, dass der Kalibriergenauigkeit beiSchwingungsaufnehmern technische Grenzen gesetzt sind. Einpraktisch erreichbarer Wert für die Kalibrierunsicherheit ist ± 2 %.

4.5 FehlerbetrachtungFür die Bewertung der Messergebnisse ist es außerordentlichwichtig, die Messfehler abzuschätzen. Bei Anwendung vonpiezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern treten dreiFehlergruppen auf:· Fehler des Übertragungsfaktors:

Kalibrierfehler, Linearitätsfehler, Frequenz- und Phasenfehler,Alterung, Temperatureinfluss durch Temperaturkoeffizienten.

· Fehler durch Ankopplung an das Messobjekt:Einflüsse der Aufnehmermasse, der Koppelfläche, der Koppel-elemente, der Schwingungsrichtung durch den Querrichtungs-faktor

· Fehler durch Störsignale:Rauschen, Dehnungsbeeinflussung, magnetische Felder (z.B.an elektrischen Maschinen), Temperaturschwankungen,Verformung durch Kabelbewegung bei nicht festgelegtemKabel, elektrische und magnetische Einwirkung, insbesondereauf lange Kabel, Eigenstörspannung des Kabels bei Bewegung

Systematische Fehler sind rechnerisch korrigierbar, wenn ihrWirkungsmechanismus bekannt ist. Ihre Auswirkung wird durchuns als Hersteller weitgehend ausgeschlossen oder beschriebenz.B. beim Einfluss der Frequenzabhängigkeit. Werden die Ergebnisse von Messungen mit sehr ähnlichen Mess-bedingungen verglichen, z.B. durch Bezug auf eine Anfangsmes-sung, so entfallen die meisten systematischen Fehlereinflüsse. Dasist besonders wichtig bei nicht bekannten systematischen Fehlern.Die meisten Fehler treten zufällig auf bzw. sie lassen sich nicht miteinem berechenbaren systematischen Einfluss korrigieren, daWirkungsweise und Größe der Ursache nicht bekannt sind.Bei praktischen Messungen sind die zufälligen Fehler bekannte,aber schwer korrigierbare systematische Fehler und nichterfassbare, abzuschätzende systematische Fehler zu einerKenngröße, der Messunsicherheit, zusammenzufassen.

49

Das folgende Beispiel soll verdeutlichen, wie die Messunsi-cherheit sich zusammensetzen kann und welche Größenordnungbei durchschnittlichem Aufwand erreicht wird.

· Aufnehmer:Grundfehler 2 %Frequenzfehler (Bandgrenze bei 5 % Toleranz) 5 %Linearitätsfehler 2 %Äußere Störeinflüsse 5 %

· Nachfolgeelektronik mit Effektivwertbildung:Grundfehler 1 %Frequenzfehler (Bandgrenze bei 5 % Toleranz) 5 %Linearitätsfehler 1 %Kurvenformfehler 1 %

Die quadratische Addition der Einzelfehler ergibt für dieses Bei-spiel eine Messunsicherheit u = 9 %. Bei der praktischen Schwingungsmessung ist eine Messunsicher-heit unter 10 % nur einzuhalten, wenn die wichtigsten Fehler-einflüsse bekannt sind und die verwendete Messapparatur einehohe Qualität aufweist.

50

5. Normen für SchwingungssensorenAuswahl von Standards mit Bezug zu piezoelektrischen Beschleu-nigungsaufnehmern:

· ISO 2041: Mechanische Schwingungen und Stöße - Begriffserklärung

· ISO 2954: Mechanische Schwingungen an rotierenden und Hubkolbenmaschinen

· ISO5347: Kalibrierung von Schwingungs- und Stoßaufnehmern (mehrteilige Normenfamilie)

· ISO 5348: Mechanische Schwingungen und Stöße - Mechanische Ankopplung von Beschleunigungsaufnehmern

· ISO 8041: Schwingungseinwirkung auf den Menschen - Messeinrichtung

· ISO 8042: Stoß- und Schwingungsmessung - Technische Daten seismischer Beschleunigungsaufnehmer

· ISO 10816: Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen

· ISO 15242: Wälzlager - Geräuschprüfung (Körperschallmessung)

· ISO 16063: Verfahren zur Kalibrierung von Schwingungs- und Stoßaufnehmern (mehrteilige Normenfamilie)

· DIN 4150: Erschütterungen im Bauwesen· DIN 5426: Laufgeräusche von Wälzlagern· DIN 45661: Schwingungsmesseinrichtungen - Begriffe· DIN 45662: Schwingungsmesseinrichtungen – Allgemeine

Anforderungen und Prüfungen· DIN 45669: Messung von Schwingungsimmissionen

51