Kurzübersichten

Betriebsanweisung

Messverstärker

Aufnehmer mit Ladungsausgang
Ladungsverstärker
Aufnehmer mit Ladungsausgang erzeugen ein Ausgangssignal in der Größenordnung von einigen Picocoulomb mit einer sehr hohen Ausgangsimpedanz. Um Standardmesstechnik zur Weiterverarbeitung nutzen zu können, muss es in ein niederimpedantes Signal umgewandelt werden.
Zu diesem Zweck setzt man vorzugsweise Ladungsverstärker ein. Deren Eingangsstufe besteht aus einem kapazitiv rückgekoppelten Differenzverstärker. Das Ladungssignal am Eingang wird durch das rückgekoppelte Ladungssignal kompensiert. Die am Ausgang anliegende Spannung ist ein Maß für die eingespeiste Ladung. Das folgende Bild zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Ladungsverstärkerstufe:

Die Eingangsladung q_in liegt am Summenpunkt, dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers. Diese Ladung verteilt sich auf die Kabelkapazität C_c, die Eingangskapazität des Verstärkers C_inp und den Rückkoppelkondensator C_f. Die Knotengleichung für den Eingang lautet demzufolge:
q_in = q_c + q_inp + q_f
Unter Verwendung der elektrostatischen Gleichung 
q = u · C
und Ersetzen von q_c, q_inp und q_f erhält man:
q_in = u_inp · (C_c + C_inp) + u_f · C_f
Da die Spannungsdifferenz am Eingang eines Differenzverstärkers unter normalen Betriebsbedingungen Null wird, kann man davon ausgehen, dass die Eingangsspannung uinp gleich Massepotenzial (GND) ist. Mit u_inp = 0 lässt sich die Gleichung wie folgt vereinfachen:
q_in = u_f · C_f
und nach der Ausgangsspannung u_out auflösen:
u_out = u_f = q_in / C_f

Das Ergebnis zeigt, dass die Ausgangsspannung eines Ladungsverstärkers lediglich von der eingespeisten Ladung und der Rückkoppelkapazität abhängt. Eingangs- und Kabelkapazitäten bleiben ohne Einfluss. Dies ist interessant zu wissen, wenn ein Beschleunigungsaufnehmer mit unterschiedlichen Kabeln eingesetzt wird.
Der Rückkoppelwiderstand R_f im oberen Bild hat die Aufgabe, den Verstärker gleichspannungsmäßig zu stabilisieren und den Ausgang driftfrei zu machen. Gleichzeitig bestimmt R_f die untere Grenzfrequenz des Verstärkers.
Die Prinzipschaltung im oberen Bild stellt nur die Eingangsstufe eines üblichen Ladungsverstärkers dar. Weitere Stufen, wie Spannungsverstärker, Filter und Integratoren, sind nicht gezeigt
Typische Ladungsverstärker sind zum Beispiel die Geräte der Reihe M68.

Wechselspannungsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz
Anstelle von Ladungsverstärkern eignen sich für Ladungsaufnehmer auch Wechselspannungsverstärker mit sehr hoher Eingangsimpedanz. Im Gegensatz zum Ladungsverstärker müssen in diesem Fall jedoch die Kapazitäten von Sensor, Kabel und Verstärkereingang berücksichtigt werden (s. folgendes Bild).

Der Spannungsübertragungsfaktor B_ua eines Sensors mit bekanntem Ladungsübertragungsfaktor B_qa und der Innenkapazität C_i kann nach folgender Formel berechnet werden:
B_ua = B_qa / C_i
Die Werte für B_qa und C_i findet man im Datenblatt.
Berücksichtigt man die Kapazität des verwendeten Sensorkabels C_c und die Eingangskapazität des Spannungsverstärkers C_inp, ergibt sich der korrigierte Spannungsübertragungsfaktor B´_ua wie folgt:
B´_ua = C_i / (C_i + C_c + C_inp)
Der korrigierte Spannungsübertragungsfaktor B´_ua ist kleiner als B_ua. Ein typisches Anschlusskabel vom Typ 009 mit 1,5 m Länge hat eine Kapazität von ca. 135 pF.
Die untere Grenzfrequenz f_l wird von C_c, C_inp und R_inp bestimmt:

Die untere Grenzfrequenz steigt mit sinkendem Verstärkereingangswiderstand.
Beispiel: An einen typischen Oszilloskopeingang mit 10 MOhm Eingangswiderstand und 20 pF Eingangskapazität soll ein Beschleunigungsaufnehmer vom Typ KS51 mit einer Innenkapazität von 1,4 nF angeschlossen werden. Das Sensorkabel vom Typ 009 hat eine Kapazität von 135 pF.
Ergebnis: Die untere Grenzfrequenz ist ca. 10 Hz.

IEPE-Aufnehmer
Die Besonderheit von IEPE-Sensoren liegt in der Übertragung von Messsignal und Versorgungsenergie über ein gemeinsames Kabel. Daher kommen Aufnehmer dieses Typs, ebenso wie Ladungsaufnehmer, mit nur einem massebezogenen Koaxialkabel aus. Das folgende Bild zeigt das Prinzip der IEPE-Versorgung.

Der im Sensor integrierte Impedanzwandler oder Verstärker wird mit Konstantstrom zwischen 2 und 20 mA versorgt. Typisch ist ein Strom von 4 mA. Einige batteriebetriebene Geräte arbeiten auch mit 1 mA Konstantstrom.
Der Konstantstrom I_const wird in das Signalkabel eingespeist.
Die Höhe des Konstantstromes und die Kabellänge können unter Umständen die obere Grenzfrequenz beeinflussen.
Der Entkoppelkondensator C_c hält Gleichspannungsanteile vom nachfolgenden Messgerät fern. Die RC-Kombination aus C_c und R_inp wirkt als Hochpassfilter. Die Zeitkonstante muss ausreichend hoch dimensioniert sein, um alle relevanten Signalanteile durchzulassen.

Wichtig:

• An einen IEPE-Aufnehmer darf unter keinen Umständen eine Spannungsquelle ohne Strombegrenzung angeschlossen werden. Dies würde die Sensorelektronik sofort zerstören. 
• Falschpolung des Sensorkabels führt ebenfalls zur Zerstörung der Elektronik.

Aus dem folgenden Bild ist ersichtlich, dass IEPE-Beschleunigungsaufnehmer eine einfache Selbsttestmöglichkeit über ihre Arbeitspunktspannung haben.

Mit Hilfe der am Messgeräteeingang anliegenden Arbeitspunktspannung lassen sich folgende Informationen über den Sensorzustand gewinnen:

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

Eine Vielzahl von Messgeräten ist mit eingebauter IEPE-Versorgung ausgestattet. Beispiele von IDS Innomic sind die Messverstärker der Serie M68, M108, M116 und M32, der Schwingungswächter M12 oder das Kalibriersystem VC110. Die IEPE-Versorgung kann auch eine separate Einheit sein, wie z.B. das Gerät M28.

Passend zum Anschluss an Sensoren mit integriertem Verstärker ist beispielsweise auch das VibroMatrix-System.

Elektronisches Datenblatt nach IEEE 1451.4
Der seit einiger Zeit diskutierte Standard IEEE 1451 kommt der wachsenden Bedeutung digitaler Messwerterfassungssysteme entgegen. IEEE 1451 definiert hauptsächlich Protokolle und Netzwerkstrukturen für Sensoren mit rein digitalem Ausgang. Der Teil IEEE 1451.4 beschäftigt sich hingegen mit "Mixed Mode" Sensoren, die zwar einen herkömmlichen Analogausgang besitzen, zusätzlich aber einen Speicher für ein "Elektronisches Datenblatt" enthalten. Dieser Datenspeicher wird auch "TEDS" (Transducer Electronic Data Sheet) genannt. In dem 256 Bit großen Speicher sind alle für den Anwender relevanten Sensordaten abgelegt: 

• Typenbezeichnung, Versionsnummer
• Seriennummer
• Hersteller
• Sensorart, physikalische Einheit
• Empfindlichkeit
• letztes Kalibrierdatum

Über die genannten, vom Hersteller programmierten Daten hinaus kann der Anwender selbst noch zusätzliche Informationen zur Identifikation der Messstelle speichern.
Das Elektronische Datenblatt eröffnet dem Anwender eine Reihe von Vorteilen:

• Bei Messaufgaben mit einer hohen Anzahl von Sensoren wird die Zuordnung eines Sensors zum zugehörigen Messeingang vereinfacht. Das Messsystem identifiziert den Sensor selbst und ordnet ihn einem bestimmten Kanal zu. Es entfällt die zeitaufwändige Verfolgung und Markierung von Kabeln.
• Das Messsystem liest die Kalibrierdaten selbständig ein. Bisher war es erforderlich, manuell eine Datenbank mit Sensordaten (Seriennummer, Messgröße, Empfindlichkeit etc.) zu führen.
• Der Austausch eines Sensors innerhalb eines komplexen Messsystems ist mit minimalem Aufwand verbunden ("Plug & Play"), da sich der Sensor selbst identifiziert.
• Sensorkennblätter gehören zu den am häufigsten verlorenen Dokumenten. Da der TEDS-Sensor selbst alle relevanten Daten 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-Prinzip auf. TEDS-Sensoren sind daher abwärtskompatibel zu üblichen IEPE-Sensoren.
Beim Anschließen einer Konstantstromquelle verhält sich der TEDS-Sensor wie ein normaler IEPE-Sensor. Das Programmieren und Lesen des integrierten 256 Bit großen nichtflüchtigen Speichers vom Typ DS2430 erfolgt ebenfalls über die Sensorleitung. Die Kommunikation basiert auf dem 1-Wire^® - Protokoll von Dallas Semiconductor. Der Datenaustausch erfolgt mit TTL-Pegel, wobei die Polarität umgekehrt zur Konstantstromquelle ist. Im Sensor werden Analog- und Digitaldaten mittels Dioden getrennt. Details zur Programmierung und Testprogramme finden sich unter www.iButton.com.
Während einige zu IEEE 1451 gehörende Standards bereits vorliegen, befindet sich der Teil IEEE 1451.4 momentan noch im letzten Stadium der Entwurfsphase. Sobald die Normung abgeschlossen ist, werden wir kompatible Sensoren und PC-Software anbieten können. Den aktuellen Stand der Normung können Sie unter www.nist.gov verfolgen. Wir stehen Ihnen gern für Auskünfte zur Verfügung.