Manfred Weber
Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K.
Seit 1954

Messtechnik

1. Aufnehmer mit Ladungsausgang

Sensoren mit Ladungsausgang weisen einige Besonderheiten im Vergleich zu anderen Sensoren auf, deren Beachtung unbedingt erforderlich ist, um exakte Messergebisse zu erhalten:

  • Verwenden Sie immer störarme ("low noise") Kabel.
  • Die Kabellänge sollte nicht über 10 m betragen.
  • Das Kabel sollte so verlegt werden, dass es beim Messen nicht bewegt wird.
  • Alle Steckverbindungen müssen fest angezogen sein.

Vorzugsweise sollten Ladungsverstärker zur Signalverarbeitung eingesetzt werden. Alternativ sind auch Wechselspannungsverstärker mit hochohmigem Eingang geeignet. Beide Prinzipien werden im Folgenden erläutert.

1.1 Ladungsverstärker

Aufnehmer mit Ladungsausgang erzeugen ein Ausgangssignal in der Größenordnung von einigen Picocoulomb (1pC=1000fC) 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. Bild 9 zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Ladungsverstärkerstufe:


Bild 9: Ladungsverstärker

Die Eingangsladung qin liegt am Summenpunkt, dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers. Diese Ladung verteilt sich auf die Kabelkapazität Cc, die Eingangskapazität des Verstärkers Cinp und den Rückkoppelkondensator Cf. Die Knotengleichung für den Eingang lautet demzufolge:

Unter Verwendung der elektrostatischen Gleichung:

und Ersetzen von qc, qinp und qf erhält man:

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 uinp=0 lässt sich die Gleichung wie folgt vereinfachen:

und nach der Ausgangsspannung uout auflösen:

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 Rf in Bild 9 hat die Aufgabe, den Verstärker gleichspannungsmäßig zu stabilisieren und den Ausgang driftfrei zu machen. Gleichzeitig bestimmt Rf die untere Grenzfrequenz des Verstärkers.

Die Prinzipschaltung in Bild 9 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 oder der Ladungsvorverstärker IEPE100 von Metra.

1.2 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 (Bild 10).


Bild 10: Ladungsaufnehmer an Wechselspannungsverstärker

Der Spannungsübertragungsfaktor Bua eines Sensors mit bekanntem Ladungsübertragungsfaktor Bqa und der Innenkapazität Ci kann nach folgender Formel berechnet werden:

Die Werte für Bqa und Ci findet man im Datenblatt.

Berücksichtigt man die Kapazität des verwendeten Sensorkabels Cc und die Eingangskapazität des Spannungsverstärkers Cinp, ergibt sich der korrigierte Spannungsübertragungsfaktor B´ua wie folgt:

Der korrigierte Spannungsübertragungsfaktor B´ua ist kleiner als Bua. Ein typisches Anschlusskabel vom Typ 009 mit 1,5 m Länge hat eine Kapazität von ca. 135 pF.

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

Die untere Grenzfrequenz steigt mit sinkendem Verstärkereingangswiderstand.

Beispiel: An einen typischen Oszilloskopeingang mit 10MOhm Eingangswiderstand und 20pF Eingangskapazität soll ein Beschleunigungsaufnehmer vom Typ KS56 mit einer Innenkapazität von 370 pF angeschlossen werden. Das Sensorkabel vom Typ 009 hat eine Kapazität von 135 pF.

Ergebnis: Die untere Grenzfrequenz ist ca. 30 Hz.

2. IEPE-Aufnehmer

Die Besonderheit IEPE-kompatibler 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. Bild 11 zeigt das Prinzip der IEPE-Versorgung.



Bild 11: IEPE-Prinzip

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 Iconst wird in das Signalkabel eingespeist.

Die Höhe des Konstantstromes und die Kabellänge können unter Umständen die obere Grenzfrequenz

beeinflussen.

Der Entkoppelkondensator Cc hält Gleichspannungsanteile vom nachfolgenden Messgerät fern. Die RC-Kombination aus Cc und Rinp wirkt als Hochpassfilter. Die Zeitkonstante muss ausreichend hoch dimensioniert sein, um alle relevanten Signalanteile durchzulassen.

Wichtig:

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


Aus Bild 12 ist ersichtlich, dass IEPE-Beschleunigungsaufnehmer eine einfache Selbsttestmöglichkeit über ihre Arbeitspunktspannung haben.


Bild 12: Aussteuerbereich eines IEPE-Aufnehmers

Aus der am Messgeräteeingang anliegenden Arbeitspunktspannung UBIAS lassen sich folgende Informationen über den Sensorzustand 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 locker

Eine Vielzahl von Messgeräten ist mit eingebauter IEPE-Versorgung ausgestattet. Beispiele von Metra sind die Messverstärker der Serie M68, M208 und M32, der Schwingungswächter M12 oder das Kalibriersystem VC110. Die IEPE-Versorgung kann auch eine separate Einheit sein, wie z.B. das Gerät M28.

3. Elektronisches Datenblatt nach IEEE 1451.4

3.1 Einführung

Der vor einigen Jahren verabschiedete 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 64 + 256 Bit großen Speicher sind für den Anwender relevante Sensordaten abgelegt. Auf Grund der geringen Speichergröße werden die Daten komprimiert in unterschiedlichen Zahlenformaten abgelegt.

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-kompatiblen Sensoren. Bild 13 erläutert das Prinzip.



Bild 13: TEDS-Beschleunigungsaufnehmer

Beim Anschließen einer Konstantstromquelle verhält sich der TEDS-Sensor wie ein normaler IEPE-kompatibler 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.

Der 8-Kanal-IEPE-Messverstärker M208A von Metra bietet TEDS-Unterstützung mit automatischer Normierung der Sensorempfindlichkeit.

3.2 Anordnung der Daten im Speicher

3.2.1 Basic TEDS

In einem 64 Bit großen Teil des Speichers, dem Applikationsregister, liegt das so genannte "Basic TEDS". Es enthält grundlegende Informationen zur Identifikation des Sensors:

  1. Typenbezeichnung, Versionsnummer: Metra legt in diesem Bereich eine verschlüsselte Typenbezeichnung ab. Die vollständige Typenbezeichnung, z.B. "KS78.100", befindet sich in einem nach IEEE 1451.4 standardisierten File, dem "Manufacturer Model Enumeration File", das Sie im Download-Bereich unserer Internetseiten finden.
  2. Seriennummer: Die im Speicher abgelegte Seriennummer ist identisch mit der auf dem Gehäuse eingravierten.
  3. Herstellercode: Hier befindet sich eine herstellerspezifische, von der IEEE zugewiesene Nummer. Metra hat die Herstellernummer 61. Eine vollständig Liste der Herstellercodes finden Sie hier: http://standards.ieee.org/develop/regauth/manid/public.html
Das Basic TEDS wird ausschließlich vom Hersteller gespeichert.

3.2.2 Template Nr. 25

Die Kalibrierdaten liegen in einem 256 Bit großen Bereich. Ihre Anordnung wird in so genannten Templates definiert. Für Schwingungsaufnehmer wird in den meisten Fällen das standardisierte Template Nr. 25 verwendet. Mit Hilfe von Schaltbits kann beim Template Nr. 25 zwischen TEDS-Daten mit oder ohne Übertragungsfunktion gewählt werden. Metra verwendet, wenn vom Kunden nicht anders gefordert, die Version mit Übertragungsfunktion.  Die gespeicherten Angaben zur Übertragungsfunktion, z.B. untere Grenzfrequenz, Resonanzfrequenz und Güte, sind dabei typische Kennwerte. Im Einzelnen enthält das Template Nr. 25 folgende Angaben:
  1. Empfindlichkeit in V/m/s²: Die im mitgelieferten Kennblatt angegebene Empfindlichkeit bei Referenzbedingungen
  2. Kalibrierfrequenz der Empfindlichkeit in Hz
  3. Untere Grenzfrequenz in Hz: Typischer Kennwert gemäß Datenblatt
  4. Messrichtung: Relevant bei Triaxialaufnehmern (0 = X; 1 = Y; 2 = Z; 3 = keine Angabe)
  5. Sensormasse in Gramm
  6. Polarität des Ausgangssignals bei positiver Beschleunigungsrichtung: 0 = positiv, 1 = negativ
  7. Tiefpassfrequenz in Hz (falls der Sensor einen Tiefpass enthält)
  8. Resonanzfrequenz in Hz: Typischer Kennwert gemäß Datenblatt
  9. Amplitudenanstieg in Prozent pro /Dekade
  10. Temperaturkoeffizient in Prozent pro Kelvin: Typischer Kennwert gemäß Datenblatt
  11. Kalibrierdatum (TT.MM.JJ)
  12. Initialen des Kalibrierenden (3 Großbuchstaben)
  13. Kalibrierintervall in Tagen: Empfohlene Zeit bis zur nächsten Kalibrierung
Diese Daten werden vom Hersteller bei Auslieferung gespeichert und können im Rahmen einer Nachkalibrierung auch von einem Kalibrierlabor verändert werden.

Darüber hinaus enthält der TEDS-Speicher einige Bytes messstellenspezifische Daten, die vom Anwender editiert werden können:
  1. Messstellennummer (1 bis 2046):
    Eine Nummer zur Identifikation der Messstelle
  2. Anwendertext: 13 Textzeichen

Hinweis: Im Download-Bereich unserer Internetseite finden Sie einen TEDS-Editor, mit dem Sie über ein von Metra erhältliches Interfacekabel die Sensordaten auslesen und editieren können.


Referenz: Arbeitsgruppe IEEE 1451

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