Die steigenden Anforderungen an die Genauigkeit von Messungen werden durch moderne analoge und digitale Messgeräte erfüllt, jedoch nur dann, wenn auch die anderen Elemente der Messkette diese Anforderungen erfüllen. Die Gesamtgenauigkeit der Messung hängt daher oft von der richtigen Messanordnung, der geeigneten Verkabelung und der Auswahl des Sensors ab. Die Messgenauigkeit hängt häufig von der Art der Messung ab, insbesondere von der Auswahl des Sensortyps, wenn es um die Messung von Schwingungen und Beschleunigungen geht. Der folgende Artikel stellt die derzeit auf dem Markt verfügbaren Sensortypen und ihre wichtigsten Merkmale vor.
Jede Schwingungsmessung basiert auf der Beschleunigungsmessung, deren mathematische Beziehung lautet: a = dv/dt = d2s/dt2, wobei a ... Beschleunigung v ... Geschwindigkeit t ... Zeit s ... Strecke Aus messtechnischer Sicht unterscheiden wir grundsätzlich drei Arten von Beschleunigungen: 1. lineare Beschleunigung: a = dv/dt » konstant 2. sinusförmige Schwingungsbeschleunigung: a = dv/dt » periodisch, a(t) = x*sinwt 3. Schock: a = dv/dt wobei a(tto) = 0 Grundsätzlich erfordert jeder Beschleunigungstyp einen bestimmten Sensortyp oder ein bestimmtes Erfassungsprinzip. Der Betrieb herkömmlicher Sensoren basiert auf dem Newton'schen Gesetz, das in folgender Gleichung ausgedrückt wird:
F = M * a, wobei a ... Beschleunigung F ... Kraft M ... Masse
Aus dieser Gleichung können die funktionalen Elemente herkömmlicher Beschleunigungssensoren abgeleitet werden: Die zu messende Einheit ist die Beschleunigung. Diese Beschleunigung wirkt auf eine seismische Masse, die eine Kraft auf das Sensorsystem ausübt. Das Sensorsystem wandelt diese Kraft in ein elektrisches Signal um. Es gibt verschiedene Sensortypen je nach Funktionsprinzip. Diese sind wie folgt: 1. Piezoelektrische Sensoren mit Quarz- oder Keramikelement Die Sensoren nutzen die Ladungsgenerierungseigenschaft des Quarz- oder Keramikelements. Aufgrund des begrenzten Widerstands (Entladung) dieser Elemente können diese Sensoren nur für die Messung von dynamischen Beschleunigungen (Schwingungen) und Stößen eingesetzt werden. Das Ausgangssignal ist elektrische Ladung (bei Sensoren vom Typ Charge Mode) oder Spannung (bei ICP-Sensoren, die über einen integrierten Ladungsverstärker verfügen). Beide Typen haben spezielle - teilweise überlappende - Anwendungsbereiche. 2. Piezoresistive Sensoren mit Dehnungsmessstreifen-basiertem Element Bei diesem Typ wird das Sensorelement parallel zu einem Federungssystem im Sensor befestigt. Bei mechanischer Belastung ändert sich der Widerstand. Bei geeigneter Versorgung ist das Ausgangssignal Spannung. Piezoresistive Sensoren können sowohl für die Messung von linearen Beschleunigungen, Schwingungen als auch Stößen eingesetzt werden. 3. Kapazitive Beschleunigungssensoren Hier wirkt die seismische Masse wie eine Feder auf einen Kondensator, dessen Kapazität sich aufgrund der Kraftänderung ändert. Die in den Sensor integrierte Kapazitätsmessbrücke liefert ein Ausgangssignal proportional zur Beschleunigung. Sensoren, die nach diesem Prinzip aufgebaut sind, eignen sich hervorragend für die Messung von linearen Beschleunigungen und relativ langsamen (niederfrequenten) Schwingungen. 4. Induktive Beschleunigungssensoren Diese Sensoren basieren auf einem Differentiatialtransformator, dessen Kern als seismische Masse fungiert und durch Beschleunigung die Induktivität verändert. Diese Sensoren eignen sich für die Messung von linearen Beschleunigungen und langsamen (niederfrequenten) Schwingungen. Die Auswahl des Sensors oder Sensortyps für die Messung erfolgt natürlich in erster Linie basierend auf dem zu messenden Beschleunigungstyp (lineare Beschleunigung, Schwingung, Schock). Darüber hinaus ist es ebenso wichtig, Umwelteinflüsse (Temperatur, Verschmutzung usw.) zu berücksichtigen und die maximale Größe und das Gewicht des Sensors einzuhalten, um Änderungen der Schwingungswerte oder der Eigenfrequenz des Schwingungssystems zu vermeiden. Darüber hinaus muss der erwartete Messbereich sowohl hinsichtlich der Beschleunigungswerte als auch des Frequenzbereichs berücksichtigt werden. Basierend auf den genannten Auswahlkriterien kann relativ klar der für die jeweilige Messaufgabe am besten geeignete Sensortyp gefunden werden. Bei der Erfüllung der Genauigkeitsanforderungen der Messung sind auch die folgenden Sensorparameter zu berücksichtigen:
Die folgende Tabelle enthält die Grenzwerte der verfügbaren Sensortypen auf dem Markt.
| piezoelektrischer Sensor mit Ladungsausgang | ICP-Typ piezoelektrischer Sensor | piezoresistiver Beschleunigungssensor | kapazitiver Beschleunigungssensor | induktiver Beschleunigungssensor | |
| Messbereich der Beschleunigung (g) | 100.000 | 100.000 | 200.000 | 600 | 50 |
| Frequenzbereich (Hz) | 0,2 ... 900.000 | 0,2 ... 50.000 | 0 ... 150.000 | 0 ... 1.000 | 0 ... 1.000 |
| Kleinster Gewicht (g) | 0,1 ... 0,15 | 0,1 ... 0,15 | 1 | 10 ... 15 | 15 ... 20 |
| Temperaturbereich (°C) | -270 ... +650 | -270 ... +200 | -25 ... +95 | -55 ... +120 | -10 ... +60 |
| Stromversorgung | --- | Stromgenerator | Spannungsgenerator | ungeregelte Spannung | Trägerfrequenzgenerator |
| Auswertung | Ladungsverstärker | kapazitive Kopplung | Verstärker | Spannungsmesser | Trägerfrequenzverstärker |
| Basisspannung (g/µinch/inch) | 0,0005 ... 0,1 | 0,005 ... 0,1 | 2 * 10 -5 | ( < 0,5 % ) | --- |
| Seitliche Empfindlichkeit (%) | < 5 | < 5 | < 3 | 0,005g/g | 0,003g/g |
Für eine möglichst einfache Umsetzbarkeit der Messungen ist es vorteilhaft, Sensoren zu verwenden, die in hermetisch abgedichteter Ausführung hergestellt wurden (unempfindlich gegen Umgebungskontaminationen, sofern der Sensor/Kabelanschluss ordnungsgemäß ausgeführt ist) und potentialfrei sind (um Erdungsschleifen zu vermeiden, die zu großen Messfehlern führen können).
Rahne Eric (PIM Kft.) www.pim-kft.hu, www.gepszakerto.hu
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