Grundlagen der Signalaufbereitung für ^ICP®- und Ladungsausgangssensoren

Bei der Vorbereitung der Montage und der Installationstechniken beachten Sie bitte die im Sensorhandbuch enthaltene Installations- und/oder Übersichtszeichnung. Wählen Sie die gewünschte Betriebsart (AC- oder DC-Kopplung) und stellen Sie sicher, dass die Kabelstecker dicht sind, um eine zuverlässige Erdung zu gewährleisten. Wenn Lötverbinderadapter verwendet werden, prüfen Sie die Lötstellen. Wenn Vibrationen vorhanden sind, verwenden Sie Kabelbinder in angemessenen Abständen, um Kabelermüdung zu vermeiden. Obwohl ICP^®-Geräte niederohmig sind, ist es in extremen Umgebungen ratsam, abgeschirmte Kabel zu verwenden und die Kabelanschlüsse mit Schrumpfschläuchen zu schützen. Eine vollständige Installationsanleitung wird mit jedem Sensor mitgeliefert.

Wenn ein PCB^® Signal Conditioner verwendet wird, schalten Sie das Gerät ein und beobachten Sie das Voltmeter (oder die LEDs) auf der Frontplatte.

Typische Anzeigen sind wie in Abbildung 10 dargestellt markiert. Der grüne Bereich (oder die LED) zeigt den richtigen Vorspannungsbereich für den ICP^®-Sensor und die richtigen Kabelverbindungen an. Eine rote Farbe weist auf einen Kurzschluss im Sensor, im Kabel oder in den Anschlüssen hin. Gelb bedeutet, dass die Erregerspannung überwacht wird und ist ein Hinweis auf einen offenen Stromkreis.

Abbildung 10: Typische Fehleranzeigen

Ausgangsdrift (bei AC-Kopplung)

AC-gekoppelte Signaltrenner benötigen ausreichend Zeit, um ihren internen Koppelkondensator zu laden. Dieser Kondensator muss sich über den Eingangswiderstand des Auslesegeräts aufladen, und wenn eine Gleichstromauslesung verwendet wird, scheint die Ausgangsspannung langsam zu driften, bis der Ladevorgang abgeschlossen ist. Ein 1-Megohm-Auslesegerät benötigt 5 × 1 Meg × 10 µF oder 50 Sekunden, um den Ladevorgang im Wesentlichen abzuschließen. (Unter der Annahme eines stabilen Betriebs nach fünf Entladezeitkonstanten: 5 × Widerstand × Kapazität. Siehe Abschnitt Entladezeitkonstante des Wandlers)

ICP^®-Sensorsysteme behandeln interessierende Signale idealerweise proportional. Mit zunehmender Frequenz der Messgröße wird das System jedoch schließlich nichtlinear. Dies ist auf die folgenden Faktoren zurückzuführen:

1.) Mechanische Überlegungen
2.) Verstärker-/Netzteilbegrenzungen
3.) Kabeleigenschaften


Jeder dieser Faktoren muss berücksichtigt werden, wenn man versucht, Hochfrequenzmessungen durchzuführen.

Mechanische Überlegungen

Die mechanische Struktur innerhalb des Sensors erzwingt meist eine Hochfrequenzgrenze für Messsysteme. Das heißt, die Empfindlichkeit beginnt schnell anzusteigen, wenn man sich der Eigenfrequenz des Sensors nähert.

w = √(k/m) (Gleichung 6)

wobei:
w = Eigenfrequenz
k = Steifigkeit des Sensorelements
m = seismische Masse

Diese Gleichung hilft zu erklären, warum größere oder massivere Sensoren im Allgemeinen eine niedrigere Resonanzfrequenz haben.

Die folgende Abbildung 11 zeigt die Frequenzgangkurve eines typischen ICP^®-Beschleunigungssensors.

Abbildung 11: Frequenzgang eines ICP^®-Beschleunigungsmessers

Es ist zu erkennen, dass die Empfindlichkeit mit steigender Frequenz zunimmt. Für die meisten Anwendungen ist es im Allgemeinen akzeptabel, diesen Sensor in einem Bereich zu verwenden, in dem die Empfindlichkeit um weniger als ± 5 % abweicht. Diese obere Frequenzgrenze liegt bei etwa 20 % der Resonanzfrequenz. Druck- und Kraftsensoren reagieren in ähnlicher Weise.

Die Montage spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Erzielung genauer Hochfrequenzmessungen. Beachten Sie unbedingt die Installationsverfahren für eine ordnungsgemäße Montage.

Verstärker-/Stromversorgungseinschränkungen

Bei Prüfungen mit extrem hohen Frequenzen (>100 kHz) ist die Art des Messsystems von Bedeutung. Im Allgemeinen sprechen spannungsverstärkte Systeme auf Frequenzen in der Größenordnung von 1 MHz an, während die meisten ladungsverstärkten Systeme nur auf 100 kHz reagieren können. Dies ist in der Regel auf die Beschränkungen des Verstärkertyps sowie auf kapazitive Filtereffekte zurückzuführen.

Kabelüberlegungen und konstanter Strompegel

Der Betrieb über lange Kabel kann den Frequenzgang beeinträchtigen und zu Rauschen und Verzerrungen führen, wenn nicht genügend Strom zur Verfügung steht, um die Kabelkapazitäten zu treiben.

Im Gegensatz zu Ladungsmodus-Systemen, bei denen das Systemrauschen eine Funktion der Kabellänge ist, bieten ICP^®-Sensoren einen Hochspannungsausgang mit niedriger Impedanz, der sich gut für den Betrieb langer Kabel in rauen Umgebungen eignet. Während das Rauschen bei ICP^®-Sensoren praktisch nicht zunimmt, kann die kapazitive Belastung des Kabels je nach Versorgungsstrom und Ausgangsimpedanz des Sensors höherfrequente Signale verzerren oder filtern.

Im Allgemeinen ist diese Signalverzerrung bei niederfrequenten Prüfungen bis zu 10 kHz kein Problem. Bei höherfrequenten Vibrations-, Schock-, Explosions- oder Transientenprüfungen über Kabel, die länger als 30 m (100 ft) sind, besteht jedoch die Möglichkeit einer Signalverzerrung.

Die maximale Frequenz, die über eine bestimmte Kabellänge übertragen werden kann, ist eine Funktion sowohl der Kabelkapazität als auch des Verhältnisses zwischen der Spitzensignalspannung und dem vom Signalaufbereiter zur Verfügung stehenden Strom, gemäß:

wobei, F_max = maximale Frequenz (Hertz)
C = Kabelkapazität (Picofarad)
V = maximaler Spitzenausgang vom Sensor (Volt)
I_c = konstanter Strom vom Signalaufbereiter (mA)
10⁹ = Skalierungsfaktor, um Einheiten gleichzusetzen


Beachten Sie, dass in dieser Gleichung, 1 mA vom Gesamtstrom, der dem Sensor zugeführt wird, subtrahiert wird (lc). Dies geschieht, um die Versorgung der internen Elektronik zu kompensieren. Einige spezielle Sensorelektronik kann mehr oder weniger Strom verbrauchen. Wenden Sie sich an den Hersteller, um den korrekten Versorgungsstrom zu ermitteln.

Bei der Ansteuerung langer Kabel zeigt Gleichung 7, dass mit zunehmender Kabellänge, Spitzenspannungsausgabe oder maximaler Frequenz ein größerer konstanter Strom zur Ansteuerung des Signals erforderlich ist.

Das nachstehende Nomogramm (Abbildung 12) bietet eine einfache, grafische Methode zur Ermittlung der erwarteten maximalen Frequenzfähigkeit eines ICP^®-Messsystems.

Abbildung 12: Kabeltreiber-Nomograph

Beim Verlegen eines 30,5 m langen Kabels mit einer Kapazität von 30 pF/ft beträgt die Gesamtkapazität beispielsweise 3000 pF. Dieser Wert kann entlang der diagonalen Kabelkapazitätslinien ermittelt werden. Unter der Annahme, dass der Sensor mit einem maximalen Ausgangsbereich von 5 Volt arbeitet und der Konstantstromsignalaufbereiter auf 2 mA eingestellt ist, kann das Verhältnis auf der vertikalen Achse auf 5 berechnet werden. Der Schnittpunkt der gesamten Kabelkapazität und dieses Verhältnisses ergibt eine maximale Frequenz von etwa 10,2 kHz.

Das Nomogramm gibt nicht an, ob der Frequenzamplitudengang an einem Punkt flach, steigend oder fallend ist. Aus Vorsichtsgründen ist es eine gute allgemeine Praxis, den konstanten Strom (wenn möglich) zum Sensor (innerhalb seiner Höchstgrenze) zu erhöhen, so dass die aus dem Nomographen ermittelte Frequenz etwa 1,5 bis 2 mal größer ist als die interessierende Höchstfrequenz.

Beachten Sie, dass höhere Stromstärken batteriebetriebene Signalaufbereiter schneller erschöpfen. Außerdem wird jeder Strom, der nicht vom Kabel verwendet wird, direkt zur Versorgung der internen Elektronik verwendet und erzeugt Wärme. Dies kann dazu führen, dass der Sensor seine maximale Temperaturspezifikation überschreitet. Aus diesem Grund sollte bei kurzen Kabelstrecken oder beim Testen bei erhöhten Temperaturen kein übermäßiger Strom fließen.

Experimentelles Testen langer Kabel

Um die elektrischen Hochfrequenzeigenschaften bei langen Kabelstrecken zu bestimmen, können zwei Methoden verwendet werden.

Bei der ersten Methode, die in Abbildung 13 dargestellt ist, wird das Ausgangssignal eines Standardsignalgenerators an einen Instrumentenverstärker mit einheitlicher Verstärkung und niedriger Ausgangsimpedanz (<5 Ohm) in Reihe mit dem ICP^®-Sensor angeschlossen. Die extrem niedrige Ausgangsimpedanz ist erforderlich, um die Widerstandsänderung zu minimieren, wenn der Signalgenerator und der Verstärker aus dem System entfernt werden. Die alternative Prüfmethode, die ebenfalls in Abbildung 13 dargestellt ist, umfasst einen Sensorsimulator, der einen Signalgenerator und eine Sensorelektronik enthält, die bequem zusammen verpackt sind.

Abbildung 13: Prüfung langer Kabel

Um den Frequenz-/Amplitudengang mit einem der beiden Systeme zu prüfen, stellen Sie den Signalgenerator so ein, dass er die maximale Amplitude des erwarteten Messsignals liefert. Beobachten Sie das Verhältnis zwischen der Amplitude des Generators und der auf dem Oszilloskop angezeigten Amplitude. Wenn dieses Verhältnis 1:1 beträgt, ist das System für Ihre Prüfung geeignet. (Berücksichtigen Sie ggf. eine eventuelle Verstärkung im Signalaufbereiter oder Oszilloskop). Wenn das Ausgangssignal ansteigt (z. B. 1:1,3), fügen Sie einen Serienwiderstand hinzu, um das Signal abzuschwächen. Die Verwendung eines variablen 100-Ohm-Widerstands erleichtert die Einstellung des richtigen Widerstands. Beachten Sie, dass dies die einzige Bedingung ist, die das Hinzufügen eines Widerstands erfordert. Wenn das Signal fällt (z.B. 1:0,75), muss der Konstantstrompegel erhöht oder die Kabelkapazität verringert werden.

Es kann notwendig sein, das Kabel während der Kabelprüfung physisch zu verlegen, um die tatsächlichen Bedingungen während der Datenerfassung widerzuspiegeln. Dadurch werden potenzielle induktive Kabeleffekte kompensiert, die zum Teil von der Geometrie der Kabeltrasse abhängen.

Bei ICP^®-Sensoren gibt es zwei Faktoren, die bei der Erfassung niederfrequenter Informationen berücksichtigt werden müssen. Diese sind:

1.) Die Entladezeitkonstante eines Sensors (ein fester Wert, der für jeden Sensor einzigartig ist).2.) Die Zeitkonstante der im Signalaufbereiter verwendeten Kopplungsschaltung. (Bei Gleichstromkopplung muss nur Nr. 1 berücksichtigt werden).

Es ist wichtig, dass der Benutzer beide Faktoren versteht, um potenzielle Probleme zu vermeiden.

Entladungszeitkonstante des Aufnehmers

Die Entladungszeitkonstante ist der wichtigere der niederfrequenten Grenzwerte, da der Benutzer keine Kontrolle über sie hat.

Betrachten wir die ICP^®-Sensoren, die zuvor in Abbildung 6 gezeigt wurden. Während das Sensorelement bei den verschiedenen Arten (und Bereichen) von Druck-, Kraft- und Beschleunigungssensoren in seiner physischen Konfiguration stark variiert, ist die grundlegende Funktionsweise bei allen ähnlich. Wenn auf das Sensorelement bei t = to eine Schrittfunktion der Messgröße (Druck, Kraft oder Beschleunigung) einwirkt, erzeugt es eine Ladungsmenge ∆q, die linear proportional zu dieser mechanischen Einwirkung ist.

In Quarz-ICP^®-Sensoren akkumuliert sich diese Ladung in der Gesamtkapazität Ctotal, die die Kapazität des Sensorelements, die Eingangskapazität des Verstärkers, den Messbereichskondensator und jede zusätzliche Streukapazität umfasst. (Hinweis: Ein Messbereichskondensator, der parallel zum Widerstand geschaltet ist, wird zur Verringerung der Spannungsempfindlichkeit verwendet und ist nicht dargestellt). Das Ergebnis ist eine Spannung, die dem Gesetz der Elektrostatik entspricht: ∆V=∆q/Gesamtsumme. Diese Spannung wird dann durch einen MOSFET-Spannungsverstärker verstärkt, um die endgültige Empfindlichkeit des Sensors zu bestimmen. Aus dieser Gleichung ergibt sich, dass die Spannungsempfindlichkeit umso größer ist, je kleiner die Kapazität ist. Dies ist zwar richtig, aber es gibt eine praktische Grenze, bei der eine geringere Kapazität das Signal-Rausch-Verhältnis nicht wesentlich erhöht.

Bei keramischen ICP^®-Sensoren wird die Ladung des Kristalls in der Regel direkt von einem integrierten Ladungsverstärker verwendet. In diesem Fall bestimmt nur der Rückkopplungskondensator (zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers) die Ausgangsspannung und damit die Empfindlichkeit des Sensors.

Während sich das Funktionsprinzip von Quarz- und Keramiksensoren leicht unterscheidet, zeigen die Schaltbilder (Abbildung 6), dass es sich bei beiden Sensortypen im Wesentlichen um Widerstands-Kondensator-Schaltungen (RC) handelt.

Nach einer Stufeneingabe beginnt die Ladung sofort durch den Widerstand (R) zu dissipieren und folgt der grundlegenden RC-Entladekurve der Gleichung:

q = Qe^-t/RC (Gleichung 8)
Wobei: q = momentane Ladung (pC)
Q = anfängliche Ladungsmenge (pC)
R = Vorspannungs- (oder Rückkopplungs-) Widerstandswert (Ohm)
C = Gesamt- (oder Rückkopplungs-) Kapazität (pF)
t = beliebige Zeit nach t0 (sec)
e = Basis des natürlichen Logarithmus (2.718)

Diese Gleichung wird in Abbildung 14 grafisch dargestellt. Beachten Sie, dass das Ausgangsspannungssignal eines ICP^®-Sensors nicht wie unten gezeigt auf Null basiert, sondern auf einer Verstärkervorspannung von 8 bis 10 VDC.

Abbildung 14: Charakteristische Entladungskurve

Das Produkt aus R mal C ist die Entladungszeitkonstante (DTC) des Sensors (in Sekunden) und wird in den Kalibrierungsinformationen angegeben, die mit jedem ICP^®-Sensor geliefert werden. Da die Kapazität die Verstärkung festlegt und für einen bestimmten Sensor konstant ist, wird der Widerstand zur Einstellung der Zeitkonstante verwendet. Typische Werte für eine Entladezeitkonstante reichen von weniger als einer Sekunde bis zu 2000 Sekunden.

Auswirkung der DTC auf das Niederfrequenzverhalten

Die Entladezeitkonstante eines ICP^®-Sensors bestimmt das Niederfrequenzverhalten analog zur Wirkung eines Hochpass-RC-Filters erster Ordnung, wie in Abbildung 15A dargestellt. Abbildung 15B ist ein Bode-Diagramm der Tieffrequenzantwort.

Abbildung 15: Übertragungscharakteristik eines ICP^®-Sensors

Diese Filterungscharakteristik ist nützlich, um niederfrequente Signale, die durch thermische Effekte auf den Übertragungsmechanismus entstehen, abzufangen.


Die theoretische untere Ecke oder Frequenz (fo) wird durch die folgenden Beziehungen bestimmt, wobei DTC gleich der Sensorentladungszeitkonstante in Sekunden ist. Siehe Tabelle 1.

Auswirkung von DTC auf lang andauernde Zeitsignale

Oft ist es wünschenswert, Schrittfunktionen oder Rechteckwellen verschiedener Messgrößen zu messen, die mehrere Prozent der Sensorzeitkonstante dauern, insbesondere bei der statischen Kalibrierung von Druck- und Kraftsensoren.

Ein wichtiger Anhaltspunkt für diese Art der Messung ist, dass der Betrag des verlorenen Ausgangssignals und die verstrichene Zeit in Prozent des DTCs bis zu etwa 10 % des DTCs eins zu eins übereinstimmen. Abbildung 16 zeigt die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Rechteckwellen-Eingangssignal. (Um genaue Messwerte zu erhalten, koppeln Sie den Signalaufbereiter und das Auslesegerät mit Gleichstrom)

Abbildung 16: Sprungantwort

Zum Zeitpunkt t = t0 wird eine Sprungmessgröße (psi oder lb.) an den Sensor angelegt und für 1 % des DTC verbleiben gelassen, dann wird sie abrupt entfernt. Die Änderung der Ausgangsspannung ∆V, die dieser Eingabe entspricht, wird sofort zur Sensorvorspannung addiert und beginnt sich bei t > t0 zu entladen. Wenn t = t0 + (0,01 DTC), ist der Signalpegel um 1 % von ∆V gesunken. Diese Beziehung ist nur bis zu etwa 10 % des DTCs linear. (d. h., wenn die Messgröße bei t = 0,1 DTC entfernt wird, hat sich das Ausgangssignal um etwa 10 % von ∆V entladen)

Nach 1 DTC haben sich 63 % des Signals entladen. Nach 5 DTCs hat sich das Ausgangssignal im Wesentlichen entladen und es verbleibt nur noch die Sensorvorspannung.

Nach Entfernen der Messgröße sinkt das Ausgangssignal um den gleichen Betrag unter die Sensorvorspannung, um den es sich entladen hat. Um eine Messgenauigkeit von mindestens 1 % zu erreichen, sollte die Entladezeitkonstante mindestens das 100-fache der Dauer eines Rechteckimpulses, das 50-fache der Dauer einer halben Rampe und das 25-fache der Dauer eines halben Sinusimpulses betragen. Längere Zeitkonstanten verbessern die Messgenauigkeit.

Auswirkung der Kopplung auf das Niederfrequenzverhalten

Wie bereits erwähnt, wird das Niederfrequenzverhalten des Systems nur durch den Sensor-DTC bestimmt, wenn der Konstantstrom-Signalwandler (siehe Abbildung 5) gleichstromgekoppelt ist. Da jedoch viele Signalkonditionierer wechselstromgekoppelt sind, kann die gesamte Kopplungs-DTC der begrenzende Faktor für Niederfrequenzmessungen sein.

Abbildung 7 zeigt beispielsweise eine typische Wechselstromkopplung über einen 10 µF-Kopplungskondensator (der in vielen Konstantstrom-Signalkonditionierern eingebaut ist). Unter der Annahme einer 1-Megohm-Eingangsimpedanz am Ausleseinstrument (nicht dargestellt) ist die Kopplungszeitkonstante einfach gleich R mal C oder 10 Sekunden. (Dies setzt auch eine Sensorausgangsimpedanz von <100 Ohm voraus.) Als allgemeine Regel gilt, dass die Kopplungszeitkonstante mindestens 10-mal größer sein sollte als die Sensorzeitkonstante.

Bei Messungen im Niederfrequenzbereich wird die Kopplungszeitkonstante durch Tonbandgeräte mit niedriger Eingangsimpedanz und andere Instrumente erheblich verringert. Verwenden Sie in solchen Fällen einen Signalkonditionierer, der eine Gleichstromkopplung oder einen gepufferten Ausgang besitzt.

Um den DTC des Sensors voll auszunutzen, vor allem bei der statischen Kalibrierung, ist es oft unerlässlich, das Ausgangssignal gleichstrommäßig zu koppeln. Die einfachste Methode ist die Verwendung eines Signalkonditionierers, der über einen DC-Kopplungsschalter verfügt. Standard-Signalkonditionierer können jedoch auch für die Gleichstromkopplung angepasst werden, indem ein T-Stecker verwendet wird, wie in Abbildung 17.

Abbildung 17: Angepasstes DC-gekoppeltes Messsystem

Es ist wichtig zu beachten, dass das Auslesegerät eine Nullpunktverschiebung haben muss, um die Sensorvorspannung zu entfernen. Wenn das Auslesegerät nicht in der Lage ist, die gesamte oder einen Teil der Vorspannung zu entfernen, kann eine strombegrenzte "Bucking"-Batterie oder eine variable Gleichstromversorgung, die mit dem Signal in Reihe geschaltet wird, verwendet werden, um diese Aufgabe zu erfüllen. Es ist unbedingt erforderlich, dass die Gegenspannung strombegrenzt ist, um eine mögliche Beschädigung der im Sensor eingebauten Schaltkreise zu vermeiden.

Zur Vereinfachung enthalten mehrere von PCB hergestellte Konstantstrom-Signalaufbereiter Pegelverschiebungsschaltungen, die eine Gleichstromkopplung mit einer Ausgangsvorspannung von Null Volt ermöglichen. Die meisten dieser Geräte verfügen auch über einen AC-Kopplungsmodus für driftfreien dynamischen Betrieb.

Die folgenden Vorsichtsmaßnahmen sollten befolgt werden, um das Risiko einer Beschädigung oder eines Ausfalls der ICP^®-Sensoren zu verringern:

1.) Legen Sie nicht mehr als 20 mA Konstantstrom an ICP^®-Sensoren oder In-Line-Verstärker an.2.) Überschreiten Sie nicht 30 VDC Versorgungsspannung.3.) Legen Sie keine Spannung ohne Konstantstromschutz an. Konstanter Strom ist für den ordnungsgemäßen Betrieb von ICP^®-Sensoren erforderlich4.) Setzen Sie Standard-ICP ^®-Sensoren keinen Temperaturen über 121 °C (250 °F) aus. Wenden Sie sich an einen PCB-Anwendungstechniker, um die Testanforderungen in Umgebungen mit höheren Temperaturen zu besprechen.5.) Die meisten ICP ^®-Sensoren haben ein vollständig verschweißtes, hermetisches Gehäuse. Aufgrund bestimmter Konstruktionsparameter sind bestimmte Modelle jedoch epoxidversiegelt. In solchen Fällen kann eine hohe Luftfeuchtigkeit oder eine feuchte Umgebung die interne Elektronik verunreinigen. In solchen Fällen sollten die Sensoren ein bis zwei Stunden lang bei 121 °C (250 °F) ausgeheizt werden, um eventuelle Verunreinigungen zu verdampfen.6.) Viele ICP ^®-Sensoren sind nicht stoßgeschützt. Aus diesem Grund muss darauf geachtet werden, dass der Verstärker nicht durch starke mechanische Stöße beschädigt wird. Behandeln Sie solche Sensoren mit Vorsicht, damit die auf dem Datenblatt angegebene maximale Schockgrenze nicht überschritten wird.