Einführung in den Ladungsmodus von Beschleunigungsmessern

Einführung

Ein Beschleunigungssensor im Ladungsmodus ist ein Sensor, der ein elektrisches Ausgangssignal proportional zur angelegten Beschleunigung erzeugt. Sie eignen sich ideal für Schwingungsanwendungen bei hohen Temperaturen, da sie keine interne Mikroelektronik besitzen, was die Verwendung von ICP®-Sensoren auf etwa 325 °F beschränkt. Einige Ausführungen im Ladungsmodus können bis zu 1200 °F verwendet werden.

Der Ausgang eines Ladungsbeschleunigungssensors ist ein hochohmiges Ladungssignal, das durch Kabelrauschen und schmutzige Umgebungsbedingungen verfälscht werden kann. Es ist wichtig, rauscharme Kabel zu verwenden und die elektrischen Verbindungen so sauber wie möglich zu halten. Zur Signalumwandlung vor der Weiterleitung des Signals an ein Datenerfassungssystem oder ein Auslesegerät wird ein Ladungsverstärker oder ein Inline-Ladungswandler benötigt.

Konstruktion von Beschleunigungsmessern im Ladungsmodus

Es gibt eine Reihe von mechanischen Konstruktionen, die für die Umwandlung von Ladungsbeschleunigungsmessern verwendet werden. Die Konstruktionen bestehen aus Sensorkristallen, die an einer seismischen Masse befestigt sind. Ein Vorspannring oder -bolzen übt eine Kraft auf die Sensorelementbaugruppe aus, um eine starre Struktur zu schaffen und ein lineares Verhalten zu gewährleisten. Bei Beschleunigung verursacht die seismische Masse eine Spannung auf die Sensorkristalle, die zu einem proportionalen elektrischen Ausgang führt. Das Ausgangssignal wird an Elektroden gesammelt und über Drähte an einen elektrischen Ausgangsstecker übertragen, der an ein rauscharmes Übertragungskabel angeschlossen ist.

Stromversorgung von Beschleunigungsaufnehmern im Ladungsmodus

Beschleunigungssensoren im Ladungsmodus benötigen keine externe Stromquelle wie ICP®-Beschleunigungssensoren. Bei mechanischer Beanspruchung wird ein hochohmiges Ladungssignal von der piezoelektrischen Messzelle erzeugt. Das hochohmige Signal muss in ein niederohmiges Spannungssignal umgewandelt werden, bevor es von Datenerfassungs- oder Auslesegeräten analysiert werden kann. Die Umwandlung kann auf zwei Arten erfolgen:

1) Mit einem laborüblichen Ladungsverstärker.
2) Mit einem Inline-Ladungswandler und einer ICP®-Stromquelle.

Ladungsverstärker verfügen in der Regel über Einstellungen, die eine Anpassung von Verstärkung und Bereich ermöglichen. Andere Optionen können Filterung, Signalintegration und Zeitkonstanteneinstellung für Niederfrequenzmessungen umfassen.

Inline-Ladungswandler haben einen festen Umwandlungsfaktor (z. B. - 1 mV/pC oder 10 mV/pC) und benötigen eine Stromversorgung durch einen ICP®-Signalaufbereiter.



Hinweis: Die Wahl des Ladungswandlers ist abhängig von der Betriebstemperatur und dem Isolationswiderstand des Sensors.

Bereich

Im Gegensatz zu ICP®-Sensoren sind Ladungssensoren nicht auf einen maximalen 5-Volt-Ausgangsbereich beschränkt. Ladungssensoren können innerhalb des auf dem technischen Datenblatt angegebenen linearen Messbereichs betrieben werden. Der Ladungsausgang (pC/g) kann dann durch einen Ladungsverstärker oder Ladungswandler (mV/pC) umgewandelt werden. Laborverstärker haben normalerweise die Möglichkeit, die Verstärkung (mV/pC) und den Messbereich einzustellen. Ladungswandler haben in der Regel eine feste Verstärkung und einen festen Messbereich. Beispiel 1 zeigt eine Umwandlung mit fester Ladungsverstärkung. Beispiel 2 zeigt eine Berechnung des Systemmessbereichs.

Beispiel 1
Sensor: 357B03, 10 pC/g Empfindlichkeit
Ladungswandler: 422E52, 10 mV/pC feste Ladungsumwandlung
Erwartetes Eingangssignal: 14 g's

10 pC/g X 10 mV/pC = 100 mV/g X 14 g's = 1400 mV = 1,4 V

Beispiel 2
Sensor: 357B03, 10 pC/g Empfindlichkeit
Ladungswandler: 422E52, ±500 pC Eingangsbereich

±500 pC ÷ 10 pC/g = 50 g Messbereich

Lademodus Beschleunigungsmesser Niederfrequenzbereich

Die Spezifikationen für die niedrige Frequenz und die Entladezeitkonstante sind nicht in den technischen Datenblättern der Beschleunigungssensoren im Lademodus enthalten. Dies sind elektrische Eigenschaften, die durch den Ladungsverstärker oder den Inline-Ladungswandler bestimmt werden. Informationen zu Niederfrequenz und Zeitkonstante finden Sie in den technischen Datenblättern des Ladungsverstärkers oder des Konverters. Der PCB® Inline-Ladungswandler Modell 422E52 hat zum Beispiel eine Zeitkonstante von >0,1 Sekunden und einen Niederfrequenzgang von 5 Hz (-5%).

Lademodus Beschleunigungsmesser Hochfrequenz-Ansprechverhalten

Jeder Beschleunigungssensor im Ladungsmodus hat eine Eigenfrequenz, die den Messfrequenzbereich auf eine bestimmte Obergrenze begrenzt. Die Eigenfrequenz (Resonanz) ist eine mechanische Eigenschaft, die dem Beschleunigungsaufnehmer durch seine physikalischen Konstruktionsmerkmale aufgezwungen wird. Die Empfindlichkeit nimmt bei Annäherung an die Eigenfrequenz rasch zu, was häufig zu einer Überlastung des Signalausgangs führen kann. Ein Beispiel für eine Resonanz ist in Abbildung 5 dargestellt.



Es ist wichtig zu beachten, dass die Montage eine Rolle bei der Erzielung genauer Hochfrequenzmessungen spielt. Beachten Sie die Installationszeichnungen und Produkthandbücher für die korrekte Montage bestimmter Modelle. Weitere Informationen zum Hochfrequenzverhalten und zur Montage von Beschleunigungsaufnehmern finden Sie unter diesem Link(http://www.pcb.com/Resources/TechnicalInformation/Mounting).

Kalibrierung/Rekalibrierung

PCB® liefert ein Kalibrierungszertifikat mit jedem Ladungsbeschleunigungssensor. Dieses Zertifikat dokumentiert die Eigenschaften jedes Beschleunigungssensors und liefert genaue Werte für mehrere Schlüsselspezifikationen. Ein Beispiel für ein Kalibrierungszertifikat ist in Abbildung 6 dargestellt.



Bei der Back-to-Back-Kalibrierung wird der Testbeschleunigungsaufnehmer auf einen Referenzbeschleunigungsaufnehmer montiert. Diese Technik bietet eine schnelle und einfache Methode zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Beschleunigungsaufnehmers über einen großen Frequenzbereich.

Der Referenzbeschleunigungsmesser ist ein äußerst genaues Gerät mit Spezifikationen, die auf ein anerkanntes Normungslabor rückführbar sind. Es ist möglich, beide Beschleunigungsaufnehmer in Schwingungen zu versetzen und die Ausgangsdaten zu vergleichen, indem man den Prüfbeschleunigungsaufnehmer fest mit dem Referenzstandardbeschleunigungsaufnehmer verbindet.



Das Verhältnis der Ausgangsspannungen ist auch das Verhältnis der Empfindlichkeiten der Beschleunigungsaufnehmer, da die auf sie einwirkende Beschleunigung dieselbe ist. Die Empfindlichkeit des Referenzbeschleunigungsmessers ist bekannt, so dass die Empfindlichkeit des Prüfbeschleunigungsmessers berechnet werden kann.

Rekalibrierungsdienste werden sowohl für von PCB® hergestellte Beschleunigungsaufnehmer als auch für solche anderer Hersteller angeboten. Unser internes Messtechniklabor ist nach ISO 9001 zertifiziert und von A2LA akkreditiert. Die bei der Kalibrierung verwendeten Geräte sind direkt auf das NIST (National Institute of Standards and Technology) rückführbar.

Einführung in den Ladungsmodus von Beschleunigungsmessern

Einführung

Ein Beschleunigungssensor im Ladungsmodus ist ein Sensor, der ein elektrisches Ausgangssignal proportional zur angelegten Beschleunigung erzeugt. Sie eignen sich ideal für Schwingungsanwendungen bei hohen Temperaturen, da sie keine interne Mikroelektronik besitzen, was die Verwendung von ICP®-Sensoren auf etwa 325 °F beschränkt. Einige Ausführungen im Ladungsmodus können bis zu 1200 °F verwendet werden.

Der Ausgang eines Ladungsbeschleunigungssensors ist ein hochohmiges Ladungssignal, das durch Kabelrauschen und schmutzige Umgebungsbedingungen verfälscht werden kann. Es ist wichtig, rauscharme Kabel zu verwenden und die elektrischen Verbindungen so sauber wie möglich zu halten. Zur Signalumwandlung vor der Weiterleitung des Signals an ein Datenerfassungssystem oder ein Auslesegerät wird ein Ladungsverstärker oder ein Inline-Ladungswandler benötigt.

Konstruktion von Beschleunigungsmessern im Ladungsmodus

Es gibt eine Reihe von mechanischen Konstruktionen, die für die Umwandlung von Ladungsbeschleunigungsmessern verwendet werden. Die Konstruktionen bestehen aus Sensorkristallen, die an einer seismischen Masse befestigt sind. Ein Vorspannring oder -bolzen übt eine Kraft auf die Sensorelementbaugruppe aus, um eine starre Struktur zu schaffen und ein lineares Verhalten zu gewährleisten. Bei Beschleunigung verursacht die seismische Masse eine Spannung auf die Sensorkristalle, die zu einem proportionalen elektrischen Ausgang führt. Das Ausgangssignal wird an Elektroden gesammelt und über Drähte an einen elektrischen Ausgangsstecker übertragen, der an ein rauscharmes Übertragungskabel angeschlossen ist.

Stromversorgung von Beschleunigungsaufnehmern im Ladungsmodus

Beschleunigungssensoren im Ladungsmodus benötigen keine externe Stromquelle wie ICP®-Beschleunigungssensoren. Bei mechanischer Beanspruchung wird ein hochohmiges Ladungssignal von der piezoelektrischen Messzelle erzeugt. Das hochohmige Signal muss in ein niederohmiges Spannungssignal umgewandelt werden, bevor es von Datenerfassungs- oder Auslesegeräten analysiert werden kann. Die Umwandlung kann auf zwei Arten erfolgen:

1) Mit einem laborüblichen Ladungsverstärker.
2) Mit einem Inline-Ladungswandler und einer ICP®-Stromquelle.

Ladungsverstärker verfügen in der Regel über Einstellungen, die eine Anpassung von Verstärkung und Bereich ermöglichen. Andere Optionen können Filterung, Signalintegration und Zeitkonstanteneinstellung für Niederfrequenzmessungen umfassen.

Inline-Ladungswandler haben einen festen Umwandlungsfaktor (z. B. - 1 mV/pC oder 10 mV/pC) und benötigen eine Stromversorgung durch einen ICP®-Signalaufbereiter.



Hinweis: Die Wahl des Ladungswandlers ist abhängig von der Betriebstemperatur und dem Isolationswiderstand des Sensors.

Bereich

Im Gegensatz zu ICP®-Sensoren sind Ladungssensoren nicht auf einen maximalen 5-Volt-Ausgangsbereich beschränkt. Ladungssensoren können innerhalb des auf dem technischen Datenblatt angegebenen linearen Messbereichs betrieben werden. Der Ladungsausgang (pC/g) kann dann durch einen Ladungsverstärker oder Ladungswandler (mV/pC) umgewandelt werden. Laborverstärker haben normalerweise die Möglichkeit, die Verstärkung (mV/pC) und den Messbereich einzustellen. Ladungswandler haben in der Regel eine feste Verstärkung und einen festen Messbereich. Beispiel 1 zeigt eine Umwandlung mit fester Ladungsverstärkung. Beispiel 2 zeigt eine Berechnung des Systemmessbereichs.

Beispiel 1
Sensor: 357B03, 10 pC/g Empfindlichkeit
Ladungswandler: 422E52, 10 mV/pC feste Ladungsumwandlung
Erwartetes Eingangssignal: 14 g's

10 pC/g X 10 mV/pC = 100 mV/g X 14 g's = 1400 mV = 1,4 V

Beispiel 2
Sensor: 357B03, 10 pC/g Empfindlichkeit
Ladungswandler: 422E52, ±500 pC Eingangsbereich

±500 pC ÷ 10 pC/g = 50 g Messbereich

Lademodus Beschleunigungsmesser Niederfrequenzbereich

Die Spezifikationen für die niedrige Frequenz und die Entladezeitkonstante sind nicht in den technischen Datenblättern der Beschleunigungssensoren im Lademodus enthalten. Dies sind elektrische Eigenschaften, die durch den Ladungsverstärker oder den Inline-Ladungswandler bestimmt werden. Informationen zu Niederfrequenz und Zeitkonstante finden Sie in den technischen Datenblättern des Ladungsverstärkers oder des Konverters. Der PCB® Inline-Ladungswandler Modell 422E52 hat zum Beispiel eine Zeitkonstante von >0,1 Sekunden und einen Niederfrequenzgang von 5 Hz (-5%).

Lademodus Beschleunigungsmesser Hochfrequenz-Ansprechverhalten

Jeder Beschleunigungssensor im Ladungsmodus hat eine Eigenfrequenz, die den Messfrequenzbereich auf eine bestimmte Obergrenze begrenzt. Die Eigenfrequenz (Resonanz) ist eine mechanische Eigenschaft, die dem Beschleunigungsaufnehmer durch seine physikalischen Konstruktionsmerkmale aufgezwungen wird. Die Empfindlichkeit nimmt bei Annäherung an die Eigenfrequenz rasch zu, was häufig zu einer Überlastung des Signalausgangs führen kann. Ein Beispiel für eine Resonanz ist in Abbildung 5 dargestellt.



Es ist wichtig zu beachten, dass die Montage eine Rolle bei der Erzielung genauer Hochfrequenzmessungen spielt. Beachten Sie die Installationszeichnungen und Produkthandbücher für die korrekte Montage bestimmter Modelle. Weitere Informationen zum Hochfrequenzverhalten und zur Montage von Beschleunigungsaufnehmern finden Sie unter diesem Link(http://www.pcb.com/Resources/TechnicalInformation/Mounting).

Kalibrierung/Rekalibrierung

PCB® liefert ein Kalibrierungszertifikat mit jedem Ladungsbeschleunigungssensor. Dieses Zertifikat dokumentiert die Eigenschaften jedes Beschleunigungssensors und liefert genaue Werte für mehrere Schlüsselspezifikationen. Ein Beispiel für ein Kalibrierungszertifikat ist in Abbildung 6 dargestellt.



Bei der Back-to-Back-Kalibrierung wird der Testbeschleunigungsaufnehmer auf einen Referenzbeschleunigungsaufnehmer montiert. Diese Technik bietet eine schnelle und einfache Methode zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Beschleunigungsaufnehmers über einen großen Frequenzbereich.

Der Referenzbeschleunigungsmesser ist ein äußerst genaues Gerät mit Spezifikationen, die auf ein anerkanntes Normungslabor rückführbar sind. Es ist möglich, beide Beschleunigungsaufnehmer in Schwingung zu versetzen und die Ausgangsdaten zu vergleichen, indem man den Prüfbeschleunigungsaufnehmer fest mit dem Referenzstandardbeschleunigungsaufnehmer verbindet.



Das Verhältnis der Ausgangsspannungen ist auch das Verhältnis der Empfindlichkeiten der Beschleunigungsaufnehmer, da die auf sie einwirkende Beschleunigung dieselbe ist. Die Empfindlichkeit des Referenzbeschleunigungsmessers ist bekannt, so dass die Empfindlichkeit des Prüfbeschleunigungsmessers berechnet werden kann.

Rekalibrierungsdienste werden sowohl für von PCB® hergestellte Beschleunigungsaufnehmer als auch für solche anderer Hersteller angeboten. Unser internes Messtechniklabor ist nach ISO 9001 zertifiziert und von A2LA akkreditiert. Die bei der Kalibrierung verwendeten Geräte sind direkt auf das NIST (National Institute of Standards and Technology) rückführbar.