Technische Beschreibung zu Hochtemperatur IEPE Beschleunigungsaufnehmer bei + 185 ° C
zum Thema der Effekte von Vorspannung, Drift und Dynamikbereich.

Anwendung: Hochtemperatur-IEPE (ICP®) Beschleunigungsaufnehmer

Hintergrund:

Die Einführung der piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern mit integrierter Elektronik (IEPE oder ICP®) brachte viele Vorteile mit sich, hauptsächlich, dass die Beschleunigungssensoren direkt, ohne Zwischenschaltung eines Ladungsverstärkers, an die Messtechnik bzw. Auswertetechnik angeschlossen werden kann. Die dadurch erforderliche regelmäßige und teurere Kalibrierung entfiel. Die Vereinfachung der Instrumenteeinrichtung hat viele Anwender zur Aufrüstung in die IEPE Technik bewegt, damit Beschleunigungsaufnehmer mit integrierter Elektronik eingesetzt werden können.

Wie so oft bei Innovationen und Neuentwicklungen entstehen ungünstige Effekte. Allgemein neigen IEPE Beschleunigungsaufnehmer bei Missanwendungen zur höheren Anfälligkeit auf Fehler. DJB Instruments hat diese Effekte früh erkannt und durch diverse Weiterentwicklungen zum größten Teil behoben (Siehe Technische Mitteilung Konik). Einer der grössten Nachteile von IEPE Beschleunigungsaufnehmer war die thermische Begrenzung bei hoher Betriebstemperaturanwendungen. Bei Beschleunigungsaufnehmer ohne integrierte Elektronik, mit Ladungsausgang, liegt standardmäßig die maximale Betriebstemperatur bei 250°C. Durch die im IEPE Aufnehmer integrierte Wandlerelektronik wurde in der Vergangenheit die maximale Betriebstemperatur auf 125°C limitiert. Die Hochtemperaturvariante der IEPE Aufnehmer bei DJB Instruments wurde durch Neuentwicklungen und den Einsatz neuer Technologien auf 185°C erhöht. Diese Neuentwicklungen kamen sowohl den einachsigen als auch den dreiachsigen IEPE Beschleunigungsaufnehmerserien zugute. An dieser Stelle entwickelt der Hersteller ständig weiter.

Anwendung:
Wenn die Betriebstemperatur 125°C überschreitet, leidet primär die in den IEPE Beschleunigungsaufnehmer integrierte Elektronik, da diese Temperatur für viele elektronische Komponente eine thermische Obergrenze beträgt. Erschwerend ziehen hohe Temperaturvariationen ebenfalls die elektronische Komponente mit in Leidenschaft.

Die Obergrenze der Betriebstemperatur von 125°C für IEPE Beschleunigungsaufnehmer wird primär durch dessen integrierte Elektronik bestimmt, da diese Temperatur für viele elektronische Komponente eine thermische Obergrenze beträgt. Hohe Temperaturvariationen ziehen die elektronische Komponente erschwerend mit in Leidenschaft. Das ist auch ein Grund für die Verbesserung des ASIC-Chip, welcher speziell für DJB Instrument von einem weltweit führenden Hersteller für Ultrahochtemperatur Miniatur Elektronik, entwickelt wurde. Mit diesem Chip in Verbindung mit weiterer Hochtemperatur spezifische Bauteile, ist DJB in der Lage einen IEPE Beschleunigungsaufnehmer der bei einer Arbeitstemperatur von 185°C, noch seine Genauigkeit und Spezifikationen zuverlässig einhält, herzustellen. Diese Schwelle auf 200°C zu erweitern ist in Aussicht.

Vorspannungseffekte:

Ein wichtiger Faktor bei der Verwendung von Hochtemperatur IEPE- Beschleunigungsmesser besteht darin, die Bedeutung und Wirkung der Vorspannung innerhalb des Bereichs der Anwendung zu verstehen.

Die Vorspannung ist der Spannungspegel an dem die Hybridelektronik Verstärker absetzt. Wenn diese von der Signalanlage versorgt wird, ob von der Messhardware oder einer externen IEPE Stromversorgung, und dieses Niveau variiert von Hersteller zu Hersteller. In der Regel liegt die Vorspannung innerhalb eines Bereiches von 8VDC bis 16VDC. Es ist an der Stelle wichtig darauf hinzuweisen, dass mehr nicht unbedingt besser ist. Hinsichtlich Hochtemperatur-IEPE-Beschleunigungsaufnehmer, gilt, dass eine hohe Vorspannung in der Tat den Dynamikbereich des Beschleunigungsaufnehmers beeinflussen wird.

Bild. 1 – Typische Vorspannungsabsatz nach dem Einschalten

Allgemein liegt der Messausgangsbereich eines IEPE Beschleunigungsaufnehmers zwischen 5 bis 7VAC und dies bestimmt den Spitzen „G“ Bereich und die Empfindlichkeit. Daher wird bei einem Beschleunigungsaufnehmer mit einer Ausgangsempfindlichkeit von 100mV/gBeschl. ein Spitzenwert von 50 gBeschl. und bei einer Ausgangsempfindlichkeit von 10mV/gBeschl. ein Spitzenwert von 500 gBeschl. gemessen. Das Ausgangssignal von 5VAC peak eines Beschleunigungsaufnehmers wird durch die Differenz zwischen DC Vorspannung und der DC Versorgungsspannung der IEPE Versorgung gebildet. Die IEPE Versorgung liegt je nach Quelle wie z.B. Netz, Batterien oder USB basierende Versorgungen zwischen 12 und 28 VDC.

Mit dieser Kenntnis werden die möglichen Auswirkungen eines Vorspannungsdriftes innerhalb der Elektronik eines Hybridbeschleunigungsaufnehmers bei höheren Temperaturen dargestellt. Bei den meisten Hochtemperatur IEPE Aufnehmer, findet man erhebliche Schwankungen in der Bias-Spannung bei Anwendungen mit hoher Betriebstemperatur, es können in der HT Art Schwankungen von 12VDC (bei Raumtemperatur) bis über 16VDC (bei Hochtemperatur) stattfinden. Beträgt die Versorgungsspannung des IEPE Netzteiles im unteren Bandbereich beispielsweise 18VDC beträgt der Dynamikbereich zwischen Versorgungs- und Biasspannung nur 2V dies begrenzt letztendlich den Messbereich des Beschleunigungsaufnehmers im Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen. Dieser Effekt der Bias-Spannung kann sehr leicht von Anwender unbewusst vernachlässigt werden.

Durch den Einsatz vom neu entwickeltem Ultrahochtemperatur-ASIC-Chip und Anwendung spezieller, für diesen Einsatz entwickelter Komponenten, hat DJB Instruments diesen Effekt komplett beseitigt. Bei normaler Umgebungsbedingungen beträgt die Vorspannung bei DJB IEPE Aufnehmer 9,5VDC und im Betrieb bei 185°C beträgt diese Variation der Vorspannung maximal + 0,5VDC. Das bedeutet, dass der Verlust im Dynamikbereich, selbst bei hohen Betriebstemperaturen, vernachlässigbar wird. Die Verwendung der oben genannten Komponenten erhöhen die Lebensdauer und die Langzeitstabilität, was die DJB Beschleunigungsaufnehmer auszeichnet.

Zum Abschluss: Oben genannte Informationen gelten ab sofort für die komplette Bandbreite der IEPE Aufnehmer in der HT Versionen der DJB Aufnehmer, ob Miniaturisierte Mono- und Dreiachsigeaufnehmer einschließlich der dreiachsigen Aufnehmer mit Einzelanschlussbuchse wie der AT / 10, AT / 11 und AT / 14.

Für weitere Informationen über den hohe Temperatur IEPE (ICP®) Beschleunigungsbereich von DJB Instruments, besuchen Sie uns gerne auf www.cmv-steck.de oder sprechen Sie uns an unter +49 7275 988 684 0

Autor:
Thierry Steck
CMV Steck GmbH
76870 Kandel
www.cmv-steck.de

Piezoelektrische Beschleunigungssensoren basierend auf Ferrokeramik Elemente erschienen erstmals in den späten 40er Jahren als ein Datenerfassungsmittel für dynamisches Verhalten von Flugzeugstrukturen und ersetzten die Geschwindigkeitswandler, die schwerer und weniger robust waren.

Dieser exklusive konische Aufbau, ein Produkt von DJB Instruments, kombiniert den Kompression- (Druck) und Schermodus anderer Beschleunigungsaufnehmern.

In der Vergangenheit befand sich die piezokeramische Scheibe zwischen einer Schwingmasse und einer Grundlage (dieser Aufbau wir heute noch angewandt).

Nach heutigem Stand der Technik betrachtet, sind die Nachteile der typischen Kompressionsaufbauten hohe Verformungsempfindlichkeit (Anfälligkeit), Instabilitäten durch Temperaturtransienten und Querachsenfehler. Dies hat zu der Entwicklung von Scherbeschleunigungsaufnehmer geführt.

Dehnungsempfindlichkeit

Dehnungsempfindlichkeit ist ein Phänomen, das durch die Wechselwirkung zwischen dem Bewegungssensor (Schwingmasse) und dem Prüfling entsteht. Ein piezoelektrisches Element dient zur Ausgabe messbarer Signale selbst bei sehr niedrigen Beschleunigungsniveaus.

Idealerweise würde nur diese Beschleunigung gemessen werden, aber in der Realität gibt es weitere Kräfte, die das Verformen des Sensorelementes beeinflussen und dadurch zur Verunreinigungen des Signales führen.

Aufgrund der Befestigung des Beschleunigungsaufnehmers an seinem Prüfling ist dessen Aufnehmerauflage (Basis) der gleichen Verformung wie die des Prüflings ausgesetzt. Da das Sensorelement sehr kleine Änderungen erkennt, wird diese Verformung als unerwünschter Fehler im Ausgangssignal erscheinen.

Grundaufbau eines Kompressionsaufnehmers

Der Aufbau der Kompressionseinheit wird im Beschleunigungsaufnehmer durch eine Masse, die durch eine axiale Bewegung auf einen piezokeramischen Stapel wirkt, realisiert.

Dieser Sandwichaufbau wird bei der Herstellung mit einem bestimmten Druck (ladungsabhängig) mit einer Schraube befestigt. Bei einer Bewegung bzw. Beschleunigung wird ein Druck auf den piezokeramischen Stapel ausgeübt.

Diese variierende Drücke auf den piezokeramischen Stapel generieren eine Ladung, die erfasst wird.

Grundaufbau eines Standard- Schermodus Aufnehmer

In Beschleunigungsaufnehmer mit Schereinheit werden in der Regel die piezoelektrischen Sensorelemente radial fest um eine Mittelsäule angeordnet. Die gesamte Konstruktion wird in der Regel geklebt oder geschraubt. Die Schwingelemente stehen im Ruhezustand nicht unter Druck, lediglich werden auf sie bei einer Bewegung bzw. Beschleunigung Scherkräfte ausgeübt. Diese variierende Scherkräfte generieren eine Ladung die erfasst wird.

Die KONIC Schubaufnehmer

Bei den KONIC Schubaufnehmer, wird eine Hohlkegel Piezokeramik fest um eine Mittelsäule auf eine ebenfalls konische Basis angeordnet. Die Masse hat ebenfalls eine konische Vertiefung die, im Sandwichprinzip, exakt der konischen Keramik entspricht.

Dieser Aufbau ermöglicht zum ersten eine Isolierung des piezokeramischen Kegel von der Basis. Der fehlerführende Einfluss der Basisdehnung ist nahezu eliminiert. Der Querachsenfehler ist durch die Radialsymmetrie sehr stark reduziert. Hinzu kommt, dass durch das mechanische Vorspannen der Hohlkegel Piezokeramik in diesem Aufbau die Temperaturbeschränkung, die durch Verwendung von Klebstoff hervorgerufen wird, beseitigt wird. Die KONIC Schub Beschleunigungsaufnehmer von DJB Instruments sind dadurch besonders hochtemperaturstabil. Die KONIC Schub Beschleunigungsaufnehmer von DJB Instruments, sogar als IEPE Aufnehmer (mit integrierter Elektronik), können bedenkenlos bei hohen Umgebungstemperaturen bis zu 185 ° C (365 ° F) betrieben werden. Die Temperaturgrenze liegt bei der Ladungsvariante bei 250 ° C (482 ° F) und bei der Industrievariante liegt der Wert bei bis zu 400 ° C (752 ° F).

Der Grundaufbau eines KONIC Aufnehmer

Bei einer auftretenden dynamischen Beschleunigung, übt die Masse Scherkräfte auf Spitzsandwichartige Piezokeramik aus. Der integrierte Hybrid Ladung/Spannungswandler ist an der Mittelsäule befestigt. Dieser Aufbau beseitigt praktisch die Basisdehnungsempfindlichkeit und den Querachsenfehler und macht aus diesem Sensor einen robusten, zuverlässigen Beschleunigungssensor.

Autor:
Thierry Steck
CMV Steck GmbH
76870 Kandel
www.cmv-steck.de

Temperaturmessung:

Die Temperaturmessung teilt sich in 2 Hauptbereiche auf.

Kontaktthermometrie und Strahlungsthermometrie:

Als drittes Prinzip, die Übertragung durch Konvektion, wird hier nicht eingegangen

Kontaktthermometrie:

Bei der Kontaktthermometrie wird mittels Thermoelemente oder andere Kontaktthermometer durchgeführt. Wie der Name es ausdrückt muss immer ein Kontakt zum Messobjekt bestehen.

Strahlungsthermometrie:

Bei der Strahlungsthermometrie wird die Strahlung des Messobjekts berührungslos und zerstörungsfrei über einen infrarotempfindlichen Sensor gemessen. Auf Grund von physikalischen Zusammenhängen bei der Kenntnis bestimmter Parameter läßt sich die Strahldichte des Messobjektes in eine Temperatur umwandeln.

Bei vielen Prozesse wie z.B. in der Eisen-, Papier-, Glas, Kunststoffindustrie, usw. kommt meist erschwerend hinzu z.B.:

– dass das Messobjekt mehr oder minder weit entfernt ist.

– Bewegte oder rotierende Teile sind

– Hohe Spannungen führen

– Strömende Flüssigkeiten

– Gase

– Plastische Stoffe

– Zerstörungsfreie Messaufgabe

In diesen Fällen lassen am Ort der zu messenden Temperatur keinen thermischen Kontakt eines Messfühlers zu. Solche messaufgaben lassen sich ohne den Einsatz von Infrarotstrahlungsmessgeräte wie z.B. Pyrometer, Thermografiegeräte nicht lösen