Integrierte Verstärker

Wir vertreiben eine Vielzahl von Beschleunigungsaufnehmern mit eingebautem Impedanzwandler oder Vorverstärker. Dieser wandelt das hochimpedante Signal der Piezokeramik in ein Spannungssignal niedriger Impedanz um. Dafür wird der etablierte IEPE-Standard verwendet, wodurch Kompatibilität zu Sensoren und Messgeräten vieler anderer Hersteller gewährleistet ist. Die Abkürzung IEPE steht für "Integrated Electronics Piezo Electric". Die eingebaute Elektronik wird über Konstantstrom versorgt (vgl. folgendes Bild). Die Besonderheit liegt darin, dass Versorgungsstrom und Sensorsignal über das gleiche Kabel übertragen werden. Über dem Sensor bildet sich dabei eine positive Arbeitspunktspannnung.

Das Schwingsignal wird vom Sensor zurück übertragen, indem es der Arbeitspunktspannung aufmoduliert wird. Der Koppelkondensator vor dem Messgeräteeingang dient zur Auskopplung des Gleichanteils. Da die Ausgangsimpedanz üblicher IEPE-Aufnehmer unter 100 Ohm liegt, darf das Kabel bis zu einigen hundert Metern lang sein, ohne dass die Signalqualität darunter leidet. Auf teuere störarme Kabel kann zugunsten preiswerter Koaxialkabel verzichtet werden.

C_L Kabelkapazität
C_K Koppelkondensator
I_Const Konstantstrom
R_e Eingangswiderstand
U_s Vorspannung

Der Konstantstrom kann zwischen 2 und 20 mA liegen (Nicht mit dem 4-20 mA-Stromschleifenstandard verwechseln!). Je kleiner der Speisestrom, desto höher wird die Ausgangsimpedanz und damit die Störempfindlichkeit. Ein Konstantstrom von 4 mA liefert in den meisten Fällen ein sinnvolles Optimum zwischen Störfestigkeit und Strombedarf.

Die Arbeitspunktspannung am Sensorausgang, d.h. die Ruhespannung ohne Beschleunigung, liegt bei unseren Sensoren im Bereich von 8 bis 12 V. Sie ist von der Temperatur und vom Speisestrom abhängig. Um diese Arbeitspunktspannung oszilliert das Sensorsignal (vgl. folgendes Bild). Die Sensorspannung kann dabei nie negativ werden. Die obere Aussteuergrenze wird durch die Versorgungsspannung der Konstantstromquelle bestimmt. Diese sollte im Bereich von 24 bis 30 V liegen. Die untere Aussteuergrenze wird durch die Sättigungsspannung des integrierten Impedanzwandlers bestimmt und liegt bei etwa 0,5 V. Wir garantieren eine Mindestaussteuerbarkeit von ± 6 V.

Die untere Grenzfrequenz unserer IEPE-Beschleunigungsaufnehmer liegt bei 0,3 Hz für Scher- und Biegesysteme sowie bei 3 Hz für Kompressionssysteme. Die obere Grenzfrequenz hängt hauptsächlich von der mechanischen Konstruktion ab.

Bei längeren Kabeln muss ggf. die Kabelkapazität für die obere Grenzfrequenz mit in Betracht gezogen werden. Typische Koaxialkabel für IEPE-Aufnehmer, wie sie von uns geliefert werden, haben eine Kapazität von ca. 100 pF/m.

Das folgende Bild zeigt die maximale Aussteuerbarkeit über die Frequenz mit den Parametern Kabelkapazität und Speisestrom. Mit steigender Kabelkapazität sinkt die Aussteuerbarkeit. Ursache ist die verringerte Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers durch umzuladende Kapazitäten. Bei sehr langen Kabeln ist nur noch bei Frequenzen bis zu einigen hundert Hertz Vollaussteuerung von ± 6 V möglich. Dieser Effekt kann durch Erhöhung des Speisestroms in gewissen Grenzen kompensiert werden. Bis zu 10 nF Kabelkapazität (entspricht 100 m Standardkabel) ist bei 4 mA Speisestrom keine Einschränkung der Aussteuerbarkeit zu erwarten.

Das folgende Bild zeigt den Frequenzgang der Sensorelektronik bei unterschiedlichen Kabelkapazitäten und Speiseströmen. Bei höheren Kapazitäten sinkt die obere Grenzfrequenz. Ursache ist der RC-Tiefpass, der sich aus Aufnehmerinnenwiderstand und Kabelkapazität bildet. Bei 4 mA kann bis zu einer Kabelkapazität von ca. 50 nF (entspricht 500 m Standardkabel) mit einer unwesentlichen Verfälschung des Frequenzganges gerechnet werden.