ELEKTROnet 2003/4: ICP®: Piezoelektrische Sensoren mit integriertem Verstärker

Rahne Eric, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, Gründer der PIM Professionelle Industriemess-Technik GmbH, Experte für Schwingungsdiagnostik

Für die Messung dynamischer Prozesse - sei es Beschleunigung, Kraft oder Druck - sind Sensoren, die auf dem piezoelektrischen Phänomen basieren (Entstehung elektrischer Ladungen aufgrund von auf den Kristall einwirkenden Kräften), weit verbreitet. Ihre größten Vorteile sind: breiter Frequenzbereich, großer Messbereich und kleine Bauform. Nachteilig ist jedoch der häufige Kalibrierbedarf bei Messanordnungen mit solchen Sensoren, ihre Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, Kabellänge sowie die Qualität der Kabel und Anschlüsse. Zur Lösung dieses Problems hat der amerikanische Sensorhersteller PCB die ICP®-Sensoren entwickelt und eingeführt. ICP ist eine eingetragene Marke der PCB-Firma und die Abkürzung für "Integrated Circuit Piezoelectric", auf Deutsch: piezoelektrischer Sensor mit integriertem Verstärker. Aufbau der ICP^® Sensoren Der wesentliche Unterschied der ICP^® Version besteht darin, dass ein - dank moderner Mikroelektronik miniaturisierter - Verstärker direkt in das Gehäuse des piezoelektrischen Sensors integriert ist. Dadurch erhält man sehr einfach anwendbare Sensoren mit folgenden Hauptvorteilen:

• Empfindlichkeit unabhängig von Kabellänge und -qualität
• Niedrige Ausgangsimpedanz (100 Ohm), daher auch in feuchter und schmutziger Umgebung einsetzbar
• Zweidrahtsystem, für das koaxiale oder sogar herkömmliche 2-adrige Kabel ausreichen
• Hohe Ausgangsspannung (+/-5V oder +/-10V), dadurch unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen
• Niedriges Ausgangsrauschen
• Breiter Frequenzbereich
• Einfacher Selbsttest der Messanordnung möglich
• Einfache Stromversorgung (Netzteil, Batterie), geringe Kosten pro Kanal
• Geringer Kalibrierbedarf
• Auswertungs- und Aufzeichnungsgeräte (Schreiber, Oszilloskope usw.) lassen sich problemlos anschließen

Die Ausführung des integrierten Verstärkers im Sensor hängt davon ab, ob das Sensorelement keramik- oder quarzbasiert ist und das zu verstärkende elektrische Signal liefert. Keramikbasierte Sensorelemente mit niedriger Ladungskapazität können hohe Spannungen erzeugen, weshalb in solchen Sensoren MOSFET-Spannungsverstärker eingebaut werden. Bei keramikbasierten Sensoren hingegen entsteht bei geringerer Spannung eine größere Ladung, weshalb Ladungsverstärker eingesetzt werden. Die typischen Ausführungen werden im folgenden Diagramm dargestellt.

Interne Struktur des piezoelektrischen Sensors auf Quarz- bzw. Keramikbasis Abbildung 1: Typische Struktur von ICP® Sensoren für Quarz- bzw. Keramikelemente

Stromversorgung der ICP^® Sensoren Typische Messkreise mit ICP^® Sensoren bestehen aus dem Sensor selbst, dem zweipoligen Anschlusskabel und dem Sensoradapterkreis (Stromversorgungs- und Koppeleinheit), wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Typische Messkreis-Zusammenstellung für ICP® Sensoren

Der Sensoradapterkreis (Stromversorgungs- und Koppeleinheit) besteht aus einem mit Gleichspannung (+18…+24V) versorgten konstanten Stromgenerator und einem Koppelelement (Gleichspannungstrennung). Das Messgerät mit hoher Eingangsimpedanz, gekennzeichnet als Vm, zeigt die Spannung am Ausgang des Sensors an, die im Ruhezustand typischerweise zwischen +9…+12V DC liegt. Diese Spannung kann zur funktionalen Überprüfung des Sensors und des Anschlusskabels im Ruhezustand mit dem Messgerät gemessen werden. Die Schaltung, die bei den ICP^® Sensoren realisiert ist, ist aufgrund der relativ hohen Pegel sehr unempfindlich gegenüber Störungen. Außerdem ist es vorteilhaft, dass der Stromgenerator in der Lage ist, auch lange (abgeschirmte) Kabel in industriellen Umgebungen anzutreiben. Typischer Aussteuerungsbereich der ICP^® Sensoren Die Stromversorgung des ICP^® Sensors erfolgt in der Regel mit einer Gleichspannung zwischen +18…+24V. Wenn wir einen Spannungsabfall von etwa 1V am Stromgenerator und eine Ruheposition von 11V DC annehmen, dann ergibt sich bei einer Versorgung von 18V der dynamische Signalbereich des Sensors gemäß folgender Beziehung: U signal = 18V-(1V+11V) = 6V Der Sensor ist nicht in der Lage, ein höheres, dem externen physikalischen Signal entsprechendes verzerrungsfreies Ausgangssignal zu liefern, da die Aussteuerung asymmetrisch wird. Eine Erhöhung der Versorgungsspannung kann hier Abhilfe schaffen. Die positive Aussteuerbarkeit des oben genannten Sensors beträgt bei einer +24V Versorgung (bei unveränderten 11V DC Ruheposition) mehr als 10V. Die negative Aussteuerung beträgt (in beiden Fällen) ebenfalls 10V. Dieser Zusammenhang wird durch Abbildung 3 veranschaulicht.

Abbildung 3: Auslenkbarkeit von ICP®-Sensoren in Abhängigkeit von der Versorgung

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