Schwingungsmessung mit IEPE-Beschleunigungsaufnehmern

IEPE-Beschleunigungsaufnehmer sind der Standardsensor für Schwingungsmessungen an Prüfständen, Maschinen und Bauwerken. Sie sind robust und einfach zu verkabeln, benötigen aber die richtige Speisung, Kopplung, Verstärkung und Abtastrate. Dieser Beitrag erklärt, wie ein IEPE-Beschleunigungsaufnehmer funktioniert, wie Sie Verstärkung und Abtastrate auf Ihren Frequenzbereich auslegen, was vor der ersten Messung zu prüfen ist und welche Signalwandler, DAQ-Module und Sensoren von ICP DAS dazu passen.

So funktioniert ein IEPE-Beschleunigungsaufnehmer

IEPE steht für Integrated Electronics Piezo-Electric. Das piezoelektrische Element erzeugt eine zur Beschleunigung proportionale Ladung, die ein kleiner Verstärker im Sensor in eine niederohmige Spannung umwandelt. Der Verstärker wird über dieselben zwei Adern versorgt, die auch das Signal führen, in der Regel über ein Koaxialkabel.

Das Messgerät liefert einen Konstantstrom von einigen Milliampere aus einer Quelle mit einer Compliance-Spannung von etwa 18 bis 30 V. Bei angeschlossenem Sensor stellt sich auf der Leitung eine DC-Biasspannung ein, der das Schwingungssignal überlagert ist. Für den Beschleunigungsaufnehmer iSN-701-F15 ist beispielsweise eine Biasspannung von 10 bis 14 VDC spezifiziert. Der Eingang muss daher AC-gekoppelt sein: Ein Kondensator sperrt die Biasspannung, und nur das dynamische Signal gelangt zum Verstärker und A/D-Wandler.

Daraus ergeben sich zwei Folgen. Der Koppelkondensator bildet einen Hochpass, sodass sehr tiefe Frequenzen gedämpft werden. Und der Abstand zwischen Compliance-Spannung und Biasspannung begrenzt, wie weit das Signal ausschlagen kann, bevor es übersteuert.

Empfindlichkeit, Messbereich und Verstärkung

Die Empfindlichkeit wird in mV/g angegeben: Ein Sensor mit 100 mV/g gibt bei 1 g eine Spannung von 100 mV aus. Wählen Sie Empfindlichkeit und Verstärkung so, dass die größte zu erwartende Schwingung nicht übersteuert, die kleinste relevante Schwingung aber deutlich über dem Grundrauschen liegt.

Rechenbeispiel: Ein Beschleunigungsaufnehmer iSN-701-F15 (100 mV/g, ±80 g) speist einen Signalwandler SG-3227 mit ±10 V Ausgang. Die Verstärkungseinstellung bestimmt den nutzbaren Messbereich:

Die Verstärkung wirkt sich auch auf die Bandbreite aus. Beim SG-3227 liegt die obere Grenzfrequenz bei ×1 und ×10 bei 80 kHz, bei ×100 bei 50 kHz.

Abtastrate und Frequenzbereich

Nach dem Abtasttheorem muss die Abtastrate mehr als doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz. Für die Spektralanalyse ist ein Faktor von 2,56 üblich, weil er Spielraum für das Anti-Aliasing-Filter lässt. Stoßimpulse und andere Signalverläufe im Zeitbereich erfordern eine noch höhere Abtastrate.

• Bis 1 kHz: mindestens 2,56 kS/s pro Kanal
• Bis 5 kHz: mindestens 12,8 kS/s pro Kanal
• Bis 10 kHz: mindestens 25,6 kS/s pro Kanal

Am unteren Ende setzt die AC-Kopplung die Grenze: Der SG-3227 hat eine untere Grenzfrequenz von 1,6 Hz mit 0,1 µF Koppelkapazität bzw. 0,2 Hz mit 1 µF, für das PET-AR400 sind 0,16 Hz angegeben. Prüfen Sie auch den Beschleunigungsaufnehmer; der iSN-701-F15 ist ab 0,5 Hz spezifiziert.

Bei mehrkanaligen Eingängen kann die Abtastrate von der Anzahl aktiver Kanäle abhängen. Das PET-AR400 tastet mit einem Kanal mit 128 kHz ab, mit zwei Kanälen mit 64 kHz und mit drei oder vier Kanälen mit 32 kHz; die Bandbreite beträgt 12,8 kHz (−0,1 dB) bei einem oder zwei Kanälen und 6,4 kHz bei drei oder vier Kanälen.

Checkliste für die Inbetriebnahme

• Stellen Sie den Speisestrom gemäß Sensordatenblatt ein. Der SG-3227 bietet 2, 4, 6 oder 10 mA pro Kanal; höhere Ströme helfen, lange Kabel bei hohen Frequenzen zu treiben.
• Prüfen Sie vor der Messung die Biasspannung. Ein Wert nahe null deutet auf einen Kurzschluss hin, ein Wert nahe der Versorgungsspannung auf eine Leitungsunterbrechung. Der SG-3227 zeigt dies pro Kanal per LED an: grün für normal, gelb für offen, rot für Kurzschluss.
• Montieren Sie den Sensor starr. Eine Schraubmontage ergibt den größten Frequenzbereich; Magnete und Klebepads senken die nutzbare obere Frequenz.
• Vermeiden Sie Masseschleifen zwischen Maschine und DAQ-System, zum Beispiel durch isolierte Eingänge oder einen isolierenden Montagesockel.

ICP DAS Produkte für die IEPE-Schwingungsmessung

Signalwandler für vorhandene DAQ-Hardware

Der SG-3227 ist ein 2-kanaliger IEPE-Signalwandler. Jeder Kanal wird per DIP-Schalter auf Speisestrom (2, 4, 6 oder 10 mA) und Verstärkung (×1, ×10 oder ×100) eingestellt und hat einen Spannungsausgang ±10 V. Der Ausgang lässt sich an jeden DAQ-Eingang mit ±10-V-Bereich anschließen, etwa an die simultan abtastende Karte PCIe-8620 oder das Ethernet-DAQ-Modul PET-7H16M.

Ethernet-DAQ mit IEPE-Eingängen

Das PET-AR400 verfügt über vier differenzielle IEPE-Eingänge an BNC-Buchsen mit 4 mA Speisestrom, einen 24-Bit-A/D-Wandler, per Jumper wählbare AC- oder DC-Kopplung sowie Software- oder analoge Schwellwerttriggerung. Die Daten werden per TCP-Streaming oder Modbus TCP ausgelesen, mit SDKs für Windows (einschließlich LabVIEW) und Linux; das Modul kann über PoE versorgt werden.

Autarke Datenaufzeichnung und Dauerüberwachung

Die Datenlogger AR-200 und AR-400 erfassen 2 bzw. 4 IEPE-Kanäle simultan mit 3 mA Speisestrom und 16 Bit Auflösung, mit bis zu 200 kHz (AR-200) bzw. 125 kHz (AR-400) pro Kanal. Die Daten werden für die Offline-Analyse auf einer microSD-Karte gespeichert; die Aufzeichnung lässt sich per Taster, Timer, Schwellwert oder Digitaleingang auslösen.

Für die Dauerüberwachung versorgt der iSN-701X einen IEPE-Beschleunigungsaufnehmer mit 4 mA, berechnet aus dem Signal Schwingungskennwerte und löst einen Alarm aus, wenn ein Wert seinen Grenzwert überschreitet. Die Werte werden über Modbus TCP oder Modbus RTU ausgelesen; der iSN-701X-mA bietet zusätzlich einen 0/4–20-mA-Ausgang.

Beschleunigungsaufnehmer

Der iSN-701-F15 ist ein einachsiger IEPE-Beschleunigungsaufnehmer mit 100 mV/g Empfindlichkeit, ±80 g Messbereich und einem Frequenzgang von 0,5 Hz bis 15 kHz, Schutzart IP68 (ohne Kabel), mit 3 m oder 6 m Kabel. Die Schwingungssensormodule iSN-711 und iSN-713 arbeiten mit MEMS-Sensoren statt IEPE und eignen sich für die Überwachung tiefer Frequenzen über RS-485.

Senden Sie Sensortyp, Frequenzbereich und Kanalzahl an unseren technischen Vertrieb – wir helfen Ihnen, die Messkette zusammenzustellen.