In der automobilen Prüfstandsmesstechnik haben sich in den letzten Jahren Beschleunigungssensoren mit integriertem Verstärker (ICP-Technik) als Standard durchgesetzt, weil damit die einfache Verarbeitung der Messsignale möglich ist. Dies wiederum hat dazu geführt, dass praktisch alle Anbieter von Mess-, Prüf- und Analysesystemen die notwendige Versorgung dieser Aufnehmer bereits in ihren Messmodulen integriert haben: „Einfach anschließen und messen“ lautet die Devise. Verstärkt wurde diese Entwicklung nochmals durch die Einführung von Sensoren mit TEDS, die einen kleinen Speicherchip enthalten, in dem wesentliche Kenndaten gespeichert sind. Diese können unter Verwendung der üblichen zweiadrigen Messleitung vom Messsystem ausgelesen werden; die entsprechenden Bereichseinstellungen erfolgen automatisch. Verwechslungen bei der Anschlussbelegung werden verhindert, potenzielle Fehlerquellen vor allem bei vielkanaligen Messungen weiter reduziert. Dies alles führt zu einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis bei der Vorbereitung der Messung.

Wichtig: die Masse
Speziell bei der Prüfung kleiner Komponenten ist zu beachten, dass die Masse des Beschleunigungssensors nicht so groß ist, dass sich durch das Gewicht des Sensors das Schwingverhalten des Prüflings verändert. Namentlich der Frequenzinhalt im Zeitsignal, die Dämpfung und auch Amplitudenhöhe kann durch das Aufbringen von zusätzlicher Masse (Mass Loading) nachhaltig beeinflusst werden. Abhilfe schaffen hier Miniaturbeschleunigungssensoren (Bild 2),

Bild 2: Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer zur Untersuchung kleiner Komponenten.

Bild 2: Miniatur-Beschleunigungsaufnehmer zur Untersuchung kleiner Komponenten.

die in uniaxialer (zwischen 0,2 und 0,7 g) sowie auch in triaxialer Ausführung (1 bis 4,5 g) erhältlich sind. Mit einer Kantenlänge von nur 6,35 mm sind die Modelle 356A01 und 356A13 die kleinsten verfügbaren ICP-Triaxsensoren.
Resonanzen vermeiden
Bei energiereichen Prüfverfahren wie beispielsweise Motorhochlaufversuchen kann es beim Einsatz piezoelektrischer Sensoren zu Problemen kommen, da bei hohen Drehzahlen ein Effekt auftritt, bei dem die Zeitsignale stark überhöhte Amplituden aufweisen, während das Signal unsymmetrisch und auch der Frequenzinhalt nicht korrekt wiedergegeben wird. Grund für diesen Effekt ist die Anregung des Sensors im Bereich der Resonanzfrequenz. Der hohe Übertragungsfaktor an dieser Stelle sorgt dafür, dass die Sensorelektronik übersteuert. In diesem Zustand ist es nicht möglich, korrekte Mess-ergebnisse zu produzieren und aufzuzeichnen. Eine Lösung dieses Problems stellen Sensoren mit internem Tiefpassfilter dar. Grundsätzlich gibt es zwei Gründe, Sensoren mit Filter zu verwenden. Hierdurch wird einerseits der obere nutzbare Frequenzbereich eines Sensors durch Unterdrückung der Signalanteile im Bereich der Resonanzfrequenz vergrößert und zweitens die Sättigung des Verstärkers verhindert. Typische Beispiele solcher optimierten Vibrationssensoren sind die Modelle 356A63 und 356A66, die beide geschilderten Effekte vermeiden (Bild 3).

Bild 3: Triaxial messende Beschleunigungsaufnehmer mit integriertem Tiefpassfilter.

Bild 3: Triaxial messende Beschleunigungsaufnehmer mit integriertem Tiefpassfilter.

Erhöhte Betriebstemperaturen
Wenn beim Testbetrieb hohe Temperaturen auftreten (beispielsweise in Abgasanlagen), so ist es zunächst wichtig, die maximal mögliche Temperatur zu ermitteln, welcher der Sensor im Testbetrieb ausgesetzt wird. Ist dieser Wert bekannt, stehen folgende Alternativen zur Wahl: ICP-Aufnehmer mit integriertem Verstärker haben üblicherweise eine maximale Dauereinsatztemperatur von +121 °C. Sensoren mit einer speziellen Hochtemperatur-ICP-Elektronik ermöglichen Einsatztemperaturen bis +163 °C. Für diesen Temperaturbereich ist eine Reihe uni- und triaxialer Modelle erhältlich. Oberhalb dieser Temperatur können Sensoren mit integriertem Verstärker nicht zum Einsatz kommen. Hier sind Sensoren mit Ladungsausgang die richtige Wahl. Herkömmliches piezoelektrisches Material hat eine maximale Dauereinsatztemperatur von +254 °C. Oberhalb dieser Temperatur verliert das verwendete Material seine piezoelektrischen Eigenschaften. Unter Verwendung spezieller keramischer Werkstoffe ist heute die Herstellung von Sensoren mit Dauereinsatztemperaturen von +482 °C beziehungsweise sogar +650 °C möglich. An Sensoren für den Temperatureinsatz bis 900 °C wird gearbeitet.
Grundsätzlich ist für jeden Sensor mit Ladungsausgang ein Ladungsverstärker erforderlich – und zwar meist in Form eines „In-Line“-Ladungsverstärkers, der an jeder ICP-Versorgung arbeiten kann. Da sich bei Höchsttemperatursensoren grundlegende Eigenschaften wie zum Beispiel der Isolationswiderstand verändern, gibt es spezielle Ladungsverstärker. Diese sind in der Lage, solche Änderungen zu kompensieren. Herkömmliche „In-Line“-Ladungsverstärker sind ausschließlich für die Ladungssensoren bis +254 °C Dauereinsatztemperatur geeignet.

Weniger Messfehler bei schwankenden Temperaturen
Wenn Beschleunigungssensoren bei ständig wechselnden Temperaturen zum Einsatz kommen (wie beispielsweise in Klimakammern im Rahmen von HALT/HASS-Prüfungen), dann rückt der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit in den Mittelpunkt. Dieser im Kalibrierzertifikat jedes Sensors aufgeführte Wert beschreibt, wie sich die nominale Empfindlichkeit des Sensors in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur verändert. Diese Veränderung wird durch ganz unterschiedliche Faktoren wie der Wärmedehnung der Kristalle und der Änderung der Vorspannung des piezoelektrischen Mess­­elements bestimmt, aber auch vom verwendeten Piezomaterial, von der Schnittrichtung der Piezokristalle beziehungsweise der Polarisation, vom Sensortyp (ICP oder Ladung) oder auch von der verwendeten ICP-Elektronik. Die Temperaturkoeffizienten typischer piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer liegen im Bereich von 0,1 bis 0,14 %/°C.
Dies bedeutet bei einer Temperaturdifferenz von 100 °C eine Abweichung der Empfindlichkeit von 10% bis 14%. Üblicher- und glücklicherweise ist der Zusammenhang aber nicht linear, und jedes Modell hat eine eigene Empfindlichkeits/Temperaturcharakteristik, die im Kalibrierblatt dargestellt ist. Insofern relativiert sich diese Betrachtung ein wenig. Zur Lösung dieser Problematik können die Modelle der Serie 339A (Bild 1)

Bild 1: Serie 339A mit niedrigem Temperaturkoeffizienten für den Einsatz bei wechselnden Temperaturen.

Bild 1: Serie 339A mit niedrigem Temperaturkoeffizienten für den Einsatz bei wechselnden Temperaturen.Alle Bilder: Synotech

dienen, die sich durch einen niedrigen Temperaturkoeffizienten von 0,02 %/°C auszeichnen und somit höchste Stabilität im gesamten Arbeitstemperaturbereich bieten. Die maximale Empfindlichkeitsabweichung im gesamten Temperaturbereich von – 54 bis + 163 °C liegt hier bei 2% und somit um Faktor 5 bis 10 niedriger als bei den üblichen Modellen.

Gesamtüberwachung des Prüfstandes
In der Regel überwacht ein zentrales Mess- und Steuerungssystem den Betrieb des Prüfstands. Und dennoch wünschen die Experten immer häufiger die Überwachung des Prüfablaufes durch ein unabhängiges System, das bei kritischen Zuständen alarmiert oder den Prüfstand abschaltet. Diese Aufgabe ist vor allen bei Prüfständen, die mit variabler Drehzahl arbeiten, recht anspruchsvoll.
Eine kostengünstige Lösung für solche Überwachungsaufgaben stellt der Zustandsmonitor CW219C dar. Mit Hilfe eines Kennlinienfeldes lassen sich für unterschiedliche Drehzahlbereiche individuelle Toleranzpegel einstellen. Hierbei wird die Drehzahl des Prüfstandes über einen 4…20-mA-Eingang erfasst und hierüber die Grenzwerte für die Schwingungsüberwachung gesteuert. Da weitere Messeingänge zur Verfügung stehen, können auf Wunsch auch andere Parameter wie zum Beispiel Differenzdruck, Kraft oder Leistungsaufnahme erfasst und in die Überwachung einbezogen werden. Eine kostengünstige Lösung für solche Überwachungsaufgaben stellt der Zustandsmonitor CW219C dar. Mit Hilfe eines Kennlinienfeldes lassen sich für unterschiedliche Drehzahlbereiche individuelle Toleranzpegel einstellen. Hierbei wird die Drehzahl des Prüfstandes über einen 4…20-mA-Eingang erfasst und hierüber die Grenzwerte für die Schwingungsüberwachung gesteuert. Da weitere Messeingänge zur Verfügung stehen, können auf Wunsch auch andere Parameter wie zum Beispiel Differenzdruck, Kraft oder Leistungsaufnahme erfasst und in die Überwachung einbezogen werden.
Im Rahmen dieses Artikels konnten naturgemäß nur die wesentlichen Aspekte und Problemstellungen beim Einsatz von Beschleunigungssensoren in Prüfständen dargestellt werden. Fragen wie die einfache, schnelle und sichere Montage der Sensoren oder eine optimale Kabelführung sind weitere Aspekte auf dem Weg zu aussagefähigen Mess- und Analyseergebnissen. Hierzu bietet sich ein Gespräch mit den Vertriebsingenieuren an. (av)