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IfTA Char­­­geSi­­gnalGe­­­ne­ra­tor: Der La­­­dungs- und Si­­gnal­­ge­­­ne­ra­tor

Mess­ket­ten tes­ten und ka­li­brie­ren

Der IfTA Char­geSi­gnalGe­ne­ra­tor (CSG) ist ein La­dungs- und Si­gnal­ge­ne­ra­tor zum Tes­ten von pie­zo­elek­tri­schen Mess­ket­ten. Das leich­te und hand­li­che Gerät kann Sen­so­ren si­mu­lie­ren, z.B. Hochtem­pe­ra­tur­sen­so­ren für Druck und Be­schleu­ni­gung.

Die in­tui­ti­ve Be­die­nung er­folgt über Tas­ten und ein 2,7 Zoll Dis­play.  Dank Bat­te­rie­ver­sor­gung, Dis­play­hin­ter­grund­be­leuch­tung und Tra­ge­schlau­fe ist der La­dungs- und Si­gnal­ge­ne­ra­tor auch an schwer zu­gäng­li­chen und dunklen Orten ein­setz­bar. Für dif­fe­ren­zi­el­le La­dungs­si­gna­le steht ein Lemo-An­schluss zur Ver­fü­gung, der Iden­tisch zu dem gän­gi­ger Sen­so­ren ist. An­de­re Va­ri­an­ten wer­den über op­tio­na­le Ad­ap­ter ab­ge­deckt.

Die Fre­quenz und Am­pli­tu­de des Aus­gangs­si­gnals legt der Be­nut­zer frei fest. Neben der si­nus­för­mi­gen Wel­len­form bie­tet der Si­mu­la­tor auch eine asym­me­tri­sche, um die Po­la­ri­tät der Ver­ka­be­lung einer Mess­ket­te prü­fen zu kön­nen. Mit Hilfe des syn­chro­nen Span­nungs­aus­gangs las­sen sich dar­über hin­aus Trans­fer­funk­tio­nen be­stim­men, z.B. von La­dungs­ver­stär­kern.

Durch prä­zi­se di­gi­ta­le Syn­the­se bie­tet der IfTA Char­geSi­gnalGe­ne­ra­tor hohe Ge­nau­ig­kei­ten und kann so auch zum Ka­li­brie­ren ein­ge­setzt wer­den. Der La­dungs- und Si­gnal­ge­ne­ra­tor kann op­tio­nal auch auf die na­tio­na­le Nor­ma­le (DIN EN ISO / IEC 17025) rück­führ­bar ka­li­briert wer­den.

 

 

Die Vor­tei­le des Si­gnal- und La­dungs­ge­ne­ra­tors

Mess­ket­ten ef­fi­zi­ent über­prü­fen

Kom­pak­te und leich­te Bau­form, net­zu­nab­hän­gi­ger Be­trieb durch Bat­te­rie­speis­ung und ein­fa­che Be­die­nung spa­ren wich­ti­ge Zeit bei der In­be­trieb­nah­me von Mess­ket­ten.

Über­tra­gungs­ver­hal­ten mes­sen

Mit dem si­mul­ta­nen Span­nungs­aus­gang kann das Über­tra­gungs­ver­hal­ten der La­dungs­mess­ket­te ein­fach ver­mes­sen wer­den.

Feh­ler fin­den und ver­mei­den

Funk­tio­nie­ren­de und rich­tig ka­li­brier­te Mess­ket­ten sind die Basis für einen feh­ler- und stö­rungs­frei­en Be­trieb von Prüf­stän­den, Ma­schi­nen und In­dus­trie­an­la­gen. Der La­dungs­ge­ne­ra­tor stellt dies von An­fang an si­cher und hilft im Feh­ler­fall bei der schnel­len Ur­sa­chen­be­sei­ti­gung.

An­wen­dungs­sze­na­ri­en des La­dungs-Si­gnal­ge­ne­ra­tors in der Pra­xis

Piezo-Mess­ket­ten ef­fi­zi­ent prü­fen

Ei­ni­ge Mess­an­wen­dun­gen mit Piezo-ba­sier­ten Auf­neh­mern er­for­dern - meist auf­grund wid­ri­ger Um­ge­bungs­be­din­gun­gen - die Ver­wen­dung ex­ter­ner La­dungs­ver­stär­kers. Der­ar­ti­ge Mess­ket­ten sind kom­plex und damit feh­ler­an­fäl­lig. Ein por­ta­bler Sen­sor­si­mu­la­tor bie­tet die hier not­wen­di­ge Un­ter­stüt­zung beim Messauf­bau und bei der Feh­ler­su­che.

Die Ab­bil­dung rechts zeigt eine Mess­ket­te mit ex­ter­nem La­dungs­ver­stär­ker. Eine Mess­grö­ße (M) er­zeugt im Piezo-Auf­neh­mer ein La­dungs­si­gnal (Q), wel­ches im La­dungs­ver­stär­ker in ein nie­de­roh­mi­ges Span­nungs­si­gnal (U) trans­for­miert wird. Ein Ana­log/Di­gi­tal-Wand­ler (A/D) er­zeugt dar­aus schließ­lich ein di­gi­ta­les Si­gnal. Der Sen­sor­si­mu­la­tor - im Fol­gen­den als La­dungs-Si­gnal­ge­ne­ra­tor (LSG) be­zeich­net - wird an­stel­le des Sen­sors an­ge­schlos­sen. Es er­ge­ben sich vier wich­ti­ge An­wen­dungs­sze­na­ri­en.

 

Sze­na­rio 1: Ka­li­brie­rung der Mess­ket­te

Ziel ist es, die Ka­li­brie­rung der ge­sam­ten Mess­ket­te (ohne Sen­sor) zu über­prü­fen. Der Pro­zess der Ka­li­brie­rung hat ge­ne­rell das Ziel, eine mög­lichst gute Über­ein­stim­mung zwi­schen Mess­grö­ße und Mess­wert zu er­rei­chen. Daher wird mit Hilfe eines LSG ein Si­gnal de­fi­nier­ter Am­pli­tu­de und Fre­quenz in die Mess­ket­te ein­ge­speist. Die Am­pli­tu­de wird hier­bei so ge­wählt, dass sie einem ty­pi­schen Wert der Mess­grö­ße ent­spricht, also z.B. 1,0 g für einen Be­schleu­ni­gungs­auf­neh­mer. Am an­de­ren Ende der Mess­ket­te – hier dar­ge­stellt durch einen Lap­top – soll­ten dann eben­falls eine Am­pli­tu­de von 1,0 g sowie die am LSG ein­ge­stell­te Fre­quenz an­ge­zeigt wer­den. Ist dies für eine Reihe an ty­pi­schen Ein­gangs­si­gna­len si­cher­ge­stellt, so kann spä­ter das im rea­len Ein­satz er­ziel­te Mes­s­er­geb­nis als plau­si­bel an­ge­nom­men wer­den. Bei die­ser An­wen­dung ist es wich­tig, auf einen ka­li­brier­ten LSG zu­rück­zu­grei­fen.

Sze­na­rio 2: Si­gnal­pf­ad­ver­fol­gung und Feh­ler­su­che

Ziel ist hier die Über­prü­fung der Si­gnal­pfa­de. Dies ge­schieht ent­we­der um einen vor­han­de­nen Feh­ler auf­zu­spü­ren, oder die Mess­ket­te vor der ers­ten In­be­trieb­nah­me bzw. nach einem Umbau zu über­prü­fen. Hier­zu wird der LSG an ver­schie­de­nen Stel­len in­ner­halb der Mess­ket­te an­ge­schlos­sen. Für die Teile der Mess­ket­te – aus Sen­sor­sicht - nach dem La­dungs­ver­stär­ker muss auf einen Span­nungs- an­statt auf einen La­dungs­aus­gang zu­rück­ge­grif­fen wer­den. Ge­eig­ne­te Gerä­te bie­ten daher beide Aus­gangs­si­gna­le. Für jede Ein­bau­stel­le wird aus­ge­wer­tet wie sich das Si­gnal am Mess­ge­rät ver­än­dert: Wird es schwä­cher? Tre­ten Stö­run­gen auf?  Da die Ana­ly­se hier ver­glei­chend ist, muss der LSG nicht zwin­gend ka­li­briert sein. Tas­tet man sich ent­lang der Kette vom Sen­sor in Rich­tung des Mess­ge­räts, spricht man von einer Vor­wärts­ana­ly­se, bei um­ge­kehr­ter Rich­tung, von einer Rück­wärts­ana­ly­se. Auf diese Weise las­sen sich falsche bzw. schlech­te Ver­drah­tun­gen oder feh­ler­haf­te Bau­tei­le sys­te­ma­tisch auf­fin­den und deren Ein­fluss auf das Mes­s­er­geb­nis be­wer­ten.

Sze­na­rio 3: Über­prü­fung der Po­la­ri­tät

Für be­stimm­te An­wen­dun­gen ist die Po­la­ri­tät des Sen­sor­si­gnals von großer Be­deu­tung, z.B. bei einer Mo­dal­ana­ly­se. Die kor­rek­te Po­la­ri­tät kann ef­fi­zi­ent mit Hilfe eines asym­me­tri­schen Si­gnals fest­ge­stellt wer­den, also z.B. ein Si­gnal wel­ches nur die po­si­ti­ven Aus­schlä­ge einer Si­nus­schwin­gung bein­hal­tet. Wer­den, wie in der Ab­bil­dung dar­ge­stellt, die po­si­ti­ven „Hö­cker“ des Si­gnals im Mess­sys­tem falsch herum dar­ge­stellt, muss an ir­gend­ei­ner Stel­le der Mess­ket­te eine feh­ler­haf­te Ver­drah­tung vor­lie­gen. Deren Po­si­ti­on kann an­schlie­ßend wie in Sze­na­rio 2 be­schrie­ben ein­ge­grenzt wer­den.

Sze­na­rio 4: Über­tra­gungs­ver­hal­ten der Mess­ket­te be­stim­men

Das Über­tra­gungs­ver­hal­ten einer Mess­ket­te ist im All­ge­mei­nen fre­quenz­ab­hän­gig. Dies be­deu­tet, dass ein har­mo­ni­sches Si­gnal je nach Fre­quenz ent­lang der Mess­ket­te un­ter­schied­lich stark ver­stärkt/ge­dämpft bzw. pha­sen­ver­scho­ben wird. Hier­über gibt die Trans­­fer­­funk­tio­n der Kette Aus­kunft, wel­che die Ver­stär­kung/Dämp­fung (Gain) und die Pha­sen­ver­schie­bung (Phase) des Aus­gangs­si­gnals re­la­tiv zum Ein­gang fre­quenz­ab­hän­gig dar­stellt. Um sie für ein­zel­ne Fre­quen­zen aus­zu­wer­ten, wird ein har­mo­ni­sches La­dungs­si­gnal (Q) mit de­fi­nier­ter Fre­quenz in die Mess­ket­te ein­ge­speist. Par­al­lel dazu wird ein zum Q-Si­gnal syn­chro­nes Span­nungs­si­gnal glei­cher Fre­quenz an der Mess­ket­te vor­bei, di­rekt in das Mess­ge­rät ein­ge­lei­tet. Die­ses Span­nungs­si­gnal stellt die von der Mess­ket­te un­be­ein­fluss­te Re­fe­renz dar. Aus bei­den Si­gna­len kann dann der Wert der Trans­­fer­­funk­tio­n für die vor­lie­gen­de Fre­quenz be­rech­net wer­den. Wird dies für meh­re­re Fre­quen­zen wie­der­holt, er­hält man einen Ein­druck über das fre­quenz­ab­hän­gi­ge Über­tra­gungs­ver­hal­ten der Mess­ket­te, also deren Fre­quenz­gang.

Der La­dungs-Si­gnal­ge­ne­ra­tor für das Qua­li­täts­ma­na­ge­ment

op­ti­on: Rück­­­führ­­­ba­­­re Ka­­­li­­­brie­rung nach DIN ISO 17025

Durch die Marktein­­­füh­rung einer op­tio­na­len rück­­­führ­­­ba­ren Ka­­­li­­­brie­rung des IfTA La­­­dungs-Si­­­gnal­­­ge­­­ne­ra­tors auf eine na­tio­na­le Nor­­­ma­le nach DIN ISO 17025 lässt sich die­­­ser nun auch für Qua­­­li­täts­­­ma­na­­­ge­­­ment­pro­­­zes­­­se ein­­­set­­­zen. Der IfTA Char­­­geSi­­­gnalGe­­­ne­ra­tor er­mög­­­licht somit höchs­te Prä­­­zi­­­si­on für die mo­­­bi­le Über­prü­­­fung und Ka­­­li­­­brie­rung von Mess­ket­ten in einem han­d­­­li­chen For­­­mat.

IfTA Char­geSi­gnalGe­ne­ra­tor

  • Tech­ni­sche Daten
  • Lie­fe­r­um­fang und Zu­be­hör
IfTA ChargeGenerator - Funk­ti­ons- und La­dungs­ge­ne­ra­tor

All­ge­mein

Strom­ver­sor­gung:4x AA Bat­te­rie oder USB-B
Di­men­sio­nen:33 x 150 x 107 (H x B x L in mm)
Ge­wicht:271 g (ohne Bat­te­ri­en)

Aus­gän­ge

La­dung dif­fe­ren­zi­ell: LEMO OS.302
La­dung sin­gle-ended:BNC (weib­lich)
Span­nung:BNC (weib­lich)

Si­gnal­aus­ga­be

Fre­quenz:1 ... 20.000 Hz in 0,1 Hz Schrit­ten
La­dung:0 ... 1000 pC in 0,1 pC Schrit­ten
Span­nung:0 ... 1000 min 0,1 mV Schrit­ten
Wel­len­form:Sinus und Si­nus­halb­wel­le

Der Si­gnal- und La­­dungs­­­ge­­ne­ra­tor wird in einem prak­ti­schen Trans­port­kof­fer in­klu­si­ve einem Mi­cro­dot-Ad­ap­ter (BNC - 10-32 UNF) ge­lie­fert.

Fol­gen­de Ad­ap­ter und Ad­ap­ter­ka­bel sind op­tio­nal er­hält­lich:

  • Lemo 0S.302 - 7/16-27 UNS-2A
  • Lemo 0S.302 - Ade­rend­hül­sen
  • BNC - M4 x 0.35

Der Si­gnal- und La­­dungs­­­ge­­ne­ra­tor wird stan­dard­mä­ßig mit einer Werks­ka­li­brie­rung ge­lie­fert.

Op­tio­nal ist die Rück­führ­bar­keit der Werks­ka­li­brie­rung auf eine na­tio­na­le Nor­ma­le (DIN EN ISO/IEC 17025) er­hält­lich.

Ge­ne­ral
  • Type: 6 HP mo­du­le
  • Weight: 270 g
  • Samp­ling rate: Max. 51.2 kHz
    (syn­chro­nous)
  • Bit re­so­lu­ti­on: 24-bit
  • IEPE sup­ply: 10 mA at max. 20 V

Char­ge Am­pli­fier

  • Valid input ran­ges:
    ±200 pC, ±2000 pC
  • Si­gnal-to-noise ratio: Max. 137 dB




  Vol­ta­ge and Cur­rent Input
  • Input im­pe­dance: 1Ω, 11 pF (Vol­ta­ge input)
  • 100 Ω (Cur­rent input)
  • Valid input ran­ges: ±2.5 V, ±25 V (Vol­ta­ge)
  • ±25 mA, ±44 mA ef­fec­ti­ve (Cur­rent)
  • Si­gnal-to-noise ratio: Max. 145 dB
  • High-pass fil­ter: 3 dB at 0.036 Hz

Strain-gauge Pres­su­re Sen­sors
 (e.g. Ku­li­tes) 

  • Supp­ly vol­ta­ge: 5 V, max.10 mA
  • Valid input ran­ges: ±5 mV, ±50 mV

Strain-gauge

  • Sup­por­ted types: Full, half and quar­ter bridge
  • Supp­ly cur­rent: 10 mA at max. 5 V
  • Valid input ran­ges: ±5 mV, ±50 mV
  • Si­gnal-to-noise ratio: Max. 130 dB


    Tes­ting

    • Im Sie­mens Clean Ener­gy Cen­ter, Ber­lin führt die AD4Pro zu maß­geb­li­cher Kom­ple­xi­täts­re­du­zie­rung bei der Mess­ket­te und ver­ein­facht so den schnel­len und feh­ler­frei­en Kon­fi­gu­ra­ti­ons­wech­sel

    Ser­vice

    • Ser­vice­in­ge­nieu­re wer­den mit täg­lich wech­seln­den Mess­auf­ga­ben kon­fron­tiert. Mit der AD4Pro sind sie auf alle Sen­sor­ty­pen vor­be­rei­tet ohne zu­sätz­li­che ex­ter­ne Ver­stär­ker mit­zu­neh­men

    For­schung

    • Bei La­dungs­ver­stär­kern sind in­te­grier­te Ope­ra­ti­ons­ver­stär­ker mit di­rekt an­schlie­ßen­der A/D Wand­lung In Sa­chen Si­gnal­qua­li­tät un­schlag­bar. Der Lehr­stuhl für Tur­bo­ma­schi­nen und Flu­gan­trie­be der TU Mün­chen setzt daher für seine Hochtem­pe­ra­tur-Piezo-Druck­auf­neh­mer auf die AD4Pro.