Beschleunigungen

Die Beschleunigung ist eine physikalische Größe und beschreibt die Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers in einem definierten Zeitraum. Sie ist eine richtungsorientierte Größe und wird zur Beschreibung von Bewegungsvorgängen verwendet.

Die Messung und Beurteilung von Beschleunigungen spielt besonders im Bereich von technischen Anlagen mit dynamischer Beanspruchung eine Rolle. Zum Einen können bei industriellen oder auch Windenergieanlagen durch den Betrieb der Maschinen Vibrationen in die Unterkonstruktion eingetragen werden. Bei diesen ist dann zu überprüfen in wieweit dies zu einer vorzeitigen Alterung der Konstruktion führt. Zum Anderen müssen für den reibungslosen Betrieb von elektrotechnischen Anlagen bestimmte Grenzwerte eingehalten werden.

Durch den Einsatz von Beschleunigungssensoren können die auftretenden Beschleunigungen über einen bestimmten Zeitraum gemessen und analysiert werden. Dazu stehen der Firma SKI piezoelektrische Beschleunigungssensoren zur Verfügung, die über Sensorplättchen die dynamischen Druckschwankungen in elektrische Signale umwandeln. Diese Signale werden an den angeschlossenen Datalogger übergeben und abgespeichert. Durch Vergleichsmodelle und Eigenfrequenzanalysen  der Konstruktionen können anschließend Rückschlüsse auf die Auswirkungen der Beschleunigungen gezogen werden.

 

Piezoelektrische Beschleunigungssensoren

Aufbau eines Piezoelementes
Aufbau eines Piezoelementes

Bei dem piezoelektrischen Prinzip wird in einem festen Gehäuse ein piezoelektrisches Material befestigt. Im Inneren des Gehäuses liegen sich zwei Elektrodenflächen gegenüber. Wirkt nun eine Kraft oder eine Beschleunigung quer zu den Flächen auf das Gehäuse kommt es zu einer Ladungsverschiebung. Diese Verschiebung bewirkt eine Spannungsänderung in den Elektrodenflächen, die aufgezeichnet werden kann. Durch Umwandlung der Signale können so unterschiedliche Größen gemessen werden, wie z.B. Druck, Kraft oder Beschleunigungen.

Der schematische Aufbau eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors ist in der  Abbildung unten dargestellt. Im Wesentlichen besteht der Sensor aus zwei Komponenten:

  • Piezoelektrisches Material
  • Seismische Masse
Schematischer aufbei eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers
Schematischer aufbei eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers

Die seismische Masse ist mit dem piezoelektrischen Material gekoppelt, dass sich als festes Widerlager einstellt. Wird die obere Masse in Schwingungen versetzt, wirkt die Trägheit der Masse als Kraft auf die Scheibe. Da die Kraft sich nach Newton aus Masse mal Beschleunigung zusammensetzt, entsteht durch den piezoelektrischen Effekt eine Ladung, die ins Verhältnis gesetzt werden kann. Dadurch kann die über die Trägheit der Masse und die auf die Flächen wirkende Kraft die Beschleunigungen abgeleitet werden.

Bei den Beschleunigungssensoren mit der IEPE Technologie (Integrated Electronics Piezo Electric) handelt es sich um einen Standard für piezoelektrische Sensoren mit eingebauter Impedanzwandler-Elektronik. Die Technik sorgt dafür, dass das Signal des piezoelektrischen Materials in ein niederimpedantes Spannungssignal umgewandelt wird, dass über die Kabellängen verlustarm übertragen werden kann. Versorgt wird der Sensor dabei über ein einfaches Koaxialkabel, das ermöglicht die Versorgungsspannung und das Sensorsignal über ein Kabel zu übertragen. Dadurch kann auf teure störungsarme Kabel verzichtet werden. Die Sensoren werden mit Konstantstrom betrieben, der im Bereich von 2 bis 20 mA liegt. Die Störempfindlichkeit und die Ausgangsimpedanz steigen an, je kleiner der Speisestrom wird. Deshalb werden die meisten Sensoren mit 4 mA versorgt, da dies ein gutes Verhältnis zwischen Störfestigkeit und Strombedarf darstellt. Die Arbeitsspannung des Messsignals wird dabei als Wechselspannung (8 bis 12 V) mit der Arbeitsspannung überlagert und muss anschließend vom Datalogger herausgefiltert werden.

Triaxialer Beschleunigungssensor (links) mit Magnethalterung (mitte)
Triaxialer Beschleunigungssensor (links) mit Magnethalterung (mitte)