Schwerpunkte

Einfache Integration

Erfolgreich piezoelektrisch messen

13. Mai 2015, 14:57 Uhr   |  von Martin Stierli, Drazen Veselovac und Sascha Kamps


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

PE-Sensor oder IEPE-Sensor

Piezoelektrische Sensoren mit integrierter Elektronik (IEPE = Integrated Elec­tronics Piezoelectric) wandeln das Ladungssignal bereits im Sensor in ein Spannungssignal um und sind weit verbreitet bei der Messung von Beschleunigungen. Zur Versorgung der Elektronik wird ein Gleichstrom über die Messleitung gespeist, was im Ruhezustand zu einer konstanten Spannung führt. Die Belastung des Sensors ergibt dann eine proportionale Änderung dieser Spannung. Bei der Nutzung von IEPE-Sensoren fällt im Gegensatz zu normalen PE-Sensoren der Bedarf nach hochisolierenden Kabeln (Hochimpedanz-Kabeln) und sogenannten Ladungsverstärkern weg. Allerdings verschwinden bei der Nutzung von IEPE-Sensoren auch einige deutliche Vorteile der piezoelektrischen Technologie. So wird durch die Integration von Elektronik ins Sensorelement der Temperaturbereich, in dem die Sensoren einwandfrei funktionieren, deutlich beschränkt.

Ebenso geht die Möglichkeit quasistatischer Messungen verloren, da stets mit einem Hochpassfilter gemessen wird, um das Signal vom Speisungspegel zu entkoppeln (typischerweise misst man mit IEPE-Sensoren in einem Bereich ab etwa 0,1 Hz). Die größte Einschränkung ist aber der Verlust des hochauflösenden Messbereiches. Mit der Dimensionierung der integrierten Elektronik wird der Messbereich fixiert. Das rauscharme Messen über viele Dekaden, wie dies mit hochwertigen Ladungsverstärkern und Sensoren mit Ladungsausgang möglich ist, funktioniert somit nicht mehr. Fazit: IEPE-Sensoren eignen sich nebst Beschleunigungsmessungen gut für Messungen von pulsierenden Drucksignalen, wenn die Rahmenbedingungen stimmen.

Welche Messtechnik für meine Anwendung?

Wie bei jeder Messaufgabe ist es von Vorteil, den benötigten Messbereich (Range) und Frequenzbereich im Vornherein klar zu definieren. Je genauer diese Bereiche definiert sind, desto zielgerichteter kann die Auswahl des Geräts erfolgen. Mit einer gezielten Auswahl lassen sich je nach Anwendung erheblich Kosten sparen, denn ein genaues Anforderungsprofil schränkt die Suche ein und führt zu einem Gerät, welches den spezifischen Messbereich optimal abdeckt. Lassen sich Mess- und Frequenzbereich nicht genau einschränken oder sollen sie flexibel anpassbar sein, empfiehlt sich der Einsatz eines universellen Laborgeräts. Diese High-End-Geräte sind zwar etwas teurer, bieten dank ihrer hohen Flexibilität aber auch mehr Möglichkeiten.

Einsatz in der Forschung und Entwicklung

Der Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen (Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule) behandelt Themen im Bereich Grundlagen der Fertigungsprozesse, Verfahrensuntersuchungen der einzelnen Fertigungstechnologien, Prozessüberwachung, Prozesssimulation und ressourceneffiziente Technologien. Für die Erfassung von Kraft-, Beschleunigungs- und Körperschallsignalen werden dort seit Jahrzehnten hochauflösende piezoelektrische Kistler-Sensoren eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und der einfachen mechanischen Integration sind die Sensoren hervorragend für die Messung hochdynamischer Vorgänge geeignet. Die Anwendungsgebiete erstrecken sich dabei von der Prozessdatenerfassung bis hin zum Bau von komplexen Prüfständen und applikationsspezifischen Demonstratoren für die industrielle Praxis.

Eine vereinfachte Integration in allgemeine Soft- und Hardware-Systeme ist daher insbesondere im Hinblick zukünftiger „Industrie 4.0“-Systeme ein wichtiges Thema. Bei hochkomplexen Anwendungen reicht eine einfache Steuerlogik über einen definierten Schwellwert nicht mehr aus. Signale müssen mit anderen Signal- und Informationsquellen fusioniert werden, um einen höheren Informationsgehalt in Verbindung mit adaptiven Auswerte­algorithmen zu generieren. Zeitgleich muss dabei der Entwicklungsaufwand minimiert und der Abstraktionsgrad deutlich erhöht werden. Das Werkzeugmaschinenlabor setzt für solche Software-gestützten Systeme NI LabVIEW als grafische Programmiersprache und die rekonfigurierbare Systemplattform NI CompactRIO ein. Sie erlaubt insbesondere Produktentwicklern sowie System- und Prozessspezialisten eine schnelle Lösungsfindung durch das High-Level-Systemdesign, ohne dabei auf Besonderheiten wie FPGA und Echtzeitverhalten verzichten zu müssen.

Zerspankraftmessung beim Fräsen: Der Einsatz piezoelektrischer Dynamometer ermöglicht die Analyse und Optimierung des Zerspanprozesses
© Kistler Instruments

Bild 3. Zerspankraftmessung beim Fräsen: Der Einsatz piezoelektrischer Dynamometer ermöglicht die Analyse und Optimierung des Zerspanprozesses.

Das Kistler-Ladungsverstärker-Modul Typ 5171A wird aktuell in verschiedenen Forschungsprojekten am WZL eingesetzt. Darunter gehört auch ein Demonstrator an einem fünfachsigen Fräsbearbeitungszentrum (Bild 3) für die automatisierte Generierung von Prozessmodellen über ein hochkomplexes Steuerungssystem. Hier übernimmt das Modul die Erfassung von Prozesskräften. Eine frequenzabhängige Vorverarbeitung und eine Überwachungsfunktion sind direkt im FPGA implementiert und ermöglichen im Fall einer Prozessstörung einen wirksamen Schutz für Werkzeug, Werkzeugmaschine und Messsystem durch eine schnelle Vorschubreaktion oder einen Not-Stopp.

Durch die direkte Integration konnte der Entwicklungsaufwand deutlich reduziert werden, da die zur Steuerung und Parametrierung des Ladungsverstärkers notwendigen Kommunikations- und Steuerleitungen und die dafür benötigten Software-Module entfallen. Die verringerte Leistungsaufnahme der Module (ca. 1 Watt) im Vergleich zum industriellen Ladungsverstärker (ca. 6 Watt) wird sich zukünftig auch beim mobilen Einsatz solcher Systeme positiv auf die Laufzeit auswirken. Die höhere Packungsdichte der Elektronik erlaubt in Verbindung mit dem industriellen OEM-Produkt NI Single-Board RIO eine Integration bei kleinstem Bauraum. Dies ermöglicht eine integrierte Verarbeitung direkt in der Werkzeugmaschinenpalette oder einer Kraftmessplattform. Beides sind aktuelle Entwicklungsthemen am Werkzeugmaschinenlabor, in deren Rahmen das Kistler-Ladungsverstärker-Modul Typ 5171A auch zukünftig eingesetzt wird.

 

Die Autoren

 

Dr.-Ing. Drazen Veselovac
ist geschäftsführender Oberingenieur des Lehrstuhles Technologie der Fertigungsverfahren am WZL der RWTH Aachen.

Sascha Kamps

 
ist Entwickler für Prozessüberwachungssysteme am WZL der RWTH Aachen. 

 

ist Entwickler für Prozessüberwachungssysteme am WZL der RWTH Aachen.

Martin Stierli

 

ist Elektroingenieur und arbeitet seit 2012 als Produktmanager für Signal Conditioning bei Kistler Instrumente AG in Winterthur, Schweiz.

 

 

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1. Erfolgreich piezoelektrisch messen
2. PE-Sensor oder IEPE-Sensor

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