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Mechanische Messungen mit dem Digitizer

Von Sensoren und Mikrofonen

29. September 2016, 13:54 Uhr | von Arthur Pini, Greg Tate und Oliver Rovini (Spectrum)

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Zweites Beispiel für eine mechanische Messung

In Bild 4 ist ein Diagramm einer anderen Einrichtung für eine mechanische Messung an einem kleinen Luftkompressor dargestellt. Die Messungen von Druck, Schwingungsbeschleunigung und Schallpegel des internen Zylinders erfolgen mit einem Druckwandler, einem Beschleunigungssensor und einem Mikrofon. Bild 5 zeigt ein Foto des Messaufbaus.

Der Druckwandler wird in einen Anschluss geschraubt, der in den oberen Bereich des internen Zylinders mündet. Dadurch besteht ein Zugang zum Inneren ohne mechanische Interferenzen oder Leckagen. Auch hier handelt es sich um einen piezoelektrischen Sensor, bei dem eine Druckmembran proportional zum Druck eine Kraft auf ein Keramik- oder Kristallelement ausübt. Die Empfindlichkeit des Transducer beträgt 100 mV/psi.

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Der Beschleunigungssensor ist auf den Zylinderkopf geklebt. Und auch hier bestimmt die Anwendung die Art(en) der Befestigung. Die Transducer können mit dem Gerät verschraubt sein, an das Gerät geklebt oder mit Magnetfüßen daran befestigt sein. Ein montierter Beschleunigungssensor muss sicher befestigt und auf die gewünschte Messachse ausgerichtet sein. Darüber hinaus sollten die Transducer und Befestigungen so klein und leicht sein, dass sie die Messung nicht beeinflussen. Das Belasten eines Transducer im Bereich der Mechanik ähnelt sehr der Belastung von Tastköpfen bei elektrischen Messungen. Beides beeinflusst die Genauigkeit der durchgeführten Messung.

In Bild 6 sind die während einer Kompressormessung angezeigten Daten des Digitizer dargestellt. Die Kurve oben links (Druck) entspricht dem Rohausgang des Druckwandlers. Über die Kanaleinstellungen wird die Wellenform mit einer neuen Skalierung, das heißt von Millivolt (mV) in Pascal (Pa), versehen. Dies erfolgt durch Skalierung der angezeigten Werte des Druckwandlers, die über den Kehrwert seiner Empfindlichkeit ausgegeben werden.

Der Anstieg des Zylinderdrucks der neu skalierten Druckkurve ist darauf zurückzuführen, dass der Auslassanschluss des Kompressors geschlossen wird, was den Kompressor zwingt, mit höherer Leistung zu laufen. Dies schlägt sich in einem erhöhten Zylinderdruck nieder. Der Spitze-zu-Spitze-Messwert spiegelt diese maximale Druckschwankung am Ausgang wider.

Zu beachten ist, dass trotz eines vorhandenen Drehzahlmessers zur Messung der Kompressordrehzahl die Druck-Wellenform sehr sauber ist und dieselben Informationen enthält. Der Frequenzwert entspricht einer Kompressordrehzahl von 53,5 Hz.

Die FFT der Druckwerte ist im unteren linken Diagramm dargestellt. Das Spektrum besteht in der Hauptsache aus der Drehzahl von 53,5 Hz und deren Oberschwingungen. Zu beachten sind die Spitzen der Oberschwingungen, die als doppelte Spitzen auftreten. Dies liegt daran, dass sich die Kompressordrehzahl bei Belastung etwas verringert. Die Frequenzschwankungen bei der Grundfrequenz sind gering, erhöhen sich jedoch um den Faktor der Anzahl der Oberschwingungen bei größeren Oberschwingungen.

Im oberen mittleren Diagramm in Bild 6 ist das Signal des Beschleunigungssensors vom Beschleunigungssensorkanal mit einer Empfindlichkeit von 10 mV/G dargestellt. Das Signal wird über die Kanaleinstellungen neu skaliert, sodass die Beschleunigung in G angezeigt wird. Die dargestellten Messwerte entsprechen den Spitze-zu-Spitze- und Effektivwert-Amplituden des Schwingungssignals. Am Zeitbereichssignal lässt sich leicht ablesen, dass der Schwingungspegel bei blockiertem Auslassanschluss des Kompressors ansteigt. Die FFT des Beschleunigungssignals ist im unteren mittleren Diagramm dargestellt. Wie auch das Druckspektrum setzt sich das Schwingungsspektrum aus der Drehfrequenz und ihren Oberschwingungen zusammen.

Im oberen rechten Diagramm ist das Mikrofonsignal mit Darstellung des Schallpegels zu sehen. Die Empfindlichkeit des Mikrofons liegt bei 42 mV/Pa und wurde zur Skalierung der senkrechten Achse verwendet. Der Schalldruckpegel bleibt relativ unverändert, bis der Auslassanschluss geschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt fällt er bei Auftreten einer negativen Impulsspitze leicht ab. Die Impulsspitze tritt beim Öffnen des Auslassanschlusses erneut auf. Das Mikrofon nimmt den Schall des den Anschluss schließenden Ventils auf. Der effektive (RMS-)Schallpegel wird mit 315 mPa aufgezeichnet, was die unangenehmen Schallemissionen erklärt, die auftreten, wenn der Kompressor außerhalb seines Gehäuses betrieben wird.

Das Spektrum des Mikrofonsignals ist im unteren rechten Diagramm dargestellt. Wie auch die beiden anderen Signalspektren setzt es sich aus der Drehfrequenz und ihren Oberschwingungen zusammen.

Welcher Digitizer ist der richtige?

Zu den wichtigsten Spezifikationen für die Auswahl des Digitizer gehören eine ausreichende Bandbreite, eine Anzahl an Kanälen, die mindestens der Anzahl der geplanten Messungen entspricht, und ein für die Handhabung der Transducer ausreichend großer Dynamikbereich. Die digitizerNETBOX mit einer Auflösung von 16 bit bietet Unterstützung bis zu einem theoretischen Dynamikbereich von 96 dB. Es sind Modelle mit bis zu 16 analogen Eingangskanälen erhältlich. Modulare Digitizer wie die der Baureihen M2i.46xx und M2i.47xx von Spectrum, die jeweils über bis zu 16 Analogkanäle verfügen, können auch in dieser Anwendung eingesetzt werden. Um mit noch mehr Kanälen arbeiten zu können, können bis zu 16 modulare Digitizer über ein Star-Hub-Modul miteinander verbunden werden, sodass die Verarbeitung von bis zu 256 Analogkanälen möglich ist.
In der Tabelle sind empfohlene Digitizer von Spectrum zusammen mit Einstellungen für die meisten mechanischen Messungen aufgeführt.

Modell-Familie	Analogkanäle	Auflösung	Bandbreite (MHz)	Abtastrate (MSa/s)
M2i.47xx	8 oder 16	16 bit	0,05/0,1/0,25/0,5	0,1/0,2/0,5/1,33
M2i.46xx	2, 4 oder 8	16 bit	0,1/0,5/1,5	0,2/1/3
M3i.48xx	1 oder 2	16 bit	30/50/90	65/105/180
M2i.49xx	2, 4 oder 8	16 bit	5/15/30	10/30/60
DN2.46x	4, 8 oder 16	16 bit	0,1/0,5/1,5	0,2/1/3
DN2.49x	4, 8 oder 16	16 bit	5/30	10/60

Die Produktfamilien Digitizer und digitizerNETBOX von Spectrum, die sich am besten für die Durchführung mechanischer Messungen eignen.

Arthur Pini
ist ausgebildeter Elektronik-Ingenieur und unabhängiger Berater sowie Spezialist für technischen Support mit über 50 Jahren Erfahrung in der Test- und Messtechnik-Branche. Dabei hat er unter anderem Erfahrung mit Oszilloskopen, Digitizern und Arbitrary-Waveform-Generatoren verschiedenster Hersteller gesammelt.

Greg Tate
ist Asien-Manager von Spectrum und blickt auf über 30 Jahre Erfahrung im Bereich Test- und Messtechnik zurück. Dabei hat er sich auf Produkte mit High-Speed-ADC- und DAC-Technologie wie Digitizer und Arbitrary-Waveform-Generatoren spezialisiert. In seiner bisherigen beruflichen Laufbahn hat er für verschiedene namhafte Digitizer-Hersteller Anwendungen im asiatischen Raum betreut.

Oliver Rovini
ist Technischer Leiter der Spectrum GmbH und verantwortlich für die Entwicklungen der schnellen Digitizer und Arbitrary-Waveform-Generatoren. Er ist seit 20 Jahren im Bereich der Messtechnik als Entwickler tätig.