Manfred Weber
Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K.
PC-Schwingungsmesssystem VibroMetra

Messverstärker und Digitalisierung

 
Die Übertragung der Sensorsignale in das Messprogramm geschieht nicht unmittelbar. Es müssen zwei wichtige Aspekte beachtet werden:
 
  • Die vom Sensor gelieferten Schwingungsamplituden müssen angepasst werden. Dazu durchläuft das Signal einen Verstärker. Der jeweilige Verstärkungsfaktor kann in VibroMetra eingestellt werden.
  • Anschließend wird das analoge Spannungssignal digitalisiert. Dies geschieht mittel eines Analog-Digital-Wandlers.
 
 
Die vom Sensor gelieferten Signale können eine enorme Spannbreite besitzen. So weisen Bauwerksschwingungen Beschleunigungen von 0,00001m/s² auf, währenddessen Schläge von Stahl auf Stahl bis 200 000m/s² betragen können. Die angeschlossene Messtechnik ist oft auf Spannungsbereiche von -10V .. +10V optimiert. Um die jeweiligen Messaufgaben zu bewältigen besitzt man zwei Einflussmöglichkeiten auf die Signalgröße: Zum Einen wählt man die Empfindlichkeit des Sensors entsprechend der zu erwartenden Beschleunigung aus. Zum Anderen lassen sich die Amplituden schwacher Signale mit einem Verstärker erhöhen. Dies ist nötig damit der Analog-Digital-Wandler (A/D Wandler) eine möglichst genaue Digitalisierung der Spannungssignale durchführen kann.
Der A/D Wandler ordnet zwei Spannungen einen unterschiedlichen Wert zu, wenn sie um 0,3mV auseinander liegen. Ist nun das eingehende Signal zu klein, z.B. 3mV, so werden nur 10 digitale Werte aufgenommen. Das so digitalisierte Signal ist nicht glatt sondern weist Ecken und Kanten auf. Dieser Effekt wird Quantisierungsfehler genannt. Um ihn zu vermeiden, muss das eingehende Signal möglichst die -10V ..+10V Bandbreite ausnutzen. Denn dann hat der A/D Wandler statt 10 nun 65 536 Werte für die Digitalisierung zur Verfügung und die digitalisierten Signale sind glatt.
Die Anpassung an die -10V ..+10V Bandbreite wird mit dem Verstärker durchgeführt. Allerdings darf die Verstärkung auch nicht zu groß gewählt werden. Denn Signale welche größer als 10V sind, werden beim Digitalisieren abgeschnitten (Übersteuerung). Um dies zu Vermeiden gibt es in allen VibroMetra Instrumenten eine Anzeige über die momentane Signalgröße:
 
Werte kleiner als 100mV
Werte zwischen 100mV und 9500mV
Anzeigen bleiben ausgegraut
Werte größer als 9500mV
 
Zusammenfassend ist in der Abbildung der Signalverlauf während einer Messung schematisch dargestellt. Eine Beschleunigung an einem Bauteil beträgt z.B. 15m/s², der Sensor mit der Empfindlichkeit von 10mV/m/s² wandelt diese Beschleunigung in eine Wechselspannung von 150 mV um. Im M302 / M312 wird das Signal 10fach verstärkt (1500mV) und digitalisiert. Der Benutzer sieht auf dem Messrechner jedoch die gemessene Spannung von 150mV, da die Verstärkung in VibroMetra wieder korrigiert wird.
 
 
Die oben beschriebenen Effekte können Sie gerne in den folgenden Übungen praktisch ausprobieren: