Grundlagen der IEPE-Technologie

IEPE („Integrated Electronics Piezo Electric”) ist der genormte Name für eine elektrisch analoge Schnittstelle zwischen piezoelektrischen Sensoren und der Auswertelektronik. Von verschiedenen Herstellern wurden dafür eigene Markennamen geprägt: ICP®, CCLD®, IsoTron®, DeltaTron®, Piezotron®…

Anwendung

Piezoelektrische Sensoren basieren meist auf einem Quarz, in dem unter mechanischer Belastung elektrische Ladung verschoben wird, die bei entsprechend hochimpedanter Messung von außen als Spannung erkennbar wird. Bei der Messung handelt es sich um einen bevorzugt statischen Vorgang, die in einem sehr viel kleinerem Zeitabschnitt als 10 Sekunden stattfinden muss, da sonst die Ladungsdifferenz über äußere oder innere Ableitungen abgebaut wird. Ein solcher Sensor ist daher eher weniger für statische Langzeitbelastungen wie z. B. das Wiegen eines Silos geeignet. Als Anwendungsfälle solcher Sensoren finden sich deshalb vorwiegend höherfrequente Schwingungsmessungen aller Art (Unwuchterkennung, Schallsignale über Mikrophone bis Ultraschall, mechanische Vibrationen, Fundamentbeobachtung etc.).

Es haben sich über die Jahrzehnte zwei elektrische Schnittstellen zur Auswerteeinheit entwickelt:

• Direkter Ladungsausgang
• IEPE-Ausgang

Ladungsausgang

Das Ausgangssignal des Sensors wird in Form einer sehr geringen Ladungsänderung bereitgestellt (meist im Bereich weniger Femto- bis Pico-Coloumb) und wird über ein (möglichst kurzes) 2‑adriges Kabel abgegriffen, daher ist ein wesentlicher Bestandteil der Messelektronik meist ein sogenannter Ladungsverstärker.

Vorteile: der Sensor kann hohen Temperaturen über150 °C ausgesetzt werden, keine Stromversorgung nötig

Nachteile: sehr empfindlich gegen äußere Einflüsse auf das Kabel (Leitungslänge, mögliche Bewegung des Kabels, Art des Kabels und der Schirmung, elektromagnetische Felder etc.), aufwendige Empfangselektronik und Leitung da hohe Quell-Impedanz

IEPE-Ausgang

Da die Ladungsausgangs‑Schnittstelle im industriellen Einsatz wenig Akzeptanz findet, wurde schon früh nach einer robusteren Übertragung gesucht. Dazu wird bei IEPE ein Feldeffekt‑Transistor (FET) am Ausgang des Sensors integriert.

Wird dieser mit einem Konstantstrom von 2...8 mA auf dem 2-poligen Kabel als Versorgung gespeist, stellt sich i.d.R. eine Bias-Spannung von ca. 8....15 V ein. Wird das Piezosystem nun direkt oder indirekt (z. B. durch eine Membran) durch die Messgröße wie z. B. Kraft in Form von Druck oder Beschleunigung belastet, ändert der FET seinen Kanalwiderstand aufgrund der sich an seinem Gate ändernden Ladungsmenge und damit entsprechend ändernder Gate-Source-Spannung. Wegen der Speisung von I_const aus einer Konstantstromquelle, ändert sich demzufolge die Bias‑Spannung entsprechend der mechanischen Belastung im Bereich einiger Volt. Das Auswertegerät muss nun i.d.R. zusätzlich die Konstantstrom-Speisung bereitstellen, kann dafür jedoch über größere Entfernungen aus der rückgemessenen Spannung auf die Messgröße schließen.

Vorteile: robustes System, das auch unter Industriebedingungen betrieben werden kann

Nachteil: Temperaturobergrenze für den Sensor 150...200 °C, kleinerer Dynamikumfang

Hinweise zum Konstantstrom

• Je größer der Speisestrom, desto mehr erwärmt sich der Schwingungssensor. Dies kann sich nachteilig z. B. auf die Grundgenauigkeit des Sensors auswirken. Dazu auch die Angaben des Sensorherstellers beachten.
• Je größer der Speisestrom, desto höher liegt die maximal übertragbare Signalfrequenz, da Ladungszu‑ und ‑Abflüsse auf dem Kabel schneller nachgeführt werden können.
• Je größer der Speisestrom, umso höher die sich einstellende Bias-Spannung. Dies kann dazu führen, dass die Übertragung gegen Einwirkung durch elektromagnetische Störungen robuster wird, aber auch, dass bei großen Amplituden der Messgröße das übertragene Messsignal schneller in Sättigung geht.

Hinweise zum IEPE- Messgerät

• Manche IEPE-Messgeräte können den Speisestrom auch abschalten (0 mA) und somit auch zur Spannungsmessung verwendet werden, vgl. z. B. Beckhoff ELM3604.
• Da im Schwingungsbereich i.d.R. nur AC-Signale interessieren, verfügen IEPE-Auswertungen eingangsseitig über einen elektrischen Hochpass mit einer Grenzfrequenz von ca. 10 Hz. Je nach Anwendung z. B. die Erfassung langsamer Turmschwingungen, kann die Grenze dieses Hochpass relevant sein, vgl. z. B. dazu den einstellbaren und abschaltbaren Hochpass der ELM3604.
• Die Bias-Spannung kann gut zur Detektion von Drahtbruch‑ bzw. Kurzschlussfällen verwendet werden, siehe dazu z. B. die Diagnosemöglichkeiten der ELM3604.