Manfred Weber
Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K.
Seit 1954

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IEPE-Standard

Metra fertigt eine Vielzahl von Beschleunigungsaufnehmern mit eingebautem Impedanzwandler oder Vorverstärker. Dieser wandelt das hochimpedante Signal der Piezokeramik in ein Spannungssignal niedriger Impedanz um. Dafür verwendet Metra den etablierten IEPE-Standard, wodurch Kompatibilität zu Sensoren und Messgeräten vieler anderer Hersteller gewährleistet ist. Die Abkürzung IEPE steht für "Integrated Electronics Piezo Electric". Andere Herstellerbezeichnungen für dasselbe Prinzip sind ICP®, CCLD, Isotron®, Deltatron®, Piezotron® etc.

Funktionsprinzip

Die eingebaute Elektronik wird über Konstantstrom versorgt (vgl. Bild 4). Die Besonderheit liegt darin, dass Versorgungsstrom und Sensorsignal über das gleiche Kabel übertragen werden. Über dem Sensor bildet sich dabei eine positive Arbeitspunktspannnung. Das Schwingsignal wird vom Sensor zurück übertragen, indem es der Arbeitspunktspannung aufmoduliert wird. Der Koppelkondensator Cc vor dem Messgeräteeingang dient zur Auskopplung des Gleichanteils. Da die Ausgangsimpedanz üblicher IEPE-kompatibler Aufnehmer unter 100 Ohm liegt, darf das Kabel bis zu einigen hundert Metern lang sein, ohne dass die Signalqualität darunter leidet. Auf teure störarme Kabel kann zugunsten preiswerter Koaxialkabel verzichtet werden.


Bild 4: IEPE-Prinzip

Der Konstantstrom kann zwischen 2 und 20 mA liegen (Nicht mit dem 4-20 mA-Stromschleifenstandard verwechseln!). Je kleiner der Speisestrom, desto höher wird die Ausgangsimpedanz und damit die Störempfindlichkeit. Ein Konstantstrom von 4 mA liefert in den meisten Fällen ein sinnvolles Optimum zwischen Störfestigkeit und Strombedarf.
Die Arbeitspunktspannung am Sensorausgang, d.h. die Ruhespannung ohne Beschleunigung, liegt bei Metra-Sensoren im Bereich von 12 bis 14 V. Sie ist von der Temperatur und vom Speisestrom abhängig. Um diese Arbeitspunktspannung oszilliert das Sensorsignal (vgl. Bild 5). Die Sensorspannung kann dabei nie negativ werden. Die obere Aussteuergrenze wird durch die Versorgungsspannung der Konstantstromquelle bestimmt. Diese sollte im Bereich von 24 bis 30 V liegen. Die untere Aussteuergrenze wird durch die Sensorelektronik. Metra garantiert eine Mindestaussteuerbarkeit von ± 5 V.


Bild 5: Aussteuergrenzen IEPE-kompatibler Sensoren

Low Power IEPE

Besonders bei Batteriegeräten kann es von Nachteil sein, eine Sensorversorgung mit 4mA Konstantstrom aus einer 24V-Spannungsquelle bereitstellen zu müssen, da der Leistungsbedarf des Sensors bei etwa 100mW liegt. Aus diesem Grund hat Metra eine stromsparende Version des IEPE-Standards entwickelt, die in den Beschleunigungsaufnehmern KS94L, KS943L, KS82L sowie in den Messgeräten VM22, VM24 und VM25 eingesetzt wird. Low-Power-IEPE-Aufnehmer haben eine Arbeitspunktspannung zwischen 4 und 8 V. Somit genügt eine Stromquellen-Vorspannung von 10 bis 12V. Je nach Aufnehmertyp genügt bereits ein IEPE-Konstantstrom ab 0,1mA. Der Leistungsbedarf lässt sich damit um bis zu 99% reduzieren.

Frequenzverhalten

Die untere Grenzfrequenz der IEPE-Beschleunigungsaufnehmer von Metra liegt bei 0,3 Hz für Scher- und Biegesysteme sowie bei 3 Hz für Kompressionssysteme. Die obere Grenzfrequenz hängt hauptsächlich von der mechanischen Konstruktion ab.
Bei längeren Kabeln muss ggf. die Kabelkapazität für die obere Grenzfrequenz mit in Betracht gezogen werden. Typische Koaxialkabel für IEPE-Aufnehmer, wie sie von Metra geliefert werden, haben eine Kapazität von ca. 100pF/m.
Bild 6 zeigt die maximale Aussteuerbarkeit über die Frequenz mit den Parametern Kabelkapazität und Speisestrom. Mit steigender Kabelkapazität sinkt die Aussteuerbarkeit. Ursache ist die verringerte Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers durch umzuladende Kapazitäten. Bei sehr langen Kabeln ist nur noch bei Frequenzen bis zu einigen hundert Hertz Vollaussteuerung von ±6V möglich. Dieser Effekt kann durch Erhöhung des Speisestroms in gewissen Grenzen kompensiert werden. Bis zu 10nF Kabelkapazität (entspricht 100 m Standardkabel) ist bei 4mA Speisestrom keine Einschränkung der Aussteuerbarkeit zu erwarten.

Bild 6: Aussteuerbarkeit des IEPE-Impedanzwandlers in Abhängigkeit von Kabelkapazität und Speisestrom

Bild 7 zeigt den Frequenzgang der Sensorelektronik bei unterschiedlichen Kabelkapazitäten und Speiseströmen. Bei höheren Kapazitäten sinkt die obere Grenzfrequenz. Ursache ist der RC-Tiefpass, der sich aus Aufnehmerinnenwiderstand und Kabelkapazität bildet. Bei 4 mA kann bis zu einer Kabelkapazität von ca. 50nF (entspricht 500m Standardkabel) mit einer unwesentlichen Verfälschung des Frequenzganges gerechnet werden.

Bild 7: Frequenzgang des IEPE-Impedanzwandlers in Abhängigkeit von Kabelkapazität und Speisestrom

Im Allgemeinen werden heute IEPE-Beschleunigungsaufnehmer denen mit Ladungsausgang vorgezogen. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, in denen letztere überlegen sind. Die folgende Tabelle vergleicht Vor- und Nachteile beider Sensortypen:

IEPE-kompatibel
Ladungsausgang

Vorteil
  • Empfindlichkeit wird nicht von Länge und Art des Kabels beeinflusst
  • Niederimpedanter Ausgang erlaubt lange Sensorkabel
  • Keine Spezialkabel erforderlich
  • Einfache Selbsttestfunktion möglich
  • Bessere Beständigkeit gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit

  • Keine Stromversorgung erforderlich - ideal für Batteriegeräte
  • Kein Rauschen - höchste Auflösung
  • Hoher Dynamikbereich
  • Höhere Umgebungstemperaturen möglich
  • Kleinere Bauformen möglich


Nachteil
  • Konstantstromspeisung erforderlich
  • Interne Rauschquelle durch die Elektronik
  • Umgebungstemperatur begrenzt auf <120°C

  • Nur kurze Sensorkabel
  • Spezielle störarme Kabel erforderlich
  • Ladungsverstärker erforderlich


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