Electric Discharge / Pixabay: flash-3604917_640

Zugang zum Accelerometer

Accelerometer Design

EMI-Sachen

 

Elektromagnetische Interferenz

Beim Entwurf eines Sensors müssen wir auch die elektromagnetische Umgebung berücksichtigen. Die umgebenden Stromleitungen, elektronischen und anderen elektrischen Geräte können so genannte elektromagnetische Interferenzen (EMI) erzeugen. Die Auswirkungen der elektromagnetischen Felder können vom Sensor und insbesondere vom Anschlusskabel aufgenommen werden und das schwache Messsignal stören.
Die Lösung zur Reduktion oder Beseitigung dieser Probleme ist eine einwandfreie Abschirmung und Erdung.

Die Abschirmung

Die Abschirmung ist ein Metallgehäuse oder -geflecht und muss alle Teile des Messkreises, das Messelement, das Signalkabel und schließlich den Ladungsverstärker umschliessen.
Sie kann einen Teil der Energie reflektieren und die meisten Störungen auffangen und zur Erde leiten, so dass die EMI nicht zu den Einbauten gelangt. Ein Teil der Energie geht jedoch meistens durch die Abschirmung, aber sie wird stark gedämpft.
Die Abschirmung benötigt immer eine solide Verbindung zur Erde.
Eine nicht geerdete Abschirmung (= nicht mit der Erde verbunden) bietet keinen Schutz gegen elektromagnetische Störungen.

The shield will reflect some energy, conduct most of the energy to ground, but also pass some energy.

verbleibende
Energie

eingekoppelte EMI

reflektierte

Energie

innerhalb

ausserhalb

Abschirmung

zur Erde geleitete
Energie

Die Abschirmung reflektiert einen Teil der Energie und leitet den grössten Teil zur Erde.

The accelerometer

Beim Accelerometer wird die elektrische Abschirmung durch den Deckel und das Basisteil gewährleistet.
Im Kapitel "Funktionsmodi" haben wir verschiedene elektrische Anordnungen des Sensorelements gesehen, wie "single ended" oder "isoliert". Die Wahl solcher grundlegenden Konstruktionsmerkmale hängt von der Systemauslegung ab, in der wir das Accelerometer einsetzen wollen.

The figure shows the electrical diagram of a single ended accelerometer. The shield (basically the housing) is shown dashed.

Asymmetrisches Accelerometer

Diagr Accel balanced.png

Symmetrisches Accelerometer.

Wir unterscheiden zwei verschiedene elektrische Architekturen:

Bei der einpoligen Ausführung ist ein Pol des Sensorelements mit dem Gehäuse verbunden, während bei der isolierten Ausführung beide Pole vom Gehäuse isoliert sind. Diese beidseitige Isolierung wird auch als elektrisch potenzialfrei bezeichnet.
Die Abbildungen zeigen das elektrische Schema der beiden Grundlayouts. Die Abschirmung (das Gehäuse) ist gestrichelt dargestellt.

Das Signalkabel

Das Signalkabel ist bereits schwieriger abzuschirmen. Wir wollen, dass das Kabel flexibel ist, und deshalb ist der Kabelschirm meist geflochten. Er hat daher viele kleine Löcher, die die Abschirmwirkung beeinträchtigen.

Es ist auch zu beachten, dass wir aufgrund der Länge des Leiters, der über die Abschirmung hinausragt, einen großen Teil des Schutzes verlieren können. Im Idealfall ist die Abschirmung über die gesammte Länge direkt mit den Gehäusen verbunden.

EMI-Wirkungen auf den einpoligen Messkreis

Schema des einpoligen Messkreises

Accelerometer, abgeschirmtes Kabel und Ladungsverstärker bilden den kompletten Messkreis.
Das Symbol eines Verstärkers ist ein Dreieck und das gestrichelte Kästchen zeigt die Abschirmung an.

Alle Komponenten sind "single ended", d.h. es gibt nur einen stromführenden Pol, während der andere Pol mit der Abschirmung verbunden ist.

Complete measuring circuit with single ended components, accelerometer, shielded cable and charge amplifier.

Kompletter Messkreis mit einpoligen Komponenten: Accelerometer, abgeschirmtes Kabel und Ladungsverstärker

charge amplifier

Kapazitive Kopplung

Die elektrische Abschirmung eines Kabels ist immer etwas durchlässig. Durch den engen Kontakt der Abschirmung entlang des Mittelleiters entsteht eine gewisse elektrische Kapazität. Es gibt auch parasitäre Kapazitäten zwischen der Abschirmung und jeder internen Komponente, die jedoch viel kleiner sind. Diese Kapazitäten sind blau gekennzeichnet.

Da die Erdung entlang der Abschirmung nie absolut perfekt ist, kommt ein gewisser Störanteil durch, obwohl der grösste Teil der EMI-Energie aufgefangen und zur Erde geleitet wird.
Mit zunehmender Kabellänge wächst die Kabelkapazität und die Erdung wird immer weniger effizient. Wir finden diese Art von Architektur daher nur, wenn relativ kurze Kabel verwendet werden können.

Radiated EMI builds up a voltage on the shield. Capacitively coupled noise is coming through. Most of the EMI energy is captured and led to ground.

Ladungsverstärker

Induzierte EMI

Induzierte EMI baut auf der Abschirmung eine Spannung auf. Kapazitiv eingekoppelte Störungen kommen durch.
Der größte Teil der EMI-Energie wird aufgefangen und zur Erde geleitet.

Erdschleife

In einer industriellen Umgebung kann die Maschine oder Anlage, auf der das Accelerometer montiert ist, eine gewisse Spannung gegenüber der Masse am Elektronik-Rack aufweisen.  Wenn wir nun die Abschirmung auf beiden Seiten mit der Erde verbinden, entsteht eine so genannte Erdschleife, in der ein Strom fließen kann.

Auch in diesem Fall können aufgrund der Kabelkapazität zwischen der Abschirmung und dem Leiter Störsignale induziert werden. Dieser Effekt wird natürlich mit zunehmender Kabellänge immer stärker

.
Eine einfache Gegenmassnahme besteht darin, das Accelerometer von der Maschine zu isolieren, so dass die Erdschleife unterbrochen wird.

Ground loop current induced by different potentials between ground locations. Noise is coupling through due to cable capacity.

Ladungsverstärker

Erdschleifenstrom, der durch unterschiedliche Potentiale zwischen den Erdungspunkten induziert wird. Störungen werden aufgrund der Kabelkapazität eingekoppelt

Triaxial System

Eine weitere Verbesserung lässt sich erzielen, wenn wir dem Accelerometer und dem Kabel eine zusätzliche Abschirmung hinzufügen. Dann erhalten wir ein so genanntes triaxiales System.

Die äußere Kabelabschirmung ist nur an einem Ende geerdet, um eine Erdschleife zu vermeiden, während die innere Abschirmung weiterhin als Signalrückführung funktioniert.

Eine triaxiale Architektur bietet einen ausgezeichneten Schutz vor EMI.

Triaxial  circuit  (accelerometer and cable)

Triaxiale Schaltung (Accelerometer und Kabel)

Ladungsverstärker

 
 

EMI Auswirkungen auf den symmetrischen Messkreis

Ein etwas anderer Ansatz zur Vermeidung von EMI ist die Verwendung von elektrisch symmetrischem Sensor, Kabel und Ladungsverstärker. Symmetrisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Komponenten vollständig von der Masse isoliert sind und beide Pole, positiv und negativ, symmetrisch sind. Das heißt, wir haben für die positive und negative Seite zwei identische Leiter und dann eine Abschirmung über beiden Leitern. Auf diese Weise erhalten wir identische Kapazitäten von beiden Polen zur Abschirmung und damit von beiden Polen zur Erde (was bei Single-Ended Schaltung nicht der Fall ist).

Differenzieller Ladungsverstärker

Das Herzstück einer symmetrischen Schaltung ist neben dem symmetrischen Accelerometer und dem Kabel die Verwendung eines so genannten differenziellen Ladungsverstärkers.

Im Differenzialladungsverstärker werden beide Eingänge, positiv und negativ, exakt gleich behandelt. Im Gegensatz zur Single-Ended-Schaltung ist der Minuspol des Piezoelements nicht mehr mit Masse verbunden und wir finden für jeden Leiter einen separaten Ladungsverstärker mit je einer separaten Zwischen-Ausgangsspannung V1 und V2.
Der dritte Verstärker heisst Differenzverstärker, weil er die Differenz zwischen den beiden Spannungen V1 und V2 bildet.
Sein Ausgang ist also Vout = V1 - V2     

Diagr differential Charge Amp.png

Ladungsverstärker 1

Ladungsverstärker 2

Differenz-

vertärker

V1

V

Das Piezoelement hat die gute Eigenschaft, dass es auf der einen Seite ein positives Ladungssignal und auf der anderen Seite das gleiche, aber negative Ladungssignal erzeugt. Diese Art von Signal wird Differenzsignal genannt. Dies ist ideal für den Differenzverstärker, da er das Signal auf der negativen Seite invertiert und dem Signal auf der positiven Seite hinzufügt.
Wenn andererseits das Signal oder Rauschen an beiden Eingängen das gleiche ist (das sogenannte Gleichtaktsignal ), wird es am Ausgang unterdrückt, da seine Differenz gleich Null ist.
Kurz gesagt: Das Differenzsignal wird durchgelassen, während die Gleichtaktstörung unterdrückt wird. Die Abbildungen unten zeigen dies.

The differential signal is amplified

Differenzial-Ladungsverstärker

+ Signal

- Signal

Ausgang

Das Differenzsignal wird verstärkt

Any common voltage applied to both inputs is rejected in the output because the difference is zero

Differenzial-Ladungsverstärker

Störung

Störung

Ausgang

Die Gleichtaktstörung wird unterdrückt

Neben dem Verstärker selbst müssen auch alle anderen Komponenten am Eingang des Differenzverstärkers symmetrisch sein. Das heißt, die Kapazitäten beider Pole gegenüber der Abschirmung des Accelerometers und des Kabels müssen gleich gross sein.

Kapazitive Kopplung

Hier ist die komplette symmetrische Schaltung mit Accelerometer, Kabel und Differential-Ladungsverstärker. Wie in der einpoligen Situation wird das EMI-Störsignal grösstenteils von der Abschirmung aufgefangen und zur Erde geführt. Die beiden Leiter fangen jedoch auch einen kleinen Teil der Störung auf. Aufgrund der symmetrischen Schaltung ist das Störsignal aber auf beiden Leitungen praktisch gleich und am Ausgang des Differenzverstärkers ist die Störung weitestgehend eliminiert.

Es ist wichtig, dass die Abschirmung des Kabels nur an einem Ende geerdet ist! Dadurch wird eine Erdschleife vermieden. Normalerweise ist die Qualität der Erdung auf der Elektronikseite besser als auf Seite der Maschine. Deshalb ist dies das bevorzugte Ende die Abschirmung.zu erden.

Capacitive coupling is symmetric and practically identical on both signal lines. The differential charge amplifier will largely suppress the noise.

Differenzial-Ladungsverstärker

Induzierte EMI

Die kapazitive Kopplung ist symmetrisch und auf beiden Signalleitungen praktisch identisch. Der differenzielle Ladungsverstärker unterdrückt die Störung weitgehend.

 

Rauscharme Kabel

In Bezug auf Ladungssignalkabel gibt es eine weitere nicht weniger wichtige Anmerkung. Durch die mechanische Verformung eines Kabels aufgrund von Vibration oder Biegung können durch innere Reibungen im Kabel elektrische Ladungen erzeugt werden. Dies wird als triboelektrischer Effekt bezeichnet und kann zu einem ganz erheblichen Rauschen führen. Rauscharme Kabel sind speziell für Ladungssignale von piezoelektrischen Accelerometern ausgelegt. Eine spezielle halbleitende Schicht zwischen der Isolierung und der Abschirmung reduziert dieses Störsignal erheblich

.
Es ist jedoch besser, das Problem zu vermeiden, als die Folgen zu bekämpfen. Das bedeutet, dass ladungstragende Kabel sorgfältig festgeklemmt werden müssen. Sie sollten niemals unter Vibrationen schlagen oder sich stark verbiegen.