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SCA1X4 - Kelag Kuenzli Elektronik AG

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KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.chHandbuch mit Anwendungs-GrundlagenBeschleunigungs-, Neigungs-, und Vibrationssensorender SCA114 / SCA124-SerieInhalt:1. Anwendung ...................................................................................................................................... 21.1 Tilt-Anwendungen ...................................................................................................................... 21.2 Neigungs- und Winkelmessung ................................................................................................. 21.3 Beschleunigungssmessung ....................................................................................................... 21.4 Vibrationsmessung..................................................................................................................... 22 Eigenschaften / Technologie............................................................................................................. 32.1 Schock-Beständigkeit des Sensorelementes............................................................................. 32.2 Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität.................................................................................. 32.3 Auflösung ................................................................................................................................... 32.4 Reduzierte Vibrationsempfindlichkeit durch Gasdämpfung ....................................................... 32.5 Aufbau des Sensor-Elements .................................................................................................... 32.6 Funktionsprinzip: ........................................................................................................................ 43 Einbau mechanisch........................................................................................................................... 43.1 Massbild: .................................................................................................................................... 43.2 Einbau bei Neigungsmessungen: .............................................................................................. 53.3 Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Neigung..................................................................... 63.4 Einbau bei Beschleunigungen und Vibrationen ......................................................................... 63.5 0-Punkt-Abgleich........................................................................................................................ 73.6 Temperatur-Kompensationen .................................................................................................... 74. Einbau Elektrisch ............................................................................................................................. 84.1 Schema ...................................................................................................................................... 84.2 Stecker ....................................................................................................................................... 84.3 Kabel .......................................................................................................................................... 8<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 1 von 8 Aenderungen vorbehalten


KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.ch1. AnwendungDie typischen Anwendungen für SCA-Sensoren sind:- Neigungsgrenzwertgeber (Tilt-Sensor)- Nivellierung- Neigungsmessung- Beschleunigungs- und VibrationsmessungJe nach Anwendung ist der dafür am besten geeignete Sensor zu verwenden. Bitte kontaktieren Siedazu unsere Produktberater unter Tel: +41 44 806 22 00.1.1 Tilt-AnwendungenTypische Anwendungen sind zum Beispiel Neigungsgrenzwertgeber, Nivellierung von Maschinen,Apparaturen und Messgeräten, Schienen und Gebäudeüberwachung, automatische Nivellierung vonAuslegern, Baggerschaufeln, Plattformen etc.Beispiel Produkte:SCA114T-D02FA/SCA124T-D02FA: Messbereich (horizontal) ±-0.5G, -30°... +30° => 4... 20mA (-30° 4mA, 0° 12mA, +30° 20mA)SCA114T-D04FA/SCA124T-D04FA: Messbereich (horizontal) ±-1.0G, -90°... ca. +90° => 4... 20mA (-90° 4mA, 0° 12mA, +90° 20mA)1.2 Neigungs- und WinkelmessungTypische Anwendungen: Neigungsmesswertgeber für Messgeräte (Triangulations-Messung),Fahrzeuge, Eisenbahnwaggons, Roboter, Operationstische, Bau- und Produktionsmaschinen.(Beispiel Produkte wie unter 1.1 beschrieben)1.3 BeschleunigungssmessungBeispiele: Eisenbahnwaggons (Aufprallüberwachung), Schock- und Crash-Monitoring, Bewegungserfassungfür Fitnessanalyse, Bewegungserfassung für Senioren-Alarmsysteme, Freifall-Erkennung,Optimierung von Linear-Motoren, Automobile-Anwendungen (ESP Stabilisationssystemen, ABS Anti-Blockiersystemen) etc.Beispiele Produkte:SCA114T-D10FA: Messbereich (vertikal) ±-12G, –12... +12G => 4... 20mA oder auch wie unter 1.1Beschrieben. Bitte beachten Sie, dass auch Sensoren mit Messbereichen von z.B. 1,7 oder 3gMessbereiche auf Anfrage erhältlich sind1.4 VibrationsmessungTypische Anwendungen sind beispielsweise Lagerschaden-Früherkennung, Diebstahlsicherung,Erdbeben-Sicherheitsabschaltung etc.(Beispiel Produkte wie unter 1.3 beschrieben)<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 2 von 8 Aenderungen vorbehalten


KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.ch2 Eigenschaften / Technologie2.1 Schock-Beständigkeit des SensorelementesDie auf kapazitivem Messprinzip basierenden Messelemente zeichnen sich durch hohe Genauigkeitund Schlagfestigkeit aus. Dies wird unter anderem durch die spezielle 3D-Mikroelektromechaniksystem (MEMS) -Technologie mit hochreinem Silizium erreicht. Durch denspeziellen Aufbau ist selbst nach harten Schlägen (20’000g) keine Drift wegen Deformation derPrüfmasse zu erwarten.2.2 Reproduzierbarkeit und LangzeitstabilitätEs können Reproduzierbarkeiten bis 0,03° und Langzeitstabilitäten in derselben Grössenordnungerreicht werden. Die bei schnellen Temperaturänderungen (z.B. von +80° auf -20°C in 2 Sekunden)entstehende Hysterese (z.B. 0,02°) bildet sich in kurzer Zeit wieder auf 0 zurück.2.3 AuflösungDie als Doppelkondensator ausgebildeten Messelemente sind extrem rauscharm und geben eingrosses Nutzsignal ab. Der grösste Teil des Rauschens wird durch die Auswerte-<strong>Elektronik</strong>verursacht. Es sind Auflösungen bis 0,001° bei entsprechender Mittelwertbildung möglich.2.4 Reduzierte Vibrationsempfindlichkeit durch GasdämpfungDie Einflüsse von Vibrationen wirken bei Neigungsmessungen oft störend. Die Gasdämpfung desMesselementes filtert einen Grossteil dieser Störungen aus und verhindert überdies ein Überschwingender Prüfmasse. Bei Neigungssensoren werden Vibrationen gedämpft, beiVibrationssensoren die Eigenresonanz. Deshalb muss für jede Anwendung der geeignete Sensorgewählt werden.2.5 Aufbau des Sensor-ElementsSilizium-Wafermit Metallfilm(Kondensator)Pendel/PrüfmasseSilizium-Wafermit Metallfilm(Kondensator)Messrichtung2,9mm1.95m<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 3 von 8 Aenderungen vorbehalten


KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.ch2.6 Funktionsprinzip:Durch eine Beschleunigung, Neigung oder Vibration in Messrichtung (Kraft in dieser Richtung wirkend)bewegt sich das Pendel mit der Prüfmasse. Die Bewegung der Prüfmasse wird alsKapazitätsänderung wahrgenommen und gemessen. Das Ausgangssignal (4…20mA) ist proportionalzur Auslenkung, also zur Beschleunigung. Bei Neigungsmessung ist die Umrechnung von g = 9.81m/s 2 in Winkelgrad eine Sinusfunktion. Eine Sensor mit kleinem Messbereich (+/-0,5g = +/- 30°) hateine grössere Auflösung als ein +/-12g-Sensor.Messprinzip und Anordnung (z.B. bei Beschleunigungen/Schocks)3 Einbau mechanisch3.1 Massbild:84.0Ø 6.550.030.02513 433.060.072.0Die Gehäuse sind mit der Messrichtung gekennzeichnet, die identisch ist mit der Beschleunigungsbzw.Neigungsrichtung.<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 4 von 8 Aenderungen vorbehalten


KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.ch3.2 Einbau bei Neigungsmessungen:3.2.1 Typische Anwendung:X-DrehachseDrehung2513 4Pendel(Schematisch)Pendel von obenY-Drehachse nur bei2-achsige VersionenSCA124-XXXDie Lage der Drehachse ist nur als Beispiel zu verstehen, die genaue Lage hängt vom Sensortyp abEinbau z.B bei Neigungsmessung (0g = 0° Position = 12mA)3.2.2 Variante:(Mit leicht reduzierter Genauigkeit)Dreh-Achse360° Messung:Für eine genaue 360° Messung ist der 2-achsige Neigesensor (SCA124-D04FA)empfohlen, bei dem X und Y-Achse miteinanderverrechnet werden:Dabei ist folgende Berechnung durchzuführen:<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 5 von 8 Aenderungen vorbehalten


KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.ch3.3 Ausgangssignal in Abhängigkeit von der NeigungDa sich der Winkel zwischen Schwerkraft (immer vertikal) und der Messzunge im Mess-Element mitdessen Neigung ändert, ist die Beziehung zwischen Neigungswinkel und Ausgangssignal eineSinusfunktion+90°+45°[+°];[20mA]+30°[+°];[20mA]+15°[-G][12mA][+G][-G][12mA][+G]-15°-45°-90°-1G [4mA][-°];+1G1G-Sensor: ±1G / ±90°-30°[4mA]-0.5G[-°]+0.5G0.5G-Sensor: ±0.5G / ±30°Für horizontale Beschleunigung ist der Ausgang linear proportional zur Beschleunigung. (VertikaleBeschleunigung ergibt ein Offset von 1G, weshalb ein Messbereich grösser als 1G gewählt werdenmuss).3.4 Einbau bei Beschleunigungen und VibrationenDie Messrichtung zeigt ein Symbolauf der Gehäuserückseite2513 4Y-Mess-RichtungX-Mess-RichtungZ-Mess-Richtung<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 6 von 8 Aenderungen vorbehalten


KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.ch3.5 0-Punkt-AbgleichGrundsätzlich sind die Sensoren der <strong>SCA1X4</strong>-Serie auf 0° justiert/abgeglichen. Doch durch denEinbau in die Applikation entsteht ein mechanischer Versatz zwischen dem Sensor und demApplikationsgegenstand. Für genaue Neigungsmessungen empfehlen wir, die Sensoren auf 0°respektiv den 12mA-Punkt = 0g abzugleichen. Der Abgleich wird in der Auswertung (kundenseitig)mittels anpassen der Offset-Spannung gemacht. Damit erhöht sich die Absolutgenauigkeit erheblich.(siehe auch Kap. 3.4 Temperaturkompensation)3.6 Temperatur-KompensationenDurch die physikalische Ausdehnung/Schrumpfung des Messelementes bei Temperatur Änderungenändert sich der geometrische Aufbau des Messelementes geringfügig. Dies wirkt sich auf dasMessresultat aus. Durch die symmetrische Form des Sensorelementes wird diese Wirkunggrösstenteils automatisch kompensiert. Die verbleibende Temperaturdrift ist gering, muss jedoch beisehr genauen Anwendungen zusätzlich kompensiert werden.Methoden:- Verwenden von temperaturkompensierten Sensoren (z.B <strong>SCA1X4</strong>-D02FA oder –D04FA).- Zu den temperaturkompensierten Sensoren sind auf Anfrage Messdaten erhältlich, die dieTemperaturabhängigkeit (nach erfolgter Kompensation) dokumentieren. Diese Daten könnenfür externe Korrektur Algorithmen verwendet werden.- Bitte kontaktieren Sie dazu unsere Berater unter Tel: +41 44 806 22 00.Maximale (3-Sigma = 99,73%) 0-Punkt Abweichung des Messelementes der Serien ..T (Anwendbarzum Beispiel für die <strong>SCA1X4</strong>-D02FA oder –D04FA Sensoren<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 7 von 8 Aenderungen vorbehalten


KEL<strong>AG</strong> Künzli <strong>Elektronik</strong> <strong>AG</strong> Telefon +41 (0)44 806 22 00Ringstrasse 5 Fax +41 (0)44 806 22 08Ch-8630 Schwerzenbach E-Mail kelag@kelag.chSchweiz / Switzerland Internet www.kelag.ch4. Einbau Elektrisch4.1 SchemaAuswertung mit direkter StrommessungAuswertung mit Spannungsmessung+10... 36V+10... 36V+10... 36V+10... 36VMesseinheitVerstärkerFilterEEPROM fürKalibrierungASIC4... 20mA4... 20mA1Auswertung X+/- Bereich in G=> 4... 20mA2A4... 20mA4... 20mA34Auswertung Y+/- Bereich in G=> 4... 20mAAMesseinheitVerstärkerFilterEEPROM fürKalibrierungASIC4... 20mA4... 20mA1Auswertung X+/- Bereich in G=> 2... 10V2500žV4... 20mA4... 20mA34Auswertung Y+/- Bereich in G=> 2... 10V500žVSensorelementGNDGNDSensorelementGNDGND4.2 SteckerAuswertung mit direkter StrommessungAuswertung mit Spannungsmessung251A251R= 250 ΩV3434Pin 1: X-Achse (Ansicht von Vorderseite des Einbausteckers am Sensor =Pin 2: X-AchseRückseite/Anschlusseite der weiblichen Kabelbuchse)Pin 3: Y-Achse (falls SCA124)Pin 4: Y-Achse (falls SCA124)Dabei gilt bei direkter Strommessung:SCA 114T/124T – D04FA: Winkel (°) = arcsin((Ausgabe in mA – 12)/8)Ausgabe in mA =12+(sin (Winkel (°))*8SCA 114T/124T – D02FA: Winkel (°) = arcsin((Ausgabe in mA – 12)/16)Ausgabe in mA =12+(sin (Winkel (°))*16Dabei gilt bei Spannungsmessung:SCA 114T/124T – D04FA: Winkel (°) = arcsin(((Ausgabe in V/250*1000) – 12)/8)Ausgabe in V =(12+(sin (Winkel (°))*8))*250/1000SCA 114T/124T – D02FA: Winkel (°) = arcsin(((Ausgabe in V/250*1000) – 12)/16)Ausgabe in V =(12+(sin (Winkel (°))*16))*250/10004.3 KabelBei Anwendung eines genormten Kabel (z.B. 40PKabelM12 mit M12 Stecker für Sensor, bei unserhältlich) gelten folgende Kabel-Farben: (Nummern siehe oben Kapitel „4.2 Stecker“)1 = braun, 2 = weiss, 3 = blau, 4 = schwarz, 5 = grau<strong>SCA1X4</strong>_UG_D.doc Seite 8 von 8 Aenderungen vorbehalten

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