I.E.D

Grundwissen der Messtechnik zum Nachschlagen

AD-Messkarten

Messen mit dem PC – Eine Einführung mit vielen Tipps

Möchten Sie feststellen, ob Ihr Kind Fieber hat, ist ein einfaches Fieberthermometer oft die beste Wahl. Möchten Sie jedoch ermitteln, wie die Wärmeverteilung in einer von einem Tauchsieder erhitzten Badewanne aussieht, sind 100 Menschen mit 100 Thermometern in der Hand eine nicht ganz so clevere Messmethode. Für diese Messaufgabe empfiehlt sich daher, 100 Temperaturfühler so zu konstruieren, dass man diese mit einem PC verbinden kann. Die Messwerterfassung und die Auswertung übernimmt der PC - ganz nebenbei bemerkt braucht man mit diesem Messkonzept auch keine 100 Menschen zu bezahlen, welche die Messergebnisse manuell protokollieren!

 

Gängige Bussysteme und Anschlüsse

Um Daten mit dem PC austauschen zu können, stehen unterschiedliche Möglichkeiten der Anbindung und Kommunikation zur Verfügung. Die Anschlüsse werden auch als Schnittstellen bezeichnet.

PCI: Peripheral Component Interconnect Bus-Standard, Steckplatz im PC für PCI-Bus-Karten
PCIe:  PCI Express Bus-Standard, Steckplatz im PC für PCI Express-Bus-Karten
PXI:  Bussystem von National Instruments für Mess- und Automatisierungstechnik
ISA: Historischer Computerbus-Standard für ISA-Bus-Karten (nur noch bei  älteren PCs)
USB: Universeller serieller Bus zum Anschluss externer Geräte und USB Messtechnik
PCMCIA: Kleiner, flacher Steckplatz für externe Schnittstellen-Karten (vorwiegend bei Notebooks)
LPT-Port: Parallele Schnittstelle (IEEE1284) zum Anschluss für Drucker, Scanner, Messtechnik, etc.
COM-Port: Serieller Anschluss für externe Geräte oder RS232/485 Messtechnik
(W)LAN: Moderne Schnittstelle zur Einbindung von Ethernet & WLAN Peripheriegeräten

 

Messkarten für PC, Notebook und Mobile Devices

Je nach Art der messtechnischen Anwendung, wird eine geeignete Schnittstelle für die Anbindung der Hardware gewählt. Jede Schnittstelle hat Vorteile und auch Einschränkungen.

PCI, PCIe, PXI:

PCI-, PCIe- und PXI-Standard-Messkarten breitbandiger Produktbereich für Anwendungen mit langsamer Messdatenerfassung (z.B. Raumtemperaturüberwachung) bis hin zur High-Speed-Oszilloskop-Messkarte mit Signal-Abtastraten im Multi-Giga-Sample Bereich.

Vorteile der PCI PCIe PXI Messkarten Preiswerte Lösungen, schnelle Datenübertragung, hohe Verfügbarkeit/kurze Lieferzeiten, große Auswahl an Karten.
 Nachteile der PCI PCIe PXI Messkarten Karte ist fest im PC/Rack eingebaut, System ist schlecht zu transportieren.

 

ISA: Wird kaum noch verwendet.
USB:

Externe USB Datenerfassungsmodule für transportables Messequipment mit z.B. Notebooks oder Mobile Devices.

Vorteile der USB Messdatenerfassung Kleine externe Systeme (z.B. für mobilen Einsatz oder Labor-Aufbau), teilweise keine zusätzliche Stromversorgung notwendig.
 Nachteile der USB Messdatenerfassung Systeme bis etwa 100-200 kHz Abtastrate.

 

PCMCIA:

Kleine Messkarten speziell für Notebooks.

Vorteile der LPT-Port Messdatenerfassung Kleine Systeme (Notebooks), schneller als USB-Systeme.
 Nachteile der LPT-Port Messdatenerfassung Mechanisch sehr empfindlich (kleine Kontakte/Stecker), wenige I/O-Leitungen.

 

LPT-Port:

Diverse externe Messkarten vom kleinen Messdongle, Messkoffer, Messbox bis zum 19-Zoll-Schranksystem.

Vorteile der LPT-Port Messdatenerfassung Mechanisch robuster Anschluss, viele Kanäle und I/O-Funktionen.
 Nachteile der LPT-Port Messdatenerfassung Systeme bis etwa 200-500 kHz Abtastrate.

 

COM-Port:

Große Auswahl an kostengünstigen externen RS232/RS485 Messkarten und Modulen.

Vorteile der LPT-Port Messdatenerfassung Lange Kabellängen möglich (RS485), hardwarenahe Programmierung, Anschluss und Betrieb mehrerer Systeme möglich.
 Nachteile der LPT-Port Messdatenerfassung Langsame Datenerfassung-/Übertragung.

 

 (W)LAN:

Universelle Einbindung von Ethernet & WLAN Peripheriegeräten mit integrierter Messdatenerfassung in das lokale Netzwerk. Die Datenübertragung erfolgt über standardisierte Protokolle (z.B. TCP/IP, UDP). Es sind diverse Geräte/Module zur lokalen und dezentralen Datenerfassung für viele Anwendungsbereiche verfügbar. Teilweise sind die Geräte mit eigenem PC-System ausgestattet (z.B. NI cRIO - Compact RIO Geräte) und echtzeitfähig (RealTime). 

Vorteile der LPT-Port Messdatenerfassung Flexibler Einsatz, lokale und dezentrale Nutzung, Fernwartung, RealTime Anwendungen, diverse Module und Zubehör, schnelle und standardisierte Datenübertragung.
 Nachteile der LPT-Port Messdatenerfassung Höherer Preiseinstieg.

 

 

Wie funktioniert eine Messkarte?

Messkarten können nur analoge Spannungen messen. Alle anderen elektrischen Größen (z.B. Stromstärke, Widerstände, etc.) müssen vorher in eine Spannung umgewandelt werden (z.B. Signalverarbeitung mittels SAB und Hutschienen-Modulen). Physikalische Größen (Druck, Temperatur, etc.) werden über Sensoren gemessen und vom Messgerät in eine Spannung umgewandelt und an die Messkarte übermittelt. Neben den analogen Eingängen haben Messkarten auch digitale Eingänge, um Zustände des Messgerätes abzufragen. Messkarten haben nicht nur Eingänge sondern auch (digitale und analoge) Ausgänge, um Daten an das Messgerät (digital) oder andere, externe Regelkreise (analog) zu senden. Die Kommunikation mit dem Benutzer erfolgt über eine Messsoftware. Über diese kann man einige Einstellungen der Karte ändern oder sich die Messwerte anzeigen lassen.

http://dir.iedhamburg.de/fileadmin/files/bilder/Ueber_uns_und_Infos/Grundwissen/Grundwissen_Blockschaltbild_AD-Karte.png

 

Aufbau einer Messkarte

Nachfolgend werden einige Bauelemente erläutert, die man auf Messkarten finden kann.

Der Multiplexer (MUX)
Der MUX ist ein elektronischer Umschalter. Ein MUX16 hat z.B. 16 analoge Spannungseingänge, 4 digitale Steuerleitungen und einen analogen Spannungsausgang. Abhängig davon, welche Kombination von Werten an den Steuerleitungen anliegt (0000 bis 1111), wird ein Eingangskanal zum Ausgang weitergeleitet. Die Spannung kann gegen GND (also gegen 0V) oder differentiell (zwischen zwei beliebigen Messpunkten) gemessen werden. Die meisten Messkarten können zwischen diesen beiden Eingangsmöglichkeiten umgeschaltet werden. Eine Messkarte mit 16 Kanälen bietet somit 8 differentielle- oder 16 massebezogene Eingänge.

Der Verstärker (PGA)
Der Programmable Gain Amplifier ist ein programmierbarer Verstärker. Die Verstärkung kann entweder durch eine Schaltung im Messsystem fest vorgegeben oder parametrierbar eingestellt werden. Somit ist es möglich, für jeden verfügbaren Kanal eine eigene Verstärkung zu wählen. Hat die Messkarte einen Messbereich von -10V bis +10V kann z.B. ein Eingangssignal mit einem Spannungsbereich von nur ±1V beträgt verstärkt werden, um die maximale Auflösung (und somit die max. Genauigkeit) der Messkarte zu erreichen. Sind die Signalbereiche so unterschiedlich, dass der verbaute Verstärker an seine Grenzen stößt, empfiehlt es sich, die Signale z.B. mittels Filter und Signalverstärker oder Sensorverstärker vorab aufzubereiten.

Der AD-Wandler (ADC)
Der Analog-Digital-Converter wandelt die analoge Spannung in ein digitales Signal. Die Daten können in dieser Form vom Rechner gelesen werden. Der AD-Wandler hat üblicherweise 12, 16 oder 24 Bit Auflösung. Je höher die Auflösung (12 Bit = 212 = 4.096 Stufen, 16 Bit = 216 = 65.536 Stufen und 24 Bit = 224 = 16.777.216 Stufen im eingestellten Bereich), desto feiner kann die Spannung abgetastet bzw. gemessen werden.

Die I/O-Steuerung
Messkarten sind über eine Schnittstelle mit dem Rechner verbunden (z.B. PCI, PCIe, USB, (W)LAN, COM). Ein Schnittstellen-Controller übernimmt die Kommunikation zwischen Messhardware und Rechner.

Analoge Ausgänge (DAC)
Neben den oben beschriebenen analogen Eingängen können Multifunktions-Messkarten auch analoge Ausgänge beinhalten. Über einen Digital-Analog-Converter werden digitale Vorgabewerte in analoge Spannungen gewandelt und ausgegeben. Hiermit lassen sich Steuer- und Regelaufgaben lösen. In unserer Badewanne aus dem ersten Beispiel befindet sich nun ein Tauchsieder. Die Aufgabe besteht in diesem Fall nun darin, die Temperatur des Wassers auf gleichem Niveau zu halten. Hierzu muss der Tauchsieder je nach aktuell rückgemessener Wasser-Temperatur unterschiedlich stark heizen. Zu diesem Zweck wird der Verstärker des Tauchsieders über den analogen Ausgang der Messkarte mit unterschiedlichen Spannungen (je nach aktuell erforderlicher Heizleistung) angesteuert.

Digitale Ein- und Ausgänge
Auch digitale Ein- und Ausgänge können auf Multifunktions-Messkarten verfügbar sein. Über diese lassen sich boolsche Zustände (Ja/Nein bzw. 1/0) ausgegeben oder abfragen. Zur Sicherheit könnte unsere Badewanne mit einem Füllstandsensor ausgerüstet werden, welcher einen zu niedrigen Pegelstand über einen digitalen Eingang meldet. Hiermit lässt sich die Temperaturmessung und die Tauchsieder-Steuerung dann automatisch abschalten, bevor ein Gerät beschädigt wird.

Weitere mögliche I/O-Funktionen (nicht im Blockbild dargestellt)

Zähler: Zähler können schnelle Impulse zählen (bis zu 10 MHz Eingangsfrequenz, mit speziellen Zähler-Messkarten bis zu 80/100MHz). Dies geht über die normalen digitalen Eingänge nicht. Der Zähler wird zu Beginn einer Messung gelöscht und kann dann bei Bedarf abgefragt werden.
Frequenz: Wie beim Zähler werden Impulse gezählt. Der Zähler wird jedoch nach einer bestimmten Zeit abgefragt und wieder gelöscht. Man erhält somit den Wert: Impulse / Zeit. Beträgt die Zeit eine Sekunde, so hat man die Frequenz in [Hz].
Timer: Dies ist ein Ausgang, der eine Frequenz oder ein definiertes Ein-/ Aussignal ausgeben kann.
V/R-Zähler: Diese Zähler haben zusätzlich einen Richtungseingang. Es wird somit vor- und zurückgezählt. Anwendung finden diese Zähler z.B. bei Weg- und Umdrehungssensoren.
PWM-Ausgang: PWM steht für Pulsweitenmodulation. Dies ist ein digitaler Ausgang, der ein Rechtecksignal mit veränderbarer Ein- und Auszeit ausgibt. Ein Rechtecksignal hat ein Tastverhältnis von 50 % (1ms an; 1ms aus). Bei einem PWM-Ausgang ist die Ausgangsgröße das Tastverhältnis. Dies kann zwischen 0...100% liegen. Wird das Ausgangssignal durch ein Tiefpassfilter geglättet, so erhält man einen analogen DA-Ausgang.

 

Schnelle Messkarten mit dem FIFO

Bei langsamen Messkarten werden die zur Messung benötigten Befehle vom PC gesteuert. Funktionen, wie zum Beispiel Kanalwahl, Verstärkungswahl, AD-Wandler starten, AD-Wandler-Fertig erkennen, Daten einlesen, welche direkt gesteuert werden, kosten den PC während der gesamten Messung kontinuierlich Rechenzeit. Zur Entlastung des PCs haben schnelle Messkarten deshalb einen integrierten Controller, welcher die komplette Steuerung der Messung übernimmt. Vor der Messung übergibt der PC dem Controller eine Scanliste. Die Scanliste ist praktisch die Abarbeitungsliste: Kanal 1 mit V = 2 messen, dann Kanal 3 mit V = 1 messen, dies jeweils mit einem zeitlichen Abstand von dt = 10 µsek (Sample Rate = 100 kHz). Die bei der Messung anfallenden Daten werden dann nicht direkt vom PC ausgelesen, sondern im FIFO (First In First Out Speicher) auf der Messkarte zwischengespeichert. Je nach Messkarte können mehrere tausend Messwerte in den FIFO geschrieben werden. Der PC liest die Daten dann während oder nach der Messung aus dem FIFO Zwischenspeicher. Was zuerst von der Messkarte in den FIFO geschrieben wurde, steht auch als erstes zum Auslesen zur Verfügung. Der Vorteil des FIFO Konzeptes ist es, dass die Messkarte die Daten mit fester Abtastrate erfassen und in den FIFO Zwischenspeicher schreiben kann, der PC aber nur während des asynchronen Auslesens Rechenleistung benötigt. Zudem ist das häufig eingesetzte Windows ein nicht deterministisches Betriebssystem, weshalb der PC technisch ohnehin nicht für einen zeitkonstanten Ablauf sorgen kann. Der PC ist durch den FIFO nicht gezwungen, jeden Messwert sofort einzulesen und zu verarbeiten, sondern kann sich in entsprechenden Abständen eine große Anzahl von Werten auf einen Schlag einlesen und diese dann als Werte-Block verarbeiten.

 

Die Ausgaberate von Messkarten

Wie schnell können Daten ausgegeben werden? Die Messkarten haben digitale und analoge Ausgänge zum Steuern und Regeln. Von der Messkarte und dem Treiber, der die Messkarte in der verwendeten Messsoftware unterstützt, hängt die Ausgaberate ab. Üblicherweise ist die Ausgaberate von Steuerungs- und Regelungsprogrammen sehr viel kleiner als die Abtastrate, mit der die analogen Eingänge gemessen werden. Dies liegt an der Struktur des Treibers.

Ein Beispiel: Die Messrate der Eingänge beträgt 100 kHz (100.000 Messungen je Sekunde oder ein Zeitabstand von dt = 10 µs von Messung zu Messung). Die Daten werden über den FIFO eingelesen. Der Treiber liest 1000 Werte aus dem FIFO. Dies geschieht erst, wenn auch 1000 Werte zur Verfügung stehen. 1.000 Werte sind aber erst nach TE = 10 µs x 1.000 = 10 Millisekunden im FIFO vorhanden. Der Treiber muss sich also nur alle 10 ms um einen Datentransport kümmern. Die Ausgaben werden bei den meisten Treibern nach dem Einlesen des FIFOs durchgeführt.

Die Folge: Das Lesen von Werten geschieht mit fE = 100 kHz und die Ausgaberate beträgt nur fA = 100 Hz.

Wichtig: Unterschiedliche Ein- und Ausgaberaten müssen beispielsweise bei Regelkreisen, bei welchen eine Ausgabe notwendig ist, berücksichtigt werden.

Tipp: Mögliche Ein- und Ausgaberaten während der Planungsphase beim Softwarelieferanten erfragen.

 

Technische Daten von Messkarten

Möchten Sie eine Messkarte einsetzen, so sollte diese möglichst genau die Anforderungen erfüllen, die Sie für Ihre Messaufgabe benötigen. Nicht mehr und nicht weniger! Hier sind einige technische Daten zusammengetragen:

Kanalzahl:

Anzahl der Ein- / Ausgänge. SE = SingleEnded (massebezogen), DIFF = Differenzeingänge (zur differentiellen Spannungsmessung).

Tipps:

  • Vermeiden Sie überdimensionierte Kanalreserven durch solide Vorplanung.
  • Berücksichtigen Sie bei Ihrer Planung die typischen Bauformen und Kanal-Anzahl der Messkarten (z.B. Analoge Kanäle 8 / 16 / 32 / etc.). Das Ziel ist es, die Anzahl der eingesetzten Karten durch Nutzung von Multi-Funktion und höherer Kanal-Packungsdichte zu reduzieren. 
  • Vermeiden Sie teure Sondermesskarten und Messkonzepte durch vorgeschaltete Signalaufbereitung (z.B. mit SAB und Hutschienen-Modulen).
 
Abtastrate:

Maximal mögliche Messgeschwindigkeit in Hz/kHz/MHz = Messungen je Sekunde.

ACHTUNG! Als Abtastrate wird häufig die Summenabtastrate angegeben. Zum Beispiel fA = 1,0 MHz bedeutet im Zusammenhang mit dem Begriff Summenabtastrate, dass 1 Kanal mit fAGES = 1,0 MHz gemessen werden kann. Jedoch können 2 Kanäle nur mit jeweils fA = 500 kHz pro Kanal gemessen werden.
Hier gilt: Kanal-Abtastrate = Summenabtastrate / Kanalanzahl 

Eine weitere Einschränkung ist, dass die Summenabtastrate bei hohen Verstärkungen des Eingangs (PGA, siehe Blockbild) kleiner wird. Einige Hersteller geben deshalb auch eine Abtastrate für den Einkanalbetrieb und eine (überwiegend kleinere) Abtastrate für den Mehrkanalbetrieb an.

Tipps:

  • Die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein, wie die höchste Frequenz des abgetasteten Signals (Stichwort: Nyquist-Shannon-Abtasttheorem).
  • Vermeiden Sie überdimensionierte Abtastraten - Beispielsweise ist das Ergebnis einer Raumtemperaturmessung mit 1 MHz Abtastrate kein detaillierteres Messprotokoll sondern eine Signalaufzeichnung mit vielen redundante Datenpunkten (Overhead). Eine Abtastrate im Bereich von 0,1 - 1 Hz ist in diesem Beispiel vollkommen ausreichend um die träge Lufterwärmung eines Raumes vollständig zu erfassen.
  • Versuchen Sie alle belegten Kanäle einer Messkarte mit einheitlicher Abtastrate zu erfassen. Nachgelagerte Datensynchronisation entfällt damit.
 
Verstärkung:

Gibt die möglichen Verstärkungen an, welche die Karten einstellen können (z.B. 1, 2, 4, 8 oder 10, 100, 1000) .

Tipps:

 
Eingangsspannung:

Gibt den Messbereich der Eingangsspannung an. Typisch sind bei analogen Kanälen  –10 V bis 10 V und bei digitalen Kanälen  0 V bis 5 V.

Tipps:

  • Vermeiden Sie teure Sondermesskarten durch Einsatz vorgelagerter Signalkonditionierung mit standardisierter Anschlusstechnik (z.B. SPS 24 V Schaltausgang über SAB Digital-Eingang (Pegelwandler-Modul) an kostengünstige Standard-Messkarte anstatt SPS 24 V Schaltausgang auf Sonder-Messkarte mit 48 V Digital-Eingang).   
 
Größe des FIFO: Gibt die Menge der Daten an, welche im FIFO gespeichert werden können.
Auflösung:

12 Bit, 16 Bit oder 24 Bit. Gibt an mit welcher Auflösung das Eingangssignal abgetastet wird. Im Spannungsbereich von -10 V bis +10 V entsprechen 

 
  •  12 Bit = 212 = 4.096 Stufen
 
(ca. 4,883 mV pro Stufe)
 
  •  16 Bit = 216 = 65.536 Stufen
 
(ca. 0,305 mV pro Stufe)
 
  •  24 Bit = 224 = 16.777.216 Stufen
 
(ca. 0,001 mV pro Stufe)

Tipps:

  • Für die meisten Messaufgaben ist die Quantisierung der Amplitudenwerte von Analogsignalen mit der 16 Bit Auflösung kostengünstiger Messkarten ausreichend. 
 
Eingangswiderstand: Gibt die Größe des Eingangswiderstandes an. Er sollte möglichst hoch sein, damit die Messkarte selbst die Messung so wenig wie möglich beeinflusst (vgl. Oszilloskop).
Nicht Linearität: Der AD-Wandler erstellt aus z.B. 0 bis +10 V Binärwerte von 000000000000 bis 111111111111 (bei 12 Bit Auflösung). Die Nicht-Linearität gibt an, um wie viel Bit die Wandlung schwankt.
Systemrauschen:

Gibt den Codierfehler des AD-Wandlers an.
Beispiel: 5 V müssen bei 4 Bit typischerweise mit 1000 codiert werden! Hat der Wandler ein Rauschen von 1 LSB codiert er 5 V mit 0111, 1000 oder mit 1001.
(LSB = lowest significant bit)

Maximale Eingangsspannung:

Gibt die maximal zulässige Eingangsspannung an den (analogen) Eingängen an. Eine höhere Spannung zerstört die Karte.


VORSICHT! Die Angabe bezieht sich auf einen PC im eingeschalteten Zustand. Ist der PC ausgeschaltet, kann die Spannungsgrenze ggf. niedriger liegen!

Tipps:

  • Um Beschädigungen von wertvollen Messkarten und IT-Komponenten zu vermeiden, empfiehlt sich der Einsatz standardisierter Anschlusstechnik (SAB). Die analogen und digitale SAB I/O-Module entkoppeln die nachgelagerte Messtechnik z.B. durch galvanischer Trennung und Überspannungsschutz.  
 
Allgemeiner Tipp:

Bei einigen Datenblatt-Angaben der Kartenhersteller handelt es sind um theoretische Werte, welche in der Praxis technisch nicht oder nur mit erhöhten Anforderungen an die Systemumgebung realisiert werden können. Erkundigen Sie sich deshalb möglichst in der frühen Konzeptphase die Grenzen der geplanten Messhardware, Anforderungen an die Systemumgebung oder mögliche alternative Messkonzepte!

Für weitere Fragen zur Realisierung Ihrer Messaufgabe steht Ihnen das erfahrene I.E.D-Team gerne beratend zur Verfügung.

Differentielle Spannungsmessung

Grundlage

Bei der differentiellen Spannungsmessung wird die Differenzspannung zwischen zwei Punkten gemessen. Ein Anwendungsfall ist zum Beispiel die Spannungsmessung an einem Widerstand in einer Schaltung (Stichwort Shunt-Widerstand), wo die Potenzialdifferenz an beiden Seiten des Widerstandes ermittelt wird.

Tipp: Im Gegensatz zu Massebezogenen Spannungsmessungen (RSE) werden bei differenziellen Spannungsmessungen in der Regel 2 Kanäle auf der Messkarte eingesetzt. Sollen mehrere Punkte gemessen werden, ist der Einsatz vorgeschalteter Entkopplung und Signalverarbeitung (z.B. mittels standardisierter SAB Eingangsmodule) üblicherweise günstiger als Messkarten mit großer Messkanalanzahl.

 

Detailbeschreibung Differentielle Spannungsmessung

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DMS- und Brückenverstärker

Grundlage

Der Verstärker misst differenziell die Brückenspannung von Vollbrücken (z.B. DMS-Sensoren und Verstärker). Die Brücke wird über eine Referenz gespeist. Durch eine Widerstandsänderung der Brückenwiderstände ergeben sich Änderungen der Brückenspannung. Diese Spannungsänderungen liegen im Bereich von einigen mV. Deshalb muss das Nutzsignal entsprechend verstärkt werden.

 

Verstärker

Die erste Verstärkerstufe bildet die Differenz der Brückenspannungen (+ Uein, - Uein). Die Brückenspannung wird durch den Vorverstärker z.B. mit Faktor = 10 verstärkt. Da die Messbrücken und die Verstärker einen Nullpunktfehler aufweisen, sind Abgleichtrimmer für den Nullpunkt notwendig. Zur weiteren Verstärkung der Brückenspannung sind Gesamtverstärkungen mit den Faktoren =  10, 100 oder 1000 möglich. Ist eine variable Verstärkung gewünscht, so sollte diese Verstärkerstufe mit einem einstellbaren Faktor im Bereich von 1 bis 10 arbeiten und hinter der Gesamtverstärkung angeordnet werden.

Rauschen im Signal kann z.B. über nachgeschaltete Filter vermindert werden. Bei langsamen Messvorgängen sind solche Filter beispielsweise auf fG ~ 5 Hz Grenzfrequenz einzustellen.

Das Blockbild zeigt den möglichen Aufbau eines Verstärkers:

Blockbild Verstärker

 

Betrieb von (DMS-) Sensoren

Sensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS, engl. strain gauge) werden üblicherweise in 4-Leitertechnik angeschlossen. Da der Widerstandswert von DMS Sensoren zwischen 120 Ohm und 700 Ohm liegt, ist der gesamte Brückenwiderstand klein. Werden die Sensoren in großer Entfernung zu den Brückenverstärkern installiert, beeinflussen die Kabellängen die Referenz- und Brückenspannung. Um dieses auszugleichen, kann die Brücke in 6-Leitertechnik angeschlossen werden. Dabei wird mit einem zusätzlichen Adernpaar Uref und GND direkt an der Brückenschaltung ausgeregelt.

Die Brückenspannung Ub wird zwischen den zwei Halbbrücken gemessen. Bezogen zur Masse (GND) ist die Brückenspannung die Differenz zwischen +Uein und -Uein.

Schematischer Aufbau von Brückenschaltungen:

 

Berechnungsbeispiel

Vorgabe:

Der Sensor wird - wie zuvor beschrieben - an einen DMS-Verstärker angeschlossen. In den Unterlagen zum Sensor gibt es Angaben über dessen Empfindlichkeit. Die Brückenempfindlichkeit wird mit xxx mV/V für einen Messwert angegeben, z.B.: 1,675 mV/V bei 30 kN (Werksangabe).

 

Berechnung der maximalen Ausgangsspannung:

Mit einer Referenz von 10,0 Volt ergeben sich somit:
1,675 mV/V * 10V = 16,75 mV bei 30 kN.

Zur Skalierung kann der Wert :
16,75 mV / 30 kN = 0,558 mV/kN verwendet werden.

Wird dieses Eingangssignal mit 100 verstärkt, so ist die Ausgangsspannung:
UA = 0,558 mV/kN * 100 = 55,8 mV/kN.

Der Sensor ist maximal für 40 kN (Hinweis: Werksangaben beachten! Nicht immer ist der Kalibrierwert - hier 30 kN - auch der Messbereichsendwert) vorgesehen. Als maximale Ausgangsspannung sind:
UMAX = 55,8 mV/kN * 40kN = 2.232 mV oder 2,232 V zu erwarten.

 

Berechnung der Verstärkung:

Die Verstärkung darf nur so groß gewählt werden, dass die Ausgangsspannung den Messbereichsendwert der Messkarte nicht überschreitet. Nach der Verstärkungswahl ist der Nullpunkt am unbelasteten Sensor abzugleichen. Wird die Verstärkung geändert, ist der Nullpunkt zu kontrollieren und ggf. erneut abzugleichen.

In diesem Fall ist die Verstärkung 100 günstig. Soll nur der untere Messbereich genutzt werden, so kann auch die Verstärkung 1000 gewählt werden. Jetzt lassen sich Kräfte wie folgt messen:

0,558 mV/kN * 1000 = 558 mV/kN (Auflösung mit Verstärkung 1000)

10.000 mV / 558 mV/kN = 17,52 kN (maximal zu messende Kraft bei Uaus =10V)

Für die Verstärkung 100 ergibt sich die folgende Messformel:
UA / 55,8 mV/kN = xx kN

z.B. UA = 1,521 Volt, so ergibt sich:
1,521 V / 55,8 mV/kN = 27,26 kN

 

Soll die physikalische Größe als Spannung angezeigt werden, ist wie folgt vorzugehen:

Wie oben beschrieben ist die Verstärkung und der Nullpunkt einzustellen. Nun ist der Sensor zu belasten. Aus der gemessenen Spannung (UA) wird der Messwert errechnet. Die variable Verstärkung zwischen 1..10 kann nun eingestellt werden.

Beim vorherigen Beispiel wurden 1,521 Volt bei einer Kraft von 27,26 kN gemessen. Mit der variablen Verstärkung wird jetzt die Ausgangsspannung von 1,521 Volt so verstärkt, dass 2,73 Volt zu messen sind. Hier ist ebenfalls darauf zu achten, dass der Messbereichsendwert der Messkarte nicht überschritten wird.

 

Auswahl von Brückenverstärkern

  • 5B-, 7B-Module (Montage auf Trägerboard) mit einer Anbindung an Messkarten.
  • Hutschienenmodule für eine feste Verdrahtung (für Schaltanlagen).
  • Verstärkereinschübe für 19-Zoll-Systeme.
  • Minimodule für transportable Mess- und Laborsysteme.
  • Handmessgeräte mit Analogausgang

 

 

Effektivwertmessungen (RMS)

Grundlage

Die Effektivwertmessung misst das "Heizpotential" einer angelegten Spannung. Bei einer echten Effektivwertmessung wird die in einem Widerstand durch die Spannung auftretende Verlustleistung gemessen. Unabhängig von der Wellenform ist die Leistung proportional zum Quadrat der echten Effektivwertspannung.

 

Hinweis:
Multimeter, die einen Wechselspannungseingang haben (keinen RMS, Ueff), sind so kalibriert, dass sie den echten Effektivwert für Sinus-Signale anzeigen. Für andere Signalformen (Rechteck, Dreieck usw.) wird ein Wert mit einem Fehler angezeigt. Dies sind ca. 4% bei Dreieck, ca. 40% bei Rechteck und ca. 1-3% bei verzerrten Sinussignalen (Kurvenform nicht exakt sinusförmig).

 

Crestfaktor:
Der Crestfaktor ist das Verhältnis zwischen Spitzenwert und Effektivwert einer Wellenform. Crestfaktoren bei: Sinus = 1,414, Dreieck = 1,732. Allgemein gilt: Je größer der Crestfaktor ist, desto größer auch der Anteil der höherfrequenten Signale.

Explorative Datenanalyse

Grundlage

Die klassische Statistik-Wissenschaft will es, dass der Fachwissenschaftler schon vor dem Sammeln seiner Daten explizite Fragestellungen und Hypothesen formuliert, welche dann später beantwortet bzw. 'getestet' werden. Eine gute Datenanalyse jedoch - diese Ansicht setzt sich heute u.a. in den Bereichen Datenerfassung und Data Mining durch - bedeutet viel mehr:

  • Sorgfältige Inspektion der Daten,
  • Überprüfung der sogenannten Voraussetzungen,
  • Identifikation ungewöhnlicher Werte über spezielle Diagnose-Hilfsmittel,
  • Darstellung von Strukturen und Mustern mittels geeigneter Werkzeuge.

 

Dieser Zweig der Datenanalyse, der nichts mit Hypothesen-Testen zu tun hat, ist in letzter Zeit besonders durch den prominenten Statistiker John W. Tukey an der Princeton-Universität unter dem Namen Explorative Datenanalyse (EDA) populär gemacht worden. Er selbst hat eine große Zahl von neuen Analyse-Verfahren entwickelt und diese 1977 zum ersten Mal in der umfassenden Monographie "Exploratory Data Analysis" einer breiten Öffentlichkeit bekannt gemacht.

Filter

Grundlage

Das elektronische Filter hat die Aufgabe, aus einem Eingangssignal bestimmte Signalanteile "herauszulöschen". Genauer gesagt werden diese Signalanteile nur gedämpft.

Wozu werden Filter benötigt?

Von einem Eingangssignal ist ein gewisser Anteil für den Benutzer meist unerheblich bzw. sogar störend, wenn dieser ungewollte Signalanteil das Messergebnis negativ beeinflusst. In der Musikindustrie ist es zum Beispiel notwendig, das niederfrequente Rauschen zu unterdrücken. Dazu benutzt man einen Filter, der nur Frequenzen oberhalb 20Hz "durchlässt". Diese Art Filter nennt man "Hochpass".

Welche Filtertypen gibt es?

Zunächst einmal gibt es digitale Filter und analoge Filter. Im Folgenden sind einige grundlegende analoge Filtertypen aufgezeigt:

 
  • Tiefpass:
 

 

Dämpft hohe Frequenzen. Lässt kleinere Frequenzen "passieren".

 
  • Hochpass:
 

 

Dämpft niedrige Frequenzen. Lässt hohe Frequenzen "passieren".

 
  • Bandpass:
 

 

Dieses Filter lässt nur einen Frequenzbereich durch.

 
  • Kerbfilter:
 

 

Oder auch Bansperre/Notchfilter genannt. Sie unterdrücken einen Frequenzbereich.

Wie funktionieren Filter?

Tiefpassfilter
Am Beispiel eines einfachen Tiefpass (Bild 1a) werden nachfolgend einige Grundlagen erklärt. Ein Kondensator hat für niedrige Frequenzen einen sehr hohen ohmschen Widerstand und entsprechend für hohe Frequenzen einen sehr niedrigen ohmschen Widerstand. Deshalb lässt die Schaltung in Bild 1a niedrige Frequenzen passieren und Hohe nicht. Die Dämpfung ist nicht abrupt, sondern folgt der Kurve im Bild 1b. Ein Tiefpass soll alle Frequenzen oberhalb einer bestimmten Frequenz "löschen". Die Frequenz, bei der das (annähernd) passiert nennt man Grenzfrequenz. Es ist die Frequenz, bei der der ohmsche Widerstand gleich dem kapazitiven Widerstand ist. Bei dieser Grenzfrequenz beträgt die Ausgangsspannung das 0,707-fache (-3db) der Eingangsspannung. Unterhalb der Grenzfrequenz ist der Frequenzgang nahezu geradlinig. Oberhalb fällt er mit 20dB pro Dekade ab. Da der exakte Kurvenverlauf deutlich komplizierter ist, benutzt man zur Charakterisierung eines Filter die vereinfachte Darstellung in Bild 1c. Exkurs: Verstärkung in dB und umgekehrt:

Verst. 0,001 0,01 0,1 0,5 0,707 1 1,413 2 10 100

1000

dB -60dB -40dB -20dB -6dB -3dB 0dB +3dB +6dB +20dB +40dB +60dB

Eine weitere Charakteristik von Filtern ist die Phasenverschiebung. Sie wird oft im Winkelmaß angegeben (0°-360°) und beschreibt die zeitliche Verschiebung des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal. Wie in Bild 1d zu sehen ist, beginnt sie bei 0 Hz mit 0°, erreicht die Grenzfrequenz (fg) bei 45° und nähert sich schließlich der 90°, was zeitlich einer halben Periodendauer entspricht.


Beispiel: Ein 10 Hz-Sinus-Eingangssignal mit 10 V Amplitudenspannung wird also mit einem 10 Hz-Tiefpass derart beeinflusst, so dass am Ausgang ein um 45° verschobenes (d.h. um dt = 0,0125 Sekunden "verspätetes") Sinus-Ausgangs-Signal mit UA = 7,07 V Amplitudenspannung entsteht.

 
Bild 1a-d: Tiefpassfilter Schaltung und Kennlinien

Ein solches "passives" Filter (es enthält keine Bauteile, die eine zusätzliche Spannungsversorgung benötigen) ist von seiner externen Beschaltung abhängig. Wird der Ausgang belastet (z.B. mit einem Widerstand), ändern sich die Eigenschaften des Filters. So ein Filter ist in der Praxis nur bedingt einsetzbar. Bild 1e zeigt einen aktiven Tiefpass mit einem Operationsverstärker. Der Operationsverstärker dient bei dieser Schaltung nur dazu, den Ausgang des Filters vom Eingang unabhängig zu machen.

Bild 1e: Tiefpassfilter Schaltung mit Entkopplung über Impedanzwandler

Das Maß der Dämpfung kann variiert werden, indem man die Ordnung des Filters erhöht. Die Ordnung des Filters wird durch die Anzahl der Kondensatoren oder Spulen in der Schaltung bestimmt. Ein Tiefpass 3. Ordnung beinhaltet demnach 3 Kondensatoren und schwächt das Signal mit 3*20dB=60dB pro Dekade ab. Man kann die Ordnung jedoch nicht beliebig hoch wählen, da die Bauelemente ansonsten nur noch sehr niedrige Toleranzen haben dürften (unter 1%). Diese Toleranzen sind in der Praxis nur schwer zu realisieren. Je nach Anwendung muss also ein guter Kompromiss zwischen geradlinigem Verlauf einerseits und Flankensteilheit andererseits gefunden werden.

Filter werden in drei grundlegende Arten eingeteilt:

1. Bessel-Filter: Bessel-Filter haben ein sehr gutes Einschwingverhalten, da sich ihre Phase nahezu geradlinig mit der Frequenz ändert. Jedoch fällt die Filterkurve nur sehr langsam ab.
2. Butterworth-Filter: Im Durchlassbereich haben Butterworth-Filter den flachsten Verlauf. Das Überschwingen ist vertretbar und der Abfall der Filterkurve gut.
3. Tschebyscheff-Filter: Tschebyscheff-Filter haben einen sehr steilen Abfall der Filterkurve, jedoch auch das stärkste Überschwingen aller Filterarten.


Die Kennlinien der Filter Arten werden in nachfolgendem Bild 2 dargestellt:

Bild 2: Kennlinien Bessel-, Butterworth- und Tchebyscheff-Filter

Hochpass-Filter
Der einfache Hochpass ist das genaue Gegenstück zum Tiefpass. Die Eigenschaften und Kurvenverläufe leiten sich aus denen des Tiefpasses einfach ab und werden hier nicht näher erläutert. Die Schaltung und Kennlinien werden in nachfolgendem Bild 3 dargestellt:

Bild 3: Hochpass-Filter Schaltung und Kennlinien

Bandpass-Filter
Ein Bandpass lässt Frequenzen in einem bestimmten Bereich (Bandbreite) passieren. Bild 4 zeigt die entsprechende Schaltung und die Kurvenverläufe. Als Bandbreite wird der Frequenzumfang definiert, welcher das Eingangssignal um weniger als -3dB dämpft. Die Bandbreite lässt sich mit dem Widerstand R verändern. Je kleiner R, desto schmaler ist die Bandbreite. Geht R gegen 0, so lässt das Filter nur eine Frequenz passieren. Sie lässt sich über die Formel errechnen.

Bild 4: Bandpass-Filter Schaltung und Kennlinien

Kerb-Filter
Ein Kerbfilter hat die Aufgabe, nur einen kleinen Frequenzbereich (oder sogar nur eine Frequenz) zu filtern. Anwendung findet ein Kerbfilter zum Beispiel, um das 50Hz-Netzbrummen zu unterdrücken Es gibt mehrere Möglichkeiten einen Kerbfilter zu realisieren. Eine Möglichkeit ist es, das Eingangssignal vom Bandpass-Ausgangssignal zu subtrahieren (Bild 5). Bei richtigem Verhältnis von R/Ra kann eine vollständige Unterdrückung der Mittenfrequenz erreicht werden.

Bild 5: Kerb-Filter Schaltung

ISO-Verstärker

Grundlage

Isolations- und Trenn-Verstärker eignen sich für Mess-Systeme, bei denen die Messeinheit vor zu hoher Spannung geschützt sein soll. Hohe Spannungen können hierbei sowohl in Form von Messspannungen als auch bei falscher Eingangsbeschaltung im Fehlerfall auftreten. Durch die Verwendung von ISO-Verstärkern werden Masseschleifen vermieden und massefreies Messen ermöglicht (Hinweis: Bei PC-Netzteilen ist der Schutzleiter üblicherweise mit dem Kleinspannungs-GND verbunden, was zu Masseschleifen führen kann). Die isolierte Spannungsmessung wird auch für eingeschleifte Strommessungen verwendet.

Die Messeingänge von ISO-Verstärkern sind galvanisch getrennt. Die Trennung erfolgt zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Verstärker. Ebenso müssen die Eingänge bei Mehrkanal-Systemen gegeneinander getrennt sein.

Die galvanische Trennung der Signale erfolgt über Optokoppler, kapazitive oder induktive Übertragung. Die Spannungsversorgung für die Eingangsbeschaltung der ISO-Verstärker muss ebenfalls galvanisch von der restlichen Schaltung getrennt werden.

 

Kenngrößen

Die maximale Eingangsspannung hängt von der verwendeten Anschlusstechnik ab. Bei nicht isolierten BNC-Buchsen/Steckern dürfen als maximale Eingangsspannung nur UE = ± 40 V angeschlossen werden. Bananenstecker eignen sich bis zu UE = 250 V und isolierte Bananenstecker dürfen bis zu UE = 1000 V verwendet werden.

Auch die Platinen der ISO-Verstärker müssen eine entsprechende Überschlagssicherheit aufweisen. Für eine Überschlagssicherheit von bis zu UÜS = 250 V dürfen die Abstände zwischen dem isolierten Messeingang und einer weiteren Beschaltung d = 3 mm nicht unterschreiten. Bei UÜS = 1000 V Überschlagssicherheit muss der Abstand mindestens d = 5 mm betragen.

 

Tipp: Die isolierten Eingänge können in Verbindung mit verschiedenen Funktionen wie Teilern, Verstärkern oder Temperaturmessung genutzt werden. Außer isolierten Eingängen gibt es auch Funktionen für die isolierte Spannungsausgabe.

LVDT - induktive Sensoren

Grundlage

LVDTs (Linear Variable Differential Transformer) sind Sensoren, die meist in der Weg- bzw. Längenmessung eingesetzt werden. Der Messbereich dieser Sensoren beginnt bei sehr kleinen Strecken (kleiner d = 1 mm) und reicht bis ca. d = 20 Meter. Auch oszillierende Bewegungen mit kleinen Hüben lassen sich gut erfassen. Ebenso zeichnen sich diese Sensoren durch ihre hohe Robustheit aus, welche auch Messungen von dynamischen Größen in schwierigen Umgebungen ermöglicht (Vibrationen, Feuchtigkeit usw.).

 

Bild 1: Skizze LVDT Aufbau und Funktion

 

LVDTs arbeiten mit Hilfe induzierter Spannungen. Eine Primärspule wird mit einer Wechselspannung gespeist. Über einen Kern wird nun eine Spannung in die beiden Sekundärspulen induziert. Die Spannung in den Sekundärspulen ist von der Position des Kerns abhängig. Wirkt dieser auf beide Spulen gleich stark, so wird in beiden Spulen die gleiche Spannung induziert. Verschiebt sich jedoch dieser Kern (z.B. als Folge einer Längenänderung), werden in den Sekundärspulen unterschiedliche Spannungen induziert. Durch die Auswertung dieser Spannungen kann mann auf die Position des Kerns und somit auf die gemessene Strecke schließen.

 

Aufbau des LVDT

In Bild 1 ist der generelle Aufbau eines LVDT zu sehen. Die Primärspule wird mit einer Wechselspannung gespeist. Ist die Position des Kerns genau in der Mitte zwischen den Sekundärspulen, so sind die Wechselspannungen UA und UB gleich groß, jedoch genau gegensinnig. Das bedeutet, dass die resultierende Spannung (UA + UB) Null ist. Bewegt sich nun der Kern z.B. in Richtung Spule A, so wird in Spule A eine größere Spannung als in Spule B induziert. Das Ergebnis ist eine resultierende Wechselspannung, die sich im Verhältnis zur Position des Kerns ändert. Da es sich jedoch um eine Wechselspannung handelt, erhält man keine Polarität der resultierenden Spannung. Daher kann man nicht direkt erkennen, in welche Richtung sich der Kern bewegt hat (siehe Kennlinie Bild 2).

 

Bild 2: Kennlinie LVDT resultierende Wechselspannung

 

Um die Position des Kerns zu bestimmen, wird nun die Phasenlage der resultierenden Spannung mit der Phase der Primärspannung verglichen. Aus dem Ergebnis "in Phase" oder "nicht in Phase" kann nun auf die Kernposition geschlossen werden.

 

Tipp: Zur Auswertung der Wechselspannungssignale und Phasenverschiebungen sowie zur weiteren Verarbeitung und Aufbereitung der Messergebnisse werden üblicherweise fertige Messschaltungen eingesetzt (siehe Signalverstärker).

Pt100 Temperaturmessung

Grundlage

Zum Messen von Temperaturen sind Pt100-Sensoren wegen der grossen Genauigkeit gut geeignet. Der Widerstandswert des Sensors ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei einer Temperatur von 0° C beträgt der Widerstand 100 Ohm. Mit steigender Temperatur steigt auch der Widerstand des Pt100-Sensors. Die Widerstandsänderung ist sehr klein. Ferner ist das Verhältnis der Temperaturänderung zur Widerstandsänderung nicht linear. Üblicherweise werden die Sensoren deshalb mit Temperatur-Messverstärkern betrieben.

 

Anschluss des Pt100-Sensors in 4-Leitertechnik

Der Anschluss der Messleitung zum Pt100 sollte so dicht wie möglich am Pt100 erfolgen. Der Widerstand der Leitungen und der Steckverbindungen verursacht einen Messfehler. Dieser wird durch die Pt100-Messung in Vierleitertechnik vermieden. Voraussetzung ist, dass die Leitungswiderstände 40 Ohm nicht überschreiten. Die Zuleitungswiderstände müssen in der 4-Leitermessung nicht gleich groß sein.

Anschluss des Pt100-Sensors (4-Leiter)

 

Bild 1: Anschluss des Pt100-Sensors (4-Leiter)

  

Anschluss des Pt100-Sensors in 2-Leitertechnik

Werden die Verbindungen I auf +Ue bzw. GND mit -Ue direkt an den Buchsen hergestellt, so ergibt sich der Anschluss als 2-Leiter. Der 2-Leiteranschluss korrigiert nicht die Zuleitungswiderstände zum Pt100. Es wird somit eine höhere Temperatur als die tatsächliche angezeigt. Je höher die Zuleitungswiderstände sind, desto größer ist der Fehler. Sind die Zuleitungswiderstände bekannt, so kann der Fehler mit einem Offset korrigiert werden. Als Korrekturwert kann mit 0,39 Ohm je °C gerechnet werden.

Anschluss des Pt100-Sensors (2-Leiter)

 

Bild 2: Anschluss des Pt100-Sensors (2-Leiter)

  

Anschluss des Pt100-Sensors in 3-Leitertechnik

Der Pt100 Sensor kann auch in 3-Leitertechnik angeschlossen werden. Dabei wird entweder eine Brücke zwischen I und +Ue oder GND und -Ue verwendet. Die 3-Leitertechnik unterbindet ebenso wie die 4-Leitertechnik den Messfehler der Leitungen und der Steckverbindungen. Voraussetzung ist, dass die Leitungswiderstände 20 Ohm nicht überschreiten. Die Zuleitungswiderstände müssen auch nahezu gleich groß sein.

 

Linearisierung

Das Sensorsignal eines Pt100-Sensors ist über den gesamten Messbereich nicht linear. Dieser Fehler muss mit einer Linearisierung des Signals ausgeglichen werden. Diese Linearisierung kann als Hardware oder Software (in einem Messwerterfassungsprogramm) realisiert werden.

 

Vorteile der Pt100-Sensoren

  • Hohe Genauigkeit
  • Hohe Langzeitstabilität
  • Keine besonderen Anschlüsse

 

Realisierung einer Temperaturmessung mit Pt100-Fühlern

  • 5B-, 7B-Module (Montage auf Trägerboard) mit einer Anbindung an Messkarten.
  • Hutschienenmodule für eine feste Verdrahtung (für Schaltanlagen).
  • 4-, 8- und 16 Kanal-Panelplatinen für den direkten Betrieb mit Messkarten.
  • Minimodule für transportable Mess- und Laborsysteme.
  • Handmessgeräte mit Analogausgang.

Sensormessung

Grundlage

Oft kommt es vor, dass physikalische Größen, wie zum Beispiel Druck und Temperatur zu messen sind. Möchte man die Messergebnisse mit dem PC auswerten oder anderweitig bearbeiten, so benötigt man eine Methode, mit welcher man physikalische Größen in elektrische Größen wandeln kann. Für diese Wandlung werden Sensoren eingesetzt. Beispielsweise liefert ein Temperatur-Sensor - je nach Temperatur - eine zugehörige Spannung. Ein Druck-Sensor liefert - je nach Druck-Belastung - eine zugehörige Spannung. Ist der funktionelle Zusammenhang zwischen Sensorgröße und Spannung (z.B. im Idealfall linear) bekannt, so kann man die Messdaten elektrisch erfassen.

 

Beispiel Temperatur-Sensor

Ein möglicher Sensor zur Messung von Temperaturen ist der Pt100-Widerstand. Dieser Widerstand ändert je nach Temperatur seinen Wert. Somit fällt über den Widerstand je nach gemessener Temperatur eine andere Spannung ab.

Da die genannte Spannungsänderung sehr klein ist und sich die Spannung nicht linear zur Temperatur ändert, benötigt man eine Steuerschaltung, welche die Spannung verstärkt und den Zusammenhang linearisiert (z.B. Sensorverstärker). Die Charakteristik kann dann wie folgt beschrieben werden: Temperatur 0 °C - 100 °C in Spannung 0 V - 10 V. 

 

Sensoren mit Stromausgang

In der industriellen Mess- und Steuerungstechnik sind Sensorschaltungen, die einen zur Eingangsgröße proportionalen Strom liefern, aufgrund ihrer Störunempfindlichkeit weit verbreitet. So wird die Steuerschaltung häufig so realisiert, dass sie für den Temperaturbereich von z.B. 0 °C - 100 °C einen definierten Strom von 4 mA - 20 mA liefert.

Verwendet man eine Sensorschaltung, die einen zur Eingangsgröße proportionalen Strom liefert, so ist deren Handhabung gegenüber den spannungliefernden Sensorschaltungen anders. Messkarten haben stets Spannungseingänge (siehe Grundwissen AD-Messkarten). Damit ist es möglich, Sensorschaltungen mit Spannungsausgang direkt an eine Messkarte anzuschließen. Möchte man eine stromliefernde Sensorschaltung an einer Messkarte betreiben, muss der Strom zunächst über einen Widerstand (dieser wird auch als Shuntwiderstand bezeichnet) "abfließen". Die Spannung, die zum fließenden Strom proportional ist, kann nun über dem Shuntwiderstand gemessen werden, da bekanntlich die Formel U = R * I gilt.

ACHTUNG: Man darf eine stromliefernde Sensorschaltung NICHT DIREKT an einer Messkarte (bzw. einem Spannungsmesser) betreiben!

Spannungs-Messgeräte haben einen besonders hohen Innenwiderstand. Hierdurch wird garantiert, dass durch die Spannungs-Messgeräte kein Strom fließt, welcher die Eigenschaften der Sensorschaltung und die Messung beeinflussen würde. Wird ein Spannungs-Messgerät an einer Stromquelle betrieben, so fällt über ihr eine sehr hohe Spannung ab (vgl. Formel U = R * I). Die Stromquelle kann aber nur eine begrenzte Leistung liefern. Diese wird auch als Bürde bezeichnet (vgl. P = U * I = R * I * I). Ist der Widerstand (R) zu groß, so wird die benötigte Leistung zu groß und die Stromquelle funktioniert nicht mehr. Zur Strommessung (Spannungsmessung über Shunt-Widerstand) werden deshalb möglichst kleine Widerstände eingesetzt über welche der Strom "abfließen" kann.

 

 

Digitale Ein- / Ausgänge - Pegel und Tipps

Grundlage

Alte Elektronikerweisheit: Wer misst, misst Mist...

Insbesondere digitale Ein- und Ausgänge sind nicht immer nur High oder Low. Der Ausgang muss mit dem Eingang bezüglich Spannungs-Pegel „zusammenarbeiten“. Es gibt diverse Normen, welche die jeweils korrekten Pegel beschreiben. Nachfolgend werden Beispiele und Probleme aufgezeigt.

Nicht immer ist Low = 0 V. Beispielsweise darf bei TTL-Pegeln der Ausgang (Sensor, Logikgatter) bei Low max. UA = 0,4 V betragen. Wird diese Vorgabe - bedingt durch Störungen oder andere Effekte - nicht erfüllt, so funktionieren die Eingänge nicht korrekt.

Auch Sensoren und Schaltungen mit höherer Speisung (z.B. 24 V) müssen sich an die normierten Pegelvorgaben halten - zu hohe Pegel könnten ansonsten zur Zerstörung der Messeingänge führen.

 

TTL-Pegel für Low und High

Eine hohe Spannung ist als High-Pegel (in positiver Logik eine logische 1) definiert, eine niedrige Spannung wird als Low-Pegel bezeichnet (in positiver Logik eine logische 0). Die Schaltkreise sind so dimensioniert, dass Eingangsspannungen UE < 0,8 V als Low-Pegel und UE > 2,0 V als High-Pegel erkannt werden. Die Ausgangsspannung beträgt typisch UA < 0,4 V für den Low-Pegel und UA > 2,4 V für den High-Pegel bei der zulässigen Last. Der statische Störabstand beträgt somit sowohl für High- als auch für Low-Pegel 0,4 V (Quelle: Auszug Wikipedia).

Tabelle 1 (Quelle: Auszug Wikipedia):

Angaben in Volt Eingang (Messkarte) Ausgang (Sensor, Logik)
Technologie Low (VIL) High (VIH) Low (VOL) High (VOH)
TTL 5 V ≤ 0,8 ≥ 2,0 ≤ 0,4 ≥ 2,4
CMOS 5 V ≤ 1,5 ≥ 3,5 ≤ 0,5 ≥ 4,44
LVTTL 3,3 V ≤ 0,8 ≥ 2,0 ≤ 0,4 ≥ 2,4

 

Werden diese Pegel nicht eingehalten oder sind Störungen auf der Leitung, kommt es zu Fehlmessungen. Gerade digitale Eingänge, die in der Regel sehr schnell sind, reagieren auf extrem kurze Störungen (Nadeln). Manchmal sind die Nadeln so kurz, dass man diese nur mit einem Gigasample-Oszilloskop sehen kann.

 

Pegel von typischen Signalgebern

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Standardverdrahtung eines Sensors oder Signalgebers, welcher einen (ggf. isolierten) open collector (o.c.) als Ausgang hat, mit einem optoelektronisch isolierten Digitaleingang.

Standardbeschaltung isolierter Stromausgang

 

Bild 1: Standardbeschaltung eines isolierten Sensorausgangs

 

Problem: Durch den Leckstrom des Transistors (siehe Unterlagen des Herstellers) ist der Low-Pegel angehoben. Mit hochohmigen Messgeräten kann man bis zu 90% der Versorgungsspannung messen, obwohl der Transistor sperrt.

Abhilfe:

Ein Lastwiderstand, welcher den Leckstrom gegen Masse ableitet.

  

Standardbeschaltung isolierter Sensorausgang mit Lastwiderstand

 

Bild 2: Standardbeschaltung eines isolierten Sensorausgangs mit Lastwiderstand

 

Beispiel:

Leckstrom 100 µA
Speisung 24 V

Spannungspegel, welcher sicher als Low erkannt wird

0,2 V

 

Formel:          R1 = 0,2 V / 100 µA = 2,0 kΩ

Nun ist noch der maximal zulässige Strom zu beachten (siehe Unterlagen des Herstellers), wenn der Transistor schaltet.

Formel:          I = 24 V / 2,0 kΩ = 12 mA

Zu diesem Strom muss noch der Eingangsstrom von ca. 6 mA eines ggf. verwendeten Eingangs-Optokopplers berücksichtigt werden. Durch den Schalttransistor fließen also ca. 12 mA + 6 mA = 18 mA.

Achtung: Der Eingangsoptokoppler schaltet ab ca. 0,3...1 mA. Damit der Optokoppler seinen großen Eingangsbereich von 3...30 V erreicht, ist der Strom auf maximal 6 mA begrenzt.

Die nachfolgende Abbildung zeigt weitere Auswirkungen, wenn der Widerstand fehlt.

Signalcharakteristik TTL mit unterschidlichen Lastwiderständen

 

Bild 3: Rot: langsame negative Flanke, orange: langsame positive Flanke, grün: steilflankige Kurve

 

Ist kein Widerstand vorhanden oder ist der Widerstand zu klein, kann das Signal eine langsame negative Flanke bekommen, wie in Bild 3 - Graph 1 zu sehen ist. Wurde ein passender Lastwiderstand gewählt, sollte das Signal wie in Bild 3 - Graph 3 aussehen.

Der digitale Eingang kann ebenfalls invertiert betrieben werden. Dieser Fall tritt auf, wenn der Schalttransistor des Signalgebers fest mit Masse verbunden ist.

Digital Invertierte Beschaltung

 

Bild 4: Invertierende Beschaltung

 

Diese Beschaltungsform hat den Vorteil, dass der Leckstrom des Transistors keine Auswirkungen auf den digitalen Eingang hat und der Aufbau weniger anfällig für Störungen ist, weil hier direkt und aktiv gegen Masse geschaltet wird. Der Nachteil dieser Beschaltung ist, dass das Signal invertiert gemessen wird und dass hier auf die VCE(sat) Spannung des Ausgangstransistors zu achten ist (siehe Unterlagen des Herstellers). Ist die Spannung VCE(sat) z.B. 1,0V, erkennt der digitale Eingang kein Low-Signal mehr.

 

Beispiel:

Speisung 24 V
Maximaler Schaltstrom des Transistors 20 mA

 

Formel:          R1 = 24 V / 20 mA = 1,2 kΩ

Bei R1 = 1,2 kΩ fließen im Low-Fall also I = 20 mA. Im High-Fall ist der Stromfluss auf I = 6 mA begrenzt, um den Eingangsoptokoppler zu schützen. Die Spannung, welche im High-Fall über dem digitalen Eingang zu messen ist, errechnet sich mit der nachfolgenden Formel.

Formel:          Uein = 24 V – (1,2 kΩ * 6 mA) = 16,8 V

Im High-Fall liegen Uein = 16,8 V am digitalen Eingang an. Dies reicht für einen High-Pegel, da der Eingangsoptokoppler einen High-Pegel ab 3,0 V erkennt.

Ist hier der Widerstand zu klein, wirkt sich dies negativ auf die positive Flanke aus, wie in Bild 3 - Graph 2 zu sehen ist.

Die effektivste Lösung ist ein Sensor oder Signalgeber mit einer aktiven Push-Pull-Ausgangsschaltung.

Sensor mit Push-Pull-Schaltung

 

Bild 5: Sensor mit Push-Pull-Schaltung

 

Tipp: Die Push-Pull-Schaltung (Bild 5) ist die stör-unanfälligste, da die Signale aktiv gegen die Speisung bzw. gegen die Masse geschaltet werden. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist, dass der Leckstrom, welcher durch den oberen Transistor fließt, vom unteren Transistor gegen Masse abgeleitet wird. Unabhängig von der Last sieht die Signalverlaufsform immer einwandfrei aus, wie Bild 3 - Graph 3 zu sehen ist.

Schutzmaßnahmen

Grundlage

Zum Schutz von messtechnischen Hardwarekomponenten gibt es grundsätzlich die zwei Schutzoptionen Eingangsschutz und Übersteuerungsschutz.

 

Eingangsschutz

Überspannungen an Eingängen, z.B. durch Fehlbedienung oder statische Endladung (ESD), können ein angeschlossenes Mess-System bzw. die Messkarte zerstören. Um dies zu verhindern, muss eine entsprechende Schutzschaltung verwendet werden, die zwei Aufgaben erfüllt. Die Schutzschaltung muss zum einen vor kurzzeitig sehr hohen Spannungen schützen (Peaks von mehreren kV) und zum anderen vor dauerhaften DC-Überspannungen (im Bereich mehrerer hundert Volt).

 

Übersteuerungsschutz

Wenn z.B. an einem Messverstärker ein Eingang nicht beschaltet wird, kann es zu Übersteuerung des Ausgangssignals kommen. Liegt diese Übersteuerung dann außerhalb des Messbereiches der Messkarte (z.B. ±10 V), so kann es zum 'Übersprechen' der Eingänge der Messkarte kommen. Messungen haben ergeben, dass dieses Problem schon auftreten kann, wenn der Messbereich nur um 1 V überschritten wird. Der Übersteuerungsschutz hat nun die Aufgabe, den beschriebenen Effekt zu verhindern, indem dieser dafür sorgt, dass das Eingangssignal der Messkarte nicht den vorgegebenen Messbereich überschreitet.

Thermoelemente

Grundlage

Thermoelemente eignen sich zum Messen von Temperaturen zwischen -200 °C und mehr als 1000 °C. Ein Thermoelement besteht lediglich aus zwei fest miteinander verbundenen Drähten verschiedener Metalle.
An dieser Verbindungsstelle entsteht eine sehr geringe Spannung. Die Spannung ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Klemmstelle (Messgerät) und dem Thermoelement (Verbindungsstelle zweier Metalle). Durch eine Messung der Thermoelement-Spannung lässt sich somit die Temperatur des Thermoelements bestimmen. Die Spannung ist nichtlinear proportional zur Temperatur. Je nach Thermoelementtyp und verwendetem Messbereich ergeben sich Abweichungen.

Thermopaar

(ANSI)

Verbindungsmetalle

Temperaturbereich

(°C)

Ausgangsspannung

(µV/°C)

K Nickel-Chrom ~ Nickel-Aluminium -180 ... +1350 40,6
J Eisen ~ Kupfer-Nickel -180 ... +750 51,7
T Kupfer ~ Kupfer-Nickel -250 ... +400 44,5
E Nickel-Chrom ~ Kupfer-Nickel -40 ... +900 76,4


 

Klemmstellenkompensation

Bei dem Anschluss eines Thermoelementes an eine Messeinheit entstehen an der Klemmstelle zwei weitere unerwünschte Thermoelemente. Die Klemmstelle ist der Verbindungspunkt des Thermoelements mit der Platine/Messeinheit. Für die Kompensation der Klemmstellentemperatur gibt es verschiedene Ansätze. Die Klemmstellentemperatur kann mit einem weiteren Thermoelement mit identischem Kennwert (welches sich im Eiswasser befinden muss) kompensiert werden. Anstatt eines zweiten Thermoelements kann auch eine elektronische Kompensation erfolgen. Die einfachste Lösung ist aber die Kompensation mit einem IC, welches die Klemmstellentemperatur zur Thermoelementtemperatur addiert.

Als Beispiele seien hier die Bausteine LT1025 oder AD594/595 genannt.

Bei einigen Verstärkern für Thermoelemente wird die Klemmstellentemperatur direkt auf diesen gemessen und zum Temperaturwert addiert. Somit ist die Ausgangsspannung des Moduls die nichtlinearisierte absolute Temperatur des Thermoelements.

Die weitere Verarbeitung der zur Temperatur proportionalen Messspannung erfolgt dann über Messwerterfassungskarten. Die Daten können dann von einer Messwerterfassungssoftware auf einem PC verarbeitet werden. Diese Programme übernehmen die Linearisierung, die Darstellung und Speicherung der Temperaturdaten. Bei Bedarf können diese Daten auch gefiltert werden.

 

Linearisierung

Je nach Temperaturbereich oder Genauigkeitsanforderung sollte die Linearisierung der Software verwendet werden. Die meisten Software-Linearisierungen für Thermoelemente erwarten als Eingangswerte die nicht verstärkte Thermospannung. Das Thermoelement vom Typ K hat z.B. eine Ausgangsspannung von 40,6 µV/°C. Linearitätsfehler sind hier nicht berücksichtigt. Diese kleinen Spannungen können von den Messkarten nicht gemessen werden. Deshalb wird die Thermospannung auf den Verstärkermodulen verstärkt. Die Module liefern Ausgangsspannungen von z.B. 10 mV/°C bis 100 mV/°C (je nach dem gewünschten Messbereich). Damit die Software-Linearisierung den richtigen Wert bekommt, sind die Ausgangsspannungen softwaremäßig entsprechend zu teilen.

 

Realisierung

Die nachfolgende Abbildung zeigt in allgemeiner Form als Beispiel unter DASYLab einen softwarseitigen Aufbau eines Thermoelement-Messkanales. Der Aufbau gilt für Software-Pakete, die mit "Modulen" oder "Ikonen" arbeiten.

 

Soll das Messergebnis softwaremäßig kalibriert werden, so wird der Messwert zuerst in seinem Nullpunkt verändert (Offseteinstellung). Hiernach kann der Endwert (Verstärkung) eingestellt werden. Die Verstärkung kann über ein Teilermodul erfolgen.

 

Filterung von Störungen

Da die Messspannungen im µ-Voltbereich liegen, wird das Messsignal sehr hoch verstärkt. Dies gilt auch für Störungen. Auf dem Panel befinden sich bereits Filter, die die Störungen stark unterdrücken. Die verbleibenden Störungen müssen über eine softwaremäßige Filterung oder Mittelung reduziert werden. Softwaremäßig kann über eine gleitende oder blockweise Mittelung bzw. durch Filter der Störungseinfluss reduziert werden.

 

Hinweise und Tipps

Um die Softwareeinstellungen (Messsetup) auf die richtige Funktion zu testen, kann ein kurzgeschlossener Kanal gemessen werden. Diese Kanäle messen 0 Volt und haben somit als Anzeigeergebnis die Klemmstellentemperatur. Diese liegt ca. zwischen 20 °C - 30 °C (abhängig von der Geräteinnentemperatur).

Wird eine stark abweichende Temperatur gemessen, so sind ggf. Einstellungen wie z.B. Messbereich der Karte, Panelverstärkung, Klemmstellenkompensation usw. nicht korrekt eingegeben.

Eine weitere Testmöglichkeit ist, die Temperatur von Eiswasser zu messen. Die Sensoren im Wasser müssen dann 0 °C messen. Einfacher können die Eingänge mit einem ggf. vorhandenen Kalibrator getestet werden.

 

Sensoren

Als Sensoren sind Thermoelemente, die isoliert aufgebaut sind, am besten geeignet. Diese Sensoren haben einen Metallmantel, der Störeinflüsse minimiert. Wird ein ge­schirmtes Kabel verwendet, so ist der Schirm mit dem Schutzleiter (oder Signal GND) zu verbinden.

Erfolgt der Anschluss an die Messeinheit (Gehäuse) nicht über Thermoverbindungen (DIN-Buchse mit gleichen Metallen wie das Thermoelement), ist Folgendes zu beachten:
Werden z.B. Verbindungen von Lemo verwendet, so müssen die Temperaturen der Buchse und des Steckers identisch sein. Um Temperaturunterschiede zu verhindern, bitte Folgendes beachten:

  • Das Gerät nicht in der Nähe von Heizungen (Wärmequellen) betreiben.
  • Das Gerät - speziell die Thermoeingänge - nicht durch Lampen anstrahlen.
  • Die Stecker nicht zu lange in der Hand behalten (Erwärmung).

 

Vorteile der Thermoelemente

  • Grosser Temperaturbereich
  • Preiswert
  • Kleine Mess-Stelle
  • Schnelle Reaktion

 

Realisierung einer Temperaturmessung mit Thermoelementen

  • 5B-, 7B-Module (Montage auf Trägerboard) mit einer Anbindung an Messkarten.
  • Hutschienenmodule für eine feste Verdrahtung (für Schaltanlagen).
  • 4-, 8- und 16-Kanal Panelplatinen für den direkten Betrieb mit Messkarten.
  • Minimodule für transportable Mess- und Laborsysteme.
  • Handmessgeräte mit Analogausgang.

Verstärker- / Teiler- / Strom- Eingang

Grundlage

Verstärker und Teiler dienen zur Konditionierung elektrischer Signale. Üblicherweise werden Verstärker und Teiler eingesetzt, um Eingangspegel mittels geeigneter Schaltungen in definierte Ausgangspegel (z.B. Industriepegel) zu wandeln.

 

Verstärker

Verstärker werden eingesetzt, wenn nur sehr kleine Spannungen als Eingangssignal zur Verfügung stehen. Erhält man von einem Sensor nur eine sehr kleine Spannung (z.B. im mV- oder µV-Bereich), ist es aufwändig und schwierig dieses Signal z.B. über ein längeres Kabel einer Messkarte zuzuführen (Stichworte: Leitungsverluste, EMV, Schirmung). Bei solch kleinen Signalen ist deshalb die Gefahr gegeben, dass durch die Kanaleigenschaften (Widerstand und Kapazität) der Leitung das Signal verfälscht wird. Wenn man das Signal jedoch zuerst verstärkt und dann überträgt, können diese Einflussfaktoren in der Regel vernachlässigt werden.

 

Teiler

Sollen hohe AC- oder DC-Spannungen gemessen werden, welche größer als der verfügbare Messbereich der eingesetzten Messkarte sind, wird eine Teilerstufe benötigt. Diese ermöglicht es, z.B. eine Spannung von U = 1000 V mit einer Messkarte zu messen, deren Messbereich z.B. nur bei ±10 V liegt.

 

Beispiel:

Wenn eine Spannung von 230 VAC (Ueff) gemessen werden soll, entspricht dies einer Spitze-Spitze-Spannung von USS = ±325 Vss. Zuzüglich einer geplanten Sicherheitsreserve für die Messschaltung ergibt sich somit eine Spannung von USS = ±350 Vss.

Bei einer Messkarte mit einem Messbereich von ±10 V ist also mindestens eine Teilerstufe von 1/35 nötig. Mit der Teilerstufe wird die große Eingangsspannung auf einen kleineren Messbereich skaliert. Anschließend muss diese Teilerstufe natürlich durch die Messsoftware wieder kompensiert bzw. "herausgerechnet" werden, um die gemessene Spannung auch 1:1 darstellen zu können.

Hinweis: Probleme mit Teilerstufen können auftreten, wenn kleine Teiler (z.B. 1/2 ... 1/5) realisiert werden, da hier der Eingangswiderstand kleiner wird, und somit die Schaltung vor dem Eingang beeinflusst werden kann.

 

Strommessung

Für die Strommessung stehen die nachfolgenden zwei Verfahren zur Auswahl:

 

Stromshunt

Bei der Strommessung über einen Stromshunt wird der Strom in eine messbare Spannung gewandelt (siehe Formel U = I * R). Das bedeutet, dass der zu messende Strom über einen sehr genauen Widerstand (Shunt) fließt. Dadurch fällt über dem Shunt eine Spannung ab, die im direkten Verhältnis zum zu messenden Strom steht.

 

Beispiel:

Soll ein Strom von max. 20mA gemessen werden und ein Messbereich von ±10 V steht zur Verfügung , wird ein Stromshunt mit R = 500 Ohm benötigt (R = 10 V / 20 mA). Um bei der Analyse den gemessenen Strom zu erhalten, muss mit der Messsoftware die gemessene Spannung wieder umgerechnet werden. In diesem Beispiel wird der erfasste Messwert durch den Faktor 500 geteilt.


Neben dem Messbereich ist bei der Strommessung mit Shunt vor allem auf die Leistung zu achten, welche über dem Stromshunt anfällt. Wenn man z.B. 10 A mit einem 1 Ohm Shunt messen möchte, muss der Shunt bereits für einen Leistungsbereich bis 10 W ausgelegt sein. Wird alternativ mit einem 0,1 Ohm Shunt gemessen, muss der Leistungsbereich des Widerstandes nur für 1 W ausgelegt sein (Faktor 10).

 

LEM-Modul

Das LEM-Modul eignet sich nur zum Messen von Strömen ab ca. 5A. Das Modul arbeitet mit Hilfe von induzierten Spannungen. Der Strom durchfließt das Modul und induziert dabei in einer zweiten Spule eine Spannung. Die induzierte Spannung wird über eine Messschaltung ausgewertet.


Tipp: Wenn die Genauigkeit das Kriterium für den Einsatz ist, sollte man auf den Stromshunt zurückgreifen. Ebenso bei Strömen kleiner 5A. Der Vorteil von LEM-Modulen liegt in der Eigenschaft, dass es mit ihnen möglich ist, isoliert zu messen. Standardisierte SAB Module zur Strommessung ermöglichen Signalwandlung und Aufbereitung sowie Erfassung über einen Messkanal (RSE).

 

 

Einführung in die Messtechnik

Weiterführende Informationen

Einführung in die Messtechnik im PDF-Format, Folien zum Vortrag "Elektrische Messung physikalischer Grössen"
von © Dr. Thomas Wiesner.

Das folgende PDF-Dokument ist ein Auszug aus unseren Schulungsunterlagen:

 

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