technologiereferat

TECHNOLOGIEREFERAT
THEMA: MESSWERTAUFNAHME
MAXIMILIAN KERN
Herr Hollubarsch
Technologiereferat
Herr Hollubarsch
19.01.1998
Maximilian Kern
Inhaltverzeichnis
1.
Meßwertaufnehmer
1.1. Das Prinzip der Meßwertaufnahme
1.2. Der Begriff Meßwertaufnehmer
2.
Wegaufnehmer
2.1. Der Ohmsche Wegaufnehmer
2.2. Induktive Wegaufnehmer
2.3. Kapazitive Wegaufnehmer
2.4. Induktive Näherungssensor
3. Meßwerte
3.1.
Meßwertaufbereitung
3.2.
Meßwertübertragung
Anhang: Folie
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1.1. Das Prinzip der Meßwertaufnahme
• Der Sensor nimmt die physikalische
Größe (z.B. Temperatur)
auf.
• Eine Anpaßschaltung besteht aus Filter
und Verstärker und sorgt so für ein
entstörtes, verstärktes und genormtes
Ausgangssignal. Je nach Einsatzgebiet
kann das analoge Signal auch mittels
eines A/D-Wandler in ein digitales Signal
umgewandelt werden.
• An letzter Stelle steht die Ausgabe des
Signal durch Zeiger (analog) oder
Digitalanzeigen.
Meßwertaufnehmer
Anpaßschaltung
Ausgeber
Darstellung einer Meßkette
Eine Meßkette besteht aus Meßkettenglieder. Jedem dieser Glieder wird ein sogenannter
Meßgliedkoeffizient C zugeordnet. Er wird durch folgende Rechnung ermittelt:
C=
Eingangsgröße
Ausgangsgröße
Beispiel bei einem Thermoelement: C =
20 K
K
= 10
2mV
mV
1.2. Der Begriff Meßwertaufnehmer
Man unterscheidet bei Sensoren zwischen passiven und aktiven Meßwertaufnehmer.
Die passiven Meßwertaufnehmer ermitteln indirekt die Meßgröße und lassen sich in drei
Kategorien unterteilen:
•
Ohmsche Meßwertaufnehmer: Der Widerstand ändert sich durch mechanische
Einflüsse. Die zu messende Größe wird durch diese Widerstandsveränderung
festgestellt.
•
Induktive Meßwertaufnehmer: Die zu messende Größe wird durch die Veränderung
der Induktivität ermittelt, die durch Verschiebung des Eisenkerns hervorgerufen
wird.
•
Kapazitive Meßwertaufnehmer: Die Meßgröße wird anhand der Kapazitätsänderung
durch die mechanische Abstandsänderung der Kondensatorplatten bestimmt.
Die aktiven Meßwertaufnehmer erzeugen direkt eine zur physikalischen Meßgröße
proportionale Spannung.
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2.1. Der Ohmsche Wegaufnehmer
Ein Ohmscher Wegaufnehmer dient zur Messung von Strecken, Position, Winkel.
Problemstellung:
Ein zurückgelegter Weg bzw. eine bestimmte Position
beispielsweise eines Druckerwagens soll ermittelt werden.
Ansatz:
Eine Spannung muß in Abhängigkeit des Weges bzw. der Position des
Wagens gebracht werden.
Ein Widerstandsdraht wird an die Spannung U angeschlossen. Ein
Realisierung:
sogenannter
Wegaufnehmer
greift
einen
Teil
des
:
Widerstandsdrahtes ab.
Die Spannung U2 ist proportional zur Länge l2.
Schleifer
U
l
l2
U2
Formel:
Es gilt die sogenannte Spannungsteilregel.
l
errechnet, wobei γ die
γ ⋅q
spezifische Leitfähigkeit des Widerstandsdrahtes ist und q der Querschnitt des Leiters.
l
Der Widerstand Teilstückes l2 läßt sich also mit R2 = 2 ermitteln.
γ ⋅q
R2
U U2
.
Logischer Weise ist
=
→ U2 = U ⋅
R R2
R
U
Setzt man nun R und R2 ein, erhält man U 2 = ⋅ l2 .
l
Man sieht, je größer l2 ist, desto größer ist U2; sie sind proportional.
Der Widerstand des gesamten Drahtes wird durch R =
Diese Proportionalität gilt nur dann, wenn der Spannungsteiler unbelastet ist, d.h. er besitzt
keinen Widerstand. Die Proportionalität wird allerdings annähernd bei einem hochohmigen
Spannungsteiler erreicht. Als Spannungsteiler bezeichnet man den Teil zwischen dem
Spannung U2 gemessen wird.
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Der Nachteil beim Widerstandsdraht besteht darin, daß nur geringe Widerstandswerte (R2)
erreicht werden und dadurch eine geringe Präzision gewährleistet ist. Eine Alternative hierzu
ist es, wenn man einfach den Draht zu einer Wendel verformt. Der einzige Nachteil
wiederum ist es, daß der sogenannte Schleifer beim „springen“ von Windung zu Windung
den Widerstandswert nur sprunghaft ändert (siehe Abbildung rechts).
Abhilfe schafft ein Schleifdraht, ein aus Leitplastik
bestehendes Material, welches durch Einlagerung
von Kohle leitet. Mehrere Kontaktfinger sorgen für
einen guten Kontakt zwischen Schleiferdraht und
Schleifer.
(Siehe auch Folie Abb. 1 (Schleifdraht), 2 (wendelförmiger Widerstandsdraht))
2.2. Induktive Wegaufnehmer
Ein induktiver Wegaufnehmer mißt den zurückgelegten Weg anhand der
Induktivitätsveränderung. Er besteht aus einem beweglichen Eisenkern (Anker) der von
meistens zwei Spulen ummantelt ist. Die Induktivität ist abhängig von der Leitfähigkeit des
Eisenkerns, der Anzahl der Windungen
und den Abmessungen der Spule. Diesen
Aufbau
nennt
man
auch
L1
R3
Tauchankergeber.
Um nun einen Weg messen zu können U
U2
muß
dieser
Komplex
in
eine
R4
L2
Brückenschaltung
(siehe
rechts)
eingebaut werden. Wird der Eisenkern
(schwarzer Balken) nun verschoben, so
entsteht eine Brückenspannung U2. U2
ist gleich null, wenn sich der Eisenkern
in Mittelstellung befindet. Abbildung 3 der Folie zeigt die Kennlinie der Brückenspannung
U2, wenn der Eisenkern in der oberen bzw. unteren Stellung ist. Abbildung 4 zeigt den
Verlauf von U2 bei Mittelstellung des Eisenkerns. Abbildung 5 zeigt den
phasenverschobenen Verlauf von U2 bei unterer bzw. oberer Stellung des Eisenkerns.
2.3. Kapazitive Wegaufnehmer
A
zur Berechnung der Kapazität (Einheit [F] =
d
Farad) eines Kondensators näher betrachtet, erkennt man, daß die Kapazität C mit Abnahme
des Kondensatorenplattenabstands d zunimmt. Auf dieser
Tatsache beruht das Prinzip des kapazitiven Wegaufnehmers.
Die Konstanten ε0 bzw. εr werden durch die Beschaffenheit des
d
Raumes zwischen den zwei Kondensatorenplatten bestimmt
und brauchen für unsere Betrachtung nicht beachtet zu werden.
Die Variable A gibt die Größe der Fläche einer
Kondensatorenplatte an. Ein kleiner Nachteil dieser Technik ist A
die geringe Kapazitätsänderung, die Probleme bei der Aufbau eines Kondensators
Signalverstärkung mit sich bringen kann. Die Vorteile jedoch
sind die direkte Umwandlung in eine elektrische Größe und die Resistenz gegen
Wenn man sich folgende Formel C = ε 0 ⋅ ε r ⋅
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Störungsquellen.
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2.4. Induktive Näherungssensor
Der induktive Näherungssensor besteht grundlegend aus drei Elementen:
• Oszillator:
Der Oszillator erzeugt ein
elektromagnetisches Wechselfeld,
das sich im freiem Raum
ausbreitet. Nähert sich nun ein
leitfähiges
Material
der
Sensorfläche,
so
werden Aktive Oszillator
Verstärker
Wirbelströme in dieses induziert. Fläche
Schmitt-Trigger
Dadurch verliert der Oszillator an
Energie und sein Pegel am
Ausgang ändert sich.
• Schmitt-Trigger:
Der Schmitt-Trigger schaltet bei einer Ausgangspegeländerung des Oszillators durch.
• Schaltverstärker
Der Verstärker ist -wie der Name schon sagt- zur Verstärkung des Signals vom SchmittTrigger da.
Ab welchem Abstand zwischen aktiver Fläche und dem leitfähigen Stoff die Schaltung
durchschalten soll, wird durch den Nennschaltabstand Sn bestimmt. Der tatsächliche
Schaltabstand wird mit a = k ⋅ S n berechnet. Der Nennschaltabstand wird durch ein
genormtes, quadratisches Stahlplättchen von 1mm Dicke gemessen, dessen Seiten so lang
wie der Durchmesser der aktiven Fläche ist. Dieses Plättchen läßt den Näherungssensor bei
einem vergleichsweise großen Abstand durchschalten. Die Konstante k ist aus Tabellen
abzulesen.
Während dieses Model des Näherungssensor nur zwei Zustände, nämlich an oder aus kennt,
gibt es auch noch Näherungssensoren, die zu bestimmten Entfernungen von der aktiven
Fläche bis zum Meßplättchen proportional eine Spannung erzeugen. Diese Technik eignet
sich hervorragend für Abstandsmessungen.
3.1. Meßwertaufbereitung
Wie schon kurz beschrieben wurde, besteht die Anpaßschaltung aus Verstärker und Filter.
Als Verstärker werden im allgemeinen Differenzverstärker verwendet. Der Vorteil liegt in
einem hochohmigen Eingang, der den Signalausgang des vorgeschalteten Elements nur
gering belastet. Er verspricht durch einen niederohmigen Ausgang „Easy Handling“.
Ein Filter besteht aus einer Schaltung, deren Ziel es ist, Störsignale zu „filtern“ bzw. zu
verringern. Einfache Filter bestehen aus in Reihe geschalteten Kondensator und Widerstand.
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3.2. Meßwertübertragung
Bei der Meßwertübertragung ist darauf zu achten, daß man eventuelle Störungsquellen
vermeidet. Bei längeren Übertragungsstrecken überträgt man das Signal mit einem zur
Meßgröße proportionalen Strom; bei kürzeren Strecken genügt die Übertragung der
Spannungswerte.
Zu berücksichtigen ist ebenfalls die Verfälschung, die durch den Potentialunterschied
zwischen den Bezugsmassen von Sensorsignal und Endpunkt des Meßsignals entsteht. Eine
galvanische (völlig abgeschirmte) Trennung der Meßsignale.
Die einfachste Methode, Signale zu übertragen, ist und bleibt das Übertragen von digitalen
Signalen. Sie sind leicht zu handhaben und können nur schwer verfälscht werden.
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