Zusammenfassung Sensorik:

Zusammenfassung Sensorik:
Ein SENSOR ist das primäre Element in einer Messkette, das eine variable Eingangsgrösse in
ein geeignetes Messsignal umsetzt.
Kenngrössen der Sensoren:
Die Empfindlichkeit (Übertragungsfaktor K) entspricht der Steigung der Kennlinie.
Querempfindlichkeit: Die Querempfindlichkeit beschreibt die Empfindlichkeit eines Messsystems
gegenüber anderen Messgrößen, als jene, welche primär gemessen werden sollen.
Linearität:
Ansprechverhalten
Hysterese(Reproduzierbarkeit)
2. Temparatursensoren
-Strahlungsthermometer
-Berührungsthermometer
2.2 Resistive Temperatursensoren
Bei resistiven Temperatursensoren wird die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit γ
bzw. des spezifischen Widerstands ρ ausgenutzt.
Pt100 (Widerstandsthermometer)
Die Ladungsträgerkonzentration ändert sich bei Metallen nur kaum mit der Temperatur.
Metalle gehören zu den Kaltleiter (PTC)
Platin (Metall) als Sensorwerkstoff gut geeignet: da linear, hohen TK, grosser Temperaturbereich
Bauformen:
Drahtgewickelte Glaswiderstände
In Glas eingeschmolzen, erschüterungsunempfindlich
Drahtgewickelte Keramikwiderstände
In Keramikrohr mit Aluoxid gefüllt
Dünnschichtsensor
Auf Aluoxidplättchen aufgedampft
Schnelle Ansperchszeit
Folien Temperatursensor
Felxibel, schnelle Ansprechszeit
Abweichung der Sensoren
Pt-500, Pt-1000
Ein Pt1000 wird bei gleichem Messstrom 10-mal stärker erwärmt als der Pt100. Dem Vorteil der
höheren Empfindlichkeit steht somit eine grössere Eigenerwärmung gegenüber.
Ansprechverhalten:
wenige Sekunden
Anschlusstechnik: (Leitungsfehler)
Bei der Zweileiterschaltung gehen die Widerstände RL der Zuleitungen in das Messergebnis mit ein.
Mit der Vierleiterschaltung ist die genauste Messung möglich, auch bei verschiedenen und
veränderlichen Leitungswiderständen. Abhilfe des Leitungsfehlers.
Differenzmessverfahren
Nicht die gesamte Spannnung sondern nur die Differenz wird gemessen
Parisitäre Thermospannung
Beim Verbinden unterschiedlicher Metalle tritt eine Thermospannung auf. durch z.B.
unterschiedliche Wärmeableitung verschiedene Temperaturen an den Anschlussstellen vor, so
entstehen unterschiedliche Thermospannungen die zu einem Spannungsabfall führen, der von dem
Auswertegerät als Widerstandsänderung interpretiert wird. Es kommt zu einer Messabweichung.
Durch Umkehrung des Messstroms kann der Einfluss der Thermospannung abgeschätzt werden.
Messbereiche
Klasse A zwischen -200°C und 650 °C
Klasse B zwischen -200°C und 850 °C
auch noch abhängig von der Bauform (Keramik Substrat)
Vor-Nachteile
+Korrosionsbeständig, Langzeitstabilität (Lagerung 1000 h Drift 0.04% ) da Edelmetall
+Da die Sensoren sehr klein gebaut werden können, beeinflusst der Sensor das
Messmedium gering
+geringer Linearitätsfehler
-Für kleiner Temperaturbereiche (−60 ... 180°C) zu teuer im Vergleich zum NickelWiderstandsthermometer bzw. Thermoelement oder Halbleiter
Halbleiter
Das Temperaturverhalten von Halbleitern unterscheidet sich grundlegend von dem von Metallen.
Die Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration und der
Ladungsträgerbeweglichkeit ist nichtlinear und stark vom Temperaturbereich abhängig.
-Niederige Temp: positiven TK¨
-Mittlere Temp. 200°C Sättigungsbereich TK null (Ladungsträgerdichte konstant)
-Höhere Temp: TK positiv nimmt stark zu
TK klein, Verunreinigungen beeinflussen den TK stark, darum müssen sie bei der Herstellung klein
gehalten werden. Sind preisgünstig, klein. Nicht-lienare Kennlinie
Keramische Oxide
Ein Vorteil der keramischen Werkstoffe ist, dass durch Dotierung oder Herstellung von
Mischkristallen der TK kontinuierlich variiert werden kann.
Thermistoren, Heissleiter (NTC, negativer TK)
Für schnelle Temperaturänderungen, da klein, Fertigungsstreung vorhanden.
Vorteile gegeüber Pt100
+Hohe Empfindlichkeit (grosser TK)
+Kleine Zeitkonstante
+günstig
-nicht-lineare Kennlinie
-grössere Herstellungstoleranzen
-geringe Langzeitstabilität
Keramische Kaltleiter (PTC)
Normalerweise Keramiken, Halbleiter. Bariumtitanat, Ferroelektrizität.
Schmaler Temperturbereich exponentialer Anstieg des Widerstands, dadurch sind sehr empfindliche
Messungen möglich, individuelle Kalibrierung nötwendig (grosse Streuung der Materialkonstante).
Anwendung: Überhitzschutz, Überlastschutz (bei Erwärmung durch Strom Widerstand steigt -> Strom
sinkt)
2.3 Thermoelemente
Wenn aber die Berührungsstellen verschiedene Temperaturen haben, fliesst im Stromkreis ein Strom,
weil die Berührungsspannung der wärmeren Stelle grösser ist als diejenige der kälteren Stelle: wir
haben ein Thermoelement. Der Strom hängt ab von den Widerständen im Stromkreis und der
Differenz der Berührungsspannungen, der sog. Thermospannung.
Thermoelemente messen also die Temperaturdifferenz zwischen der heissen Verbindungsstelle mit
der Temperatur T2 und der kalten Temperatur T0. kAB ist der Proportionalitätsfaktor und gibt die
empfindlichkeit an. Die Kennlinie ist niecht linar, es sind noch Koeffizienten höherer Ordnung zu
beachten.
Edle Thermopaare; Platin
Unedle Thermopaare
Ag-CuNi 0 °C bis 600 °C
Typ T: Cu-CuNi −250 °C bis 250 °C (400 °C) 23-69 μV / K
Kupfer ist bei höheren Temperaturen nicht sehr beständig gegen Luftsauerstoff, schlechte Linearität
Typ J: Fe-CuNi −250 °C bis 600 °C (800 °C) 34-69 μV / K
Hat grösste Thermokraft, verträgt keine korrosive Atmosphäre: Eisen rostet und zundert, kein Verlass
auf die
zeitliche Konstanz der thermoelektrischen Eigenschaften
Typ E: NiCr-CuNi −273 °C bis 800 °C
Typ K: NiCr-Ni −200 °C bis 1000 °C (1300 °C) 41-36 μV / K
Das in industriellen Messprozessen am meisten eingesetzte Thermoelement ist das NiCr-Ni-Element.
Ausführungen
Mit Schutzrohr; Nachteil, Schutz muss zuerst auch erwärmt werden
Manterthermoelemente; geringe Masse, spricht schnell an
2.9 Strahlungspyrometer
Erfassen berührungslos die Objekttemperatur. Jeder Gegenstand emittiert Infrarot-Strahlung, deren
Intensität von seiner absoluten Temperatur abhängt. Der Emissionsgrad muss bekannt sein (je nach
Material verschieden)
Emissionsgrad (Wärmeabstrahl-Fähigkeit)
Der Emissionsgrad ist ein Mass für die Fähigkeit von Materialien, infrarote Energie zu absorbieren
oder abzustrahlen
Aufbau und Wirkungsweise, Betriebsarten
-Gesamtstahlungspyrometer:
-Teil-, Bandstrahlungspyrometer:
-Spektralfotometer
-Quotientenpyrometer (Temperatur auf Grund der Farbe der Strahlung bestummen)
Messfleck: Es bezeichnet das Verhältnis von Messabstand vom Strahlungsthermometer zur
Messfleckgrösse.
Vorteile mit Berührungsthermometer
+as Strahlungsthermometer verfälscht nicht das Temperaturfeld.
+ehr hohe Objekttemperaturen.
+ie Zeitkonstante der Strahlungsthermometer ist wesentlich kürzer
+essungen an bewegten oder schwer zugänglichen Objekten werden möglich
+berflächentemperaturen von Körpern mit einer geringen Wärmekapazität oder Wärmeleitfähigkeit
-ie berührenden Thermometer haben die grössere Genauigkeit.
-ie berührenden Thermometer haben den geringeren Preis.
3.5 Druckmessung
Druckmessumformer nach dem Dehnmessstreifen-(DMS-)Prinzip
Trägerelement gedehnt oder gestaucht, dies wird dann via Brückenschaltung in ein elektrisches Signal
umgewandelt.
+Vorteile hohe Genauigkeit
+grosse Druckmessbereiche möglich
+hohe Überlastbarkeit durch Überlastsicherung
+hohe Korrosionsbeständigkeit
+unempfindlich bei Druckstössen
+gute Langzeitstabilität
+hohe Eigenfrequenz
-relativ hoher Preis wegen Prüfaufwand und enger Toleranzen
-Temperaturbereich ist vom Kleber abhängig (z.B. bis 120 °C)
-Druckbereiche unter 5 bar schlecht zu fertigen
-Miniaturisierung begrenzt.
Druckmessumformer nach dem piezoresistiven Prinzip
Dehnung oder Stauchung ihren spezifischen Widerstandswert ändern (piezoresistiver Effekt). Die
in diesen Drucksensoren verwendeten Dehnungsmessstreifen bestehen heute hauptsächlich aus
polykristallinem Silizium.
Bei der Dünnfilmtechnik werden auf der hochglanzpolierten Oberfläche des Sensorelementes
zunächst eine Isolationsschicht und dann die niederohmigen Leiterbahnen aufgebracht.
Vorteile:
+Miniaturisierung möglich
+kleine Druckmessbereiche möglich
+hohe Genauigkeit
+geringe Temperaturabhängigkeit von Nullpunkt und Kennwert
+Einsatz auch bei hohen Temperaturen möglich.
-hohe Investitionskosten
-nur bei grossen Stückzahlen rentabel.
Bei der Dickschichttechnik wird auf ein meist keramisches Grundmaterial mit Siebdrucktechnik und
Maskentechnik ein Widerstandsnetzwerk aufgebracht und nach dem Trocknen in einem
„Backprozess“ eingebrannt.
Vorteile
+gute Korrosionsbeständigkeit
+geringe Feuchteempfindlichkeit
-geringe Überlastbarkeit
-Sensorelement relativ gross
-thermische Hysterese grösser als bei Folien- und Dünnfilm-DMS.
Halbleitertechnik, Druckmembrane unmittelbar aus dem Siliziumelement. ganze
Messaufnehmer aus Halbleitermaterial hergestellt.
Vorteile
+kleine Abmessungen und Miniaturisierung durch die verwendete Technologie vorgegeben
+Sensorsignalverarbeitung kann mit integriert werden
+Sensor im Sensorkonzept leicht zu verwirklichen
+++hoher k-Faktor 30-60mal höher
-nur bei grossen Stückzahlen wirtschaftlich
-Temperaturabhängigkeit des k-Faktors
-Probleme bei Druckstössen und Vibrationen
-Temperatur begrenzt auf 120°C wegen der Dotierungen
-Linearitätsfehler und Umkehrspanne relativ hoch
-hohe Investitionskosten der Technologie zur Herstellung des Sensorelementes
Druckmessumformer nach dem induktiven Prinzip
Bei diesen Messgeräten wird der Druck in eine Kraft umgewandelt, welche einen Federkörper bzw.
eine Membran verformt. Es resultiert ein Messhub (Auslenkung), der einen Weicheisenkern im
Innern einer Spule bewegt. Die sich dadurch verändernde Induktivität der Spule wird in ein
elektrisches Signal umgeformt und ist ein direktes Mass für den an der Membran anliegenden Druck.
Vorteile:
+einfacher Aufbau
+robust und störunempfindlich
+hohe Überlastbarkeit
+gute dynamische Eigenschaften
+auch sehr kleine Druckmessbereiche möglich
+geringe Feuchteempfindlichkeit
+Einsatz auch bei höheren Temperaturen möglich
+hohes Ausgangssignal
-Temperaturkompensation aufwendig
-Miniaturisierbarkeit begrenzt
-nicht für Gleichspannung geeignet¨
Druckmessumformer nach dem kapazitiven Prinzip
Die Verformung eines Federkörpers bzw. einer Membran unter der Einwirkung eines Druckes oder
Differenzdrucks kann mit hoher Genauigkeit kapazitiv gemessen werden. Für die Kapazität C eines
Plattenkondensators gilt:
¨
Vorteile
+Einsatz auch bei hohen Temperaturen möglich
+hohe Genauigkeit
+hohe Empfindlichkeit
+hohe Überlastbarkeit, wenn Überlastsicherung eingebaut
+einfache, robuste Konstruktion
+gut für dynamische Messungen geeignet
-hohe Trägerfrequenz erforderlich
-Sensorelement feuchte- und staubempfindlich, deshalb Kapselung oder Druckvorlage
-Miniaturisierbarkeit begrenzt
Druckmessumformer nach dem piezoelektrischen Prinzip
Werden dielektrische Stoffe gestaucht oder gedehnt, so entsteht eine elektrische Polarisation. An den
Oberflächen werden Ladungen frei, die als Mass für die auslösenden mechanischen Kräfte genommen
werden können. z.B bei Quarz, Turmalin
Wird eine Ladung proportional zur Kraft frei. Der Quarz lässt sich als Kondesator auffassen.
Vorteile:
+messen schnell veränderliche Drücke, bis 10 Hz
+2…25000bar
+gute linearität
+Kurze Ansprechzeiten
+Für hohe Temperaturen geeignet
+Einfacher, robuster Aufbau
+Hohe Überlastbarkeit des Sensorelementes
+Nahezu weglose Messung
+Kleine Abmessung des Sensors
+Hervorragende Linearität
-Für statische Messungen nicht geeignet
-Verwendung spezieller Verstärker, so genannter Ladungsverstärker, notwendig
-Spezialkabel erforderlich
4.1 Durchflussmessung durch energetische Beziehungen
Wirkdurckmessverfahren
beruht auf einer durch Verengung des Strömungsquerschnittes verursachten Druckdifferenz,diese ist
proportional zum Quadrat des Volumendurchflusses, multipliziert mit der Dichte,
4.2 Magnetische Induktive Durchflussmessung
Für elektrisch leitende Fluide
Eine elektrisch leitende Flüssigkeit, die durch ein Magnetfeld strömt, verhält sich wie ein räumlich
ausgedehnter, bewegter Leiter. Im isoliert ausgekleideten Rohr wir die induzierte Spannung U an
zwei Elektroden an der Rohrwand abgegriffen.
Wird in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld mit der magnetischen Flussdichte B ein durch das
strömende Fluid verkörperter elektrischer Leiter bewegt, so entsteht eine durchflussabhängige
Spannung
Vorteile:
+Grosser Messbereich
+Sehr gute Linearität
+Keine Einbauten im Messrohr
+Keine Angaben über Viskosität, Dichte, Druck, Temp. Nötig
4.3 Wirbelfrequenz Durchflussmessung
Wird ein starrer Körper mit niedriger Geschwindigkeit angeströmt, fliesst die Strömung bei einer
kleinen Reynolds-Zahl Re laminar − beispielsweise für eine Rohrströmung bis Re < Rekrit ≈ 2300. Bei
zunehmender Geschwindigkeit (höherer Reynoldszahl) bilden sich auf der Rückseite (Lee) des
Körpers zunächst stationäre Wirbel aus. Bei weiterer Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit lösen
sich die Wirbel ab und bilden ein mehr oder weniger periodisch verlaufendes Wirbelsystem aus.
Die Frequenz der Wirbelablösung (KármánscheWirbelstrasse) wird als Messeffekt zur
Volumendurchflussmessung herangezogen
Das Verhältnis der Wirbelablösefrequenz zur Strömungsgeschwindigkeit wird unter Hinzunahme
einer charakteristischen Abmessung des Prallelementes über die Strouhal-Zahl14 beschrieben:
Vorteile
+unabhänig von den physikalischen Eigenschaften des Strömungsmediums
+für Flüssigkeiten und Gase
+muss keine elektirsch Leitfähigkeit haben
4.4 Laufzeitverfahren
Während eines kurzen Zeitintervalls wir ein Injektionsschuss eines sog. Tracer in die Rohrleitung
eingespritzt. Die Strömungsgeschwindigkeit wird aus der Laufzeit der Schwerpunkte der
Lösungswolken zwischen zwei Messquerschnitten ermittelt.
Die Markierung kann durch Zugabe von Salzlösungen (Leitfähigkeit), radioaktiven Isotopen, aber
auch durch Wärmeschüsse erfolgen.
Kreuzkorrelation
In der Signalanalyse wird die Kreuzkorrelationsfunktion zur Beschreibung der Korrelation zweier
Signale bei unterschiedlichen Zeitverschiebungen τ zwischen den beiden Signalen eingesetzt.
4.5 Ultraschall Durchflussmessung
Bei den akustischen Verfahren zur Durchflussmessung ist zwischen dem Laufzeitverfahren und dem
Doppler-Verfahren zu unterscheiden. Während das Laufzeitverfahren auf dem „Mitführungseffekt“
der Schallwelle im reinen Fluid beruht, wird beim Doppler-Verfahren die Frequenzverschiebung bei
der Streuung des Schallsignals an Verunreinigungen ausgewertet.
Ist das Fluid in Bewegung, so überlagert sich der Relativgeschwindigkeit des Schalls vektoriell die
Fluidgeschwindigkeit.
Bei dieser Art der Ultraschallmessung mit nur einem Sender und einem Empfänger muss die
Schallgeschwindigkeit im Fluid genau bekannt sein. Da sie sich jedoch in Abhängigkeit von den
Fluideigenschaften Dichte und Kompressibilität und damit auch mit der Temperatur ändert, ist eine
Differenzmessung vorteilhaft. Hierbei werden gleichzeitig die Laufzeit in Strömungsrichtung und
die Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung bestimmt. Die entlang des Ultraschallstrahls
gemittelte Strömungsgeschwindigkeit errechnet sich aus den gemessenen Laufzeiten zu (Leadingedge- Methode):
Unabhänih von der Schallgeschwindigkeit