Analog-Digital
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Messwerterfassung mit dem PC Gliederung 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Was ist Messen? Messeinrichtung Signalaufbereitung Messfehler Vorteile/Nachteile der PC-Messtechnik Anwendung Quellen 2 1. Was ist Messen? Messen ist ein Vorgang, bei dem der Wert einer physikalischen Größe als vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt wird. z.B. phy. Größe: Temperatur Einheit: °C, °F oder K 3 2. Messeinrichtung Messarbeitsplatz 4 2. Messeinrichtung 2 Arten Messkarten externe Messinterface 5 Messkarte • Kopplung mit PC durch PCI, ISA oder SCSI •Trend geht heute zur PCI-Schnittstelle 6 Externe Messsysteme •Kopplung mit PC durch USB, FireWire, Serial Port und Parallel Port •da sich die Probleme der parallelen Datenübertragung bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten immer stärker bemerkbar machen, geht der Trend heute zur seriellen Übertragung, besonders USB 7 3. Signalaufbereitung Prozess der Messkette, den ein Signal durchläuft Analogteil der Messdatenerfassungskette Komponenten zwischen Sensor und A/D-Wandler Digitalteil der Messdatenerfassungskette A/D-Wandler 8 nichtelektrische Messgröße Sensor elektrische Messgröße Die Messkette Messumformer elektrisches Messsignal Verstärker genormtes elek. Messsignal Tiefpassfilter Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler Ist eine Zusammenschaltung von Komponenten, die alle Funktionen von der Wandlung einer nicht elektrischen Größe in ein elektrisches Signal bis zur Anzeige des Messwertes in ablesbarer Form beinhaltet. digitales Messsignal PC 9 nichtelektrische Messgröße Sensor elektrische Messgröße Messumformer elektrisches Messsignal Sensor •dient zur Umsetzung einer Messgröße (z.B. Temperatur), in ein elek. Signal Verstärker genormtes elek. Messsignal Tiefpassfilter Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler digitales Messsignal •unterscheiden sich in Funktion und Aufbau abhängig von den jeweiligen Einsatzbereich •Prinzip: Sensor ändert sich gesetzmäßig mit der zu messenden Größe •meistens Halbleitersensoren PC 10 nichtelektrische Messgröße Sensor elektrische Messgröße Messumformer elektrisches Messsignal Sensor •für jede zu messende Größe gibt es eine bestimmte Art von Sensor Verstärker genormtes elek. Messsignal z.B. Temperatur Tiefpassfilter Helligkeit Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler digitales Messsignal Druck PC 11 nichtelektrische Messgröße Sensor elektrische Messgröße Messumformer elektrisches Messsignal Verstärker genormtes elek. Messsignal Tiefpassfilter Messumformer •wandeln die Messgrößen von Sensoren in ein normiertes analoges (Einheitssignal), meist elektrisches Ausgangssignal um •Messgröße z.B. Temperatur oder Druck Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler digitales Messsignal •Ausgangssignal z.B. 4..20 mA, 0..10 V, Frequenz PC 12 nichtelektrische Messgröße Sensor elektrische Messgröße Messumformer elektrisches Messsignal Verstärker genormtes elek. Messsignal Tiefpassfilter Verstärker Spannung, die vom Sensor erfasst wurde, ist sehr klein und muss für die Weiterverarbeitung erst mit Hilfe von Signalverstärkern erhöht werden Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler digitales Messsignal PC 13 nichtelektrische Messgröße Sensor Tiefpassfilter elektrische Messgröße Messumformer elektrisches Messsignal Verstärker • auch bekannt als Rauschfilter • ist der in der Messtechnik am häufigsten benutzte Filter • Prinzip: genormtes elek. Messsignal Tiefpassfilter 1. der Tiefpassfilter lässt tieffrequente Signale passieren Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler digitales Messsignal PC 2. filtert höherfrequente Signale aus • 4 häufigsten Tiefpassfilter-Typen: kritische Dämpfung, Bessel, Butterworth und Tschebyscheff 14 nichtelektrische Messgröße Sensor elektrische Messgröße Tiefpassfilter Messumformer elektrisches Messsignal Verstärker genormtes elek. Messsignal Tiefpassfilter Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler digitales Messsignal PC Beispiel: Rauschunterdrückung 15 nichtelektrische Messgröße Sensor elektrische Messgröße Messumformer elektrisches Messsignal Verstärker genormtes elek. Messsignal Tiefpassfilter Abtast/Halteglied abgetastetes Messsignal A/DWandler digitales Messsignal PC Abtast/Halteglied • auch Sample and Hold •Aufgabe: eine sich kontinuierlich ändernde Spannung abzutasten und den Spannungswert für einen kurzen Moment zu halten •Ursache: die Analog-Digital-Wandlung dauert eine kurze Zeit, in der sich der Spannungswert nicht ändern darf •Vorteil: Abtast-Halte-Schaltung erlaubt eine korrekte Wandlung auch bei schnellen Änderungen der Eingangsspannung 16 Beispiel zur Veranschaulichung weiter zum A/D Wandler in V 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 in ms Intervall Intervall Intervall 17 Analog-Digital-Wandler Wozu Braucht man das? • • um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln PC verarbeitet nur digitale Signale 18 Zur Veranschaulichung 19 Analog-Digital-Wandler Analogsignale kontinuierlich variierende Spannungsimpulse, deren Werte in gleichbleibenden Zeitabständen gemessen werden (Sampling) Digitalsignale arbeitet nicht mit kontinuierlich verlaufenden Signalen pro digitalem Signal nur zwei Zustände unterschieden Binärsignale (0 oder 1) 20 Analog-Digital-Wandler Spannung: ±4 V Spannungsstufen: 8 in V 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 111 110 101 100 011 010 001 000 Codewort 1. Quantisierung ist die Einteilung des analogen Spannungsbereichs in Spannungsstufen 1 2 3 4 5 6 7 8 in ms Intervall 21 Analog-Digital-Wandler 2. Codierung Spannungsstufen: 8 8 Codewörter notwendig 23=8 3Bit in V 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 111 110 101 100 011 010 001 000 Codewort jedem Quantisierungsintervall wird ein binäres Codewort zugeordnet 1 2 3 4 5 6 7 8 in ms Intervall 22 Analog-Digital-Wandler 111 110 101 100 011 010 001 000 Intervall 1 2 3 4 5 6 7 8 Codewort in V 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 Codewort 101 111 111 110 010 001 010 101 1 2 3 4 5 6 7 8 in ms Intervall Intervall Binärfolge 1 101 2 111 3 111 4 110 5 010 6 001 7 010 8 101 23 Analog-Digital-Wandler Vorteile digitaler Signale: - - nur digitale Signale können in PCs verarbeitet werden lassen sich einfacher speichern als analoge Signale werden bei der Übertragung weniger verzerrt Übertragung ist weniger störanfällig 24 4. Messfehler Messwerte einer zu messenden phy. Größe stimmen selten mit dem wahren Wert dieser Größe überein ist die Differenz zwischen dem physikalischen Wert der Einzelmessung und dem wahren Wert der Messgröße sind aus mehreren Komponenten unterschiedlichen Charakters zusammengesetzt 25 Wie ermittelt man wahre Werte? wahre Werte sind nicht messbar sie sind nur mit Hilfe von Intervallen eingrenzbar sie sind immer nur im Rahmen der Messunsicherheit möglich deshalb Angabe von Toleranzbereichen bei Messungen 26 Art von Messfehler 27 Zufällige Messfehler abs. Messfehler: ist die Abweichung des angezeigten Wertes vom wahren Wert rel. Messfehler: ist das Verhältnis zwischen abs. Messfehler und wahren Wert 28 Zufällige Messfehler treten zufällig nach beiden Seiten des richtigen Messwertes auf Methoden der Stochastik können heran gezogen werden um den Fehler abzuschätzen Methode: mehrmaliges Messen und anschließendes Bilden des Mittelwertes 29 Systematische Messfehler Messfehler, die bei Wiederholung der Messung konstant bleiben Ursache: -Gerätefehler -Einflussfehler (Temperatur, Felder) diese Ursachen sind erfassbare Einflussgrößen und können korrigiert werden 30 Kampf gegen Messfehler 1. 2. 3. Kalibrieren Justieren Eichen 31 Kalibrieren Feststellen und Dokumentieren der Abweichung des Anzeigewertes vom wahren Wert der Messgröße. Erstellung eines math. Modells 32 Math. Modell zur Auswertung der Kalibrierung unter Berücksichtigung aller bekannten systematischen Einflüsse, wie z.B. Umgebungsbedingungen, Vorgehensweise etc. Kalibrierwert, mit dem der Messwert korrigiert wird 33 Justieren Ermitteln des für eine Messeinrichtung gültigen Zusammenhangs zwischen dem Messwert (Anzeigewert)und dem wahre Wert der Messgröße Eingriff in das Messsystem 34 Eichen ist die Prüfung eines Messgerätes auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichen Vorschriften durch das Bundeseichamt Vorgabe, wie viel Prozent ein Anzeigewert vom wahren Wert abweichen darf dient dem Verbraucherschutz 35 Eichen Ladentischwaagen, Brückenwaage etc. Zapfsäulen an Tankstellen Gaszähler, Wasserzähler, Stromzähler, Wärmezähler 36 Beispielrechnung Bierflasche hat einen Inhalt von 0,5l Jede Flasche bekommt absichtlich 2% weniger eingefüllt Tatsächlich nur noch 0,49l Inhalt pro Flasche Nach 50 Flaschen hab ich den Inhalt einer Flasche gespart Preis:1€ Menge:100.000 pro Tag 100.000/50=2000 37 Vorteile des rechnergestützten Messens teure Messgeräte lassen sich durch die Messinterface und Software ersetzen, z.B. Oszilloskop der Computer ermöglicht die Aufnahme von schnellen Vorgängen, z.B. Drehzahl es sind Messung über längere Zeiträume möglich ohne persönlich anwesend zu sein Messdaten können über ein längeren Zeitpunkt gespeichert werden computererfasste Messdaten können einfacher weiterverarbeitet werden Software erlaubt bestimmte Simulationen Vorgänge können am PC rekonstruiert werden 38 Nachteile des rechnergestützten Messens hohe Kosten einzelner Komponenten hohe Störanfälligkeit hochsensibler Sensoren Standortgebundenheit gespeicherte Daten gehen einfacher verloren als aufgeschriebene Daten, aber können dafür leichter vervielfältigt werden 39 6. PC als Steuer- und Regelgerät Steuern: ist das Beeinflussen von technologischen Prozessen nach einem vorgegebenen Plan Regeln: ist das Beeinflussen von technologischen Prozessen so, dass eine bestimmte Größe zu jeder Zeit einen vorgegebenen Wert aufweist (Vergleich von Istwert und Sollwert) 40 gesteuerte Heizanlage Temperatur ändert sich durch äußere Einflüsse, z.B. Fenster Öffnen 41 geregelte Heizanlage Temperatur bleibt konstant, trotz äußerer Einflüsse wie z.B. Fenster Öffnen 42 Wie ist der Aufbau einer Steuer- oder Regelkarte? 43 Anwendung Industrie: Automobilbau Lebensmittelherstellung Kraftwerke etc. Forschung: Labor Untersuchungen Statistik 44 Anwendung Haushalt: Heizanlage Herd Kühlschrank 45 Quellen Literatur - Einfache IT-Systeme (Stam) - Messtechnik und Messdatenerfassung (Oldenburg) Internet - www.wikipedia.de - www.google.de 46 Herr Rautenberg, bitte wachen Sie auf! 47 In der 7. Stunde finden Sie sich bitte in den Physikraum (Raum 103) ein! 48
