Sensorik mit NI9219 - Carl-Engler

Carl-Engler-Schule Karlsruhe
Sensorik mit NI9219
1 (17)
Sensorik mit NI 9219
Das Universalmodul NI9219 verfügt über vier unabhängige Analog-Eingangs-Kanäle, mit denen sich die
Signale aktiver und passiver Sensoren erfassen lassen. Jeder Kanal enthält einen 24-bit-ADU (Delta-SigmaVerfahren), mit dem bei hoger Auflösung eine Messgeschwindigkeit von 2 Messungen pro Sekunde und bei
reduzierter Auflösung eine Messgeschwindigkeit von 100 Messungen pro Sekunde erreichen lassen.
Das Modul kann einzeln im Carrier NI-9162 mit Datenaustausch und Versorgung über USB betrieben
werden. Alternativ steht das NI cDAQ-9172 zur Verfügung, in dem acht Modul-Steckplätze für
unterschiedliche Module zur Verfügung stehen.
Die Konfiguration und Parametrierung der Kanäle des Moduls erfolgt im Programm „Measurement and
Automation Explorer MAX“. Ein task ist eine Mess-Aufgabe für das angeschlossene Modul NI9219. Die
elektrischen Messgrößen lassen sich bei der Datenübergabe über eine Skalierung in zugehörige
physikalische Größen umrechnen. Die Skalierung kann ebenso in einem zugehörigen Programm ausgeführt
werden.
Im vorliegenden Skript wird der Einsatz des Moduls in Verbindung mit jeweils einem Sensor vorgestellt. Bei
den LabVIEW-Programmen kommen verschiedene Möglichkeiten zum Umgang mit den Messdaten zur
Anwendung.
Inhalt:
1. Positions- bzw. Winkelmessung mit dem Potentiometer
2. Positionsbestimmung mit dem x-y-Poti
3. Temperaturmessung mit dem Pt100
4. Temperaturmessung mit demThermoelement
5. Temperaturmessung mit dem Pyrometer
6. Messung von Zeitintervallen mit der Lichtschranke
7. Abstandsmessung mit dem Reflexionssensor
8. Kraftmessung mit DMS in Halbbrücke
9. Kraftmessung mit DMS (NEVA)
10. Beschleunigungssensor
11. Feuchtesensor
Waage mit DMS in Vollbrücke
Durchflussmessung mit dem Flügelradsensor
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1.
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Positions- bzw. Winkelmessung mit dem Potentiometer
1.1 Grundlagen
Bei der Zweidraht-Widerstandsmessung wird ein konstanter Messstrom durch das Bauteil geleitet und die
Spannung gemessen. Beim Potentiometer sind dabei nur die Anschlüsse Ende und Schleifer erforderlich.
Die gemessenen Widerstandswerte lassen sich in geometrische Größen umrechnen. Beim Schiebe-Potentiometer kann dies ein Weg sein, beim Drehpotentiometer ein Winkel.
1.2 Daten und Grenzen des NI9219
Messbereich 0Ω bis 1kΩ
und 0Ω bis 10,5kΩ
Messstrom 0,5mA
Messgeschwindigkeiten bei N-Samples bzw. kontinuierlich
hohe Geschwindigkeit
hohe Auflösung
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Abtastrate
100 samples/second
Abtastintervall
10ms
Abtastrate
2 samples/second
Abtastintervall
500ms
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1.3 Programm
Im vorgelegten Beispiel wird der Widerstand eines 10kΩ-Drehpotentiometers gemessen und mit Hilfe einer
linearen Funktion in den Winkelbereich zwischen 45° und 315° abgebildet. Die Einzelmessung wird durch
das Programm ausgelöst und der Abschluss der Einzelmessung abgewartet. Dieser Vorgang wiederholt sich
10-mal pro Sekunde.
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2.
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Positionsbestimmung mit dem x-y-Poti
2.1 x-y-Potentiometer
Zwei 5k-Potentiometer lassen sich über eine Mechanik mit einem Steuerknüppel in x- bzw. y-Richtung
auslenken. Mit Hilfe von Federn kehrt der Steuerknüppel wieder in seine Ruhelage zurück. Die
Potentiometer befinden sich dann etwa in Mittelstellung. Die Widerstandsänderung beträgt etwa ±500
Ohm.
2.2 Messung auf zwei Kanälen in einem Task
Im MAX wurde der Task xyPos definiert, mit dem gleichzeitig auf den beiden Kanälen a0 und a1 der
Widerstand gemessen wird. Das Modul im LabVIEW-Programm liefert jeweils ein Wertepaar, die zusammen
ein Array bilden.
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2.3 LabVIEW-Programm
Die erste Messung (außerhalb der Schleife) liefert einen Array mit zwei Referenzwerten für die
Widerstände, normalerweise bei nicht ausgelenktem Steuerknüppel. Innerhalb der Schleife wird nur mit
den Differenzen weiter gerechnet. x- bzw- y-wert werden einzeln aus dem Array ausgelesen und als
Realteil x bzw. Imaginärteil y angezeigt. Über die Zusammenfassung zu einer komplexen Zahl z erfolgt die
Umrechnung in Betrag und Phase (Bogenmaß).
Der obere Teil der Programmdarstellung dient lediglich der grafischen Darstellung in einem xy-Diagramm.
Über Schieberegister werden die jeweils neuen Werte an den bestehenden Datensatz angehängt. Beim
Betätigen der Taste „Diagramm löschen“ wird ein leeres Array zur Darstellung erzeugt. Im anderen Fall
„FALSE“ laufen die Datenleitugen einfach durch die Case-Struktur.
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3.
Temperaturmessung mit dem Pt100
3.1
Grundlagen
6 (17)
Bei Metallen steigt der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur. Bei Platin beträgt der zugehörige Temperaturkoeffizient α=0,003851K-1. Der Widerstandswert steigt demnach von 100,00Ω bei 0°C auf
138,51Ω bei 100°C.
Bei dieser geringen Widerstandsänderung muss einerseits sehr präzise gemessen werden. Andererseits ver fälscht der Widerstand der Zuleitungen das Ergebnis der Temperaturmessung. Bei Verwendung der sog.
Vie-Draht-Messung wird der Widerstand der Zuleitungen nicht mitgemessen (Konfiguration 4-Draht).
3.2
Task-Definition
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3.3
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Messprogramm
Die Messung kann mit dem LabVIEW-Programm messbasis.vi erfolgen. Im angezeigten Beispiel wurde ein
Prozessfühler verwendet, der durch seinen massiven Schutzmantel eine große Zeitkonstante aufweist. Zu
Test wurde die Messstelle mit der Hand umschlossen. Die Abkühlung an der Luft verläuft noch viel
langsamer.
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4.
Temperaturmessung mit demThermoelement
4.1
Grundlagen
8 (17)
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metalldrähten, die sich an einer Stelle berühren
(Thermopaar, Thermocouple TC). An den Drahtenden ist eine Thermospannung messbar, die von der Temperaturdifferenz zur Kontaktstelle abhängt. Typische Empfindlichkeiten liegen zwischen 10µV/K und bis zu
400µV/K.
Thermoelemente sind standardisiert (DIN 43710 - 43714, IEC 584 Teil 1). Die Temperaturkoeffizienten sind
selbst keine Konstanten, sondern von der Temperatur abhängig und gelten somit nur für kleinere Temperaturbereiche. Der genaue Verlauf der Empfindlichkeitskennlinie wird durch die Norm in den sog.
Grundwertetabellen angegeben. Gebräuchlich sind folgende Thermoelement-Typen:





Typ
Typ
Typ
Typ
Typ
T Kupfer / Kupfer-Nickel (+ braun, - weiss) [406 µV/K] (-200°C bis +600°C)
J Eisen / Kupfer-Nickel (+ schwarz, - weiss) [51 µV/K] (-200°C bis +800°C)
K Nickel-Chrom / Nickel (+ grün, - weiss) [40 µV/K] (0°C bis 1200°C)
S Platin10-Rhodium / Platin (+ orange, - weiss) [7 µV/K] (0°C bis 1600°C)
E Nickel-Chrom / Kupfer-Nickel (+ violett, - weiss) [62 µV/K] (-200°C bis +800°C)
Daneben gibt es weitere Thermoelemente, die nach DIN 43760 genormt sind:
 Nickel-Chrom / Nickel-Aluminium (Chromel/Alumel) fast identisch mit Typ K
 Typ U Kupfer / Kupfer-Nickel
 Typ L Eisen / Kupfer-Nickel
Da jeweils nur Temperaturdifferenzen gemessen werden können, muss die Temperatur des
Anschlussblocks (Cold Junction Terminal CJT, Cold Junction Correction CJC) bekannt sein. Beim NI9219
wird sie durch ein eingebautes Widerstandsthermometer gemessen.
4.2
Temperaturmessung mit Thermoelement Typ K
Bei der Definition des Tasks im MAX sind nur wenige Angaben erforderlich. Die Datenerfassung kann z.B.
mit dem LabVIEW-Programm messbasis.vi erfolgen.
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4.3
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Bestimmung des Temperaturkoeffizienten eines Eigenbau-Thermoelements
Aus zwei Drähten unterschiedlichen Materials (z.B. Eisen und Kupfer) kann ein Thermoelement mit noch
unbekannter Empfindlichkeit hergestellt werden.
Das Programm messbasis.vi läßt sich um einen zweiten Kanal im selben Task erweitern, mit dem die
Thermospannung des Eigenbau-Thermoelements gemessen wird. Taucht man beide Thermoelemente in ein
Becherglas mit heißem bzw. kaltem Wasser ein, läßt sich der Zusammenhang zwischen Temperatur und
Thermospannung bestimmen.
4.4
Temperaturmessung mit externer Vergleichsstelle
Da beim Mess-Modul NI9219 die Temperatur der Vergleichsstelle nur intern für die bereits werksseitig
definierten Thermoelemente verarbeitet wird, steht sie für das Eigenbau-Thermoelement nicht zur
Verfügung. Durch die Reihenschaltung (umgekehrte Metallreihenfolge) zweier Thermoelemente erhält man
eine Vergleichsstelle, die z.B. in Eiswasser gelegt werden kann. Aus der Thermospannung der Kombination
und dem Temperaturkoeffizienten kann jetzt die Thermospannung in Temperaturwerte umgerechnet
werden.
Thermospannungen heben sich auf
mV
Messstelle
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Vergleichsstelle
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5.
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10 (17)
Temperaturmessung mit dem Pyrometer
5.1 Grundlagen
Ein Pyrometer besteht aus einer größeren Anzahl (z.B. 20) von in Reihe geschalteten Thermoelementen,
die abwechselnd zur Messstelle bzw. zur Vergleichsstelle zeigen. In praktisch ausgeführten Sensoren wird
die Temperatur der Vergleichsstelle elektronisch gemessen und aus dem kleinen Messsignal
derThermospannung ein Einheitssignal erzeugt. Dazu ist eine externe Stromversorgung notwendig. Im
vorliegenden Beispiel beträgt die Versorgungsspannung 15V ... 24V. Das Einheitssignal liefert einen Strom
von 4 ... 20mA für einen Messbereich von 0°C bis 300°C (IN 300) bzw. -20°C bis 140°C (IN ...).
5.2 Task zur Strommessung
Bei der Strommessung fließt der Strom über einen internen Widerstand. Die daran abfallende Spannung
wird gemessen und in den Stromwert umgerechnet. Bei der Darstellung des Anschlussplans stellt der Kreis
mit Pfeil das Pyrometer als Stromquelle dar. Der Pfeil an der Leitung zeigt die technische Stromrichtung
an. Die im MAX angezeigte Schaltung ist in diesem Fall durch die Stromquelle zu ergänzen.
Stromquelle
5.3 Skalierung im MAX erstellen
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6.
Messung von Zeitintervallen mit der Lichtschranke
6.1
Aufgabe
11 (17)
Ein Pendel unterbricht eine Lichtschranke bei jedem Nulldurchgang. Aus der Pulsfrequenz kann die
Periodendauer des Pendels und aus der Pulsdauer näherungsweise seine Geschwindigkeit im Nulldurchgang
bestimmt werden.
Mit dem Modul NI9219 des cDAQ-Systems wird der Erfassungsmodus N Samples und die maximale
Abtastrate von 100Hz eingestellt. Zur Auswertung sollen etwa 10 Nulldurchgänge vorliegen. Die zu
lesenden Samples sind entsprechend einzustellen.
6.2
Einstellungen im MAX für den Task schranke
6.3
Anschlussplan für Ausgang Lichtschranke
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6.4
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12 (17)
Programm
Die Messdaten werden einmal ausgelesen, numerisch und grafisch dargestellt und der While-Schleige
übergeben, die das Programm für die Dauer der manuellen Auswertung am Laufen hält.
Panel schranke.vi
Blockdiagramm schranke.vi
Die Auswertung der Fehlernummer ermöglicht ein automatisches Rücksetzen der Pulsnummer, wenn nach
dem letzten Puls weiter geschaltet wird.
Hinweis: nach dem Einschalten der Spannungsversorgung der Lichtschranke RESET-Taste drücken
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7.
Abstandsmessung mit dem Reflexionssensor
7.1
Sensor
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In einem kleinen Gehäuse sind
eine IR-Diode, eine Empfangsdiode und die zugehörige Ansteuerungs- und Empfangselektronik
untergebracht. Das an einer Fläche reflektierte Licht wird empfangen und liefert mit seiner Intensität die Information über
den Abstand. Gemessen wird die
Spannung, die im Bereich
zwischen 0,4V und 2,4V liegt.
7.2
Interpolation im
Programm
Zwischen festlegbaren Stützpunkten interpoliert ein bereit
gestelltes Modul linear. Die
Stützpunkte befinden sich in einem Array aus Clustern, die jeweils einen Datenpunkt enthalten. Für die Darstellung in einem
xy-Diagramm müssen zwei Arrays mit den x- bzw- y-Werten
erstellt werden, aus denen wieder ein Cluster für das Diagramm
erstellt wird.
7.3
Interpolation im
Task
Alternativ kann im MAX eine
Skalierung definiert werden,
auf die der Task zugreift. Als
Messwert erhält man eine
bereits in Abstandswerte
umgerechnete Messgröße.
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8.
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14 (17)
Kraftmessung mit DMS in Halbbrücke
Bei der Halbbrücke ist hier aus zwei Dehnungsmessstreifen (DMS) oben und unten auf einem Biegebalken
ein Spannungsteiler aufgebaut. Gemessen wird die untere Teilspannung. Sie wird intern laut
Dokumentation durch die Gesamtspannung dividiert. Dies entspricht jedoch nicht den angezeigten
Messwerten. Vermutlich wird die Differenz von Messwert zu halber
U
Gesamtspannung ins Verhältnis zur halben Gesamtspannung
U mess − ges 
U
gesetzt. Man erhält ein ratiometrisches Verhältnis, dessen Werte
2
=2 mess −1
zwischen -1 und +1 liegen. Sind die Widerstände exakt gleich groß, U ratio =
U ges
U ges
ergibt sich der Wert Null. Am Ende des Diagramms ist die Nulllage
2
bei zwei um 180° gedrehten Balkenpositionen zu sehen.
Beim vorliegenden Gerät sind die Einstellungen zur Erregung (Versorgung der Halbbrücke) zwingend.
EX +
CH +
EX -
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CH +
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9.
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15 (17)
Halbbrücke mit NEVA-DMS
Zwei Brückenwiderstände
gelb – bran
grün – weiß
Mit Stecker-Adapter:
Zeichnung
gelb
rot
blau
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Kabel
blau
violett+rosa
rot
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10.
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16 (17)
Kapazitiver Beschleunigungssensor
10.1 Grundlagen
Zwei feste Platten und eine an einer (trägen) beweglichen Masse befestigte Platte dazwischen bilden zwei
Kondensatoren. Bei Beschleunigung verändert sich der Abstand der Platten. Die eine Kapazität wird
größer, die andere kleiner. Damit ist ein Spannungsteiler für eine im Sensor erzeugte Wechselspannung
aufgebaut. Eine Teilspannung wird gleichgerichtet und bildet das Ausgangssignal. Ohne Beschleunigung ist
das Ausgangssignal gleich der halben Betriebsspannung. Bei Beschleunigung ändert sich die Signalspannung
um 0,008*Ub/g (g: Erdbeschleunigung).
10.2 Programm mit Frequenz-Analyse
Der Task Spannung definiert eine Spannungsmessung mit 512 Samples mit einer Abtastfrequenz von 100Hz.
Damit dauert eine Messreihe 5,12s. Von der Messreihe wird der Mittelwert abgezogen, um eine um 0V
symmetrische Reihe zu erhalten (ohne Offset). Das Ergebnis der FFT wird in einem Diagramm angezeigt.
Zum Test wurde an eine senkrecht stehende Aluminiumstange mit einer Muffe eine zweite Stange
waagrecht angebracht, an deren Ende der Beschleunigungssensor befestigt ist. Bei einem Stoß an der
Muffe werden im wesentlichen zwei Schwingungsformen angeregt, die Biegeschwingungen der beiden
Stäbe (senkrecht 2,9Hz, waagrecht 7,2Hz). Bei entsprechenden Anregung läßt sich auch gut die
Torsionsschwingung des senkrechten Stabes bei etwa 5Hz beobachten. Bei der Darstellung des Spektrums
wurde der Bereich oberhalb von 10Hz ausgeblendet.
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11.
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17 (17)
Feuchtesensor
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