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Sensoren erklärt


Kanal-Typen

Analoger Eingangskanal – Dient zur Messung analoger Sensorsignale. In der Spalte Sensor wird der Typ des angeschlossenen Sensors ausgewählt (Spannung, Strom, Widerstand, Temperatur) und in der nächsten Spalte wird die entsprechende Messart eingestellt.
Digitaler Eingangskanal – Dient zur Aufzeichnung digitaler Statussignale. In der Spalte Art der Messung ist es nur möglich, die Messfunktion Zustandsaufzeichnung auszuwählen.
Digitaler Ausgangskanal – Dies ist der Relaisausgang des Moduls. Statussignale können vom Modul automatisch entsprechend den Werten anderer Kanäle ausgegeben werden oder es ist möglich, den Zustand des Ausgangsüber den Bus zu setzen.
Arithmetischer Kanal – Mit diesem Kanal ist es möglich, Berechnungen mit den Istwerten anderer Kanäle und mit konstanten Werten durchzuführen. Die Ergebnisse der Berechnungen werden dem Arithmetikkanal zugewiesen, daher können Arithmetikkanäle auch von anderen Arithmetikkanälen für Berechnungen verwendet werden.
Alarmkanal – Ein Alarmkanal kann dazu verwendet werden, einen anderen Kanal zu überwachen und eine Alarmmeldung zu erzeugen, wenn einer von bis zu 4 definierbaren Schwellenwerten überschritten wird. Die Alarmmeldung kann über den Bus ausgelesen werden.
Sollwertkanal – Der Wert dieses Kanals kann über den Bus eingestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, über den Bus einen Wert zu setzen, der von einem anderen Rechenkanal zur Weiterverarbeitung verwendet werden kann (z.B. zum Setzten eines Faktors für die Messung durch den Anwender).


 

Einführung

Spannungsmessung

Bei der Single-Ended-Messart wird die zu messende Spannung zwischen einem Analogeingang und Analogmasse angeschlossen. Die Messspannung darf den Spannungsbereich nicht überschreiten.

Aktuelle Messung

Für Strommessungen wird die Stromquelle mit einem Analogeingang und der Analogmasse verbunden. Für die Messung wird die erforderliche Last an der Stromquelle durch einen internen Widerstand mit einem Wert von 100 Ω geregelt. Die maximale Leistung dieses Shunts ist auf 0,25 W begrenzt, wodurch sich ein Messbereich von bis zu maximal 25 mA ergibt.

Wenn höhere Ströme gemessen werden müssen, sollte ein externer Widerstand verwendet werden, der parallel zur Stromquelle geschaltet ist. Die Klemmen sind mit dem analogen Spannungseingang und der analogen Masse verbunden. Die Leistung des externen Shunts muss an die zu messende Stromquelle angepasst werden, um die Spannung am Analogeingang zu begrenzen. Der Analogeingang ist als Spannungseingang konfiguriert. Die Spannung muss durch den externen Widerstand geteilt werden.

Die Genauigkeit der Strommessung mit externem Shunt hängt von der Genauigkeit des verwendeten Widerstands ab.

Widerstandsmessung

Die Widerstandsmessung erfolgt über die Messung von Spannungen an einem stromdurchflossenen Widerstand. Dabei wird der auftretende Spannungsabfall über den Widerstandssensor gemessen. Die für die Widerstandsmessungen erforderliche Stromeinspeisung liefert die interne Versorgung des Moduls.

Dazu verbindet das Sensormodul intern einen Versorgungspunkt über einen Referenzwiderstand mit dem analogen Messeingang. Der Spannungsabfall über den Widerstand wird als Referenz für die weitere Signalverarbeitung durch das Modul benötigt. Der Widerstandswert des Sensors kann aus den Eingangssignalen als Vielfaches des Referenzwiderstandes berechnet werden.

Widerstandsbrücke

Brückenschaltungen bestehen aus 2 Armen mit je zwei Widerständen. Die Widerstandsbrücke wird durch den Spannungsausgang versorgt.

Die zu messende Größe bei Widerstandsbrücken ist das Verhältnis zwischen Brückenspannung und der Spannung zwischen den beiden Widerstandsarmen. Es sind verschiedene Messbereiche möglich.

Meist befinden sich in Widerstandsbrücken vier veränderbare Widerstände, so dass die Widerstandsbrücke über den steuerbaren Widerstand einfach abgeglichen werden kann. Variationen des Sensorsignals beeinflussen charakteristischerweise den vierten Widerstand und bewirken eine Änderung der zu messenden Größe.

Potentiometer-Messung

Potentiometer-Messungen sind Messungen mit Spannungsverhältnissen, deren Teilungsverhältnis eingestellt werden kann. Die zu messende Größe ist das Verhältnis zwischen dem eingestellten Widerstand und dem Gesamtwiderstand eines solchen Potentiometers.

Temperaturmessung mit Thermoelementen

Thermoelemente bestehen aus zwei Thermodrähten aus unterschiedlichen Materialien, die an einem Ende miteinander verschweißt sind. Haben die Kontaktstelle und die anderen Enden der Thermodrähte unterschiedliche Temperaturen, entsteht an der Kontaktstelle der beiden Thermodrähte eine Thermospannung. Diese Spannung ist weitgehend proportional zur Temperaturdifferenz. Sie ist messbar und kann zur Temperaturmessung verwendet werden.

Da Thermoelemente nur eine Temperaturdifferenz messen können, muss zusätzlich eine Klemmentemperatur bekannter Temperaturreferenz ermittelt werden. Im ersten Fall spricht man von interner Vergleichsstellenkompensation, im zweiten Fall von externer Vergleichsstellenkompensation.

Temperaturmessung mit Pt100 und Pt1000

Es sind Pt100- und Pt1000-Messungen in 2-, 3- und 4-Leiter-Ausführung möglich. Bei Pt100/Pt1000-Messungen in 2-Leiter-Ausführung verursachen die Zuleitungen einen zusätzlichen Spannungsabfall, der das Messergebnis verfälscht und die Messgenauigkeit beeinflusst. Daher ist besonders bei Pt100/Pt1000-Messungen in Zweileitertechnik darauf zu achten, dass möglichst niederohmige Leitungen zu den Sensoren verwendet werden und dass die Leitungen gut mit dem Sensormodul und dem Sensor verbunden sind. Bei Pt100/Pt1000-Messungen in 3- oder 4-Leiterform wird der Spannungsabfall direkt am Sensor abgegriffen, so dass die Zuleitungen keinen Einfluss mehr auf das Messergebnis haben. Die 4-Leiterform kompensiert den Einfluss von unsymmetrischen Leitungswiderständen.


 

Details

Beschleunigungssensoren

Ein Beschleunigungsmesser ist ein Gerät, das statische oder dynamische Beschleunigungskräfte misst. Die Kenntnis des Betrags der statischen Beschleunigung hilft bei der Bestimmung des Winkels, in dem sich ein Objekt relativ zu seiner Position auf der Erde befindet. Die Kenntnis der dynamischen Beschleunigung eines Objekts kann helfen zu analysieren, wie sich das Objekt bewegt. Ein Beschleunigungsmesser hat entweder analoge oder digitale Ausgänge. Ein Beschleunigungsaufnehmer mit analogem Ausgang hat typischerweise eine kontinuierliche Ausgangsspannung, die direkt proportional zur Beschleunigung ist. Ein digitaler Ausgang hat typischerweise die Form einer PWM (eine Rechteckwelle bestimmt die Frequenz, und die Zeitspanne, in der die Spannung auf dem hohen Niveau ist, ist proportional zur Beschleunigung). Beschleunigungssensoren werden häufig in der Automobilindustrie eingesetzt, um die Beschleunigung eines Fahrzeugs zu messen und Leistungsdaten des Motors zu liefern, die in Vergleichsmatrizen verwendet werden können. Diese Art von Sensor kann auch die Menge an Vibrationen innerhalb eines Systems messen, was eine wichtige Variable ist, die die Gesundheits- und Sicherheitsstandards eines Systems bestimmt.

 

Aktuelle Messungen

Strommessung mit einem externen Shunt: Die Strommessung erfolgt durch Messung des Spannungsabfalls über einen Widerstand mit bekanntem Wert (Shunt-Widerstand). Bei den Q.bloxx-Modulen, die zur direkten Strommessung fähig sind, ist dies ein Widerstand mit einem Wert von 50 Ω. Es sind Ströme bis zu 25 mA möglich (max. Shunt-Verlustleistung ist auf 0,25 W begrenzt). Höhere Ströme würden einen externen Shunt erfordern, der in die zu messende Leitung eingeschleift wird. Die zulässige Verlustleistung des externen Shunts muss höher sein als die Verlustleistung, die am Shunt, an dem der Strom gemessen wird, auftritt. Außerdem darf der Spannungsabfall über dem Widerstand die zulässige Eingangsspannung, die für den Analogeingang ausgelegt ist, nicht überschreiten. Konfigurieren Sie den analogen Eingangskanal als Spannungseingang und dividieren Sie die gemessene Spannung durch den externen Widerstand.

HINWEIS: Der Fehler bei der Strommessung mit einem externen Shunt hängt von der Genauigkeit des verwendeten Widerstands ab.

 

Dehnungsmessstreifen-Messungen

Strang:Das Ausmaß der Verformung eines Körpers aufgrund einer einwirkenden Kraft wird als Dehnung bezeichnet. Genauer gesagt, ist die Dehnung die fraktionierte Längenänderung des Materials. Die Dehnung kann in Form von positiver und negativer Dehnung gemessen werden. Die Messung der Dehnung ist dimensionslos und wird typischerweise als Mikrodehnung (μstrain) ausgedrückt, da die Größe der Änderung in praktischen Anwendungen sehr klein ist.

Dehnungsmessstreifen: Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen (DMS) ist eine der gängigsten Methoden zur Messung von Dehnungen an Materialien. Der elektrische Widerstand dieses Geräts ändert sich proportional zur Höhe der Dehnung am Gerät. Der Dehnungsmessstreifen (DMS) wird direkt auf das zu prüfende Material aufgebracht; die resultierende Dehnung des Materials wird somit direkt auf den DMS übertragen. Ein wichtiger Parameter bei der Durchführung von Dehnungsmessungen ist der Dehnungsfaktor des verwendeten Dehnungsmessstreifens. Dieser wird vom Datenerfassungssystem bei der Berechnung der Dehnung berücksichtigt. Der Dehnungsfaktor eines Dehnungsmessstreifens ist ein Maß für seine Dehnungsempfindlichkeit. Dehnungsfaktor = relative Änderung des elektrischen Widerstands / relative Längenänderung (mechanische Dehnung). Die Gantner-Messmodule berücksichtigen den Dehnungsfaktor des DMS bei der Berechnung der Dehnung.

Praktische Anwendung: Dehnungsmessungen liegen typischerweise in der Größenordnung von Millistrain, daher ist eine genaue Messung von sehr kleinen Widerstandsänderungen erforderlich. Um sehr kleine Widerstandsänderungen zu messen, werden Dehnungsmessstreifen fast immer in einer Brückenkonfiguration in Kombination mit einer Erregerspannung verwendet.

Skalierung von Dehnungsmessstreifen im test.commander::
1. Klicken Sie auf Dehnungsmessstreifen-Rechner; die Einheit wird automatisch auf μm/m geändert.
2. Geben Sie den Dehnungsmessstreifen-Faktor für Ihren Dehnungsmessstreifen in das linke Feld ein. Der DMS-Faktor (k) ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Dehnungsmessstreifens und wird auf dem Datenblatt des Dehnungsmessstreifens angegeben. Er hat normalerweise einen Wert zwischen 1,8 und 2,2.
3. Wenn Sie mehr als einen aktiven Dehnungsmessstreifen in Ihrer Brückenschaltung verwenden, müssen Sie auch den resultierenden Brückenfaktor im rechten Feld angeben. Der Faktor ist abhängig von der Orientierung des Dehnungsmessstreifens auf dem Messobjekt.

 

Widerstand

2-Leiter: Diese Methode ist aufgrund ihrer Einfachheit und Arbeitsweise im Vergleich zu einer 4-Leiter-Widerstandsmessung die am häufigsten verwendete Methode. Genaue Messungen über 100 kΩ sind leicht zu erzielen. Ein Nachteil dieser Methode ist die Unfähigkeit, den Leitungswiderstand der zu prüfenden Komponente zu korrigieren.

4-Leiter: Für Präzisionsmessungen, z. B. unter 100 kΩ, ist eine 4-Leiter-Messung zuverlässiger als eine 2-Leiter-Methode. Die 4-Leiter-Methode erfordert zwar einen höheren Verkabelungsaufwand, aber der Kompromiss mit der höheren Genauigkeit ist in bestimmten Anwendungen notwendig. Ein solches Szenario ist, wenn sich der Widerstand einer Komponente, die wir messen wollen, in einiger Entfernung von unserem Messgerät befindet. Die Menge an Draht, die zwischen der Komponente und dem Messgerät verwendet wird, kann einen unerwünschten Widerstand der Drähte einführen.
Bei einem 4-Leiter-Aufbau wird der durch die Messdrähte erzeugte Widerstand negiert. Diese Methode wird als Kelvin-Methode bezeichnet.

 

Potentiometer

Ein Potentiometer ist ein Widerstand mit drei Anschlüssen und einem Schleifkontakt, der sich wie ein Spannungsteiler verhält. Im Wesentlichen ist ein Potentiometer ein Spannungsteiler, der zur Messung des elektrischen Potenzials (Spannung) verwendet wird.
Potentiometer sind in elektrischen Geräten zu finden, z. B. in Audiogeräten zur Regelung der Lautstärke, in Wegaufnehmern, in der Bewegungssteuerung und vielem mehr.

Die drei Anschlusswiderstände eines Potentiometers haben Spannungsteiler (lineare Schaltungen), die einen Spannungsausgang kleiner als den Spannungseingang liefern. Die sanften Übergänge der Spannungspegel können rotierend oder linear sein. Jedes Gerät, das eine sanfte Variation des Stroms benötigt, kann die Funktionalität eines Potentiometers nutzen.

Der Aufbau eines Potentiometers besteht aus einem Widerstandskörper, Klemmen am Ende des Körpers, an denen elektrische Anschlüsse angebracht werden können, und einem Schleiferarm, der bei seiner Bewegung über den Widerstandskörper elektrischen Kontakt herstellt. Die Widerstandskörper des Potentiometers sind in verschiedenen Werten erhältlich, der Widerstandskörper kommt als Festwiderstandskörper.

 

Thermoelemente

Einführung: Thermoelemente bestehen aus zwei Thermodrähten, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen (z. B. Platin, Platin/Rhodium) und an einem Ende miteinander verbunden sind (meist durch Schweißen). Wenn diese Kontaktstelle und die anderen Enden der Thermodrähte unterschiedliche Temperaturen haben, entsteht an der Kontaktstelle eine Thermospannung. Diese messbare Spannung ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen der Kontaktstelle und den Enden der Leitungen.

Methoden der Messung: Da Thermoelemente nur eine Temperaturdifferenz messen, muss die Klemmentemperatur bzw. der Übergang von der Thermoelementleitung oder Ausgleichsleitung zur Kupferleitung bei einer bekannten Temperatur erfolgen. Der erste Fall wird als interne Kaltstellenkompensation und der zweite Fall als externe Kaltstellenkompensation bezeichnet.

Messung der Temperatur: Zur Erfassung der Temperatur mit interner Kaltstellenkompensation wird ein zusätzlicher Temperaturfühler zur Messung der Referenztemperatur verwendet. Bei den Q.bloxx-Modulen wird eine Kaltstellenkompensationsklemme mit einem integrierten Pt1000-Temperaturfühler verwendet. Mit dieser Methode wird die Temperatur a der Übergangsstelle ermittelt und die vom Thermoelement erzeugte Spannung je nach Thermoelementtyp korrigiert.

Für die Temperaturmessung mit externer Kaltstellenkompensation wird ein zweites Thermoelement des gleichen Typs benötigt, das mit dem ersten Thermoelement in Reihe geschaltet wird. Die Polarität wird so gewählt, dass sich die Thermospannungen subtrahieren. Das zweite Thermoelement befindet sich an einem festen Bezugspunkt. Das Modul Q.bloxx berechnet anhand der Linearisierungskurve die Temperatur am Messpunkt. Das Q.bloxx-Modul benötigt die verwendete Referenztemperatur (Wert bei ICP-100/Kanal-Konfiguration angeben).

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