Sensorik mit NI 9219

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1 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 Pt 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 Seite 1 von 17

2 1. 2 (17) 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 Abtastrate 100 samples/second Abtastintervall 10ms Abtastrate 2 samples/second Abtastintervall 500ms Seite 2 von 17

3 3 (17) 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. Seite 3 von 17

4 2. 4 (17) 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. Seite 4 von 17

5 5 (17) 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. Seite 5 von 17

6 3. Temperaturmessung mit dem Pt 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 Seite 6 von 17

7 3.3 7 (17) 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. Seite 7 von 17

8 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 , 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 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. Seite 8 von 17

9 4.3 9 (17) 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 Vergleichsstelle Seite 9 von 17

10 5. 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 mA 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 Seite 10 von 17

11 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 Seite 11 von 17

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 Seite 12 von 17

13 7. Abstandsmessung mit dem Reflexionssensor 7.1 Sensor 13 (17) 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. Seite 13 von 17

14 8. 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 - CH + Seite 14 von 17

15 9. 15 (17) Halbbrücke mit NEVA-DMS Zwei Brückenwiderstände gelb bran grün weiß Mit Stecker-Adapter: Zeichnung gelb rot blau Kabel blau violett+rosa rot Seite 15 von 17

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) 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. Seite 16 von 17

17 (17) Feuchtesensor Seite 17 von 17