VERSUCH GMT 07: Experimentelle Untersuchung von Füllstandsmessverfahren

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1 Praktikum Grundlagen der Messtechnik II VERSUCH GMT 07: Experimentelle Untersuchung von Füllstandsmessverfahren Die Messung des Füllstandes ist eine wichtige und oft benötigte Prozessgröße, welche vielfach in der Industrie zum Einsatz kommt, wenn flüssige Medien oder feste Schüttgüter gespeichert bzw. transportiert werden. Durch die unterschiedlichen Anforderungen und Einsatzgebiete werden so prozessspezifische Messmethoden benötigt. 0. Versuchsvorbereitung Verschaffen Sie sich einen Überblick über die Messmethoden zur Füllstandsmessung sowie deren Vor- und Nachteile. Setzen Sie sich mit den unter 1. verwendeten Messmethoden auseinander. Leiten Sie die Formel zur Kapazitätsberechnung der Kondensatoren im Messbehälter 2 her (parallele Platten, siehe Abbildung 5). Welche Messunsicherheiten können bei den Messungen auftreten? Machen Sie sich mit der Auswertung von Messreihen vertraut und erläutern Sie folgende Begriffe: Linearitätsfehler, absolute sowie relative Häufigkeit, zufällige und systematische Messabweichung. 1. Aufgabenstellung 1.1. Kalibrierung Die im Abschnitt und vorgestellten Sensoren besitzen eine annähernd lineare Kennlinie. Die Kapazität ist ebenfalls linear vom Füllstand abhängig. Somit kann der Füllstand im Behälter durch eine lineare Funktion beschrieben werden. Schalten Sie das Netzteil der Firma FESTO DIDACTIC ein und schließen Sie den Signalausgang des Funktionsgenerators an die BNC-Buchse des Messbehälters 2. Nutzen Sie für die Messung das parallele Kondensatorplattenpaar und kontrollieren Sie die Messschaltung (Abbildung 1). Schalten Sie den Funktionsgenerator ein und stellen Sie die Sinusspannung auf 10 Vpp und 1,1 MHz. Drücken Sie anschließend die Taste Output. Öffnen Sie das Programm Füllstandsmessung auf dem Desktop und starten Sie dieses durch den Button Anlage ein. Quittieren Sie anschließend die Fehlermeldung: Fehler Füllstand. Lassen Sie das Wasser aus dem Messbehälter 2 in den Vorratsbehälter ab, bis ein Füllstand im Messbehälter von ca. 20 mm erreicht ist. Stellen Sie den Sollwert der Pumpen mehrmals kurz von 0 auf 10 um die Pumpen zu entlüften. Betätigen Sie nun den Button Start in der Registerkarte Aufgabe 5.1 im Aufgabenbereich des Programms. Unterlagen nur für den internen Gebrauch an der EAH Jena 1

2 Übernehmen Sie die Werte für Leer durch Klicken des Buttons Übernehmen in die entsprechenden Felder. Abbildung 1: Messschaltung 1 Pumpen Sie anschließend das Wasser wieder in den Messbehälter 2 zurück, bis ein Füllstand von ca. 300 mm erreicht ist. Übernehmen Sie diesen Wert. Berechnen Sie die Funktionsparameter für eine lineare Funktion (Füllstand=f (Sensoranalogwert)) aus den ermittelten Werten und tragen Sie diese in die grünen Eingabefelder für n und m ein. Stellen Sie alle Füllstände aus der Reihe Ablesewert ein und übernehmen Sie bei jedem Füllstand den Sensorwert. Speichern Sie die Werte in eine Excel-Datei. Stellen Sie dabei die Kennlinien in Abhängigkeit vom Ablesewert grafisch dar. Berechnen Sie nun für jeden Sensor die Linearitätsabweichung entlang der aufgenommenen Kennlinie und stellen Sie diese ebenfalls grafisch dar. Diskutieren Sie mögliche Einflüsse, die für eine Linearitätsabweichung verantwortlich sind Kennlinienaufnahme Behalten Sie die Einstellungen für den Funktionsgenerator aus dem Versuch Kalibrierung bei. Klicken Sie auf den Button Start in der Registerkarte Aufgabe 5.2. Links in der Reihe Ablesewert werden nun die Füllstände angezeigt, bei denen der Analogwert des Sensors gemessen werden soll. Pumpen Sie nun das Wasser wieder aus dem Vorratsbehälter in den Messbehälter 2. Stellen Sie die vorgegebenen Füllstände ein und übernehmen Sie den Analogwert an der entsprechenden Position. Speichern Sie die Messdaten in eine Excel-Datei. Berechnen Sie den arithmetischen Mittelwert für die Füllstände und stellen Sie diesen grafisch dar. Fügen Sie für jeden Sensor eine Trendlinie ein und wählen Sie für diese eine geeignete Funktion aus. Mit welchen Funktionstypen lassen sich die Kennlinien am besten annähern? Vergleich Sie die Funktion der Trendlinie mit der ermittelten Funktion aus der Aufgabe 1.1. und Diskutieren Sie die Ergebnisse! Unterlagen nur für den internen Gebrauch an der EAH Jena 2

3 1.3. Statistische Auswertung Berechnen Sie aus den vorhandenen Messwerten für jeden Sensor eine Regressionsgerade als Näherung für eine lineare Kennlinie. Welchen mittleren Abstand zur Regressionsgerade hat die Gesamtheit der Messpunkte für jeden Sensor? Berechnen Sie die Streuung der Messpunkte um die Geraden. Vergleichen Sie die Streuung in verschiedenen Abschnitten der Geraden. Welche möglichen Erklärungen gibt es für Ihre Beobachtungen? Erzeugen Sie für die Messdaten jedes Sensors eine Trendlinie und wählen Sie eine geeignete Funktion für diese aus. Mit welchen Funktionstypen lassen sich die Kennlinien am besten annähern? Vergleichen Sie die erzeugten Funktionen der Trendlinie mit der ermittelten Funktion aus Aufgabe 1.1. Wie hoch ist die Streuung der Messwerte um die Regressionsgerade und um die erzeugten Trendlinien? 2. Literatur Schnell, G. Hesse, S.: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, 4. Auflage, Vieweg+Teubner, 2009 Hoffman, J.: Taschenbuch der Messtechnik, 5. Auflage, Hanser Fachbuchverlag, 2007 Langmann, R.: Taschenbuch der Automatisierung, 1. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, 2003 Schmusch, W.: Elektrische Messtechnik, 6. Auflage, Vogel Verlag, 2005 Unterlagen nur für den internen Gebrauch an der EAH Jena 3

4 3. Anhang 3.1. Versuchsaufbau In Abbildung 2 ist der Aufbau des Füllstandversuches dargestellt. Tabelle 1 erklärt die verwendeten Komponenten der Versuchsanordnung. Abbildung 2: Verfahrensschema Tabelle 1: Komponenten der Versuchsanordnung Behälter Bezeichnung Komponente Behälter 1 LH 101 Grenzwertschalter oben LH 102 Grenzwertschalter unten LH 103 verstellbarer Plattenkondensator LH 104 Zylinderkondensator Behälter 2 LI 201 Ultraschallsensor LI 202 Plattenkondensator LI 203 hydrostatischer Sensor Behälter 3 LH 301 Grenzwertschalter oben LL 302 Grenzwertschalter unten Die Versuchsanlage besteht aus zwei Messbehältern und einem Vorratsbehälter. Für eine Messung mit dem Messbehälter 2 wird das Wasser aus dem Vorratsbehälter in den Messbehälter gepumpt. Die Füllstände werden anschließend durch das Ventil H3 eingestellt. An den Messbehältern befindet sich je eine Millimeterskala zur Bestimmung der Füllstände. Unterlagen nur für den internen Gebrauch an der EAH Jena 4

5 Das Wasser wird vom Messbehälter 1 in den Messbehälter 2 gepumpt. Die Füllstände werden mit dem Ventil H4 eingestellt. Dabei kann der momentane Füllstandswert, auf der Millimeterskala an der Rückseite des Messbehälters abgelesen werden. Der Mindestfüllstand für den Messbehälter 2 beträgt 20 mm. Aus Sicherheitsgründen sind zusätzlich kapazitive Näherungsschalter an den Vorratsbehälter und am Messbehälter 1 angebracht. Sie verhindern ein Trockenlaufen der Pumpen und somit deren Beschädigung. Sämtliche Sperrventile der Anlage werden handbetätigt. Die Zentrifugalpumpen P1 und P2 werden mittels einer graphischen Benutzeroberfläche am PC gesteuert. Im Programm werden auch die Auswahl der Pumpe und die Einstellung für den Sollwert getroffen Messvorrichtungen am Messbehälters Ultraschallsensor Das Funktionsprinzip des Ultraschallsensors (Abbildung 3) beruht auf der Erzeugung akustischer Wellen mit einer Frequenz von 20 khz bis 220 khz. Der Schallgeber wird für kurze Zeit angesteuert und sendet einen Impuls aus. Nach dem Aussenden wird der Impuls an einer in Reichweite liegenden Grenzfläche reflektiert und vom Sensor wieder empfangen. Die Laufzeit des Impulses wird in der nachfolgenden Elektronik ausgewertet und als ein analoges Stromsignal von ma ausgegeben. Der Sensor führt diese Messung zyklisch (40 Hz) aus Abbildung 3: Ultraschallsensor Hydrostatischer Sensor Der hydrostatische Sensor (Abbildung 4) enthält eine Keramikmesszelle, um den hydrostatischen Druck zu messen. Das Sensorsignal kann wahlweise durch V oder ma ausgegeben werden. Durch den robusten Aufbau ist der Messumformer für den Industrieeinsatz geeignet. Unterlagen nur für den internen Gebrauch an der EAH Jena 5

6 Abbildung 4: Hydrostatischer Sensor Kapazitive Messung Am Messbehälter 2 sind außen Kondensatorplatten außen angebracht (siehe rote Markierung Abbildung 5). Achtung!! Die Behälterwände müssen in die Kapazitätsberechnung mit einbezogen werden. H s B s Abbildung 5: Kondensatorplatten an der Behälterwand s B s h x H b ε Acrylglas 10 Wandstärke des Behälters (5 mm) Behälterbreite (200 mm) Behälterfüllstand Kondensatorplattenhöhe (300 mm) Kondensatorplattenbreite (15 mm) Unterlagen nur für den internen Gebrauch an der EAH Jena 6