Messelektronik und Sensoren

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1 Messelektronik und Sensoren

2 Herbert Bernstein Messelektronik und Sensoren Grundlagen der Messtechnik, Sensoren, analoge und digitale Signalverarbeitung

3 Dipl.-Ing. Herbert Bernstein München, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Eine rationelle Betriebsführung in prozesstechnischen Anlagen ist ohne eine moderne Messtechnik nicht mehr denkbar. Voraussetzung für den Einsatz von Steuereinrichtungen, Reglern, Prozessrechnern und PC-Systemen ist eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche sowie exakte Messwerterfassung und die Darstellung der Messwerte in Form elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Signale. Die messtechnische Erfassung und Auswertung der Umwelt ist für den Ingenieur und Physiker von jeher die Voraussetzung für seine Arbeit gewesen. Die heute anstehenden naturwissenschaftlichen und technischen Aufgaben stellen ihn vor eine sehr große Anzahl von miteinander verknüpften Problemen. Deren Lösung bedarf einer ganzheitlichen Betrachtung, wozu die Methoden der Sensorik und der Messwerterfassung und -verarbeitung einen wichtigen Beitrag leisten können. Für den Techniker und Meister im Labor, im Betrieb und in der Anlagentechnik ist die praktische Anwendung der zahlreichen Sensoren und die Kenntnis der Messelektronik bzw. PC-Messtechnik heute unentbehrlich. Das Buch gibt einen Einblick in die heutige Betriebsmesstechnik einschließlich der Analysentechnik, ohne dabei Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Für den Studierenden stellt das Buch neben den einschlägigen Lehr- und Handbüchern eine Einführung dar. Dem im Beruf stehenden Ingenieur vermittelt es einen raschen Überblick über ihm nicht vertraute Messverfahren und Geräte. In der Messtechnik ist ein PC-System heute zum unersetzlichen Hilfsmittel geworden. Der PC führt automatisch Messungen aus, analysiert Messdaten und stellt sie als Grafik oder Datei zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Der PC kann ganze Anlagen steuern, indem er mit Relais, Ventile und Motoren geschaltet werden kann. Natürlich ist er auch aus der Regelungstechnik nicht mehr wegzudenken. Musste früher eine Regelungsschaltung durch zahlreiche diskrete Bauelemente oder mit sehr teueren Prozessrechnern aufgebaut werden, lässt sie sich heute durch die Verwendung eines PC-Systems flexibler und effektiver gestalten, weil Hardware-Komponenten durch eine entsprechende Software ersetzt werden können. Durch die notwendige Kombination der analogen und der digitalen Schaltungstechnik ergeben sich oft Problemstellungen, die sich nur durch entsprechende Erfahrung auf beiden Gebieten lösen lassen. Aus diesem Grunde werden in diesem Buch nicht nur die Bauelemente der Messtechnik transparent gestaltet, sondern auch die analogen Kompo- V

5 VI Vorwort nenten, die für den Aufbau von Mess-, Steuer- und Regelungssystemen notwendig sind, ausführlich dargestellt. Die Erfahrungen und Vorkenntnisse der PC-Benutzer oder derjenigen, die es werden wollen, sind ganz unterschiedlicher Natur. Auf der einen Seite gibt es die PC-Freaks, die über einen hohen Kenntnisstand betreffs Programmierung und Innenleben des PC verfügen, aber mit der Analogtechnik nicht so vertraut sind, dass sie entsprechende Systeme entwickeln könnten. Auf der anderen Seite wird der PC in den unterschiedlichsten Bereichen, sei es in der Elektrotechnik/Elektronik, im Maschinenbau oder in der Verfahrenstechnik, eingesetzt. Hier wird das PC-System eher als Hilfsmittel zur eigentlichen Problemlösung betrachtet und dementsprechend sind die PC-Kenntnisse meist nicht tiefgreifend genug, um Messsysteme hinsichtlich ihrer Eignung für den PC beurteilen oder selbst entwickeln zu können. Den theoretischen Grundlagen und den Messverfahren ist ebenso breiter Raum gewidmet wie der Beschreibung von Systemen bzw. Geräten und Messeinrichtungen. Durch Angabe von Messbereichen und Fehlergrenzen werden zusätzliche Anhaltspunkte für den Einsatz gegeben, wobei die genannten Werte auf Grund der ständig technischen Entwicklung als Mindestwerte anzusehen sind. Zahlreiche Tabellen runden das Buch zu einer handlichen Arbeitsunterlage ab. Meiner Frau Brigitte danke ich für die Erstellung der Zeichnungen und für die Korrektur des Manuskripts. München, im Sommer 2013 Herbert Bernstein

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Sensorik und in die elektronische Messtechnik Sensortypen Standardsensoren Messtechnische Grundbegriffe Analoge und digitale Messgeräte Strom und Spannung Widerstände Kalibrieren von Mess- und Prüfmitteln Analoge und digitale Messwerterfassung Aufbau einer analogen Messkette Aufbau einer digitalen Messkette Erfassung und Verarbeitung von Messdaten Steuern, Regeln und Visualisieren Messfehler Fehlerarten Fehlerquellen Einflussfehler Fehlerfortpflanzung Auswahlkriterien für Messeinrichtungen Bauelemente der elektronischen Messwerterfassung Analoge Verstärkerfamilien Interner Schaltungsaufbau von Operationsverstärkern Betriebsarten eines Operationsverstärkers Übertragungscharakteristik bei Operationsverstärkern Invertierende Betriebsart Nicht invertierender Betrieb Spannungsabhängige Stromgegenkopplung Stromabhängige Spannungsgegenkopplung Stromabhängige Stromgegenkopplung VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis 2.2 Lineare und nicht lineare Verstärkerschaltungen Addierer bzw. Summierer Operationsverstärker als Integrator Differenzierer mit Operationsverstärker Differenzverstärker oder Subtrahierer Instrumentenverstärker Spannungs- und Strommessung Komparator und Schmitt-Trigger Einfacher Spannungsvergleicher Spannungsvergleicher im gesättigten Verstärkerbetrieb Window-Komparator Dreipunktkomparator Schmitt-Trigger Schmitt-Trigger in nicht gesättigter Betriebsart Komparator mit Kippverhalten Messbrücken Unbelasteter Spannungsteiler Belasteter Spannungsteiler Brückenschaltung Einfache Kapazitätsmessbrücke Wien- und Wien-Robinson-Brücke Maxwell-Brücke Schering-Brücke Maxwell-Wien-Brücke Frequenzunabhängige Maxwell-Brücke Analogschalter Schalterfunktionen der Analogschalter Operationsverstärker mit digitaler Ansteuerung Sample & Hold-Schaltungen Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler Aufbau eines Datenerfassungssystems Messdatenerfassung ohne Abtast- und Halteeinheit Zeitmultiplexe Messdatenerfassung mit Abtast- und Halteeinheit Simultane Messdatenerfassung mit Abtast- und Halteeinheit Antialiasing-Filter Systeme zur Signalabtastung Theorem zur Signalabtastung AD- und DA-Wandler Natürlicher Binärcode Komplementärer Binärcode Codes für AD- und DA-Wandler BCD-Codierung

8 Inhaltsverzeichnis IX Spezifikationen von Datenumsetzern Relative Genauigkeit bei Wandlersystemen Absolute Genauigkeit bei Wandlern Digital-Analog-Wandler Übertragungsfunktion Aufbau und Funktion eines DA-Wandlers R2R-DA-Wandler DA-Wandler mit externen Widerständen Analog-Digital-Wandler AD-Wandler nach dem Zählverfahren AD-Wandler mit Nachlaufsteuerung AD-Wandler mit stufenweiser Annäherung Single-Slope-AD-Wandler Dual-Slope-AD-Wandler Spannungs-Frequenz-Wandler Temperatursensoren Grundsätzliches über Temperaturerfassung Temperaturabhängige Effekte Temperaturabhängige Widerstände NTC-Widerstände oder Heißleiter Daten, Bauformen und Technologie von Heißleitern Linearisierung von Heißleiter-Kennlinien Verstärkerschaltungen für linearisierte Heißleiter PTC-Widerstände Schutzschaltungen mit Kaltleitern Temperaturschalter von 10 Cbis +100 C Temperaturschalter mit Fühlerüberwachung LED-Thermometer Integrierter Wandlerbaustein ICL7106 und ICL Externe Komponenten des ICL7106 und ICL Integrierende AD-Wandler mit dem ICL7106 und ICL Thermoelemente Thermoelektrischer Effekt Messungen mit Thermoelementen Verstärker für Thermoelemente Widerstandsthermometer mit Pt100 bzw. Ni Pt100-Widerstandsthermometer Ni100-Widerstandsthermometer Silizium-Temperatursensor als Pt100-Ersatz Anschluss eines Widerstandsthermometers Vermeidung elektromagnetischer Störanfälligkeit

9 X Inhaltsverzeichnis Erdschleifen, Erdung und abgeschirmte Leitungen Wärmeflussaufnehmer Messung mechanischer Größen mit Temperatursensoren Füllstandsmessung Messung der Strömungsgeschwindigkeit Mikrobrücken-Luftstromsensoren Heißfilm-Luftmassensensor Hitzdraht-Luftmassensensor OptischeSensoren Eigenschaften und Ausführungsformen Hellempfindlichkeit Technologie der Photodioden Anwendungen von Photodioden Photowiderstand Messschaltung mit einem Photowiderstand Dämmerungsschalter Phototransistor Automatische Garagenbeleuchtung mit Phototransistor Photoelement Aktive Optoelektronik Emitterbauelemente Laserdioden (Halbleiter-Laser) Leuchtdioden Optokoppler Lichtschranken und optoelektronische Abtastsysteme Einweglichtschranken Sonderformen von Einweglichtschranken Reflexionslichtschranken Reflexionslichttaster Erfassung glänzender Objekte Lichttaster mit Hintergrundausblendung Bohrerbruchkontrolle mittels Lichtschranke Optische Entfernungsmessung Optische Drehwinkel- und Positionserfassung Absolut-Drehwinkelgeber Gabellichtschranken Inkrementale Drehgeber Signalauswertung

10 Inhaltsverzeichnis XI 5 Feuchtesensoren Physikalische Messverfahren Zweckmäßige Messmethoden Methoden der Feuchtegehaltsbestimmung Indirekte Messverfahren Labormessverfahren höherer Genauigkeit Physikalische Zusammenhänge Definition des Wasserdampf-Partialdrucks Taupunkt Relative Feuchte in Gasen Relative Feuchte in Flüssigkeiten Aufbau und Funktionsweise eines Aluminiumoxid-Feuchtesensors Anwendung von Aluminiumoxid-Feuchtesensoren Temperatur- und Druckverhalten Realisierung von Feuchtemessung Einfache Messschaltung mit Feuchtesensor Feuchteabhängige Steuerung Sachverzeichnis