Dipl.-Ing. Heinrich Weber Rechnergestützte Meßverfahren Grundlagen, Sensoren, Meßschaltungen, Bussysteme, Prozeßdatenerfassung und Meßautomatisierung Vogel Buchverlag
Inhaltsverzeichnis Vorwort 5 1 Einführung in die rechnergestützte Meßtechnik nichtelektrischer Größen.. 11 2 Das Messen nichtelektrischer Größen mit elektrischen Meßketten 13 2.1 Glieder der Meßkette 14 2.2 Darstellung von Meßeinrichtungen 14 2.2.1 Geräteplan 15 2.2.2 Signalflußplan 17 2.2.3 Beispiele linearer und nichtlinearer Meßketten 17 2.3 Signalformen 20 2.3.1 Analoge Signale 20 2.3.2 Digitale Signale 22 2.4 Übertragungsverhalten von Meßketten 24 2.4.1 Darstellung des Übertragungsverhaltens 24 2.4.2 Zeitverhalten von Meßkettengliedern 29 2.4.3 Übertragungsverhalten am Beispiel einer Feldplatte (Sensorkennlinie) 33 2.4.4 Kalibrierung und Justierung einer Füllstandsmeßeinrichtung an einem x-t-schreiber 33 2.5 Meßfehler statischer und quasistatischer Größen 36 2.5.1 Fehlerarten 36 2.5.2 Definition der Fehlerangabe 37 2.5.3 Fehlerfortpflanzung bei systematischen Fehlern 38 2.5.4 Statistische Fehleranalyse bei zufälligen Fehlern 40 3 Sensoren - Prinzipien der Umwandlung nichtelektrischer Größen in elektrische Signale 45 3.1 Passive Bauelemente zur Meßsignalumformung 48 3.1.1 Widerstandssensoren 48 3.1.1.1 Metallische Temperatursensoren 49 3.1.1.2 Halbleiter-Temperatursensoren 51 3.1.1.3 Potentiometrische Sensoren 53 3.1.1.4 Metallische Dehnungssensoren 58 3.1.1.5 Halbleiter-Dehnungssensoren 77 3.1.1.6 Beleuchtungsstärke-Sensoren 79 3.1.1.7 Magnetfeldempfindliche Sensoren 81 3.1.2 Induktive Sensoren 85 3.1.2.1 Differentialdrossel 87 3.1.2.2 Annäherungssensor 88 3.1.3 Kapazitive Sensoren 91 3.1.3.1 Kapazitive Füllstandssensoren 95 3.1.3.2 Kapazitive Feuchtesensoren 96 3.1.3.3 Kapazitive Näherungsschalter 97 7
3.2 Aktive Bauelemente zur Meßsignalumformung 98 3.2.1 Spannung als Meßsignal 98 3.2.1.1 Thermoelemente 98 3.2.1.2 Durchflußsensoren 102 3.2.1.3 Hallgenerator 103 3.2.2 Strom als Meßsignal 109 3.2.2.1 Optoelektronische Bauelemente 110 3.2.2.2 Lichtschranken 114 3.2.2.3 Optokoppler 116 3.2.3 Ladung als Meßsignal 116 3.3 Digitale Sensoren 119 3.3.1 Längenmeßsensoren 122 3.3.2 Drehwinkel-und Drehzahlsensoren 124 3.4 Intelligente Sensoren 125 4 Anpassung der Signale 127 4.1 Einheitssignale 127 4.2 Signalübertragung 129 4.2.1 Spannung als Meßsignal 129 4.2.2 Strom als Meßsignal 131 4.2.3 Digitale Signalübertragung 132 4.3 Störeinflüsse bei der Signalübertragung 133 4.4 Meßverstärker 137 4.4.1 Grundlagen des Operationsverstärkers 137 4.4.2 Kenndaten des Operationsverstärkers 141 4.4.3 Invertierender Verstärker 144 4.4.4 Nichtinvertierender Verstärker 148 4.4.5 Spannungsfolgerschaltung 150 4.4.6 Komparatorschaltung 152 4.4.7 Addiererschaltung 154 4.4.8 Subtrahiererschaltung 155 4.4.9 Instrumentenverstärker 158 4.4.9.1 Programmierbarer Verstärker 162 4.4.9.2 Thermoelementverstärker 163 4.4.9.3 Trennverstärker 164 4.4.10 Sample&Hold-Verstärker 165 4.4.11 Aktive Filter 167 4.4.12 Integratorschaltung 169 4.4.13 Differenziererschaltung 171 4.4.14 Konstantspannungsquelle 173 4.4.15 Konstantstromquelle 174 4.5 Meßsignalumformer für Widerstand 175 4.5.1 Widerstands-Spannungs-Umformer 176 4.5.2 Brückenschaltung 179 4.5.2.1 Abgleichmeßbrücke 180 4.5.2.2 Ausschlagmeßbrücke 182 4.5.3 Gleichspannungsmeßverstärker 189 4.5.4 Trägerfrequenzmeßverstärker 191 4.6 Strom-Spannungs-Umformer 192 4.7 Spannungs-Strom-Umformer 194 4.8 Ladungs-Spannungs-Umformer 196 8
4.9 Linearisierung einer Übertragungskennlinie 197 4.10 Zwei-, Drei- und Vierleiterschaltungstechnik 202 4.11 Analog-Digital-Umsetzer 205 4.11.1 Abtastung analoger Signale 207 4.11.1.1 Abtasttheorem 208 4.11.1.2 Aliasing-Effekt 209 4.11.2 Kenngrößen von Analog-Digital-Umsetzern 211 4.11.3 Integrierender Umsetzer 212 4.11.4 Parallelumsetzer 217 4.11.5 Umsetzer nach dem Wägeverfahren 218 4.12 Digital-Analog-Umsetzer 223 4.13 Spannungs-Frequenz-Umformer 228 4.14 Frequenz-Spannungs-Umformer 230 5 Rechnergestützte Systeme in der Meß- und Automatisierungstechnik... 233 5.1 Lösungen rechnergestützter Meßdatenerfassung 233 5.1.1 Aufbau und Funktion eines Rechners 236 5.1.2 Struktur des Datentransports 240 5.2 IEC-Bus-Meß-und-Prüfsysteme 243 5.2.1 Busstruktur und Funktionselemente 245 5.2.1.1 Datenbus 246 5.2.1.2 Übergabesteuerbus (Handshakebus) 246 5.2.1.3 Schnittstellensteuerbus 247 5.2.2 Konzept der Nachrichtenübermittlung 248 5.2.2.1 Gerätenachrichten 248 5.2.2.2 Schnittstellennachrichten 248 5.2.2.3 Universalbefehle 249 5.2.2.4 Adressierte Befehle 250 5.2.2.5 Hörer-und Sprecheradressen 251 5.2.3 Elektrische und mechanische Festlegungen 252 5.3 PC-Karten zum Messen und Automatisieren 253 5.3.1 Aufbau von PC-Karten 253 5.3.2.1 Erfassung analoger Signale 253 5.3.2.2 Ausgabe analoger Signale 258 5.3.2.3 Ein- und Ausgabe digitaler Signale 258 5.3.2 Multifunktionskarten 259 5.3.3 Erweiterung des Rechners mit PC-Karten 260 5.4 Serielle Schnittstellen 261 5.4.1 RS-232-Schnittstelle 261 5.4.2 RS-422-Schnittstelle 265 5.4.3 RS-485-Bus-Schnittstelle 266 5.4.4 TTY-Strom-Schnittstelle 267 5.5 Intelligentes Sensormodul mit RS 485 269 5.5.1 Systembeschreibung 269 5.5.2 Konfiguration des Moduls 271 5.5.3 Programmierung der RS-485-Schnittstelle 272 6 Software in der Datenerfassung, -Verarbeitung und Meßautomatisierung 275 6.1 System-und Anwendersoftware 275 6.2 Betriebssysteme und Programmiertechniken 275 9
6.2.1 Betriebssysteme 275 6.2.1.1 Singletask-Betriebssysteme 276 6.2.1.2 Multitask-Betriebssysteme 277 6.2.1.3 Realtime-Verarbeitung 277 6.2.2 Programmierebenen 278 6.2.2.1 Programmierung im Maschinencode 278 6.2.2.2 Programmierung in Assembler 278 6.2.2.3 Programmierung in einer höheren Programmiersprache... 278 6.2.2.4 Programmierung mit grafischen und menügeführten Hilfen.. 278 6.3 Standardsoftware in der Meßdatenerfassung und -Verarbeitung 279 6.3.1 Ebenen von Standardsoftware 279 6.3.2 Menügeführte Software mit grafischen Bedienhilfen - Easyest LX 280 6.3.2.1 Benutzeroberfläche und Menüführung 280 6.3.2.2 Funktionen 281 6.3.3 Programmierumgebung Viewdac 284 6.3.3.1 Grundlegende Begriffe 285 6.3.3.2 Programmierung eines virtuellen Spannungsmeßgeräts 286 6.3.3.3 Datenerfassung über A/D-PC-Karte, IEC-Bus und RS 232.... 289 6.3.4 Modulorientierte Standardsoftware DASYlab 292 6.3.4.1 DASYlab unter Windows 292 6.3.4.2 Benutzeroberfläche und grafische Programmierung 293 6.3.4.3 Grundfunktionen von DASYlab 295 6.3.4.4 Beispiel 296 7 Lösungsverfahren in der rechnergestützten Meßtechnik 299 7.1 Wahl des Meßverfahrens 299 7.1.1 Zeitbezug der Meßdatenerfassung 299 7.1.1.1 Online-Betrieb 299 7.1.1.2 Offline-Betrieb 299 7.1.1.3 Real time-verarbeitung 300 7.1.2 Art der Messung 300 7.1.2.1 Einzelmessung 300 7.1.2.2 Meßreihe 300 7.1.3 Triggerbedingungen 300 7.1.3.1 Freilaufende Triggerbedingung 301 7.1.3.2 Takttriggerung 301 7.1.3.3 Ereignistriggerung 301 7.1.3.4 Gesteuerte Triggerung 301 7.2 Gliederung der meßtechnischen Aufgabe 301 7.2.1 Versuchsplanung 302 7.2.2 Instrumentierung 302 7.2.3 Parametrierung 302 7.2.4 Programmierung 303 7.2.5 Versuchsdurchführung 303 7.2.6 Meßdatenverarbeitung 303 7.3 Berichterstellung und Dokumentation 304 Glossar 305 Literaturverzeichnis 309 Stichwortverzeichnis 311