Elektrische Messtechnik

Die meßtechnische Erfassung von physikalisch-technischen Gegenständen und Prozessen stellt zusammen mit der logischen Denkfähigkeit des Menschen, also insbesondere auch der Fähigkeit, diese Objekte und Vorgänge mathematisch zu beschreiben, eine wesentliche Grundlage aller Natur- und Ingenieurwissenschaften dar. Schon der griechische Philosoph Platon (427-347 v. Chr.) hat auf die große Bedeutung der Meßtechnik hingewiesen, als er im X. Buch seines Werkes "Der Staat" schrieb [129]:

Die Messung einer physikalischen Größe besteht im Vergleich mit einer Maßeinheit, d. h. die physikalische Größe ergibt sich stets als Produkt aus einem Zahlenwert und einer Maßeinheit:

Wir beginnen mit der Beschreibung periodischer Funktionen mit Hilfe von Fourier-Reihenentwicklungen und leiten daraus die Beschreibung auch nichtperiodischer Funktionen mittels der Fourier-Transformation ab.

Die periodische Funktion f(t) = f(t + T) läßt sich bekanntlich in Form einer trigonometrischen Reihe angeben [42]

R,L,C = f(t) (4.1)

R,L,C = f(u, i) (4.2)

Bauelementen und Netzwerken. Sie stellen eine Verallgemeinerung der linearen Bauelemente und Netzwerke dar.

Messungen sind in der Regel fehlerbehaftet, auch wenn sie noch so präzise durchgeführt werden. Die Ermittlung und Angabe der entsprechenden Meßfehler sollte zu jeder zuverlässigen Messung gehören, damit die aus dem Meßergebnis abgeleiteten Schlüsse bzw. Entscheidungen auf einer sicheren Grundlage basieren. So besteht bei vielen Arten von Messungen die Gefahr, daß sich die zu messenden Größen durch das Einbringen der Meßgeräte verändern. Beispielsweise kann ein Spannungsmesser die zu messende Spannung verändern, weil er infolge seiner nicht idealen (d.h. nicht unendlich hohen) Innenimpedanz die Spannungsquelle belastet. Generell ist darauf zu achten, daß solche Rückwirkungen der Meßeinrichtung auf die Quelle, der die Meßgröße entstammt, so gering wie möglich gehalten werden. Eine weitere typische Fehlerquelle besteht in der unsachgemäßen Anwendung der Geräte, wie z.B. dem Betrieb in einem nicht spezifizierten Frequenz- oder Temperaturbereich. Aber selbst bei bestimmungsgerechter und rückwirkungsfreier Anwendung von Meßgeräten gibt es Meßfehler, die zufälliger Natur sind, wie z.B. die Ablesefehler.

Die Grundfunktionen eines Meßgerätes gliedern sich in die Aufnahme der Meßgröße, die Verarbeitung des Meßsignals und in die Ausgabe des Meßwertes (Abb. 6.1). Bei den Meßgeräten zur Messung von elektrischem Strom bzw. elektrischer Spannung unterscheidet man zwischen den klassischen elektromechanischen Instrumenten mit analogen Zeigerskalen und den moderneren elektronischen, auf digitaler Basis arbeitenden Geräten mit interner Analog- Digital-Umsetzung und Ziffern- oder Bildschirmausgabe. Obwohl die klassischen Zeigergeräte in den letzten Jahren an Bedeutung verloren haben, sollen diese im Kap. 6.1 ausführlich beschrieben werden, da die in diesen Geräten genutzten Wandlungsprinzipien von grundlegender Bedeutung für die Elektrische Meßtechnik sind, insbesondere für die Sensortechnik bei der Messung mechanischer Größen. Auf die auf digitaler Basis arbeitenden Meßgeräte wird in Kap. 11 näher eingegangen.

• geringe Rückwirkung auf die Meßgröße

• Signaltreue (Linearität)

• hohe Amplitudendynamik (niedriges Eigenrauschen, geringe Verzerrungen bei großen Amplituden)

• ausreichende Bandbreite (Ausgangssignal muß dem Eingangssignal zeitlich folgen können)

• eingeprägtes Ausgangssignal (Spannung oder Strom).

Während man in der klassischen Meßtechnik versucht hat, die Rückwirkungsfreiheit einer Messung durch Kompensationsverfahren zu erreichen, bedient sich die elektronische Meßtechnik dazu eines Meßverstärkers mit geeigneter Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz. So kann beispielsweise die bei der Spannungsmessung stets vorhandene Belastung eines Meßkreises infolge der endlichen Innenimpedanz des Meßgerätes und der daraus resultierende Meßfehler durch die Verwendung eines Meßverstärkers mit sehr hohem Eingangswiderstand i. allg. soweit reduziert werden, daß sie nicht mehr stört.

Die elektrische Leistung P an einem elektrischen Tor ergibt sich aus dem Produkt von Spannung U und Strom I

P = UI . (8.1)

Diese Leistung kann mit Hilfe eines elektrodynamischen Meßwerkes gemessen werden. Dazu schickt man den Strom I durch die Feldspule (Widerstand R _WA) und legt die Spannung U an die Drehspule (Widerstand R _WV) an. Abbildung 8.1 zeigt die entsprechende Schaltung mit dem elektrodynamischen Meßwerk.

Ein ohmscher Widerstand R unterscheidet sich von einer komplexen Impedanz \( \underline{Z} \) dadurch, daß er keine kapazitiven oder induktiven Anteile enthält, was eigentlich einen Idealfall darstellt, der in der Praxis nie ganz erreicht werden kann. Für den ohmschen Widerstand gilt das Ohmsche Gesetz in der Form

d. h. Strom und Spannung sind zu jedem beliebigen Zeitpunkt direkt proportional. Die Messung ohmscher Widerstände ist im Rahmen der meßtechnischen Praxis eine wichtige Aufgabe, weil einige Sensoren als Widerstandsaufnehmer arbeiten; d. h. ihr Widerstandswert ist ein Maß für die Meßgröße.

Es zählt zu den Standardaufgaben der elektrischen Meßtechnik, den Zeitverlauf von elektrischen Signalen unter Angabe von Zeit- und Amplitudenwerten darzustellen bzw. zu registrieren. Sehr häufig wird dabei auf eine Realzeitdarstellung Wert gelegt, bei der das Signal zeitgleich mit seinem Auftreten bildlich dargestellt wird. In der Elektrischen Meßtechnik setzt man zu diesem Zweck Elektronenstrahl-Oszilloskope ein, welche der Visualisierung des Zeitverlaufes einer elektrischen Spannung u(t) dienen. Die im folgenden beschriebenen Oszilloskope sind Geräte, die eine solche bildliche Darstellung des Signals entweder in Realzeit oder in Äquivalenzzeit (zeitlich gestaffelte Abtastung periodischer Signale) erlauben. Die Geräte können dabei auf analoger oder digitaler Basis arbeiten. Sie werden dementsprechend als Analog-Oszilloskope (analoge Elektronenstrahl-Oszilloskope) (Kap. 10.1) bzw. als Digital-Oszilloskope (Digital-Speicheroszilloskope, Digital Sampling Oscilloscope (DSO)) (Kap. 10.4) bezeichnet. Im Gegensatz zu den früher verwendeten Oszillographen, welche die Registrierung von elektrischen Signalen auf fotografischem Papier ermöglichten, handelt es sich bei den heute eingesetzten Oszilloskopen um Sichtgeräte, bei denen ein Elektronenstrahl mit konstanter Geschwindigkeit in horizontaler Richtung über eine phosphoreszierende Schicht geführt wird und beim Auftreffen auf diese Leuchtschicht für eine kurze Zeitdauer einen sichtbaren Punkt erzeugt. Die vertikale Strahlablenkung ist proportional der dargestellten Spannung, so daß bei entsprechend schneller und permanenter Wiederholung des Schreibvorganges ein dauernd sichtbares Leuchtbild der darzustellenden Signalspannung entsteht.

Da die moderne Meßtechnik zunehmend die Verfahren der rechnergestützten Meßwerterfassung und digitalen Signalverarbeitung nutzt, zählt es zu den wichtigsten Aufgaben der Elektrischen Meßtechnik, in analoger Form vorliegende Meßsignale zu digitalisieren. Während in der analogen Meßtechnik alle Meßgrößen in wertkontinuierlicher Form verarbeitet werden, kennt die digitale Meßtechnik nur die binäre Darstellungsform. Binäre Signale können den Wert '1'(alternativ 'H' für High) oder '0' (alternativ 'L' für Low) annehmen. Für den Fall, daß der Wert 1 einem hohen Spannungspegel und der Wert 0 einem niedrigen Spannungspegel entspricht, bezeichnet man dies als positive Logik, im umgekehrten Fall spricht man von negativer Logik. Binäre Signale bieten den großen Vorteil, daß sie sich durch nur zwei, eindeutig zu unterscheidende Betriebszustände der verarbeitenden elektronischen Komponenten darstellen lassen, wie z.B. ” Schalter EIN“ bzw. ” Schalter AUS“. Alle auf Halbleiterelementen basierenden Schalter sind bezüglich ihrer High- und Low- Spannungspegel mit so großzügigen Toleranzbändern versehen, daß Digitalschaltungen im allgemeinen sehr zuverlässig funktionieren. Beim Übergang in die Digitalwelt müssen die wert- und zeitkontinuierlichen Signale in wert- und zeitdiskrete Signale gewandelt werden. Dazu bedient man sich entweder der Analog-Digital-Umsetzer (Kap. 11.7) oder der Zählerschaltungen (Kap. 11.5). Zum Verständnis dieser Schaltungen sind Kenntnisse über Binärcodes und digitale Grundschaltungen, wie Gatter und bistabile Kippschaltungen, notwendig. Diese Grundlagen sind Inhalt der Kap. 11.1 bis 11.3.

In der modernen Meßtechnik werden in zunehmendem Maße die Zeit und Frequenz als informationstragende Parameter genutzt. Einer der Hauptvorzüge dieser Codierungsart liegt in der sehr hohen Genauigkeit, mit der Zeitintervalle und Frequenzen gemessen werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die im allgemeinen in analoger Form vorliegenden Meßsignale auf einfache Weise mit Hilfe von Zählerschaltungen digitalisieren lassen. Zeit- und Frequenzmessungen sind eng miteinander verknüpft, da beide mit Hilfe von Zählern durchgeführt werden. Man kann erreichen, daß der Meßfehler bei der Zeit- bzw. Frequenzmessung im wesentlichen auf die Ungenauigkeit der eingesetzten Zeitbasis beschränkt bleibt, deren Genauigkeit wiederum von dem dort verwendeten frequenzbestimmenden Element definiert wird. Dieses Frequenznormal basiert standardmäßig auf einem Schwingquarz, der zur Erhöhung der Genauigkeit temperaturstabilisiert betrieben werden kann. Selbst mit einfachen nicht temperaturstabilisierten Uhrenquarzen sind relative Frequenzfehler von weniger als 10⁻⁵ möglich. Durch geeignete Temperaturregelungen lassen sich die relativen Fehler bezüglich der Temperaturdrift sogar noch um drei bis vier Größenordnungen reduzieren. Präzisionsfrequenzzähler hingegen enthalten Rubidium-Elemente, die Genauigkeiten im Bereich 10⁻¹⁰ bis 10⁻¹¹ ermöglichen. In speziell eingerichteten Laboratorien, wie z. B. der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, werden bei der Zeitmessung sogar Genauigkeiten von 5 · 10⁻¹⁵ erzielt [16].

Die wesentlichen Aufgaben der Meßsignalverarbeitung bestehen in der Meßwert- Vorverarbeitung sowie der Analyse der aufgenommenen Meßsignale mit Hilfe von Filtern, Funktionaltransformationen, Korrelationsverfahren, Mittelwertbildern, Effektivwertbausteinen, Klirrfaktor-Meßbrücken, etc. (Abb. 13.1). Dabei sollen die in den gewonnenen Meßwerten enthaltenen und für ihre weitere Verwendung (z. B. Regelung, Steuerung, etc.) relevanten Informationen extrahiert werden. Oft wird die im Rahmen einer Messung interessierende Zielgröße erst durch entsprechende Signalverarbeitungsmaßnahmen gewonnen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein stark verrauschtes Meßsignal erst durch geeignete Filtermaßnahmen vom Störsignal getrennt werden muß. Zu den wichtigsten Signalverarbeitungsmaßnahmen zählen:

Im folgenden gehen wir davon aus, daß n Messungen durchgeführt werden, welche die Wertepaare {x _i, y _i}(i = 1, 2,..., n) liefern. Anschließend wird an diese Meßwerte eine Kurve ỹ(x) angepaßt. Daraus ergeben sich die Abweichungen Δ _i zwischen den einzelnen Meßpunkten und der Anpaßkurve im jeweiligen Meßpunkt x _i zu

Dabei wird x als unabhängige (vorgebbare) Variable und y als abhängige Variable bezeichnet.

Im Digitalrechnerbereich wurden in den letzten Jahren in bezug auf Rechenleistung, Datentransfergeschwindigkeit sowie Speichergröße enorme Fortschritte erzielt. Daher werden die Digitalrechner, insbesondere die immer leistungsf ähigeren und preiswerteren Personalcomputer, auch gerne zur Bewältigung komplexer und umfangreicher Aufgaben im Rahmen der Messung elektrischer und nicht-elektrischer Größen herangezogen. Die Hauptaufgabengebiete sind dabei die Meßdatenerfassung und die Meßsignalverarbeitung. Daneben werden Digitalrechner auch zur Steuerung und Regelung von Anlagen und als Prozeßleitsysteme eingesetzt. Generell kann man Digitalrechner, die mit einem technischen Prozeß gekoppelt sind, als Prozeßrechner bezeichnen. Die Hauptaufgaben bei der rechnergestützten Meßdatenerfassung sind die korrekte Erfassung der Meßdaten, ihre anschließende Auswertung inklusive Fehlerkorrektur sowie ihre Visualisierung und effiziente Speicherung (Archivierung) (Abb. 15.1).

Bei der computergesteuerten Meßdatenerfassung nutzt man im wesentlichen zwei Möglichkeiten, digitale Signale zu übertragen, nämlich über Punkt-zu- Punkt-Verbindungen oder über Bussysteme. Bei den Punkt-zu-Punkt- Verbindungen sind zwei Teilnehmer, beispielsweise ein Meßgerät und ein Steuerrechner, über eine bidirektionale Datenleitung verbunden. An Bussysteme hingegen lassen sich stets mehrere Teilnehmer gleichzeitig anschließen. Bei den Bussystemen wird je nach Form der Übertragung, die bitseriell oder bitparallel erfolgen kann, zwischen dem seriellen Bus und dem Parallelbus unterschieden. Tabelle 16.1 soll einen Überblick über die wichtigsten im Rahmen der computerunterst ützten Meßdatenerfassung und Meßwertverarbeitung genutzten Standardschnittstellen geben. Auf die in der Meßtechnik am häufigsten verwendeten Schnittstellen, z.B. die serielle RS232-Schnittstelle oder die parallele IEC-Bus-Schnittstelle, wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen. Weiterhin wird der derzeitige Stand der Feldbussysteme besprochen.

Speicherprogrammierbare Steuerungen sind modulare und frei programmierbare Steuergeräte, die nicht als fertige Komplettsysteme angeboten, sondern nach den Anforderungen der jeweiligen Applikation anhand von Einzelmodulen konfiguriert werden. Die Grundausstattung einer SPS beinhaltet:

• eine Stromversorgung,

• einen Prozessor (CPU),

• Speichermodule (RAM, NOV-RAM, EPROM, EEPROM),

• mindestens je eine Eingangs- und Ausgangsbaugruppe.

Es existieren noch zahlreiche weitere Baugruppen für speicherprogrammierbare Steuerungen, wie beispielsweise Schnittstellenerweiterungen, Kommunikationsbaugruppen oder CPUs für spezielle Aufgaben, die je nach Anforderungen zu der SPS-Hardware hinzugefügt werden können. So entsteht ein optimal an die Anwendung angepaßtes Hardwaresystem, das keine ungenutzten Komponenten enthält.

Die nächsthöhere Vernetzungsebene nach dem Feldbereich, in dem ja die Feldbusse dominieren, ist der Zellbereich bei der Fertigung und der Prozeßleitbereich bei der Prozeßautomatisierung. Feldbusse können hier nicht eingesetzt werden, weil im Vergleich zum Feldbereich sehr große Datenmengen transportiert werden müssen. Dafür dürfen die Antwortzeiten für eine Anfrage zum Teil bereits im Sekundenbereich liegen. Als Bussystem eignet sich hier das Ethernet, das als physikalische und logische Basis für ein Local Area Network (LAN) dient. Ein LAN ist ein Kommunikations-Verbund von eigenst ändigen Rechnern und Controllern, die gegenseitig Daten austauschen müssen. Ein Rechner kann dabei als Serverstation dienen, die den Datentransfer zwischen allen an das Netz angeschlossenen Rechnern koordiniert. Den Zusammenschluß der LANs eines Unternehmens bezeichnet man als Intranet. Die LANs wurden ehemals vorwiegend in der Bürokommunikation eingesetzt. Um sie auch für die Fabrikautomation und Prozeßtechnik verfügbar zu machen, mußten sie insbesondere bzgl. elektromagnetischer Störungen resistent werden, z. B. durch doppelt geschirmte Koaxialkabel. Man spricht in diesem Zusammenhang von Industrie-LAN bzw. im Falle des Ethernet von Industrie-Ethernet.

Während in den vorangegangenen Abschnitten ausschließlich von der reinen Erfassung der Meßdaten die Rede war, sollte die in diesem Abschnitt behandelte Software zur rechnergestützten Meßdatenerfassung auch im Zusammenhang mit den weiteren Aufgaben gesehen werden, welche nach der eigentlichen Meßdatenerfassung anstehen, nämlich die Analyse sowie die graphische Darstellung von erhaltenen Meßwerten (Abb. 19.1).

Die Hausautomatisierungstechnik bietet die Möglichkeit, einige der bisher vorgestellten Technologien anschaulich zu demonstrieren. Eine moderne Hausautomatisierung verlangt den Einsatz verschiedenster Sensoren und Aktoren, deren Werte und Zustände permanent überwacht werden müssen und deren Änderung unterschiedliche Aktionen nach sich zieht. Beispiele für Sensoren in der Hausautomatisierung sind Temperatur-, Luftfeuchte-, Einstrahlungsoder Bewegungssensoren. Aktoren stellen Heizungsventile, Motoren zum Öffnen der Fenster oder Magnetventile zur Steuerung von Wasserleitungen dar.

Da die Hausautomatisierung zum Konsumerbereich zählt, muß ein Entwicklungsziel die kostengünstige Implementierung von Sensoren, Aktoren sowie die des Steuerrechners sein. In unserem Beispiel dient eine Industrie-SPS als Controller, wobei die folgenden Vorteile für den Einsatz ausschlaggebend sind:

• bewährt im industriellen Umfeld

• robust

• preiswert / kostengünstig - bei entsprechenden Stückzahlen

• hohe Ausfallsicherheit

• sehr sicherer Neustart nach Stromausfall.

Der Controller des Hausautomatisierungssystems dient der Bearbeitung diverser Aufgaben. So müssen zunächst die Meßwerte der Sensoren und Parameter der Aktoren eingelesen und eventuell umgerechnet werden. Diese Werte werden dann in einzelnen Modulen verarbeitet und entsprechende Aktionen ausgef ührt. Im weiteren muß der Controller Kommunikationsaufgaben mit der Außenwelt durchführen. Die Kommunikationspartner können dabei weitere speicherprogrammierbare Steuerungen oder aber ein Benutzer sein, der unter Verwendung eines geeigneten Bedienprogrammes Parameter des Automatisierungssystems verändern will.