Automatisierungstechnik 1: Meß- und Sensortechnik

396 Pages·2000·16.529 MB·German

by  L. Kollar, H.-J. Gevatter (auth.), Professor Dr.-Ing. Hans-Jürgen Gevatter (eds.)

Automatisierungstechnik 1
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
HANS-JÜRGEN GEVATTER (Hrsg.)
Automatisierungstechnik 1
Meß- und Sensortechnik
mit 302 Abbildungen und 36 Tabellen
, Springer
Professor Dr.-Ing. Hans-Jtirgen GevaUer
Technische Universitat Berlin
Institut ftir Mikrotechnik und Medizintechnik
KeplerstraBe 4
D-10589 Berlin
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
ISBN 978-3-540-66883-1 ISBN 978-3-642-56942-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-56942-5
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000
U rspriinglich erschienen bei Springer- Verlag Berlin H eidelberg New York 2000
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Einbandgestaltung: Struwe & Partner, Ilvesheim
Satz: MEDIO, Berlin
Gedruckt auf săurefreiem Papier SPIN: 10749486 68/3020 5 4 3 2 1 o
Vorwort
Das Handbuch Automatisierungstechnik 1 ist ein auszugsweiser und inhaltlich unverändert
er Nachdruck aus dem Handbuch der Meß- und Automatisierungstechnik, das 1998 im
Springer-Verlag erschienen ist. Es beinhaltet die Teile der Meß-und Sensortechnik.
Um dem Leser, der sich nur über Teilgebiete informieren möchte, einen kostengünstigen
Zugriff zu bieten, wurde das Handbuch in drei Teilbände mit den Themen
1. Meß-und Sensortechnik
2. Geräte
3. Aktoren
gegliedert.
Das Buch soll dem Leser bei der Lösung von Aufgaben auf dem Gebiet der Entwicklung,
der Planung und des technischen Vertriebes von Geräten und Anlagen der Meß- und Au
tomatisierungstechnik helfen. Der heutige Stand der Technik bietet ein sehr umfangreiches
Sortiment gerätetechnischer Mittel, gekennzeichnet durch zahreiche Technologien und un
terschiedliche Komplexität. Es ist daher einem einschlägigen Fachmann kaum möglich, alle
anfallenden Fragestellungen aus seinem naturgemäß begrenzten Kenntnisstand heraus zu
beantworten.
Daher geht die Gliederung dieses Buches von den sich ergebenden Problemstellungen
aus und gibt dem Leser zahlreiche Antworten und Hinweise, welches Bauelement für die
jeweilige Fragestellung die optimale Lösung bietet.
Der hier verwendete Begriff des Bauelementes ist sehr weit ge faßt und steht für
- die am Meßort einzusetzenden Meßumformer und Sensoren,
- die zur Signalverarbeitung dienenden Bauelemente und Geräte,
- die Stellglieder und Stellantriebe,
- die elektromechanischen Schaltgeräte,
- die Hilfsenergiequellen.
Die Kapitel für die Signalverarbeitung, für die Stellantriebe und für die Hilfsenergiequellen
sind in die drei gängigen Hilfsenergiearten (elektrisch, pneumatisch, hydraulisch) un
terteilt. Für den oftmals erforderlichen Wechsel der Hilfsenergieart dienen die entspre
chenden Schnittstellen-Bauelemente (z.B. elektro-hydraulische Umformer).
Alle Kapitel sind mit einem ausführlichen Literaturverzeichnis ausgestattet, das dem
Leser den Weg zu weiterführenden Detailinformationen aufzeigt.
Der Umfang der heute sehr zahlreich zur Verfügung stehenden Komponenten machte
eine Auswahl und Beschränkung auf die wesentlichen am Markt erhältlichen Bauelemente
erforderlich, um den Umfang dieses Buches in handhabbaren Grenzen zu halten. Daher
wurden die systemtechnischen Grundlagen nur sehr knapp behandelt. Die gesamte Mikro
computertechnik wurde vollständig ausgeklammert, da für dieses Gebiet eine umfang
reiche, einschlägige Literatur zur Verfügung steht. Den Schluß des Buches bildet ein aus
führliches Abkürzungsverzeichnis.
HANS-JÜRGEN GEVATTER Berlin, im März 2000
Hinweise zur Benutzung
Die in diesem Buch aufgenommenen Abschnitte sind mit denen des Gesamtwerks Hand
buch der Meß- und Automatisierungstechnik identisch. Die Abschnittsnumerierung wie
auch die Querverweise im Text auf andere Abschnitte, auch wenn diese nicht in diesem
Einzelband enthalten sind, wurden beibehalten. Dem interessierten Leser helfen diese
Strukturmerkmale. Es sind ergänzende, aber für das Grundverständnis des Einzelbandes
nicht notwendige Hinweise zu weiteren interessierenden Ausführungen.
Zur Information und besseren Orientierung wurde das vollständige Autorenverzeichnis
aus dem Gesamtwerk übernommen. Aus denselben Gründen folgt im Anschluß an das In
haltsverzeichnis dieses Teilbandes eine Inhaltsübersicht über das Gesamtwerk.
Autoren Prof. Dr. sc. phi!. WERNER KRIESEL
Fachhochschule Merseburg
DIPL.-ING. MATHIAS MARTIN
Brandenburgische Technische Universität
Cottbus
Prof. Dr.-Ing.habil. JÜRGEN PETZOLDT
Universität Rostock
Dr.-Ing. TOBlAS REIMANN
Prof. Dr.-Ing.habil. HELMUT BEIKIRCH Technische Universität Ilmenau
Universität Rostock
LUDWIG SCHICK
Doz. Dr.-Ing. PETER BESCH 91091 Großenseebach
01279 Dresden
Dr. rer. nat. GÜNTER SCHOLZ
Prof. Dr.-Ing. KLAUS BETHE Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Technische Universität Braunschweig Berlin
Prof. Dr.-Ing. GERHARD DUELEN Dipl.-Ing. GERHARD SCHRÖTHEll
03044 Cottbus SIEMENS AG
Dipl.-Phys. FRANK EDLER Prof. Dr.-Ing.habil. MANFRED SEIFART
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Otto-von -Guericke Universität Magdeburg
Berlin
Prof. Dr.-Ing. HELMUT E. SIEKMANN
Prof. Dr.-Ing. DIETMAR FIND EISEN
Technische Universität Berlin
Bundesanstalt für Materialforschung
Berlin
Dr. DIETER STUCK
Physikalisch-Technische Bundesanstalt,
Prof. Dr.-Ing. HANs-JÜRGEN GEVATTER
Berlin
Technische Universität Berlin
Dipl.-Ing. HELMUT GRÖSCH Prof. Dr.-Ing. HANS-DIETER STÖLTING
72459 Albstadt Universität Hannover
Prof. Dr.-Ing. ROLF HANITSCH Dipl.-Ing. DIETMAR TELSCHOW
Technische Universität Berlin Hochschule für Technik, Wirtschaft und
Kultur
Dr.-Ing. EDGAR VON HINÜBER Leipzig
IMAR GMBH, 66386 St. Ingbert
Prof. Dr.-Ing.habil. HEINZ TÖPFER
Prof. Dr.-Ing.habil. HARTMUT JANOCHA
01277 Dresden
Universität des Saarlandes,
Saarbrücken
MICHAEL ULONSKA
Fa. Knick
Dipl.-Phys. ROLF-DIETER KIMPEL
Berlin
SIEMENS Electromechanical Components,
Inc.
Prof.Dr.rer. nat. GERHARD WIEGLEB
Princeton, Indiana 47671
Fachhochschule Dortmund
Prof. Dr.-Ing.habil. LADISLAUS KOLLAR (t)
Fachhochschule Lausitz
01968 Senftenberg
Inhalt
1 Begriffe, Definitionen .....................................................3
1.1 Aufgabe der Automatisierung ..............................................3
1.2 Methoden der Automatisierung ............................................4
1.3 Information, Signal .......................................................4
1·4 Signalarten ...............................................................5
1.4.1 Amplitudenanaloge Signale ................................................6
1.4.2 Frequenzanaloge Signale ..................................................6
1.4.3 Digitale Signale ...........................................................6
1.4.4 Zyklisch-absolute Signale ..................................................7
1.4·5 Einheitssignale ...........................................................7
1.5 Hilfsenergie ..............................................................7
2 Grundlagen der Systembeschreibung .......................................9
2.1 Glieder in Steuerungen und Regelungen - Darstellung im Blockschaltbild .......9
2.2 Kennfunktion und Kenngrößen von Gliedern ................................1 1
2.3 Untersuchung und Beschreibung von Systemen ..............................1 3
2.J.1 Experimentelle Untersuchung .............................................1 3
2.3.2 Mathematische Beschreibung ..............................................1 6
3 Umgebungsbedingungen .................................................1 9
3.1 Gehäusesysteme .........................................................1 9
3.1.1 Aufgabe und Arten .......................................................1 9
3.1.2 Konstruktionsmäßiger Aufbau .............................................1 9
3.2 Einbauorte ..............................................................2 1
3.3 Schutzarten .............................................................2 2
3.3.1 Einteilung und Einsatzbereiche ............................................2 2
3.3.2 Fremdkörperschutz ......................................................2 3
3·3·3 Explosionsschutz ........................................................2 4
3.4 Elektromagnetische Verträglichkeit ........................................2 8
1 Kraft, Masse, Drehmoment ................................................3 3
1.1 Kraftmessung ............................................................3 3
1.1.1 Kompensationsverfahren ..................................................3 3
1.1.2 Federwaagenkonzept .....................................................3 5
1.1.3 Resonante Kraftsensoren .................................................4 7
1·1.4 Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer .......................................4 9
1.2 Massenbestimmung ......................................................4 9
1.3 Messung des Drehmoments ...............................................5 2
2 Druck,Druckdifferenz ...................................................5 9
2.1 Aufgabe der Druckmeßtechnik und Druckarten .............................5 9
X Inhalt
2.1.1 Zu den Ausführungen über Druckmeßeinrichtungen .........................5 9
2.1.2 Aufgabe und Druckarten [DIN 23412] ......................................5 9
2.1.3 Aufbau von Druckmeßeinrichtungen .......................................6 1
2.1.4 Verfahren der Druckmessung .............................................6 2
2.2 Druck-und Differenzdruckmeßeinrichtungen ..............................6 3
2.2.1 Meßeinrichtungen auf der Grundlage mechanischer Prinzipe der Druck-
wandlung ...............................................................6 3
2.2.2 Meßeinrichtungen auf der Grundlage elektrischer Prinzipe der Druck-
wandlung ...............................................................6 8
2.2.3 Druckwandlung auf der Grundlage mechanisch-pneumatischer Prinzipe .......8 2
2.2.4 Intelligente Druckmeßeinrichtungen und Meßsignalverarbeitung .............8 4
2.2.5 Meßanordnungen zur Druckmessung ......................................9 1
2.2.6 Meßanordnungen zur Füllstandmessung ...................................9 3
3 Beschleunigung .........................................................9 9
3.1 Einleitung ..............................................................9 9
3.2 Messung translatorischer Beschleunigung ..................................9 9
3.2.1 Beschleunigungsaufnehmer nach dem Ausschlagverfahren
(Open-Ioop-Aufnehmer) .................................................1 00
3.2.2 Beschleunigungsaufnehmer nach dem Kompensationsverfahren
(Closed-Ioop-Aufnehmer) ................................................1 02
3.2.3 Daten typischer Beschleunigungsaufnehmer ...............................1 04
3.3 Aufnehmer für rotatorische Beschleunigungen .............................1 04
3.3-1 Mechanische Kreisel - Drallsatz ..........................................1 04
3.3.2 Optische Kreisel-Sagnac-Effekt ..........................................1 05
3.3.3 Ozillierende Kreisel-Coriolis-Effekt ......................................1 07
3.3.4 Magnetohydrodynamischer Kreisel .......................................1 07
3.3.5 Daten typischer Drehratenaufnehmer .....................................1 08
3.4 Integralinvariante .......................................................1 08
4 Winkelgeschwindigkeits-und Geschwindigkeitsmessung ....................1 11
4.1 Einleitung ..............................................................1 11
4.2 Sensor-Parameter ........................................................1 11
4.2.1 Linearität ...............................................................1 11
4.2.2 Symmetrie ..............................................................1 12
4.3 Winkelgeschwindigkeitsmessung ..........................................1 12
4.3.1 Gleichstromtachogeneratoren .............................................1 12
4.3.2 Wechselstromtachogeneratoren ...........................................1 13
4.3.3 Stroboskop .............................................................1 15
4.3.4 Schlupfspule ............................................................1 15
4.3.5 Digitale Winkelgeschwindigkeitsmessung ..................................1 16
4-4 Geschwindigkeitsmessung ................................................1 23
4-4.1 Dopplerverfahren .......................................................1 25
4.4.2 Laufzeitkorrelationsverfahren ............................................1 25
5 Längen-/Winkelmessung .................................................1 27
5.1 Analoge Verfahren .......................................................1 27
5.1.1 Amplituden-analoge Weg-/Winkelmessung ................................1 27
5.1.2 Laufzeitverfahren .......................................................1 67
5.2 Digitale geometrische Meßverfahren ......................................1 74
5.2.1 Dingliche Maßstäbe .....................................................1 75
5.2.2 Interferometer ..........................................................1 79
5.3 Dehnungsmessung ......................................................1 82
5.3.1 Dehnungsmeßstreifen (DMS) .............................................1 82
Inhalt XI
5.3.2 Faseroptische Dehnungssensoren .........................................1 89
5.3.3 Resonante Dehnungssensoren ............................................1 91
5.4 Dickenmessung .........................................................1 91
5-4-1 Bestimmung der totalen Dicke ............................................1 93
5.4.2 Messung von Oberflächenschichten .......................................1 97
5.5 Füllstandsmessung ......................................................1 98
5.5.1 Echte Bestimmung der Füllmenge .........................................1 98
5.5.2 Füllstand ...............................................................1 98
6 Temperatur ............................................................2 05
6.1 Einleitung ..............................................................2 05
6.2 Temperaturmeßgeräte mit elektrischem Ausgangssignal .....................2 05
6.2.1 Sensoren ...............................................................2 05
6.2.2 Analoge Temperaturmeßverfahren ........................................2 18
6.2.3 Digitale Temperaturmeßverfahren ........................................2 25
6.3 Temperaturmeßgeräte mit mechanischem Ausgangssignal ...................2 26
6.3.1 Flüssigkeits-Glasthermometer ............................................2 27
6.3.2 Zeigerthermometer .....................................................2 28
6.4 Temperaturmeßgeräte mit optischem Ausgangssignal .......................2 31
6.5 Besondere Temperatursensoren und Meßverfahren .........................2 31
6.5.1 Rauschthermometer .....................................................2 31
6.5.2 Akustische Thermometer ................................................2 32
7 Durchfluß ..............................................................2 35
7.1 Einleitung ..............................................................2 35
7.2 Aufnehmer für Volumina .................................................2 35
7.2.1 Unmittelbare Aufnehmer .................................................2 35
7.2.2 Mittelbare Aufnehmer ...................................................2 39
7.2.3 Anpassungsschaltungen für Aufnehmer für Volumina .......................2 41
7.3 Aufnehmer für den Durchfluß ............................................2 45
7.3.1 VolUßlendurchfluß ......................................................2 45
7.3.2 Massendurchfluß .......................................................2 52
7.3-3 Anpassungsschaltungen für Druckaufnehmer ..............................2 54
7.3.4 Anpassungsschaltungen für Laser-Doppler-Velozimeter ....................2 56
7.3.5 Anpassungsschaltungen für Schwebekörper-Aufnehmer ....................2 57
7.3.6 Anpassungsschaltungen für thermische Durchflußmesser ...................2 58
7-4 Signalverarbeitung ......................................................2 58
7.5 Elektromagnetische Verträglichkeit der Meßeinrichtungen (EMV) ............2 59
8 pH-Wert, Redoxspannung, Leitfähigkeit ...................................2 63
8.1 pH-Wert ...............................................................2 63
8.1.1 Defintion ..............................................................2 63
8.1.2 Bedeutung .............................................................2 63
8.1.3 Einheit .................................................................2 63
8.1.4 Grundlagen ............................................................2 63
8.1.5 Meßprinzip ............................................................2 64
8.1.6 Sensoren ...............................................................2 64
8.1.7 Temperatureinfluß ......................................................2 66
8.1.8 übertragungsfunktion ..................................................2 67
8.1.9 Meßwertumformer ......................................................2 67
8.1.10 Justieren ...............................................................2 68
8.1.11 Standards ..............................................................2 69
8.1.12 Meßunsicherheit ........................................................2 69
8.2 Redoxspannung ........................................................2 70