Messelektronik und Sensoren: Grundlagen der Messtechnik, Sensoren, analoge und digitale Signalverarbeitung

349 Pages·2014·11.14 MB·German

by  Herbert Bernstein (auth.)

Herbert Bernstein
Messelektronik und
Sensoren
Grundlagen der Messtechnik, Sensoren,
analoge und digitale Signalverarbeitung
Messelektronik und Sensoren
Herbert Bernstein
Messelektronik
und Sensoren
Grundlagen der Messtechnik, Sensoren,
analoge und digitale Signalverarbeitung
Dipl.-Ing.HerbertBernstein
München,Deutschland
ISBN978-3-658-00548-1 ISBN978-3-658-00549-8(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-00549-8
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Vorwort
Eine rationelle Betriebsführung in prozesstechnischen Anlagen ist ohne eine moderne
Messtechnik nicht mehr denkbar. Voraussetzung für den Einsatz von Steuereinrichtun-
gen, Reglern, Prozessrechnern und PC-Systemen ist eine kontinuierliche oder quasi-
kontinuierliche sowie exakte Messwerterfassung und die Darstellung der Messwerte in
Formelektrischer,hydraulischeroderpneumatischerSignale.
DiemesstechnischeErfassungundAuswertungderUmweltistfürdenIngenieurund
PhysikervonjeherdieVoraussetzungfürseineArbeitgewesen.Dieheuteanstehendenna-
turwissenschaftlichenundtechnischen Aufgaben stellen ihn voreinesehrgroßeAnzahl
vonmiteinanderverknüpften Problemen.DerenLösungbedarfeinerganzheitlichenBe-
trachtung,wozudieMethodenderSensorikundderMesswerterfassungund-verarbeitung
einenwichtigenBeitragleistenkönnen.FürdenTechnikerundMeisterimLabor,imBe-
triebundinderAnlagentechnikistdiepraktischeAnwendungderzahlreichenSensoren
unddieKenntnisderMesselektronikbzw.PC-Messtechnikheuteunentbehrlich.
Das Buch gibt einen Einblick in die heutige Betriebsmesstechnik einschließlich der
Analysentechnik, ohnedabei Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Für den Studie-
rendenstelltdasBuchnebendeneinschlägigenLehr-undHandbücherneineEinführung
dar.DemimBerufstehendenIngenieur vermittelt eseinenraschenÜberblick über ihm
nichtvertrauteMessverfahrenundGeräte.
InderMesstechnikisteinPC-SystemheutezumunersetzlichenHilfsmittelgeworden.
Der PC führtautomatisch Messungen aus,analysiert Messdaten undstellt sie als Grafik
oderDateizurweiterenVerarbeitungzurVerfügung.DerPCkannganzeAnlagensteuern,
indemermitRelais,VentileundMotorengeschaltetwerdenkann.Natürlichisterauchaus
der Regelungstechnik nicht mehr wegzudenken. Musste früher eine Regelungsschaltung
durchzahlreichediskreteBauelemente odermitsehrteueren Prozessrechnernaufgebaut
werden,lässtsiesichheutedurchdieVerwendungeinesPC-Systemsflexiblerundeffektiver
gestalten,weilHardware-KomponentendurcheineentsprechendeSoftwareersetztwerden
können.
Durch die notwendige Kombination der analogen und der digitalen Schaltungstech-
nikergeben sichoftProblemstellungen,diesichnurdurchentsprechendeErfahrungauf
beiden Gebieten lösenlassen.AusdiesemGrundewerden indiesemBuch nichtnur die
Bauelemente der Messtechnik transparent gestaltet, sondernauch die analogen Kompo-
V
VI Vorwort
nenten, die fürden Aufbauvon Mess-,Steuer- undRegelungssystemen notwendigsind,
ausführlichdargestellt.
DieErfahrungenundVorkenntnissederPC-Benutzeroderderjenigen,dieeswerden
wollen,sindganzunterschiedlicherNatur.AufdereinenSeitegibtesdie„PC-Freaks“,die
übereinenhohenKenntnisstandbetreffsProgrammierungundInnenlebendesPCverfü-
gen,abermitderAnalogtechniknichtsovertrautsind,dasssieentsprechendeSystemeent-
wickelnkönnten.AufderanderenSeitewirdderPCindenunterschiedlichstenBereichen,
seiesinderElektrotechnik/Elektronik,imMaschinenbauoderinderVerfahrenstechnik,
eingesetzt.HierwirddasPC-SystemeheralsHilfsmittelzureigentlichenProblemlösung
betrachtet unddementsprechendsinddiePC-Kenntnissemeistnichttiefgreifendgenug,
umMesssystemehinsichtlichihrerEignungfürdenPCbeurteilenoderselbstentwickeln
zukönnen.
Den theoretischen Grundlagen und den Messverfahren ist ebenso breiter Raum ge-
widmetwiederBeschreibungvonSystemenbzw.GerätenundMesseinrichtungen.Durch
AngabevonMessbereichenundFehlergrenzenwerdenzusätzlicheAnhaltspunktefürden
Einsatzgegeben,wobeidiegenanntenWerteaufGrundderständigtechnischenEntwick-
lung als Mindestwerte anzusehen sind. Zahlreiche Tabellen runden das Buch zu einer
handlichenArbeitsunterlageab.
MeinerFrauBrigittedankeichfürdieErstellungderZeichnungenundfürdieKorrek-
turdesManuskripts.
München,imSommer2013 HerbertBernstein
Inhaltsverzeichnis
1 EinführungindieSensorikundindieelektronischeMesstechnik . . . . . . . 1
1.1 Sensortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Standardsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 MesstechnischeGrundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3 AnalogeunddigitaleMessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.4 StromundSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.5 Widerstände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2 KalibrierenvonMess-undPrüfmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 AnalogeunddigitaleMesswerterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.1 AufbaueineranalogenMesskette. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.2 AufbaueinerdigitalenMesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.3 ErfassungundVerarbeitungvonMessdaten . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.4 Steuern,RegelnundVisualisieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.4 Messfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4.1 Fehlerarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.2 Fehlerquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.4.3 Einflussfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.4.4 Fehlerfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.4.5 AuswahlkriterienfürMesseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2 BauelementederelektronischenMesswerterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1 AnalogeVerstärkerfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1.1 InternerSchaltungsaufbauvonOperationsverstärkern . . . . . . . . 64
2.1.2 BetriebsarteneinesOperationsverstärkers. . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.1.3 ÜbertragungscharakteristikbeiOperationsverstärkern . . . . . . . . 70
2.1.4 InvertierendeBetriebsart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.1.5 NichtinvertierenderBetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.1.6 SpannungsabhängigeStromgegenkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.1.7 StromabhängigeSpannungsgegenkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.1.8 StromabhängigeStromgegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
2.2 LineareundnichtlineareVerstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.2.1 Addiererbzw.Summierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.2.2 OperationsverstärkeralsIntegrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.2.3 DifferenzierermitOperationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.2.4 DifferenzverstärkeroderSubtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.2.5 Instrumentenverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.2.6 Spannungs-undStrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.3 KomparatorundSchmitt-Trigger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.3.1 EinfacherSpannungsvergleicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.3.2 SpannungsvergleicherimgesättigtenVerstärkerbetrieb. . . . . . . . 93
2.3.3 Window-Komparator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.3.4 Dreipunktkomparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.3.5 Schmitt-Trigger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.3.6 Schmitt-TriggerinnichtgesättigterBetriebsart . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.7 KomparatormitKippverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.4 Messbrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.4.1 UnbelasteterSpannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.4.2 BelasteterSpannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.4.3 Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.4.4 EinfacheKapazitätsmessbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.4.5 Wien-undWien-Robinson-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.4.6 Maxwell-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.4.7 Schering-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.4.8 Maxwell-Wien-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2.4.9 FrequenzunabhängigeMaxwell-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.5 Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
2.5.1 SchalterfunktionenderAnalogschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.5.2 OperationsverstärkermitdigitalerAnsteuerung . . . . . . . . . . . . 128
2.5.3 Sample&Hold-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2.6 Analog-Digital-undDigital-Analog-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.6.1 AufbaueinesDatenerfassungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.6.2 MessdatenerfassungohneAbtast-undHalteeinheit . . . . . . . . . . 140
2.6.3 Zeitmultiplexe MessdatenerfassungmitAbtast-undHalteeinheit. 141
2.6.4 SimultaneMessdatenerfassungmitAbtast-undHalteeinheit . . . . 144
2.6.5 Antialiasing-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.6.6 SystemezurSignalabtastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
2.6.7 TheoremzurSignalabtastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2.7 AD-undDA-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.7.1 NatürlicherBinärcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.7.2 KomplementärerBinärcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.7.3 CodesfürAD-undDA-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.7.4 BCD-Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Inhaltsverzeichnis IX
2.7.5 SpezifikationenvonDatenumsetzern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.7.6 RelativeGenauigkeitbeiWandlersystemen . . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.7.7 AbsoluteGenauigkeitbeiWandlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
2.8 Digital-Analog-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
2.8.1 Übertragungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
2.8.2 AufbauundFunktioneinesDA-Wandlers. . . . . . . . . . . . . . . . . 170
2.8.3 R2R-DA-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
2.8.4 DA-WandlermitexternenWiderständen . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
2.9 Analog-Digital-Wandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
2.9.1 AD-WandlernachdemZählverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
2.9.2 AD-WandlermitNachlaufsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
2.9.3 AD-WandlermitstufenweiserAnnäherung. . . . . . . . . . . . . . . . 181
2.9.4 Single-Slope-AD-Wandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
2.9.5 Dual-Slope-AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
2.9.6 Spannungs-Frequenz-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3 Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.1 GrundsätzlichesüberTemperaturerfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.1.1 TemperaturabhängigeEffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.1.2 TemperaturabhängigeWiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.1.3 NTC-WiderständeoderHeißleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.1.4 Daten,BauformenundTechnologievonHeißleitern . . . . . . . . . 200
3.1.5 LinearisierungvonHeißleiter-Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.1.6 VerstärkerschaltungenfürlinearisierteHeißleiter. . . . . . . . . . . . 203
3.1.7 PTC-Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
3.1.8 SchutzschaltungenmitKaltleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.1.9 Temperaturschaltervon−10°Cbis+100°C. . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.1.10 TemperaturschaltermitFühlerüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . 210
3.2 LED-Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.2.1 IntegrierterWandlerbausteinICL7106undICL7107 . . . . . . . . . 216
3.2.2 ExterneKomponentendesICL7106undICL7107 . . . . . . . . . . . 220
3.2.3 IntegrierendeAD-WandlermitdemICL7106undICL7107. . . . . 224
3.3 Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
3.3.1 ThermoelektrischerEffekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3.3.2 MessungenmitThermoelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
3.3.3 VerstärkerfürThermoelemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
3.4 WiderstandsthermometermitPt100bzw.Ni100 . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.4.1 Pt100-Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.4.2 Ni100-Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.4.3 Silizium-TemperatursensoralsPt100-Ersatz . . . . . . . . . . . . . . . 236
3.4.4 AnschlusseinesWiderstandsthermometers. . . . . . . . . . . . . . . . 237
3.4.5 VermeidungelektromagnetischerStöranfälligkeit . . . . . . . . . . . 239
X Inhaltsverzeichnis
3.4.6 Erdschleifen,ErdungundabgeschirmteLeitungen . . . . . . . . . . . 243
3.4.7 Wärmeflussaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.5 MessungmechanischerGrößenmitTemperatursensoren . . . . . . . . . . . 246
3.5.1 Füllstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
3.5.2 MessungderStrömungsgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
3.5.3 Mikrobrücken-Luftstromsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.5.4 Heißfilm-Luftmassensensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
3.5.5 Hitzdraht-Luftmassensensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4 OptischeSensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
4.1 EigenschaftenundAusführungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4.1.1 Hellempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4.1.2 TechnologiederPhotodioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
4.1.3 AnwendungenvonPhotodioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
4.1.4 Photowiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
4.1.5 MessschaltungmiteinemPhotowiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . 265
4.1.6 Dämmerungsschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.1.7 Phototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
4.1.8 AutomatischeGaragenbeleuchtungmitPhototransistor . . . . . . . 269
4.1.9 Photoelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4.2 AktiveOptoelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
4.2.1 Emitterbauelemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
4.2.2 Laserdioden(Halbleiter-Laser) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
4.2.3 Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
4.3 Optokoppler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
4.4 LichtschrankenundoptoelektronischeAbtastsysteme . . . . . . . . . . . . . 284
4.4.1 Einweglichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
4.4.2 SonderformenvonEinweglichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
4.4.3 Reflexionslichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
4.4.4 Reflexionslichttaster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
4.4.5 ErfassungglänzenderObjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
4.4.6 LichttastermitHintergrundausblendung . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
4.4.7 BohrerbruchkontrollemittelsLichtschranke . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.4.8 OptischeEntfernungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
4.5 OptischeDrehwinkel-undPositionserfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
4.5.1 Absolut-Drehwinkelgeber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
4.5.2 Gabellichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
4.5.3 InkrementaleDrehgeber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
4.5.4 Signalauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304