In diesem Artikel befassen wir uns mit Messverstärkern und ihrer Funktion zur Signalkonditionierung in Datenerfassungssystemen (DAQ-Systemen), und zwar so detailliert, dass Sie:

  • sehen, wie Signalaufbereiter funktionieren;
  • lernen, wie sie in DAQ-Systemen eingesetzt werden;
  • verstehen, welche Bedeutung sie in der Messkette haben.

Was ist Signalaufbereitung?

 

Die Signalaufbereitung oder Signalkonditionierung ist einer der grundlegenden Bausteine eines modernen Datenerfassungsgerätes (auch bekannt als DAQ- oder DES-System). Der wesentliche Zweck eines Datenerfassungssystems ist die Durchführung physikalischer Messungen. Sie bestehen aus den folgenden Grundkomponenten:

Wie funktionieren Messverstärker?

Um ihre Aufgabe erfüllen zu können, müssen Datenerfassungssysteme mit einer Vielzahl von Sensoren und Signalquellen verbunden werden, Messverstärker nehmen das Signal vom Sensor auf, verarbeiten es und übermitteln es an das A/D-Subsystem. 

Wie ihr Name schon sagt, haben sie die Aufgabe, Signale so zu aufbereiten bzw. aufzubereiten, dass sie vom A/D-Subsystem auf die digitale Ebene übertragen und dann angezeigt, gespeichert und analysiert werden können.

Schließlich kann man 500 V nicht direkt an einen Eingang einer A/D-Karte anschließen, und die Signale von Thermoelementen, Widerstandsthermometern, Differentialtransformatoren und anderen Sensoren müssen zu einem normierten, für die A/D-Karte geeigneten Spannungs-Ausgangssignal aufbereitet werden.

Wichtigste Anforderungen an Messverstärker

Messverstärker umfassen heute verschiedene Elemente, die erforderlich sind, damit sie mit modernen Datenerfassungssystemen eingesetzt werden können. Dabei handelt es sich um:

  • galvanische Trennung,
  • geeignete Steckverbindungen für Sensoren,
  • Auswahl des Messbereichs,
  • Signalfilterung,
  • Erfüllung von Sensoranforderungen.

Im Folgenden werden wir jedes dieser Elemente von Messverstärkern einer näheren Betrachtung unterziehen.

Schauen Sie sich die Dewesoft-Datenerfassungssysteme mit High-End- Messverstärkern an

Dewesoft DAQ Systems

Elektrische oder galvanische Trennung

Die besten Messverstärker bieten eine elektrische Trennung zwischen Ein- und Ausgangssignalen. Diese Trennung reduziert das Rauschen, verhindert Masseschleifen in der Messkette und gewährleistet genaue Messungen. 

Unter der auch als galvanische Trennung bezeichneten elektrischen Isolation versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen einem Schaltkreis und anderen elektrischen Spannungsquellen. Dies ist bei Messsystemen besonders wichtig, da die meisten Signale einen relativ niedrigen Pegel haben und von externen elektrischen Potentialen stark beeinflusst werden können, was dann zu falschen Messwerten führt. Störpotentiale können sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrompotentiale sein. 

Wird z. B. ein Sensor direkt auf einen geprüften Gegenstand (z.B. ein Netzteil) aufgesetzt, der ein Potential über Masse hat (d. h. größer als 0 V), dann kann dies einen Gleichstrom-Offset von hunderten Volt zum Signal hinzufügen. Elektrische Interferenzen (Rauschen) können auch in Form von Wechselstromsignalen auftreten, die von anderen elektrischen Komponenten im Signalweg oder in der Testumgebung erzeugt werden. Im Raum befindliche Leuchtstoffröhren können zum Beispiel Störsignale mit einer Frequenz von 400 Hz abgeben, die von sehr empfindlichen Sensoren aufgenommen werden können.

Deshalb verfügen die besten Datenerfassungssysteme über isolierte Eingänge, um die Integrität der Signalkette zu erhalten und sicherzustellen, dass die Ausgangssignale der Sensoren wirklich dem entsprechen, was gemessen wurde. Heute werden verschiedene Arten von Trenntechniken eingesetzt. 

Es ist wichtig, dass die Trennung nicht nur Kanal zu Erde, sondern auch Kanal zu Kanal stattfindet. Gegebenenfalls sollten auch die Erregerleitungen isoliert werden. Ein umfassendes Isolationssystem verhindert Schäden an den Anlagen durch zu hohe Spannungen sowie Masseschleifen und Fehlmessungen.

In diesem Sinne verfügen beispielsweise die Messverstärker der SIRIUS-Datenerfassungssysteme von Dewesoft über eine 1000-V-Isolation (zudem bietet das HV-Hochspannungsmodul die Sicherheitsklasse CAT II 1000V). 

Erfahren Sie mehr über isolierte Anschlüsse in DAQ-Systemen:

Leitfaden „Die Bedeutung der Isolation in Datenerfassungssystemen“

Passende Sensoranschlüsse

Die idealen Messverstärker sind vollständig an die Sensoren angepasst, mit denen sie verwendet werden sollen. Dies schließt grundsätzlich die Verwendung geeigneter Steckverbindungen für diese Sensoren ein.

SIRIUS DAQ system showing a variety of connector types: BNC, LEMO, DB9, bananaDie SIRIUS-Datenerfassungssysteme von Dewesoft weisen verschiedene Buchsentypen auf: BNC, LEMO, Sicherheitsbananenbuchsen und DB9

Für Spannungen bis 50 V werden normalerweise BNC-Stecker, für höhere Spannungen Sicherheitsbananenstecker eingesetzt. Für Sensoren, die eine Versorgung über den Messverstärker erfordern, werden mehrpolige Stecker verwendet, wie z. B. der kompakte und hochzuverlässige LEMO-Stecker oder der preisgünstigere (aber größere) DB9- bzw. DSUB-9-Stecker. Aus diesem Grund bieten die meisten Hersteller, darunter auch Dewesoft, ihre Spannungssignal-Aufbereiter mit einer Reihe unterschiedlicher Buchsentypen an.

Für Beschleunigungssensoren werden in der Regel entweder BNC- oder 10-32_UNF-Microdot-Stecker verwendet.

Thermoelemente sind heute fast immer mit einem Miniatur-Flachstecker ausgestattet, und sie sind typabhängig nach internationalen Standards farbcodiert.

Dehnungsmessstreifen (DMS) werden normalerweise mit blanken Drähten verkauft, da es für die empfohlenen mehrpoligen Steckverbinder oder die vom Ingenieur gewählte Verdrahtungsmethode (3-Leiter-Anschluss, 4-Leiter-Anschluss, mit oder ohne Fühlerleitung usw.) keinen Industriestandard gibt. Die für DMS-Anwendungen am häufigsten verwendeten mehrpoligen Steckverbindungslösungen sind kompakte und hochzuverlässige LEMO-Steckverbinder oder mehrpolige (aber größere) DB9- bzw. DSUB-9-Steckverbinder.

Steckverbinder für Messverstärker müssen immer hochzuverlässig und in einigen Fällen auch wasserdicht sein.

Dabei gelten für Datenerfassungssysteme, die fest in industriellen Messumgebungen installiert sind, etwas andere Anforderungen. Im Gegensatz zu den typischen Datenerfassungssystemen, die bewegt und für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen verwendet werden, sind diese Systeme „permanent“ und bleiben unverändert. Feste oder eingebettete Systeme sind deshalb in der Regel mit sehr effizienten und kostengünstigeren Schraubendverbindungen ausgestattet, die nicht besonders robust oder manipulationssicher zu sein brauchen, da sie unzugänglich installiert werden.

Auswahl des Messbereichs

Die Fähigkeit, den passenden Messbereich für den jeweiligen Sensor auszuwählen, ist die wesentlichste Grundfunktion eines Messverstärkers. Um bei ihren Messungen die bestmöglichen Ergebnisse zu erhalten, müssen Ingenieure in der Lage sein, den Spannungspegel (bzw. die Verstärkung allgemein) des Messverstärkers einzustellen.

Wenn Sie beispielsweise versuchen, eine Spannung von ±2,5 mV (±0,0025 V) zu messen, Ihre Signalkonditionierung aber nur einen Messbereich von ±50 V hat, wird das Signal innerhalb dieses Bereichs so extrem klein sein, dass es unbrauchbar ist. Ebenso wird, wenn die Spannung ±100 V umfasst, der Messbereich jedoch auf ±50 V beschränkt ist, die Hälfte des Signals vom Aufbereiter nicht erfasst und bleibt daher unberücksichtigt.

Dewesoft X High Voltage Range selectionDewesoft-Hochspannungs-Konfigurationsbildschirm mit Bereichsauswahl (linke Bildschirmseite)

Die Bereitstellung einer geeigneten Auswahl an Bereichen unter Berücksichtigung des jeweiligen Aufbereitertyps und der spezifischen Anwendung ist daher immer eine entscheidende Anforderung an einen Messverstärker.

Signalfilterung

Die zweitwichtigste Funktion eines Messverstärkers, abgesehen von der Konfiguration der Eingangsverstärkung, besteht wohl in der Bereitstellung einer Filterfunktion. Zumindest ist oft ein Tiefpassfilter der 2. oder 4. Ordnung erforderlich, um elektrisches Rauschen aus der Prüfumgebung zu unterdrücken oder zu reduzieren, das das Signal beeinträchtigen könnte. 

Beispiel: ein verrauschtes Eingangssignal (rot) wird mit einem IIR-Filter (blaues Signal) geglättet

Eine Art der Filterung muss vor dem A/D-Wandlungs-Prozess in der Hardware stattfinden: die Anti-Aliasing-Filterung. Es handelt sich hierbei um eine spezielle Art der Filterung, die Fehlmessungen verhindert, die auftreten können, wenn die Abtastrate im Vergleich zum Frequenzinhalt der zu messenden Signale zu niedrig eingestellt ist. Anti-Aliasing-Filter (AAF) verhindern solche Fehlmessungen durch die automatische Anpassung des Eingangsfilters entsprechend der gewählten Abtastrate. Weitere Einzelheiten zu AAF finden Sie im Artikel „Was ist ein A/D-Wandler?“.

Praktisch alle anderen Filterungen können auf der Hardware- oder der Softwareebene durchgeführt werden. Dewesoft-Datenerfassungssysteme bieten zum Beispiel überall dort Hardwarefilterung, wo sie von der Anwendung benötigt wird, wie z. B. die Hochpass-Hardwarefilter im Ladungs- (CHG) und im IEPE-Verstärker (ACC), die bei AC-gekoppelten Ausgängen von Beschleunigungssensoren vor der Signalintegration zum Einsatz kommen.

Weitere Hardwarefilter sind direkt in die DAQ-Hardware von Dewesoft integriert. Darüber hinaus wird für jeden Kanal aber auch noch eine Reihe leistungsstarker Softwarefilter bereitgestellt. Tatsächlich können Softwarefilter in Dewesoft-Datenerfassungssystemen zerstörungsfrei vor und/oder nach der Aufzeichnung angewendet werden. Auf diese Weise können Ingenieure sowohl das Rohsignal als auch eine oder mehrere gefilterte Kopien des Signals erfassen und vergleichen (wie etwa im obigen Diagramm, in dem ein Rohsignal und ein gefiltertes Signal im selben Graphen dargestellt sind).

Erfahren Sie mehr über Filter:

Dewesoft-PRO-Online-Trainingskurse: Signalfilterung

Erfüllung von Sensoranforderungen

Jeder Messverstärker muss optimal an den Sensor angepasst sein, mit dem er eingesetzt werden soll. Sensoren stellen aufgrund ihrer Funktionsprinzipien sehr unterschiedliche Anforderungen, an die der Messverstärker angepasst werden muss.

So muss ein Messverstärker für Dehnungsmessstreifen (DMS) den Sensor zum Beispiel mit einer Erregerspannung versorgen. Und da Ingenieure für Dehnungsmessungen ein bis vier DMS verwenden, muss der Messverstärker so angepasst werden können, dass er Viertel-, Halb- oder Vollbrückenkonfigurationen handhaben kann.

Dehnungsmessstreifen benötigen vielleicht die komplexeste Konfiguration in der Welt der Signalkonditionierung; daher bieten die besten Messverstärker eine breite Palette an Funktionen, wie Brückenvervollständigung, Shunt-Kalibrierung, Fühlerleitungsanschluss zur Kompensation der Eigenerwärmung und von Widerstandsänderungen in der Sensorleitung, und mehr.

Strain gage sensor and signal conditioner setup inside Dewesoft X DAQ softwareDMS-Konfigurationsbildschirm der Dewesoft-Software

Als Nächstes werden wir uns eingehender mit den wichtigsten Typen von Signalaufbereitern befassen und ihre Anforderungen erörtern.

Gängige Typen von Messverstärkern

Messverstärker werden heute für die folgenden gängigen Sensoren benötigt:

Signaltyp Sensor Messverstärker Grundlegende Anforderungen
Niedrige Spannungen (direkt) Für niedrige Spannungen Mehrere Messbereiche, Isolation, Konformität mit Sicherheitsstandards (über 50 V), wählbare Filterung
Kilovolt Potentiometrische Wandler Für hohe Spannungen Mehrere Bereiche, Isolation, Konformität mit Hochspannungs-Sicherheitsstandards, wählbare Filterung
Temperatur Thermoelement Für Thermoelemente Isolation, Linearisierung verschiedener Sensortypen, Kaltstellenkompensation 
Temperatur RTD Für RTD Isolation, Sensorversorgung, Fühlerleitungsabgleich, Skalierung von verschiedenen RTD-Typen
Erschütterung und Vibration Beschleunigungs-Sensor (IEPE) Für IEPE-Sensoren Mehrere Bereiche, Isolation, Konstantstromversorgung des Sensors bei Nennspannung, wählbare Filterung
Erschütterung und Vibration Beschleunigungs-Ssensor (Ladung) Für Ladung Mehrere Bereiche, Isolierung, Umwandlung des pC-Ionenstroms in Spannung, wählbare Filterung, einschließlich Hochpass
Dehnung, Druck Dehnungs-Messstreifen Für DMS Mehrere Bereiche, Isolation, Sensorversorgung, Brückenabgleich, Shunt-Kalibrierung, Fühlerleitungsabgleich, wählbare Filterung
Abstand, Weg LVDT Für LVDT Mehrere Bereiche, Sensorversorgung, Nullabgleich, Isolation
Abstand, Weg Seilzuglängengeber Für Widerstand (normalerweise für DMS) Mehrere Bereiche, Sensorversorgung, Nullabgleich, wählbare Filterung
Digitale Eingänge TTL-Ereignisse, Getriebezähne, Encoder Für digitale Eingänge Isolation, anpassbar an verschiedene diskrete Eingänge, Umwandlung von Rohzählungen in U/min und andere Funktionen

Harte Anforderungen wie Isolation, Sensorversorgung, Eingangsverstärkung und Anti-Aliasing müssen hardwaremäßig umgesetzt werden. Die meisten Filterungs- (mit Ausnahme der Anti-Aliasing-Filterung) und Linearisierungsfunktionen können softwaremäßig erfolgen.

Messverstärker für niedrige Spannungen

Die Spannungsmessung scheint zunächst die einfachste Aufgabe zu sein, da die Signale ja bereits als Spannung vorliegen. Diese Spannung kann jedoch von sehr kleinen Potentialen im Milliardstel-Volt-Bereich bis hin zu Zehntausenden von Volt reichen und als Wechselspannung (AC) oder Gleichspannung (DC) vorliegen.

Spannungspotentiale (elektrisches Potential) können floatend erfasst oder auf ein Massepotential bezogen werden. Die Herausforderungen und damit die Prozesse sind im Wesentlichen die gleichen wie bei allen anderen physikalischen Phänomenen, die wir messen wollen. Niedrige Spannungen müssen auf ein nominales Digitalisierungsniveau (üblicherweise ±5 V) verstärkt werden. Oft ist eine galvanische Trennung erforderlich, um Übersprechen und Masseschleifen zu verhindern, die durch die Verursachung von Offsets und falschen Werten die Integrität der Messung zerstören können.

Um bestimmte Messziele zu erreichen, kann es erforderlich sein, eine Spannung kapazitiv zu koppeln, um die Gleichstromkomponente zu entfernen, oder eine Tiefpass- oder Hochpassfilterung bereitzustellen.

SIRIUS low voltage DAQ systemDatenerfassungssystem Dewesoft SIRIUS mit LV-Messverstärkern (für Niederspannung)

Das SIRIUS LV-Datenerfassungsmodul von Dewesoft ist für unterschiedliche Anwendungen mit verschiedenen Buchsentypen erhältlich (BNC, Sicherheitsbananenbuchsen, DSUB-9, andere auf Anfrage). Weitere Informationen finden Sie auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu SIRIUS.

Messverstärker für hohe Spannungen

Hohe Spannungen müssen auf das nominale Digitalisierungsniveau reduziert werden. Dafür gibt es Sensoren, z. B. Spannungswandler, die die Tausenden von Volt einer elektrischen Übertragungsleitung auf einen sicheren Spannungswert übertragen können. Das Ausgangssignal des Spannungswandlers wird dann in den Spannungs-Messverstärker eingespeist, der ihn weiter für die Digitalisierung vorbereitet.

Jeder Messverstärker, der für die Hochspannungsmessung eingesetzt wird, muss zur Sicherheit des Bedienungspersonals und zur Vermeidung von Systemschäden oder -zerstörungen stark isoliert sein. 

Außerdem muss er passende Steckverbindungen aufweisen. Für den temporären Anschluss sind dies üblicherweise isolierte (Sicherheits-)Bananenbuchsen, für den permanenten Anschluss geschirmte Schraubklemmen. Freiliegende Steckkontakte sind zu vermeiden.

SIRIUS high voltage DAQ systemDatenerfassungssystem Dewesoft SIRIUS mit 8-kanaligen HV-Messverstärkern (für Hochspannung)

Ein gutes Beispiel für einen leistungsfähigen Hochspannungs- Messverstärker ist das SIRIUS HV-Modul von Dewesoft.

Weitere Informationen auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu SIRIUS.

Erfahren Sie mehr über Spannungsmessung:

Dewesoft-PRO-Online-Trainingskurse: Spannungsmessung

Messverstärker für Thermoelemente

Ein einfaches Thermoelement benötigt zum Funktionieren einen hochwertigen Messverstärker. Obwohl ein Thermoelement passiv ist und keine Erregung oder Sensorversorgung benötigt, muss das winzige Spannungspotential, das es auf der Steckerseite des Sensors erzeugt, isoliert, verstärkt und linearisiert werden. Darüber hinaus benötigt es eine Vergleichsstelle, um eine absolute Temperaturmessung liefern zu können; andernfalls ist nur eine relative Temperaturmessung möglich, die keinen großen Nutzen hat.

Die Aspekte der Verstärkung, Isolation und Kompensation müssen vom Messverstärker hardwareseitig abgedeckt werden, während die Linearisierung per Hardware oder Software stattfinden kann.

Die Ermittlung der Temperatur an der oben erwähnten Vergleichsstelle wird als Kaltstellenkompensation bezeichnet. Die Messstelle des Sensors (Verbindungsstelle der unterschiedlichen metallischen Leiter des Thermoelements) wird auch heißes Ende, die Vergleichsstelle, also das andere, kalte Ende, an dem das Signal empfangen wird, Kaltstelle genannt. An dieser Kaltstelle sind die unterschiedlichen metallischen Leiter des Thermoelements mit den Kupferdrähten des Datenerfassungssystems verbunden.

Die Kaltstellenkompensation wird mit Hilfe eines winzigen Chips durchgeführt, der sich entweder direkt im Messverstärker oder in einem mit dem Aufbereiter verbundenen Gehäuse befindet. Dieser Chip muss vor Schwankungen der Umgebungstemperatur geschützt werden, wie sie durch Luftbewegungen oder Sonnenlicht verursacht werden können, und wird zu diesem Zweck üblicherweise mit einer speziellen Paste umgeben.

Das bei der Herstellung präziser Thermoelement- Messverstärker zur Anwendung kommende Know-how kann nicht hoch genug geschätzt werden. Ohne höchste Akribie im Detail wären genaue und lineare Thermoelementmessungen nicht möglich.

Zu den weiteren wichtigen Merkmalen eines guten Thermoelement- Messverstärker zählen:

Hochauflösende A/D-Wandler

Für Thermoelemente wird eine 24-Bit-Auflösung empfohlen. Warum? Ein Thermoelement vom Typ K hat einen Messbereich von -270 °C bis +1260 °C. Das ist ein sehr großer Bereich.

Ein 24-Bit-A/D-Wandler bietet eine wesentlich feiner definierte Amplitudenachse als ein 16-Bit-A/D-Wandler (bedenken Sie, dass sich die Anzahl der Werte mit jedem Bit verdoppelt).

Korrekte Identifizierung von Steckverbindungstyp und Farbcodierung

Neben der Farbkodierung, die eine einfache visuelle Identifizierung des Thermoelementtyps ermöglicht, ist der Miniatur-Flachstecker heute für Thermoelemente zum De-facto-Standard geworden. Der Anschluss eines Typ-K-Thermoelements an einen Messverstärker, der für Typ S oder T ausgelegt ist, wird zum Beispiel zu falschen Messwerten führen. 

Typgebundene Messverstärker für Thermoelemente

Ein „typgebundener“ Messverstärker für Thermoelemente ist ein Signalaufbereiter, der für die Kompatibilität mit einem bestimmten Thermoelementtyp (wie z. B. Typ J, K oder T) entwickelt wurde. Da Dewesoft leistungsstarke universelle Messverstärker für alle ihre Datenerfassungssysteme anbietet, hat das Unternehmen DSI-Adapter für verschiedene Sensoren, darunter die gängigsten Thermoelementtypen, entwickelt.

DSI - Dewesoft Smart Interface adapter for thermocouple sensorsDewesoft Smart Interface Adapter (DSI -Adapter) für Thermoelemente

  • Die Adapter der Serie DSI-TH-x bieten eine hochgenaue Kaltstellenkompensation. Ein 1 m langes Thermoelementkabel mit Mini-TC-Anschluss ist im Lieferumfang enthalten. Unterstützte Thermoelementtypen:
  • DSI-TH-C – Thermoelement Typ C
  • DSI-TH-J – Thermoelement Typ J
  • DSI-TH-K – Thermoelement Typ K
  • DSI-TH-T – Thermoelement Typ T

erfassungssystemen mit DSUB-9-Anschlüssen, einschließlich SIRIUS, DEWE-43A, KRYPTON, und IOLITE kompatibel.

Universal- Messverstärker für Thermoelemente 

Ein gutes Beispiel für universelle Thermoelement- er sind die isolierten KRYPTON-Thermoelementmodule von Dewesoft, die mit 8 oder 16 Kanälen pro Modul erhältlich sind. Diese Signalkonditionierer haben für jeden Kanal einen Sigma-Delta-A/D-Wandler mit 24 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 100 S/s. Ihre Eingangssignalgenauigkeit beträgt üblicherweise ±0,02 % bei einem Messwert von ±100 μV. Sie bieten für jeden Kanal eine Isolation von 1000 V und schützen so die von Thermoelementen erzeugten Millivolt-Signale vor Interferenzen.

KRYPTONi-8xTH thermocouple DAQ signal conditioner

KRYPTONi-8xTH -Universal-Thermoelementmodul

Da die Linearisierung mit der mitgelieferten Datenerfassungssoftware Dewesoft X sehr genau und schnell durchgeführt werden kann, sind diese Module mit allen heute gebräuchlichen Thermoelementtypen (K, J, T, R, S, N, E, C, U, B) kompatibel.

Weiße Thermoelement-Buchsen kennzeichnen universelle Eingänge. Der Ingenieur wählt den verwendeten Thermoelementtyp einfach auf dem Kanalkonfigurationsbildschirm der Dewesoft-X-Software aus, die dann die passende Linearisierung anwendet.

Die KRYPTON-Module werden über eine einzige EtherCAT-Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für Stromversorgung, Datenübertragung und Synchronisation miteinander verbunden. Sie sind für raue Umgebungen mit starken Erschütterungen und Vibrationen, Wasser, Staub und Rauch sowie einen Betriebstemperaturbereich von sehr niedrigen bis sehr hohen Temperaturen ausgelegt.

Weitere Informationen auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu KRYPTON.

Erfahren Sie mehr über Temperaturmessung:

Dewesoft-PRO-Online-Trainingskurse: Temperaturmessung

 

Messverstärker für Widerstandsthermometer (RTD)

Obwohl es ebenfalls Temperaturen misst, ist ein Widerstandsthermometer (RTD) ein ganz anderer Sensortyp als ein Thermoelement. Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass Widerstandsthermometer keine passiven Sensoren sind, sondern vom Messverstärker mit Strom versorgt werden müssen.

IOLITE DAQ systemsIOLITEs-Modelle mit verschiedenen Messverstärkertypen

Ein gutes Beispiel ist das Modul IOLITE 8xRTD von Dewesoft. Es handelt sich um ein 8-kanaliges RTD- Messverstärker-Modul mit einem integrierten 24-Bit-A/D-Wandler pro Kanal. 

Das Modul unterstützt sowohl 3-Leiter- als auch 4-Leiter-RTD-Anschlüsse. Wir weisen darauf hin, dass 2-Leiter-Anschlüsse in der Regel nicht zu empfehlen sind, da der Widerstand des Zuleitungsdrahts die Messung beeinflusst und zu künstlich erhöhten Temperaturmesswerten führt, es aber keine Möglichkeit gibt, die Größe des Einflusses auf das Messergebnis genau zu bestimmen.

Vergleich von 3-Leiter- und 4-Leiter-RTD-Anschlüssen

Bei einem 3-Leiter-Anschluss wird eine dritte Leitung (Fühlerleitung) dazu verwendet, den durchschnittlichen Zuleitungsdrahtwiderstand zu ermitteln. Der Messverstärker oder die zugehörige Software kann diesen Einfluss dann in Echtzeit eliminieren, wodurch die Messung wesentlich genauer wird. 

Typical 3-wire RTD hook-up

Typischer 3-Leiter-Anschluss

Wenn wir den Widerstand zwischen R1 und R2 messen und den Widerstand zwischen R2 und R3 subtrahieren, erhalten wir bei R(b) nur den Widerstand des Messendes der Schaltung. Dies setzt natürlich voraus, dass die Widerstände aller Leitungen genau übereinstimmen. Wir können die Genauigkeit noch weiter verbessern, indem wir, wie hierunter dargestellt, eine vierte Leitung hinzufügen.

Typical 4-wire RTD hook-upTypischer 4-Leiter-Anschluss

Sie werden bemerken, dass es sich bei diesem Anschluss um eine Vollbrücke handelt. Die Leitungen 1 und 4 versorgen die Schaltung mit Strom, und die Leitungen 2 und 3 dienen zum Rücklesen des Zuleitungsdrahtwiderstands an den RTD- Messverstärker. Auf diese Weise lassen sich sich Schwankungen des Zuleitungsdrahtwiderstands vollständig kompensieren.

Vorteile eines 3-Leiter-Anschlusses gegenüber einem 4-Leiter-Anschluss

Wenn aber 4-Leiter-Anschlüsse grundsätzlich besser sind als 3-Leiter-Anschlüsse, warum entscheiden sich Ingenieure dann doch manchmal für letztere? Normalerweise ist dies wirtschaftlich bedingt. Wenn die Widerstandsthermometer weit vom Messsystem entfernt sind, führt die Verwendung von drei anstelle von vier Leitern zu einer beträchtlichen Reduzierung der Kabel- und Verdrahtungskosten. Bei umfangreichen Prüfsystemen lassen sich so eine Menge Zeit und Geld sparen.

Ein gutes Beispiel ist der IOLITE RTD- Messverstärker von Dewesoft. Die wichtigsten Spezifikationen finden Sie auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu IOLITE.

Erfahren Sie mehr über Widerstandstemperaturmessung:

Dewesoft-PRO-Online-Trainingskurse: Temperaturmessung

 

Messverstärker für IEPE-Sensoren

 

Beschleunigungssensoren, in die ein winziger Verstärker eingebaut ist, werden auch als ICP® (Handelsname von PCB Piezotronics) oder allgemeiner als IEPE-Sensoren bezeichnet, wobei IEPE für Integrated Electronics Piezo Electric steht. Das Ausgangssignal dieser Beschleunigungssensoren ist eine relativ hohe Spannung, die über ein hochwertiges, aber preisgünstigeres Kabel an den Messverstärker zurückgesendet werden kann, als das, das für Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang erforderlich ist. 

Im Gegensatz zu Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang, die passiv sind und keinen Strom benötigen, müssen IEPE-Sensoren jedoch vom Messverstärker mit Spannung versorgt werden. Dies geschieht in der Regel in Form eines Konstantstroms zwischen 4 und 20 mA, wobei die Versorgungsspannung der Konstantstromquelle (Quellenspannung) üblicherweise 25 Volt beträgt.

IEPE signal conditioner channel setup inside Dewesoft X data acquisition softwareKonfigurationsbildschirm für IEPE- Messverstärker in der Datenerfassungssoftware Dewesoft X. Im linken oberen Bereich werden die Hardwareparameter Bereich, Filter, Kopplung, Erregung (Konstantstrom) usw. konfiguriert.

Da IEPE-Beschleunigungssensoren für die Messung von Wechselstromwellenformen ausgelegt sind, kann diese Gleichstromversorgung auf die Signalleitungen gelegt werden, ohne ein Offset oder irgendwelche Messfehler zu verursachen.

Die wichtigste Voraussetzung für jeden IEPE- Messverstärker ist also, dass er eine Konstantstromversorgung gewährleisten kann. Der SIRIUS ACC stellt einen vom Benutzer wählbaren Konstantstrom von 2, 4, 8, 12, 16 oder 20 mA mit einer Quellenspannung von 25 V bereit.

Eine weitere nützliche Funktion der SIRIUS  ACC-Module von Dewesoft ist die optische Anzeige, dass der Sensor angeschlossen und in Betrieb ist. Bei SIRIUS-Datenerfassungsmodulen erfolgt dies über eine LED in der Einfassung der Eingangsbuchse, die während des Sensorbetriebs grün leuchtet.

SIRIUS IEPE signal conditioner with constant current sensor checkDas SIRIUS ACC-Modul besitzt BNC-Eingänge mit grün leuchtenden LED-Buchseneinfassungen, die den ordnungsgemäßen Anschluss des Sensors anzeigen

IEPE-Sensoren sind fast immer mit einer BNC-Steckverbindung ausgestattet, daher ist es wichtig, dass am Messverstärker eine entsprechende Buchse vorhanden ist. In der obigen Abbildung sind die BNC-Buchsen des SIRIUS ACC-Moduls zu sehen.

Auch die TEDS-Unterstützung ist bei IEPE-Sensoren sehr nützlich. TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) ist ein IEEE 1451-Standard, der auf der Speicherung von Sensordaten (Maßeinheit, Skalierungsfaktor, Kalibrierdaten und weitere Parameter) im Sensor selbst basiert.

Der SIRIUS ACC- Messverstärker kann diese Informationen bei Anschluss des Sensors auslesen und den Sensor automatisch in der Software einrichten. Die Software Dewesoft X erfasst die vom Benutzer angeschlossenen Sensoren in einer Datenbank, die vom Benutzer verwaltet werden kann. TEDS bedeutet eine enorme Zeitersparnis, wenn in kurzer Zeit viele Sensoren angeschlossen werden müssen, und verhindert darüber hinaus Konfigurationsfehler durch falsche manuelle Eingaben.

Eine weitere wichtige Funktion, die der SIRIUS ACC- Messverstärker bietet, ist die Eingangskopplung. Hier stehen DC (Off) und zwei AC-Optionen (0,1 Hz und 1 Hz) zur Auswahl. Auf diese Weise lassen sich niederfrequente Komponenten herausfiltern. 

Da Schwingungen gemessen werden, sind natürlich auch eine hohe Bandbreite, ein großer Dynamikbereich und die Auflösung der vertikalen Achse von wesentlicher Bedeutung. Deshalb wollen wir auch auf diese Aspekte kurz eingehen:

Hohe Bandbreite

Der Frequenzgang des Messverstärker. Es nützt uns nichts, einen Sensor zu haben, der bis zu 50 kHz messen kann, wenn unser Messverstärker dazu nicht in der Lage ist. Daher ist es zweifellos wichtig, dass die Bandbreite für die Darstellung der höchstfrequenten relevanten Signale ausreicht. 

SIRIUS ACC- Messverstärker erreichen eine Abtastrate bis zu 200 kS/s pro Kanal und bieten eine aliasing-freie Bandbreite von maximal 70 kHz. Für schnellere Anwendungen bieten die Messverstärker der Serie SIRIUS HS eine Abtastrate bis zu 1 Mhz/s pro Kanal unter Verwendung von 16-Bit-SAR-A/D-Wandlern mit 100-kHz-Anti-Aliasing-Filtern der

Dynamikbereich

Ein wichtiger Aspekt beim Messen mit praktisch jedem Sensor, insbesondere aber mit dynamischen Sensoren, wie Beschleunigungsmessern, ist der Dynamikbereich. Er definiert den maximalen Abstand zwischen dem kleinsten und dem größten messbaren Signal.  Jeder Kanalverstärker verfügt über zwei A/D-Wandler, die das Eingangssignal kontinuierlich mit hoher und niedriger Verstärkung messen.

Dadurch wird der mögliche Messbereich des Sensors vollständig abgedeckt und das Abschneiden des Signals verhindert. Mit der DualCoreADC®-Technologie erreicht SIRIUS ein Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 130 dB und einen Dynamikbereich über 160 dB. Siehe das Video unten.

Auflösung der vertikalen Achse

24-Bit-A/D-Wandler bieten eine hervorragende Auflösung der vertikalen Achse. Darüber hinaus passt sich eine leistungsstarke Anti-Aliasing-Filterung auf jedem Kanal an die gewählte Abtastrate an und verhindert, dass durch Unterabtastung verursachte Fehlsignale Ihre Messungen zerstören.

Die reine Bittiefe ist aber nur einer der Aspekte, die unsere Aufmerksamkeit verdienen, wenn wir uns die von den SIRIUS-Modulen gebotene Auflösung anschauen. Bemerkenswert ist zum Beispiel auch, dass für jeden Eingang ZWEI 24-Bit-A/D-Wandler zur Verfügung stehen, von denen einer auf einen sehr hohen und einer auf einen niedrigen Bereich eingestellt ist. 

Der Messverstärker wählt aus dem Dual-Stream automatisch das Signal mit der besten Amplitude und erzeugt einen einzigen Datenstrom mit der bestmöglichen Auflösung. Zu sagen, dass der SIRIUS eine 24-Bit-Auflösung hat, ist in diesem Sinne eine Untertreibung, denn das Ergebnis dieser DualCoreADC-Innovation ist eine effektiv etwa 20-mal höhere Auflösung der Amplitudenachse als bei Systemen mit einem einzelnen 24-Bit-A/D-Wandler, und das bei 20-mal geringerem Rauschen.

Weitere Informationen auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu SIRIUS.

Erfahren Sie mehr über Vibrationsmessung:

Dewesoft-PRO-Online-Trainingskurse: Vibrationsmessung

 

Messverstärker für Ladungssensoren

Für Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang (Ladungssensoren) wird ein Messverstärker benötigt, der die hochohmige (in pC oder Picocoulomb gemessene) Ladung einlesen und in ein verwertbares Spannungspotential umwandeln kann. Sie basieren auf dem gleichen piezoelektrischen Prinzip wie IEPE-Sensoren (siehe oben), haben aber keinen eingebauten Vorverstärker und benötigen daher auch keine Sensorversorgung.

Ihr hochohmiges Ausgangssignal ist jedoch nicht so leicht zu übertragen wie das verstärkte Ausgangssignal von IEPE-Sensoren. Es werden teure eigenstörspannungsarme Kabel benötigt, die zudem möglichst kurz gehalten werden müssen, um eine Beeinträchtigung des Signals durch Rauschen zu vermeiden. Dennoch sind Beschleunigungssensoren mit Ladungsausgang nach wie vor im Einsatz, da sie den größten Betriebstemperaturbereich (bis ca. 540 °C) und die größte Bandbreite bieten. Es sind sogar Spezialsensoren erhältlich, deren Betriebstemperaturbereiche besonders weit nach unten und nach oben reichen.

Aus der Beschleunigung, die mit diesen Sensoren ermittelt wird, kann durch einfache Integration die Geschwindigkeit und durch doppelte Integration der Weg berechnet werden. 

SIRIUS charge signal conditionerSIRIUS CHG- Messverstärker mit 8 Ladungseingängen

Die SIRIUS CHG- Messverstärker bieten ein sehr gutes Beispiel für vielseitige Messverstärker für Ladungssensoren. Darüber hinaus sind sie aber auch zum Verstärken für niedrige Spannungen und IEPE-Sensoren geeignet.

Steckerkompatibilität

Es gibt drei Steckverbindungstypen, die üblicherweise für Ladungssensoren verwendet werden: BNC, TNC und 10-32. Das SIRIUS CHG-Modul ist mit BNC- oder TNC-Buchsen erhältlich (wobei letztere im Wesentlichen BNC-Buchsen mit Schraubverbindung sind).

Eingangskopplung

Dies ist eine weitere wichtige Funktion, die der SIRIUS CHG-Messverstärker bietet. Sie können zwischen 0,01 Hz, 0,03 Hz, 0,1 Hz, 0,5 Hz, 1 Hz, 10 Hz oder 100 Hz wählen, Auf diese Weise lassen sich niederfrequente Komponenten herausfiltern. Dies ist wichtig, wenn Sie das Signals einfach oder doppelt integrieren wollen, da sich Rauschen und Offset durch diesen Vorgang dramatisch vervielfachen.
Da Schwingungen gemessen werden, sind natürlich auch eine hohe Bandbreite, ein großer Dynamikbereich und die Auflösung der vertikalen Achse von wesentlicher Bedeutung. Deshalb wollen wir auch auf diese Aspekte kurz eingehen:

Hohe Bandbreite

Der Frequenzgang des Messverstärker. Es nützt uns nichts, einen Sensor zu haben, der bis zu 50 kHz messen kann, wenn unser Messverstärker dazu nicht in der Lage ist.  Daher ist es zweifellos wichtig, dass die Bandbreite für die Darstellung von Signalen der höchsten relevanten Frequenz ausreicht. SIRIUS CHG-Verstärker erreichen eine Abtastrate bis zu 200 kS/s pro Kanal und bieten bei dieser Rate eine aliasing-freie Bandbreite von über 80 kHz.

Dynamikbereich

Ein wichtiger Aspekt beim Messen mit praktisch jedem Sensor, insbesondere aber mit dynamischen Sensoren, wie Beschleunigungsmessern, ist der Dynamikbereich. Er definiert den maximalen Abstand zwischen dem kleinsten und dem größten messbaren Signal.

Jeder Kanalverstärker verfügt über zwei A/D-Wandler, die das Eingangssignal kontinuierlich mit hoher und niedriger Verstärkung messen. Dadurch wird der mögliche Messbereich des Sensors vollständig abgedeckt und das Abschneiden des Signals verhindert. Mit der DualCoreADC®-Technologie erreicht SIRIUS in Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 130 dB und einen Dynamikbereich über 160 dB. 

Auflösung der vertikalen Achse

24-Bit-A/D-Wandler bieten eine hervorragende Auflösung der vertikalen Achse. Darüber hinaus passt sich eine leistungsstarke Anti-Aliasing-Filterung auf jedem Kanal an die gewählte Abtastrate an und verhindert, dass durch Unterabtastung verursachte Fehlsignale Ihre Messungen zerstören.

Die reine Bittiefe ist aber nur einer der Aspekte, die unsere Aufmerksamkeit verdienen, wenn wir uns die von den SIRIUS-Datenerfassungssystemen gebotene Auflösung anschauen. Bemerkenswert ist zum Beispiel auch, dass für jeden Eingang ZWEI 24-Bit-A/D-Wandler zur Verfügung stehen, von denen einer auf einen sehr hohen und einer auf einen niedrigen Bereich eingestellt ist. Das Modul wählt aus dem Dual-Stream automatisch das Signal mit der besten Amplitude und erzeugt einen einzigen Datenstrom mit der bestmöglichen Auflösung.

Zu sagen, dass der SIRIUS eine 24-Bit-Auflösung hat, ist in diesem Sinne eine Untertreibung, denn das Ergebnis dieser DualCoreADC-Innovation ist eine effektiv etwa 20-mal höhere Auflösung der Amplitudenachse als bei Systemen mit einem einzelnen 24-Bit-A/D-Wandler, und das bei 20-mal geringerem Rauschen.

Weitere Informationen auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu SIRIUS..

Erfahren Sie mehr über Filterung:

Dewesoft-PRO-Online-Trainingskurse: Signalfilterung

 

Messverstärker für Dehnungsmessstreifen (DMS)

DMS- Messverstärker haben die vielleicht komplexeste Aufgabe in der Welt der Messdatenerfassung. Zum einen müssen sie diverse Anschlussschemata – von der relativ einfachen Vollbrückenkonfiguration bis hin zu Viertel- und Halbbrückenkonfigurationen – unterstützen, und zwar jeweils mit mehreren Verdrahtungsoptionen; zum anderen wird von ihnen erwartet, dass sie, wenn etwas anderes als eine Vollbrückenschaltung gewählt wird, auch die Widerstände bereitstellen, die zur Vervollständigung der Wheatstone’schen Brückenschaltung erforderlich sind. 

6-wire full bridge configuration
Vom Dewesoft SIRIUS STG-Messverstärker unterstützte 6-Leiter-Vollbrückenkonfiguration

Natürlich muss es möglich sein, die Verstärkung (d. h. die Empfindlichkeit) des Messverstärkers anzupassen, und einzustellen, welche Versorgungsspannung (Erregerspannung) an den Sensor geliefert wird. Bei Dehnungsmessstreifen ist fast immer eine Filterung erforderlich, und diese muss entweder hardware- oder softwaremäßig mit wählbaren Filterordnungen bereitgestellt werden.

A Dewesoft STG setup screen showing a quarter bridge configurationEin Dewesoft DMS-Konfigurationsbildschirm mit einer Viertelbrückenkonfiguration

Als ob dies nicht schon mehr als genug wäre, gibt es noch weitere Anforderungen, darunter die Bereitstellung der Möglichkeit, zur Kompensation von durch die Kabellänge und/oder Eigenerwärmung verursachten Schwankungen des Zuleitungsdrahtwiderstands eine oder mehrere Fühlerleitungen anzuschließen. Darüber hinaus hat jeder Dehnungsmessstreifen einen k-Faktor um 2, der eingegeben und vom System dazu verwendet werden muss, die vom Sensor gelieferten mV/V-Rohdaten in eine Mikrodehnung (µm/m) umzurechnen. 

Allgemein gesagt sollte es dem Ingenieur freigestellt sein, ob er den k-Faktor verwenden will oder nicht und ob und wie er die vom Sensor gelieferten Messwerte skalieren will. DMS- Messverstärker werden zum Beispiel auch mit Druckkraftsensoren eingesetzt, und in diesem Fall möchten wir die Messwerte in einer Gewichtseinheit (kg oder lb) angezeigt bekommen. Dem Ingenieur sollten alle Optionen zur Verfügung stehen.

Die beschriebenen Merkmale und Funktionen gehören, neben einigen anderen, zu den grundlegenden Anforderungen, die jeder anspruchsvolle DMS- Messverstärker erfüllen sollte.

Ein perfektes Beispiel für einen leistungsstarken und flexiblen Dehnungsmessstreifen- Messverstärker ist das SIRIUS STG-Modul von Dewesoft:

SIRIUS strain gage DAQ system

Weitere Informationen auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu SIRIUS..

Messverstärker für Differentialtransformatoren (LVDT)

 

Differentialtransformatoren (Linear Variable Differential Transformer, LVDT) werden zur Messung linearer Wege/Positionen über relativ kurze Distanzen verwendet. Sie bestehen im Prinzip aus einer Röhre, in der sich ein Stab befindet. Die Röhrenbasis ist fest positioniert und das Ende des Stabes an einem bewegten Objekt befestigt.

Wird der Stab nun aus der Röhre herausgezogen oder gleitet in sie zurück, dann erzeugt der Sensor ein Signal, das den Weg des Stabes von seinem Startpunkt zu seiner maximalen Auslenkung repräsentiert. Der Stab berührt die Innenseite der Röhre nicht, so dass er sich nahezu reibungsfrei bewegt, und der LVDT selbst enthält keine elektronischen Komponenten, weshalb er in rauen Umgebungen bevorzugt eingesetzt wird.

Ein LVDT- Messverstärker muss die Wechselspannungserregung liefern, die der Transducer zum Funktionieren benötigt. Durch diese Wechselspannung wird die Primärspule erregt, und es entsteht eine Ausgangsspannung an den beidseitig der Primärspule in Richtung der beiden Röhrenenden angebrachten Sekundärspulen. Der Messverstärker muss in der Lage sein, das Differenzausgangssignal zu erfassen und für die Anzeige und Messung angemessen zu skalieren.

Gut geeignet ist zum Beispiel das SIRIUS STG mit dem DSI-LVDT-Adapter von Dewesoft. Dieses Modul bietet praktisch alles, was ein idealer LVDT- Messverstärker benötigt. Um es für diese Aufgabe zu komplettieren, ist lediglich ein kleiner DSI-LVDT-Adapter am Eingangsanschluss erforderlich.

DSI LVDT sensor adapterDer DSI-LVDT-Adapter von Dewesoft

Der DSI-LVDT ist mit einem TEDS-Chip ausgestattet. Beim Anschluss an den SIRIUS STG liest der Messverstärker die Informationen aus dem Chip und konfiguriert sich automatisch als LVDT- Messverstärker. Der Ingenieur kann gegebenenfalls außerdem Nullabgleiche sowie EU-Eingaben und Skalierungen durchführen. Der DSI-LVDT erzeugt die vom Sensor benötigte Erregerfrequenz von 4 bis 10 kHz und ermöglicht die Phasenanpassung mittels eines kleinen Potentiometers.

Großskalige LVDT- Verstärkung

DS-LVDTr 16 channel LVDT front-end16-kanaliges LVDT-Frontend DS-LVDTr

Für die großskalige LVDT-Signalaufbereitung bietet der Dewesoft DS-16xLVDTr eine einzigartige ratiometrische Architektur, die einige Nachteile herkömmlicher Ansätze für LVDT-Schnittstellen vermeidet. Der DS-16xLVDTr vereint 16 DSI-LVDT-Adapter-Kanäle in einem 19"-Rack-kompatiblen 1HE-Gehäuse.

Der Hauptvorteil des neuen Designs ist das asynchrone Erregungssignal, das von einem externen Funktionsgenerator an einen BNC-Frontstecker (IN-Stecker) geliefert wird. Bei Verwendung mehrerer DS-LVDTr-Geräte kann das EXC-Signal vom BNC OUT-Anschluss mit dem BNC IN-Anschluss eines anderen Geräts verbunden werden.

Für den Anschluss an das Dewesoft-Datenerfassungssystem stehen in der Frontplatte 16 DSUB-9M-Stecker zur Verfügung. Jeder dieser Stecker umfasst einen Trimmer zur Phaseneinstellung. Auf der Rückseite befinden sich 16 DSUB-9F-Buchsen für den LVDT-Sensoranschluss. Der DS-16xLVDTr unterstützt Messungen mit Vollbrücken- und Halbbrücken-LVDT-Sensoren.

Weitere Details zum SIRIUS STG finden Sie im Abschnitt  Messverstärker für Dehnungsmessstreifen (DMS)  weiter oben.

Messverstärker für Seilzug-Längengeber

Ein Seilzug-Sensor oder Seilzug-Längengeber ist ein Sensor für die Längenmessung. Er besteht aus einem Gehäuse, das eine Seiltrommel enthält. Diese Trommel ist mit einem Federwerk ausgestattet, so dass das abgewickelte Seil beim Loslassen automatisch wieder im Gehäuse aufgewickelt wird. 

Das Gehäuse ist in einer festen Position montiert, während das Ende des Seils an einem Objekt – z. B. einer Tür, einer Halterung o. ä. – befestigt ist, das sich in Bezug auf die Gehäuseposition vor- und zurückbewegt. Ein gutes Beispiel ist etwa die Bewegung zwischen dem Drehgestell (Laufwerk) und dem gefedert gelagerten Wagenkasten bei einem Schienenfahrzeug.

Während das Prinzip des Seilzuglängengebers mit dem des Differentialtransformators vergleichbar ist, ist seine Funktionsweise doch eine andere. Wo ein LVDT eine Spannungsdifferenz verwendet, um die Verschiebung eines gleitenden Stabs zu messen, benutzt ein Seilzuglängengeber einen variablen Widerstand, um zu messen, wie viel Seil abgewickelt wurde. 

Aus mechanischer Sicht muss sich der Stab des Differentialtransformators parallel zu seinem röhrenförmigen Gehäuse bewegen, während sich das Seil des Seilzuglängengebers ab seinem Austrittspunkt aus dem Gehäuse in einem weiten Bogen frei bewegen kann.

Für die Konditionierung des Ausgangssignals eines Seilzuglängengebers benötigen wir einen Messverstärker, der in der Lage ist, die Erregung zu liefern, die erforderlich ist, um eine Widerstandsänderung am Sensor auszulösen, und dann das Ausgangssignal einlesen kann. Außerdem muss er die Messwerte in eine brauchbare Maßeinheit (z. B. mm, cm, m, Zoll, Fuß o. ä.) skalieren können.

Ein gutes Beispiel für einen solchen Messverstärker ist das SIRIUS STG-Modul von Dewesoft. Als Dehnungsmessstreifen-Modul ist es bereits für die Erregung und Messung niedrigster Spannungspotentiale ausgelegt, und es kann Widerstandsmessungen in einfachen Halbbrückenkonfigurationen durchführen. Für den direkten Anschluss eines Seilzuglängengebers an den Dewesoft STG- Messverstärker ist kein zusätzlicher Adapter erforderlich.

Simple potentiometric hook-up using the Dewesoft SIRIUS STG signal conditionerAnschluss eines Potentiometers an den Eingang des Dewesoft SIRIUS STG- Messverstärkers

Weitere Einzelheiten über das SIRIUS STG-Modul finden Sie im Abschnitt  Messverstärker für Dehnungsmessstreifen  weiter oben.

Messverstärker für digitale Eingänge

Digitale Eingänge bedienen das gesamte Spektrum von der Aufzeichnung einfacher Ein/Aus-Signale bis hin zum Handling hochpräziser Quadratur-Encoder oder Zahnradsensoren, mit denen Drehzahlen und andere Varianten gemessen werden können. Sie werden als digital bezeichnet, weil ihr Signal entweder als High- oder als Low-Signal vorliegt, im Gegensatz zu analogen Signalen, die eine Wellenform mit vielen Werten aufweisen, die irgendwo zwischen einem Minimum und einem Maximum liegen und gemessen werden müssen.

Diskrete digitale Eingänge

Representation of the ideal TTL on/off streamDarstellung des idealen TTL-Ein-/Aus-Signalstroms

Das einfachste digitale Eingangssignal ist der Ein/Aus-Typ, der wie eine Rechteckwelle aussieht. Mitunter wird in diesem Zusammenhang auch von diskreten Kanälen oder Ereigniskanälen gesprochen. Da Signale dieses Typs nur zwei mögliche Zustände haben können, werden sie häufig für eine der zahllosen Ja/Nein-Möglichkeiten verwendet, die wir mitunter messen müssen, wie etwa dazu, anzuzeigen, dass eine Tür oder auch ein Schaltkreis offen oder geschlossen ist. 

Diskrete Eingangssignale werden normalerweise auf Transistor-Transistor-Logik-Ebene (TTL) von einem Relais oder Wandler ausgegeben, das/der auf einem Pull-up nach 5 V basiert. Theoretisch hat das perfekte TTL-Ein/Aus-Signal eine Spannung von 0 V für OFF (Digitalwert 0) und 5 V für ON (Digitalwert 1). In der Praxis ist es jedoch fast unmöglich, eine solche Präzision zu erreichen, so dass 0–0,8 V für OFF und 2–5 V für ON akzeptiert werden.

Acceptable TTL level input and output levelsAkzeptable Eingangs- und Ausgangssignalpegel auf der TTL-Ebene

Diese digitalen Eingangssignale werden von Dewesofts SuperCounter®-Digitaleingängen, die in praktisch allen Datenerfassungssystemen von Dewesoft zur Verfügung stehen, problemlos gehandhabt. Diese Zählereingänge haben drei Leitungen (A, B, Z), die für Encoder und Drehzahlsensoren oder auch einzeln als separate diskrete Digitaleingänge (IN0, IN1, IN2) verwendet werden können. Ein wichtiger Fakt ist, dass die digitalen Leitungen bei Dewesoft mit einer weit höheren als der vom Benutzer für seine Analogeingänge gewählten Rate abgetastet werden, zeitlich jedoch genau mit diesem synchronisiert sind.

Typical Dewesoft SuperCounter Connector
Typische Dewesoft SuperCounter-Steckerbelegung

Zusätzlich bietet Dewesoft IOLITE ein 32-kanaliges Digitaleingangsmodul für eine große Anzahl einfacher digitaler Eingangssignale. Das Modell 32xDI mit einfachem Schraubklemmenanschluss und Sensorstromversorgung ist ideal für Datenerfassungs- und Steueranwendungen mit hoher Kanalzahl.

IOLITE 32xDI input modulesIOLITE 32xDI-Eingangsmodule

Weitere Informationen finden Sie auf der Seite „Technische Spezifikationen“ zu IOLITE.

Tacho-, Drehzahl- und Winkelsensoren

Dewesoft SuperCounter-Eingänge können Drehzahl- und Winkelausgangswerte rotierender Maschinen von vielen verschiedenen Drehzahlsensoren, Geschwindigkeitssensoren und Encodern messen. Im Vergleich zu Standardzählern, die nur verzögerte ganzzahlige Werte ausgeben (wie 1, 1, 2, 2, 3, 4 ...), sind SuperCounter in der Lage, hochpräzise Werte wie 1,37; 1,87; 2,37 ... auszulesen und sie vollständig mit den Analogkanälen zu synchronisieren. 

Dies geschieht durch das Messen der genauen Zeit der steigenden Signalflanke mit einem zusätzlichen Zähler. Dewesoft SuperCounter arbeiten unabhängig von der analogen Abtastrate auf einer Zeitbasis von 102,4 MHz

Es gibt mehrere gängige Sensortypen, die zum Zählen von Ereignissen, zur Messung von Geschwindigkeit, Drehzahl oder Winkel usw. verwendet werden. Dazu zählen:

  • Inkrementalgeber (Encoder) mit 1, 2 oder 3 Spuren (A, B und Z-Reset-Signal);
  • inkrementale Pulsgeber und Puls-Encoder;
  • optische Tachosensoren mit reflektierendem Klebeband;
  • Zahnradsensoren mit Lücke (z. B. 60-2) oder Doppelzahn, CDM, CDM mit Null, CDM mit TRG.

All diese Sensortypen können mit dem Dewesoft SuperCounter verbunden und einfach in der Software konfiguriert werden. Die Ausgaben sind perfekt mit den ebenfalls gemessenen analogen Daten synchronisiert, so dass fortgeschrittene Anwendungen wie Rotations- und Torsionsschwingungsanalysen, Verbrennungsanalysen, Ordnungsanalysen, Auswuchten, Humanschwingungsanalysen usw. ausgeführt werden können. 

Die Software Dewesoft X verfügt über eine integrierte Bibliothek gebräuchlicher Sensoren, darüber hinaus aber auch über eine flexible Datenbank, in der der Ingenieur neue Sensoren anlegen, benennen und danach jederzeit abrufen kann.

Dewesoft Digital/Counter Setup Screen showing encoder sensor setupDewesoft-Konfigurationsbildschirm für Digital-/Zählereingänge mit Anzeige des Encoder-Sensor-Setups

Allgemeine Zählerspezifikationen 
Zeitbasis 102.4MHz
Zeitbasisgenauigkeit, typisch 5 ppm, max: 20 ppm
Max. Bandbreite 10 MHz
Eingangsfilter 500 ns, 1μs, 2μs, 4μs, 5μs and 7.5μs
Eingangspegel-Kompatibilität TTL (Low: <0.8, High > 2V)
Eingangsimpedanz 100kΩ pull-up to +3.3V
Eingangsschutz kontinuierlich bis ±25 Volt
Alarmausgang Offener Kollektor, max. 100 mA/30 V
Sensorversorgung 5V/100mA;12V/50mA