Messtechnik - Sensoren

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo,
ich bin seit 2 Wochen befusbegleitender Fernstudent und versuche mich an das Fach „Messtechnik“ zu gewöhnen und in selbiges einzuarbeiten. Mit so einigen Übungsaufgaben habe ich Schwierigkeiten eine für mich logische Lösung zu finden. Deswegen hoffe ich, hier von Experten eine Lösung oder zumindestens weiterhelfende Hinweise zu bekommen.
Folgende Fragestellung:

  1. Es geht um das Gesamtmodell eines Sensors:
    a. Warum ist im Modell nicht berücksichtigt, dass auch die Messgröße die Störabhägigkeit beeinflusst, so wie die Störgrößen die Sensitivität (Messgrößenabhängigkeit) beeinflussen?
    b. Welche Einflüsse auf die Ausgangsspannung Ua sind multiplikativ, welche additiv?

  2. Warum sollten Sensoren möglichst linear sein, wo man doch Nichtlinearitäten leicht elektronisch kompensieren könnte?

  3. Was sind die Vorteile des 4…20mA-Ausgangssignals? Warum wird dieses Standardsignal auch in den nächsten Jahren und Jahrzehnten nur langsam von digitalen abgelöst werden?

  4. was sind Beispiele für Sensoren mit Tiefpassverhalten und für Bandpasseverhalten?

Ich wäre sehr dankbar für Hilfestellungen bzw. Antworten auf diese Fragen.
Gruß A.

#2

Hallo,
ich bin seit 2 Wochen befusbegleitender Fernstudent und
versuche mich an das Fach „Messtechnik“ zu gewöhnen und in
selbiges einzuarbeiten. Mit so einigen Übungsaufgaben habe ich
Schwierigkeiten eine für mich logische Lösung zu finden.
Deswegen hoffe ich, hier von Experten eine Lösung oder
zumindestens weiterhelfende Hinweise zu bekommen.
Folgende Fragestellung:

  1. Es geht um das Gesamtmodell eines Sensors:

Hallo Armani2209,

leider sind Deine Fragen zu allgemein, so daß man nicht gezielt darauf antworden kann. Um hier nicht zu viele Rückfragen hin- und herzusenden, biete ich dir an, mich persönlich anzuschreiben ([email protected]) Sensoren gibt es für diverse Aufgaben (Temperatur, Druck, Beschleunigung, Feuchtigkeit usw.). Alle haben unterschiedliche Fehlergrenzen.

Bis bald, Alfred2000

#3

Hallo hier meine spontanen Antworten auf die Fragen, natürlich ohne Gewähr auf Richtigkeit:
1a) Die Messgröße an sich beeinflusst nicht die Störgrößen. Die Messgröße ist ja das Nutzsignal.
1b) Dies kann ich leider nicht beantworten
2) Nichtlineare Kennlinien sind grundsätzlich schwieriger zu beherrschen. Wie du schon sagst „man könnte es elektronisch kompensieren“, dies setzt jedoch voraus, erstmal das Signal elektronisch weiterzuverarbeiten, was nicht immer der Fall sein muss. Außerdem würde eine nicht-lineare Kennlinie eine Kalibration deutlich aufwändiger und teurer machen.

  1. Digital heißt nicht unbedingt besser. Bei einer Übermittlung über längere Strecken und Speicherung von Daten ist ein digitales Signal sicher sinnvoll. Wenn ein Messgröße jedoch einen Aktor steuern soll, dann braucht man ein standardisiertes Analogsignal, daher die 4…20mA

  2. Tiefpass: Z.B. der Lagesensor in einem Smartphone. Vibrationen des Handys werden durch einen Tiefpass herausgefiltert, die Lage (Richtung der Erdbeschleunigung) wird jedoch durchgelassen, da dies relativ statisch ist.
    Bandpass: Wenn das Nutzsignal einer Schwingung bei einer gewissen Frequenz liegt, sind sowohl niederfreqeuente als auch hochfrequente Anteil störend, und können deshalb mit einem Bandpass herausgefiltert werden.

Ich hoffe, ich konnte etwas helfen.

#4

Hallo,
leider bin ich kein Fachmann der elektrischen Messtechnik.
Nur soviel zu den Nichtlinearitäten:
Jegliches funktionales Verhalten zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße kann rechnerisch korrigiert werden, sofern der Zusammenhang genau bekannt ist. Da das oft nicht hinreichend gut bekannt ist, ermöglicht ein lineares Verhalten nach wie vor eine möglichst genaue Umrechnung von Ausgangs- zu Eingangssignal.
Für eine Sensorauswahl ist aber auch die Sensitivität sehr wichtig, da sie aufgrund der Auflösung des Instrumentes (egal ob Digital oder Analoganzeige) ein begrenzendes Elemnt darstellt.

#5

Entschuldige.

Kann Dir da nicht weiter helfen. Komme von der 3D-Messtechnik (Koordinaten Messmaschine).

Gruß
Albert

#6

1 a/b ist ist ohne Kenntnis des Sensors nicht allgemein zu beantworten.
2. Bei Festlegung auf lineare Normsignaleingänge
wie z.B 4…20mA ist eine herstellerübergreifende Austausch möglich. Die Auswertung ist zudem unabhängig vom Signal- und Dynamikbereich des Sensors.

3 neben den unter 2 genannten Vorteilen ist das Signal robust, kabelbruchsicher und mit einfachen Maßnahmen störungsfest zu übertragen.

  1. Sagt mir bei Sensoren nichts. Nach dem eigentlichen Sensor werden sehr häufig diese Filter (aktiv oder passiv) vor der D/A Wandlung eingesetzt (Stichwort: Antialaising)
#7

Auf die meisten eingestellten Fragen kann man so keine direkte Antwort geben --> da gibt es wahrscheinlich einen Stoff im Vorfeld woraus sich die beschriebenen Fragen ableiten.

Zu 4.: Bandpasseverhalten --> z. B. Ultraschallsensoren
Tiefpassverhalten --> typ träge Messdatenerfassungen die mit schnelleren Signalen nichts anfangen können oder die Signale ausmitteln (eigentlich sogar Thermoelemente)

#8

Hallo,
da ich mich nicht so gut mit der Sensortechnik auskenne, und Dir keine falschen Antworten geben möchte, versuche die Frage bitte von einem anderen User beantworten zu lassen.
viele Grüße aus Essen Ralf Meyer

#9

Hallo,
ich sehe mich nicht als Tutor für Fragen, die man auch imn Lehrbuch nachschlagen kann. Sorry, da mache ich nicht mit.

Viele Grüße,
Paul

#10

Hallo armani2209,

viele knifflige Fragen, hast du da.

zu 1 a+b

Da kann ich auf die Schnelle wenig sagen.
Ich würde jetzt Sensitivität mit Empfindlichkeit gleichsetzten.
Ich würde die Messgrösse auswählen, die ich unter Berücksichtigung der Umgebung (=Störgrössen) möglichst unverfälscht an meine Messeinrichtung hin bekomme.
Multiplikativ oder Additiv hängt komplett von der genauen Anordnung ab. Das müsstest du genauer definieren.

zu 2.

Ein Beispiel für einen linearen Sensor ist das gute alte Quecksilber-Fieberthermometer. Im Bereich um 37°C mit einer sehr guten Linearität. Hat in der Apotheke nur 9,95 DM gekostet.
Jetzt gibt es elektronische Fieberthermometer mit Thermoelement. Kleiner Microcontroller, teure Knopfzelle, alles aus China. Kostet 19,95 € in der Apotheke. Da gibt es noch die Variante mit Pyrosensor zur In-Ohr-Messung. Die Ergebnisse sind wesentlich schlechter als bei den beiden vorhergehenden Varianten.
An diesem Beispiel wird wohl klar, dass eine nachträgliche Linearisierung eines billigen unlinearen Sensors immer etwas teuerer kommt. Hier hilft noch der Hungerlöhner aus Südchina über die betriebswirtschaflichen Runden. Aber stell dir mal vor du musst vor Ort an einem Schmelzofen oder einer Presse Kalibrierwerte aufnehmen um die Messgrösse in der Leitzentrale zu linearisieren. Da bist du ganz schön beschäftigt. Lohnt sich das dann auch?

zu 3.
Also ich vermute, es wird bei langen Messstrecken nie von digitalen Lösungen abgelöst.
Das Problem das durch diese 20mA-Stromschleife gelöst wird, ist der Widererstand der Übertragungsstrecke. Jede Kabelverbindung hat einen Widerstand. Die Messstellen sind unterschiedlich weit von der Auswerteeinheit entfernt oder von der Leitwarte. Würde man die Spannung verwenden, als kennzeichnende Grösse, dann müsste man auch die unterschiedliche hohen Widerstände der Zuleitungen berücksichtigen und die Spannung am Leitwartenende entsprechend korrigieren (womit wir wieder bei Frage 2 wären). Der Sensor wandelt die eigentliche Grösse Temperatur in einen Strom um. 20mA ist Vollausschlag. Den entsprechenden Strom schickt er durch die Leitung. Bei einem Thermoelement entstehen bei Themperaturänderungen nur wenige mV-Veränderungen. Diese kleine Spannungsänderung über ein 50m langes Kabel zur Warte zu bringen ist fast aussichtslos. Im industriellen Umfeld stehen Maschinen mit Drehstrom. Die erzeugen so viele elektromagnetische Störungen, dass die sehr kleine Messgrösse untergeht (ausser du verwendest sehr gut geschirmte Kabel, die aber auch sehr teuer sind). Die 20mA-Stromschleife ist dagegen eher robust und man kommt oft mit einer verdrillten Zweidrahtleitung aus, was einen erheblichen Kostenvorteil bringt.

zu 4.
Grundsätzlich kann man sagen, das kommt auf die zu erfassende Messgrösse an.
Wenn ich eine hochfrequente mechanische Schwingung aufnehmen will, dann ist das mein Ziel (z.B. an einer Motorhaube, um sie anschliessend mit Dämmmatten zu bekleben). Oder ich will eine langsame mechanische Verformung messen. Für diese unterschiedlichen Aufgaben wäre es schön, wenn der verwendete Sensor ein entsprechendes Verhalten hätte (TP oder BP). Für mechanische Schwingungsaufnahme verwendet man oft DMS-Streifen. Man kann die konstruktiv auf diese verschiedenen Aufgaben optimieren bzw. man muss sie passend für die Messaufgabe auswählen mit dem richtigen Verhalten (TP der BP).
Die ganze Messstrecke muss diese Eigenschaft unterstützen. Es nützt nichts, wenn ich den richtigen DMS-Streifen ausgewählt habe, aber meine Übertragungsstrecke zum Messwertschreiber ein TP-Verhalten hat und ich meine hochfrequenten Schwingungen nur noch sehr stark gedämpft messen kann.

#11

vielen, vielen Dank für diese umfangreichen Ausführungen und anschaulichen Beispielen zum besseren Verständnis der Thematik.
Zukünftig habe ich sicherlich hin und wieder ein paar Fragen, wenn ich denn keine Lösung habe.
Besten Dank nochmal, es hat mir wirklich sehr weiter geholfen.
Viele Grüße A.

#12

Hallo, für elektronische Belange ist der Thietze Schenk ganz gut.
In der „hütte“ sind diese Fragen weitgehend behandelt.

gruß gerhard

#13
  1. Es geht um das Gesamtmodell eines Sensors:
    a. Warum ist im Modell nicht berücksichtigt, dass auch die
    Messgröße die Störabhägigkeit beeinflusst, so wie die
    Störgrößen die Sensitivität (Messgrößenabhängigkeit)
    beeinflussen?

Hallo,
man betrachtet den Sensor, an sich nur den Sensor, die Messgroesse ist eben so wie sie ist. Ich kann als Techniker die Temperatur nicht aendern, wenn ich sie messen will. Selbstverstaendlich sind paar hundertstel Grad Differenz eben sehr schlecht zu messen, werden aber als gegeben angesehen.

b. Welche Einflüsse auf die Ausgangsspannung Ua sind
multiplikativ, welche additiv?

Das kommt sehr auf den Sensor und das Messprinzip an.
Verstaekung generell multiplikativ, Offset additiv, aber auch Digit-Fehler, Masseversatz.

  1. Warum sollten Sensoren möglichst linear sein, wo man doch
    Nichtlinearitäten leicht elektronisch kompensieren könnte?

Linear ist besser verstaendlich und mit weniger Aufwand auszuwerten (solange die Auswertung linear sein soll, Schallpegel waeren ein Gegenbeispiel). Nicht hinter jedem Sensor steht ein Mess-PC, bsweilen ist auch ein Drehspulinstrument die Auswerte-Einheit.

  1. Was sind die Vorteile des 4…20mA-Ausgangssignals? Warum
    wird dieses Standardsignal auch in den nächsten Jahren und
    Jahrzehnten nur langsam von digitalen abgelöst werden?

ein fliessender Strom laesst sich recht gut uebertragen. Es gibt wenig Moeglichkeiten zum Stoeren. Plusminus 100 Volt Impulse im Kraftfahzeug stoeren wenig und sind gut rauszufiltern, Kurzschluss und Unterbrechung sind eindeutig zu identifizieren, 100 Meter Signalkabel kein Thema. Alles fuer ein Analogsignal, Digitaldaten gehen nur sehr begrenzt drueber, mit Auswand.

  1. was sind Beispiele für Sensoren mit Tiefpassverhalten und
    für Bandpasseverhalten?

Baandpassverhalten heisst, geringe und hohe Signalfrequenz wird nicht erfasst, nur mittlere. Mir faellt spontan ein dynamischer Hallsensor ein, geartooth-Sensor von Honeywell oder aehnliches anderer Hersteller (spontan weil meine Arbeit). Diese Sensoren stellen sich dynamisch auf den magnetischen Arbeitspunkt ein. wenn dieser beliebig langsam weglaeuft, wird das nachgeregelt und als Signal nicht erfasst. So gesehen alle dynamisch sich selbst einstellenden Sensoren koennen niedrige Frequenz nicht erfassen. wenn sie dann noch bei hohen Frequenzen irgendwann aufgeben, haben sie so gesehen Bandpass-Charakter. Im Gegensatz dazu statisch arbeitende Sensoren, die den statischen Zustand auch erfassen koennen, haben Tiefpassverhalten. Wenn das Signal sich 1 Tag nicht aendert und stabil weiter angezeigt wird.

Ich hoffe, das bringt Dich ein wenig weiter.
Gruss Helmut