Meßintelligenz

Wilfried Hummelsheim, HuDe Datenmeßtechnik 41812 Erkelenz

Unterschiedliche Meßaufgaben erfordern den Einsatz von speziell auf die Messung ausgelegten Sensoren. Für die Wahl des richtigen Temperatursensors sind Temperaturbereich, Genauigkeit, Beständigkeit, große Reproduzierbarkeit, hohe Festigkeit und nicht zuletzt die absolute Eignung für das jeweilige Medium am Einsatzort die Hauptauswahlkriterien. Oftmals müssen Form und Abmessung des Meßfühlers ebenfalls berücksichtigt werden.

Gleich welcher Sensortyp zum Einsatz gelangt; immer muß dessen Ausgangssignal optimal durch die nachgeschaltete Meßelektronik aufbereitet werden. Durch den Meßwiderstand muß ein Konstantstrom geleitet werden, um den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand bei z. B. einem PT 100 zu erfassen. Dieser erzeugt Joulsche Wärme und verfälscht das Meßergebnis. Durch entsprechende schaltungstechnische Maßnahmen muß daher angestrebt werden, diesen vom Quadrat des Meßstroms abhängigen Meßfehler (Pv=I2*R) möglichst gering zu halten.

Durch die Verwendung der Vierleiter-Schaltung gehen weder Leitungswiderstände noch temperaturbedingte Änderungen der Leitungswiderstände in die Messung ein, so daß kein Leitungsabgleich durchgeführt werden muß. Der durch den PT 100 fließende Konstantstrom erzeugt einen temperaturabhängigen Spannungsabfall, der von der Meßelektronik in ein Temperatursignal umgewandelt werden muß.

Um diese Sensorsignale rechnerunterstützt und fehlerfrei verarbeiten zu können, berücksichtigt die für das Temperaturerfassungs- und Auswertesystem TC 500 verfügbare Meßkarte alle Aspekte . Hierbei wird jedem Eingangskanal ein eigenes Eingangsfilter vorgeschaltet, das die durch die Umgebung hervorgerufenen Störfrequenzen und Störspitzen unterdrückt. Der Erregerstrom zu den PT 100 Sensoren wird kanalseparat auf die Sensoren geschaltet. Die Sensorsignale werden durch einen präzisen, driftarmen Differenzverstärker auf einen für den nachgeschalteten Sample and Hold verarbeitbaren Signalpegel gebracht. Ein 16 Bit A/D-Wandler digitalisiert die Signale und gibt sie über Opto-Koppler auf den Datenbus. Ein DC/DC-Wandler erzeugt die Versorgungsspannungen und stellt die galvanische Entkoppelung zum Meßsystem her. Die Sensorkanäle selbst sind über Trennverstärker vom Meßprozeß getrennt. Die Kanalzahl kann durch Erweiterungskarten nahezu beliebig ausgebaut werden. Um eine Genauigkeit von 0,1°C bei hoher Meßgeschwindigkeit (Summenabtastrate 20 kHz) zu erreichen, wird das Meßsignal zuerst klassifiziert und mittels eines für diesen Teilbereich optimierten Polynoms im Systemprozessor linearisiert. Durch eine Vergrößerung der internen Mittelwertbildung mit automatischer Plausibilitätsprüfung können besondere Störeinflüsse von außen erkannt und kompensiert werden.

Der beim Messen von Temperaturen mit Thermoelementen auftretende Potentialunterschied an der Meßstelle liegt im Bereich von einigen µVolt bis zu einigen mVolt. Diese minimale elektrische Spannung muß meßtechnisch aufbereitet werden um letztlich zu einem Temperaturwert zu gelangen. Auch hier stellt das TC 500 Signalaufbereitungskarten für den Einsatz verschiedener Thermoelemente zur Wahl.

Jedes Thermoelement wird über eine eigene vergoldete Steckverbindung an die Thermokarte angeschlossen. Die Kaltstellentemperatur wird durch einen separaten PT 100 Sensor, der zusammen mit den Anschlußsteckern in einem Isothermalblock integriert ist, erfaßt und im Systemprozessor verarbeitet.

Durch separate Eingangsfilter werden Störfrequenzen unterdrückt. Mittels des Differenzverstärkers und eines 16 Bit A/D-Wandlers wird das Sensorsignal digitalisiert. Für eine galvanische Trennung der Thermokarte vom Meßsystem TC 500 sorgen ein DC/DC-Wandler und Opto Koppler. Die Sensorkanäle selbst sind über Trennverstärker vom Meßprozeß getrennt. Linearisierung, Klassifizierung und Plausibilitätsprüfungen erfolgen auch hier wie bereits zuvor erwähnt.

Eine Genauigkeit kleiner als 0,1°C kann somit auch bei hohen Abtastraten (Summenabtastrate 20 kHz) und erschwerten Meßbedingungen erreicht werden.

Alle Sensoren werden über Lemosa-Steckverbinder mit Goldkontakten an die Meßkarten angeschlossen.

Der Einsatz eines Schwingquarzes als Temperatursensor beruht auf einer digitalen Meßelektronik. Hier können auftretende Störungen wesentlich besser erkannt und kompensiert werden, im Gegensatz zur klassischen, auf analoger Technik beruhender Temperaturerfassung. Die modulare QuaT-Karte des TC 500 startet automatisch einen Meßzyklus durch Senden eines Synchronimpulses an alle angeschlossenen Temperaturfühler. In Form des Abstands zweier Stromimpulse werden die Temperaturinformationen der Geber digital übertragen. Bei dem gewählten Norm-Intervall von 1048 ms können dann die Temperaturen von bis zu 16 Temperaturfühlern in einem Leitungspaar ineinander verschachtelt übertragen werden. Die Zwei-Draht-Leitung dient gleichzeitig zur Stromversorgung der Meßfühler.

Durch die Übertragung mit eingeprägtem Strom und galvanischer Trennung der Sensoren ist dieses Meßprinzip sehr störsicher, präzise und von externen Einwirkungen kaum zu beeinflussen. Die erreichbare Auflösung der QuaT-Meßkarte beträgt 0.001°C. Die Temperaturmessung ist letztlich auf eine digitale Zeitmessung zurückzuführen. Ein auf 55°C temperaturstabilisierter Quarzoszillator der QuaT-Karte mit 10 MHz Taktfrequenz bildet zusammen mit dem hochauflösenden Zählerbaustein die Basis zur Erfassung von 16 Temperaturkanälen pro Meßkarte.

Der nichtlineare Zusammenhang zwischen Temperatur- und Resonanzfrequenz wird durch ein Polynom im Mikroprozessor der QuaT-Karte linearisiert.

Das Temperaturerfassungs- und Auswertesystem TC 500 ist eine selbständig arbeitende Meßstation, die mit einem 32-Bit-Prozessor ausgerüstet ist, der durch die Standardsoftware oder mit der vom Bediener programmierten Software Meßaufträge entgegennimmt und diese bearbeitet. Datenspeicherungen bis zu mehreren Gigabyte und Netzanbindung sind ebenso selbstverständlich wie die vielkanalige Online-Auswertung, Berechnung und Visualisierung der Meßwerte. Das Hardwarekonzept ermöglicht die Erfassung von bis zu 20.000 Temperatursignalen pro Sekunde in elektromagnetisch verseuchter Umgebung und auf Spannungspotentialen bis zu 500 Volt.

Die Ausbaustufe des TC 500 kann nach Art und Anzahl der benötigten Meßkanäle den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden. Neben der Erfassung von Temperaturen können auch andere physikalische Größen gemessen werden.

Die PC-Software zur Erfassung, Speicherung und Auswertung von Versuchsabläufen vereinfacht die Bedienung und macht aus einem Meßgerät ein komplettes, funktionssicheres Meßsystem.

Alle für den Messablauf relevanten Parameter werden in einem einfachen Fenster übersichtlich eingestellt. Eine integrierte Kontrollfunktion überwacht hierbei alle Eingaben und zeigt eventuelle Fehler auf. Beliebig viele Messabläufe können erstellt, gespeichert und jederzeit abgerufen werden. Alarmbedingungen, Alarmreaktionen, mathematische Verknüpfungen zwischen Messkanälen, die Darstellung der Meßdaten in frei wählbare Einheiten und viele weiteren Eigenschaften des Messablaufes können frei gewählt werden.

Die Aufzeichnung der Messung beginnt unmittelbar per Starttaste zu einer vorgewählten Zeit oder bei Auftreten eines Alarmes. Alle anfallenden Daten werden auf die Festplatte des Rechners geschrieben. Während der Messung können die Ergebnisse einzelner Kanäle numerisch oder auf dem Linienschreiber unter vorgebbarer Skalierung dargestellt werden. Über die eingebundene Alarmbehandlung kann differenziert reagiert werden. Alle Meßdaten stehen nach beendeter Messung vollständig für eine detaillierte Auswertung zur Verfügung. Eine Datenkonvertierung zur Auswertung mit vielen anderen Standardprogrammen ist möglich. Das System kann natürlich auch von anderen Meßwerterfassungs- und Steuerprogrammen bedient werden. Hier helfen beigestellte Treiber dem Anwender, mit seiner Software die Meßstation TC 500 zu bedienen.

Ein Applikationsbeispiel aus dem Hochleistungsprüffeld der Calor Emag E-AG, soll die flexible und anspruchsvolle Einsatzfähigkeit des TC 500 unterstreichen.

In der Abteilung “Hochleistungsprüffeld” der Calor Emag E-AG werden u. a. Prüfungen zum Nachweis der Nennstrom-Tragfähigkeiten von Hochspannungs-Schaltgeräten und Hochspannungs-Schaltfeldern nach den dazu gültigen Vorschriften und Qualitätssicherungsnormen durchgeführt. Für die Prüfungen zum Nachweis der Nennstrom-Tragfähigkeit (Erwärmungsprüfung) steht ein dreiphasiger Stromkreis mit Strömen bis 5000 A bei 50 bzw. 60 Hz zur Verfügung. Es werden hierbei die Temperaturen an allen wärmsten zugänglichen Stellen der Hauptstrombahn unter Last gemessen, für die Grenztemperaturen vorgeschrieben sind (Verbindungen, Kontakte, Isolierstoffe). Die Temperaturmessung erfolgt mit Eisen-Konstantan-Thermoelementen. Die Meßsignale werden in das Meßwerterfassungs- und Auswertesystem TC 500 übertragen. Das Meßsystem ist ausgelegt für 120 Temperatur-Meßstellen. Die gesamte Meßstrecke ist kalibriert. Die Umgebungsluft-Temperatur wird zusätzlich mit 3 Thermoelementen gemessen. Vom TC 500 wird der Mittelwert der Umgebungs-Temperatur gebildet und gleichzeitig von den Temperaturen der Meßstellen des Prüflings subtrahiert, so daß direkt die Übertemperaturen angegeben werden. Die besonderen Anforderung an TC 500 ist, hochgenaue Meßwerte zu erfassen und Meßfehler, die durch elektromagnetische Störungen, die durch die 5000 A Ströme hervorgerufen wurden, zu eliminieren. Dies wird durch die spezielle Filtertechnik der Meßelektronik und modifizierbare Integrationszeiten für die Messungen erreicht. Alle Meßwerte werden in einem mit TempControl erstellten Protokoll ausgedruckt. Zusätzlich wird von TC 500 ein Diagramm (Thermoprofil) der Übertemperaturen und der dazugehörenden zulässigen Übertemperaturen für die Messlisten in deutscher und englischer Sprache ausgedruckt.

Weitere Informationen A QE 600