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Messumformer

Messumformer erfassen die Signale von Sensoren für physikalische Messgrößen wie z. B. Temperatur, Weg, Winkel, Druck oder Kraft. Sie führen eine galvanische Trennung durch und wandeln die Signale in normierte analoge Ausgangssignale: 0 ... 20 mA, 4 ... 20 mA oder 0 ...10 V. Diese Normsignale können an Anzeiger, Aufzeichnungsgeräte und/oder standardisierte Steuerungen wie SPS übertragen und zu Regelaufgaben genutzt werden.

2.1 Temperaturmessungen mit Widerstandsthermometern und Thermoelementen

Die Temperatur stellt in vielen Industriebereichen eine wichtige Regelgröße dar, die wichtigsten Sensoren sind hier Widerstandsthermometer und Thermoelemente.

Widerstandsthermometer

sind hochgenaue und langzeitstabile Temperatursensoren. Mit ihnen werden Temperaturen gemessen, indem man die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes nutzt.
Widerstandsthermometer werden überwiegend zur Messung niedriger und mittlerer Temperaturen eingesetzt, z. B. in der Klima-, Verfahrens- und Lebensmitteltechnik.
Die gebräuchlichsten Widerstandsthermometer sind Pt100, Pt1000 und Ni100. Der erste Teil der Bezeichnung steht für das Widerstandsmaterial, der zweite Teil gibt den Widerstand in Ohm bei 0 °C an. So bezeichnet Pt100 ein Widerstandsthermometer mit dem Material Platin und dem Widerstand von 100 Ω bei 0 °C.

Die Messumformer ThermoTrans 205/206, A 20210 und P 32100 sowie PolyTrans P 32000 erlauben den Anschluss der gängigen Widerstandsthermometer wahlweise in 2-, 3- oder 4-Leiter-Schaltung (siehe Abb. 11).

 Anschlussarten von Widerstandsthermometern

Abbildung 11: Anschlussarten von Widerstandsthermometern

 

Thermoelemente

Thermoelemente (Thermopaare) nutzen den nach T. J. Seebeck benannten Effekt, dass an den Kontaktstellen zweier unterschiedlicher verbundener Metalle sich eine elektrische Spannung einstellt, die in charakteristischer Weise von der Differenz der Temperatur an der Kontaktstelle (Vergleichsstelle) und der Temperatur an der Messstelle abhängt (siehe Abb. 12). Wird nun die Thermospannung UT mit einem geeigneten Messumformer bestimmt und ist die Temperatur der Vergleichsstelle bekannt, so kann die Temperatur der Messstelle aus der Kennlinie des verwendeten Thermoelementes bestimmt werden. Diese Berechnung wird in der Regel im Temperatur-Messumformer vorgenommen.

 

Thermoelement und Vergleichsstelle

Abbildung 12: Thermoelement und Vergleichsstelle

 

Die Temperatur der Vergleichsstelle kann gemessen oder durch Thermostatisierung eingestellt werden. In der Praxis wird eine Messung entweder „intern“ vorgenommen, dann liegt die Vergleichsstelle im Temperatur-Messumformer, oder „extern“, dann liegen die Vergleichsstelle und der Temperatursensor der Vergleichsstelle – z. B. ein Pt100 – außerhalb des Messumformers. Die durch den thermoelektrischen Effekt verursachte Spannung ist sehr gering und beträgt nur wenige Mikrovolt pro Kelvin. Um ein störungssicheres Messsignal zu erhalten, werden Thermoelemente deshalb bevorzugt im Bereich hoher Temperaturen eingesetzt, z. B. zur Messung in Öfen, Schmelzen und Kunststoffmaschinen.

Eine große Anzahl von Metallpaarungen wurde zur Herstellung von praktischen Thermoelementen erprobt. Die anschließende Standardisierung führte zu einem überschaubaren Bereich von genormten Thermoelementen mit festgelegten Materialpaarungen. Mit ihnen kann ein Großteil aller industriellen Temperaturmessungen vorgenommen werden. Die Kennlinien inklusive der zulässigen Toleranzen von Thermoelementen sind in der Norm DIN IEC 584-1 bzw. der nicht mehr gültigen und nur noch für Altanlagen verbindlichen DIN 43710 weltweit festgelegt.

DIN IEC 584-1, DIN EN 60584-1

Typ J Eisen-Konstantan
(Fe-CuNi)

Typ T Kupfer-Konstantan
(Cu-CuNi)

Typ K Nickelchrom-Nickel
(NiCr-Ni)

Typ E Nickelchrom-Konstantan
(NiCr-CuNi)

Typ N Nicrosil-Nisil
(NiCrSi-NiSi)

Typ S PlatinRhodium-Platin
(Pt10Rh-Pt)

Typ R PlatinRhodium-Platin
(Pt13Rh-Pt)

Typ B PlatinRhodium-Platin
(Pt30Rh-Pt6Rh)

DIN 43710 (nicht mehr gültig)
Typ L Eisen-Konstantan
(Fe-CuNi)

Typ U (Cu-CuNi)

Hochtemperatur-Thermoelemente wie W3Re/W25Re (Wolfram-3%Rhenium/Wolfram-25% Rhenium) oder W5Re/W26Re (Wolfram-5%Rhenium/Wolfram-26%Rhenium) haben noch keinen Eingang in die o. g. Normen gefunden. Ihre Kennlinien sind in der ASTM E 988-96 aufgeführt.

Die Knick-Messumformer ThermoTrans 210/211P 32100 sowie PolyTrans P 32000 können die Signale aller gebräuchlichen Thermoelemente erfassen.

2.2 Kraftmessungen mit Dehnungsmeßstreifen

Kraft, Gewicht, Drehmoment, mechanische Spannung und daraus abgeleitete Größen können mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) gemessen werden. Diese nutzen den Effekt, dass die Längenänderung aufgrund der Dehnung eines Leiters eine proportionale Änderung des elektrischen Widerstands zur Folge hat. Im DMS-Messumformer wird diese Widerstandsänderung als Maß für die Dehnung, Kraft etc. erfasst und in Standardsignale zur Anzeige und Weiterverarbeitung gewandelt. Bei praktischen Anwendungen in der Industrie wird z. B. das Füllgewicht eines Behälters durch Wägezellen (Kraftsensor, Kraftaufnehmer) bestimmt. In diese sind Dehnungsmessstreifen in der Regel als Vollbrücke integriert. Die Empfindlichkeit der Brücke wird angegeben als Signalpegel am Brückenausgang in Millivolt im Verhältnis zur Speisespannung in Volt, also z. B. 2 mV/V. Bei bekannter Empfindlichkeit, z. B. aus dem Kalibrierzertifikat des Sensor-Herstellers, wird diese am Messumformer eingestellt. Ist nur die nominelle Empfindlichkeit bekannt, so kann die tatsächliche Empfindlichkeit durch Kalibrierung mit definierter mechanischer Last bestimmt werden. Entsprechendes gilt für den Nullpunkt, welcher am Messumformer über eine Tara-Funktion abgeglichen werden kann. Die DMS-Brücke kann mit einer 4-Leiter-Schaltung angeschlossen werden (siehe Abb. 13). Soll der Fehler durch die strombelasteten Speiseleitungen reduziert werden, so wird eine 6-Leiter-Schaltung eingesetzt. Hier wird die Brücken-Speisespannung über separate Leitungen praktisch stromlos und damit fehlerfrei gemessen. Auch Sensoren, die mit sechs Leitungen ausgerüstet sind, werden in der Praxis an 4-Leiter-Messumformern betrieben, indem jeweils zwei Erregungsleitungen zusammengefasst werden. Alternativ ist auch der Betrieb mit externer Speisung möglich, so dass sich die Vorteile der 6-Leiter-Schaltung nutzen lassen (siehe Abb. 13).

DMS-Speisung

Abbildung 13: DMS-Speisung

 

Die Knick-Messumformer SensoTrans DMS A 20220 und P 32200 sowie PolyTrans P  32000 sind für marktübliche DMS-Sensoren ausgelegt, die als Vollbrücke ausgeführt sind. Die Empfindlichkeit und der Nullpunkt von kalibrierten Sensoren können am Gerät über Drehkodierschalter oder die Parametriersoftware Paraly SW 111 eingestellt werden. Eine Tara-Funktion kann per Taster am Gerät oder über die Software ausgelöst werden, um den Nullpunkt zu setzen. Entsprechend kann die Sensor-Empfindlichkeit bei definierter Belastung „per Knopfdruck“ kalibriert werden.

2.3 Weg- und Winkelmessungen mit Potentiometern

Zur Erfassung von linearen Bewegungen oder Drehbewegungen werden unter anderem potentiometrisch arbeitende Sensoren eingesetzt. Potentiometrische Weg- bzw. Winkelaufnehmer enthalten Widerstandselemente z. B. aus leitendem Kunststoff oder drahtgewickelte Widerstandselemente mit beweglichem Schleifkontakt. Potentiometer-Messumformer ermitteln das vom Schleifkontakt erzeugte Widerstandsverhältnis, so dass dessen Position erfasst und als Normsignal ausgegeben werden kann.

Widerstandsgeber werden angewandt zur Sollwertvorgabe in Schienenfahrzeugen, auf Schiffen, bei der industriellen Produktion und in vielen Bereichen des Maschinen- und Apparatebaus. Widerstandssensoren finden Anwendung zur Istwerterfassung von Stellantrieben, zur Abstands- oder Dickenmessung und bei vielfältigen Positionsbestimmungen.
Die Knick-Messumformer SensoTrans R A 20230 und P 32300 sowie PolyTrans P 32000 erfassen Potentiometer bis 50 kΩ in 3- oder 4-Leiter-Schaltung. Der Bereich der Bewegung, der auf den Bereich des Ausgangssignals abgebildet werden soll, kann durch Taster am Gerät oder über die Software Paraly SW 111 sehr einfach eingestellt werden.

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