Auswahl von Sensoren und Transmittern – Unterschiede

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von ztj1118 am 10.3.2016 um 16:26 bearbeitet. Sensoren und Transmitter spielen eine entscheidende Rolle in den Bereichen Instrumente, Messgeräte und industrielle Automatisierung. Im Gegensatz zu Sensoren können Transmitter nicht nur nicht-elektrische Größen in messbare elektrische Größen umwandeln, sondern haben in der Regel auch eine gewisse Verstärkungsfunktion. Dieser Artikel gibt eine kurze Übersicht über die Eigenschaften der verschiedenen Transmitter, damit die Nutzer eine passende Wahl treffen können. 　　I. Integrierter Temperaturwandler
Ein integrierter Temperaturwandler besteht in der Regel aus einem Temperaturmessfühler (Thermoelement oder Widerstandssensor) sowie einer zweidrahtigen elektronischen Schalteinheit. Der Temperaturmessfühler wird in Form eines festen Moduls direkt im Verbinderkasten installiert, wodurch ein integrierter Sender entsteht. Integration: Temperatursender werden im Allgemeinen in zwei Arten unterteilt: Widerstandsthermometer und Thermoelemente. 　　Ein Widerstandstemperaturwandler setzt sich aus einer Referenzeinheit, einer R/V-Wandlungseinheit, einem linearen Schaltkreis, einem Schutz gegen Umkehrspannung, einem Strombegrenzungsschutz sowie einer V/I-Wandlungseinheit zusammen. Nach der Signalumwandlung und Verstärkung der Wärmewiderstandssignale wird die nichtlineare Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand durch einen linearen Schaltkreis ausgeglichen. Anschließend liefert ein V/I-Wandlungsverstärker ein konstantes Stromsignal im Bereich von 4–20 mA, das in linearer Beziehung zur gemessenen Temperatur steht. 　　Ein Temperaturwandler mit Thermoelement besteht in der Regel aus Schaltkreiseinheiten wie einer Referenzquelle, einer Kaltende-Kompensation, einer Verstärkereinheit, einer Linearisierungslogik, einem V/I-Wandlungsmodul, einem Schutzmechanismus bei Trennung der Elektroden, einem Schutz vor umgekehrter Polarität sowie einem Strombegrenzungsmechanismus. Es handelt sich dabei um einen Prozess, bei dem die durch den Thermoelement erzeugte Thermoelektrizität zunächst durch Kompensation am kalten Ende verstärkt wird. Anschließend werden mithilfe eines linearen Schaltkreises die nichtlinearen Fehler zwischen Thermoelektrizität und Temperatur beseitigt. Schließlich wird das Signal in ein Stromsignal im Bereich von 4–20 mA umgewandelt. 　　Um Unfälle durch das Ausfallen der Temperaturkontrolle bei Thermoelementmessungen aufgrund eines gerissenen Elements zu verhindern, ist im Sender außerdem ein Stromausfallschutzschaltkreis vorhanden. 　　Wenn die Thermoelemente beschädigt sind oder eine schlechte Verbindung aufweisen, gibt der Sender einen maximalen Wert von 28 mA aus, damit das Gerät den Stromkreis abschaltet. 　　Integrierte Temperatursender weisen den Vorteilen einer einfachen Bauweise, geringerer Anzahl an Leitungen, hoher Ausgangssignalfrequenz, großer Störfestigkeit, guter Linearität, einfacher Anzeige sowie eines robusten, stoß- und feuchtigkeitsresistenten Festkörpermoduls auf. Zudem verfügen sie über Schutz vor umgekehrter Polarität sowie Strombegrenzungsmechanismen – somit sind sie zuverlässig in der Nutzung. 　　Die Ausgabe des integrierten Temperatursenders ist ein einheitliches 4–20 mA-Signal ； Kann mit Mikrorechnersystemen oder anderen herkömmlichen Messgeräten verwendet werden. Auf Wunsch des Benutzers können auch explosionsgeschützte oder feuerfeste Messgeräte hergestellt werden. 　　II. Drucksender
Drucksender werden auch als Differenzsender bezeichnet. Sie bestehen hauptsächlich aus einem Drucksensor, Modulschaltungen, Anzeigegeräten, Gehäusen sowie Verbindungskomponenten für den Prozess. Es kann Drucksignale von empfangenen Gasen, Flüssigkeiten usw. in standardisierte Strom- und Spannungssignale umwandeln, die dann an Sekundärgeräte wie Anzeigegeräte, Aufzeichnungsgeräte und Regler weitergeleitet werden, um Messungen durchzuführen, Anzeigen zu erzeugen sowie den Prozess zu regulieren. 　　Der Messprinzip des Drucksenders ist in Abbildung 3 dargestellt. Das Messprinzip besteht darin, dass die Prozessdruck und der Referenzdruck jeweils auf die beiden Enden des integrierten Silizium-Drucksensors wirken. Der Druckunterschied verursacht eine Deformation des Siliziumchips – diese Deformation ist jedoch sehr gering, nur im Bereich von Mikrometern. Dadurch kann der vollständig dynamische Wheatstone-Brückenelement, das aus Halbleitermaterial hergestellt wird, unter der Steuerung einer externen Stromquelle ein Spannungssignal im Bereich von Millivolt erzeugen, wobei dieses Signal proportional zum Druck ist. 　　Aufgrund der hervorragenden Festigkeit des Siliziummaterials sind sowohl die Linearität des Ausgangssignals als auch die Kennzahlen zur Qualität sehr hoch. Während der Arbeit wandelt der Drucksensor die zu messende physikalische Größe in einen Spannungssignal im Bereich von mV um. Dieses Signal wird anschließend an einen differenziellen Verstärker weitergeleitet – ein Verstärker mit hoher Verstärkungskraft, der zudem Temperaturverschiebungen ausgleichen kann. Das vergrößerte Signal wird durch eine Spannungs-Strom-Umwandlung in ein entsprechendes Stromsignal umgewandelt. Anschließend erfolgt eine nichtlineare Korrektur, sodass schließlich ein Standardstrom-Spannungs-Signal entsteht, das in linearer Beziehung zur Eingangsspannung steht. 　　Drucktransmitter können je nach Messbereich in allgemeine Drucktransmitter (0,001 MPa bis 20 MPa) und Mikrodrucktransmitter (0 bis 30 kPa) unterteilt werden. 　　III. Höhenmesssender
1. Schwimmkugel-basierte Höhenmesssender
Ein Schwimmkugel-basierter Höhenmesssender besteht aus einer magnetischen Schwimmkugel, einem Messrohr, einer Signalvorstufe, einer elektronischen Einheit, einer Verbindungsbox sowie Montageelementen. 　　Im Allgemeinen ist das Gewicht von magnetischen Schwimmkörpern kleiner als 0,5. Dadurch können sie auf der Oberfläche der Flüssigkeit treiben und sich entlang des Messrohrs nach oben und unten bewegen. Im Inneren des Leiters befinden sich Messkomponenten, die unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes das zu messende Pegelsignal in ein Widerstandssignal umwandeln können, das proportional zur Änderung des Pegels ist. Zudem werden die elektronischen Komponenten so gesteuert, dass ein Signal im Bereich von 4–20 mA oder andere standardisierte Signale ausgegeben werden. Der Sender ist ein modulares Schaltkreis, der Vorteile wie Widerstandsfähigkeit gegen Säuren, Feuchtigkeit, Erschütterungen sowie Korrosion aufweist. Im Inneren des Schaltkreises befinden sich ein Konstantstrom-Rückkopplungsschaltkreis sowie Schutzschaltkreise. Dadurch wird sichergestellt, dass der maximale Ausgangsstrom 28 mA nicht überschreitet. So kann die Stromversorgung zuverlässig geschützt werden und sekundäre Messgeräte vor Beschädigungen bewahrt bleiben. 　　2. Schwimmkörper-basierte Höhenmesssender
Der schwimmkörper-basierte Höhenmesssender verwendet anstelle einer magnetischen Schwimmkugel einen Schwimmkörper. Er ist nach dem Prinzip der Schwerelosigkeit von Archimedes konstruiert. Schwimmkörpertyp – Der Höhenmesssender nutzt die Technologie der Dehnungssensoren aus dünnen Metallmembranen, um den Stand, die Oberfläche oder die Dichte einer Flüssigkeit zu messen. Während es in Betrieb ist, können über die Tasten vor Ort übliche Einstellvorgänge durchgeführt werden. 　　3. Druck- oder Höhenübertragungseinheit Diese Übertragungseinheit arbeitet nach dem Prinzip der Messung des statischen Drucks einer Flüssigkeit. In der Regel werden Silizium-Drucksensoren verwendet, um den gemessenen Druck in elektrische Signale umzuwandeln. Anschließend werden diese Signale durch Verstärkungsschaltungen verstärkt und durch Kompensierungsschaltungen korrigiert. Schließlich werden die Signale in Form von Strömen im Bereich von 4–20 mA oder 0–10 mA ausgegeben. 　　IV. Kapazitivische Höhenmessgeräte
Kapazitivische Höhenmessgeräte eignen sich für Industrieunternehmen, um während des Produktionsprozesses Messungen durchzuführen und diesen zu steuern. Sie werden hauptsächlich zur ferngesteuerten, kontinuierlichen Messung und Anzeige des Pegels von flüssigen Stoffen – egal ob sie leitfähig oder nichtleitfähig sind – sowie des Pegels von pulverförmigen oder körnigen Feststoffen verwendet. 　　Der kapazitivische Pegelgeber setzt sich aus einem kapazitiven Sensor sowie einem elektronischen Modul zusammen. Er arbeitet im Grunde mit einer konstanten Stromstärke von 4–20 mA über zwei Leitungen. Durch Umwandlung kann er jedoch auch über drei oder vier Leitungen signale liefern. Die Ausgangssignale können in Form von Standardwerten wie 1–5 V, 0–5 V oder 0–10 mA dargestellt werden. Ein Kapazitivsensor besteht aus isolierten Elektroden sowie einem zylindrischen Metallbehälter, der mit einem Messmedium gefüllt ist. Wenn der Materialstand ansteigt, ändert sich die Kapazität mit der Höhe des Materials – und zwar deshalb, weil die Dielektrizitätskonstante von nicht leitfähigen Materialien deutlich geringer ist als die der Luft. Der Modulkreis des Senders besteht aus Komponenten wie einer Referenzquelle, einem PWM-Modulator, einem Wandler, einem Stromverstärker, einer Rückkopplungsstrecke sowie einem Strombegrenzer. Vorteile der Messung mit dem Prinzip der Pulsbreitenregelung sind eine niedrige Frequenz, geringe Störungen durch externe Funksignale, gute Stabilität, gute Linearität sowie keine erkennbaren Temperaturverschiebungen. 　　V. Ultraschall-Sender
Ultraschall-Sender werden in allgemeine Ultraschall-Sender (ohne Anzeige) und integrierte Ultraschall-Sender unterteilt. Integrierte Ultraschall-Sender werden häufiger verwendet. 　　Der integrierte Ultraschall-Wandlungsgeber setzt sich aus einem Anzeigeelement (z. B. LCD-Anzeige) und einer Sonde zusammen. Dieser Transmitter, der direkt ein Signal im Bereich von 4–20 mA ausgibt, vereint kleine, empfindliche Komponenten (Sonden) mit elektronischen Schaltungen – dadurch wird er kleiner, leichter und günstiger. Ultraschall-Sender können zur Messung des Flüssigkeitsspiegels verwendet werden. Die Messung des Füllstands sowie die Messung des Durchflusses in Kanälen und anderen Leitungen – außerdem kann sie zur Messung von Entfernungen verwendet werden. 　　VI. Antimon-Elektroden-Ph-Wert-Sender
Der Antimon-Elektroden-Ph-Wert-Sender ist ein industrieller Online-Analysegerät, das die Funktionen der Ph-Messung, der automatischen Reinigung sowie der Umwandlung von elektrischen Signalen in sich vereint. Er besteht aus einer Antimon-Elektrode sowie einer Referenzelektrode, die gemeinsam das Ph-Wert-Messsystem bilden. In der getesteten sauren Lösung entsteht auf der Oberfläche des Antimon-Elektrods eine Schicht aus Antimontrioxid. Dadurch entsteht zwischen der Oberfläche des Metallantimons und der Schicht aus Antimontrioxid eine Potenzialdifferenz. Die Größe dieser Potentialdifferenz hängt von der Konzentration des Antimondioxidtris ab. Diese Konzentration steht in einem bestimmten Verhältnis zu den Wasserstoffionen in der zu messenden sauren Lösung. Wenn man die Konzentrationen von Antimon, Antimontrioxid sowie der wässrigen Lösung alle auf 1 setzt, kann die Elektrodenpotenz mit der Nernst-Gleichung berechnet werden. 　　Der Festkörpermodulkreis im Säuremessgerät für Antimonelektroden setzt sich aus zwei Hauptteilen zusammen. Zur Sicherheit vor Ort wird der Strom für die Sekundärgeräte überwechselnde 24 V verwendet. Diese Stromquelle soll nicht nur den Motor zur Reinigung mit Energie versorgen, sondern auch durch eine Umwandlereinheit in die entsprechende Gleichspannung umgewandelt werden, damit sie vom Übertragungsschaltkreis verwendet werden kann. Der zweite Teil ist der Messwandlerkreis, der die vom Sensor stammenden Referenzsignale sowie die PH-Säuregrad-Signale nach der Verstärkung an die Schieflage- und Positionierungsregelungskreise weiterleitet. Dadurch wird der Widerstand innerhalb der Signale verringert und kann außerdem angepasst werden. Das vergrößerte PH-Signal wird mit dem temperaturkompensierten Signal addiert und anschließend in einen Differenzumwandlungsverstärker eingespeist. Schließlich wird ein konstanter Stromstrom von 4–20 mA ausgegeben, der dem PH-Wert entspricht. Dieser Stromstrom wird an die sekundären Messgeräte weitergeleitet, um die Anzeige sowie die Steuerung des PH-Werts zu ermöglichen. 　　7. Transmitter für die Konzentration von Säuren, Basen und Salzen  Transmitter für die Konzentration von Säuren, Basen und Salzen bestimmen die Konzentration, indem sie den Leitwert der Lösung messen. Es kann die Konzentrationen von Säuren, Basen und Salzen in wässrigen Lösungen in industriellen Prozessen kontinuierlich online überwachen. Diese Transmitter werden hauptsächlich in industriellen Produktionsprozessen wie der Behandlung von Kesselwasser, bei der Herstellung chemischer Lösungen sowie im Umweltschutz eingesetzt. 　　Der Funktionsmechanismus der Transmitter für die Konzentrationen von Säuren, Basen und Salzen ist folgender: Innerhalb eines bestimmten Bereichs steht die Konzentration einer sauren oder basischen Lösung in einem proportionalen Verhältnis zu ihrer Leitfähigkeit. Daher lässt sich die Konzentration von Säuren und Basen ermitteln, indem man den Wert der Leitfähigkeit der Lösung misst. Wenn die zu prüfende Lösung in eine speziell dafür vorgesehene Leitfähigkeitszelle fließt, kann man sie – sofern man die Elektrodenpolarisierung sowie die Verteilungskapazitäten ignoriert – als reinen Widerstand betrachten. Bei einem Wechselstrom mit konstantem Druck steht die Ausgangsspannung in einem linearen Verhältnis zur Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit wiederum ist proportional zur Konzentration der Säuren und Basen in der Lösung. 　　Daher kann die Konzentration von Säuren, Basen und Salzen berechnet werden, sobald der Stromfluss in der Lösung gemessen wurde. 　　Sensoren für die Konzentration von Säuren, Basen und Salzen bestehen hauptsächlich aus einem Leitfähigkeitszellen, einem elektronischen Modul, einem Anzeigedisplay sowie einem Gehäuse. Der Schaltkreis des elektronischen Moduls setzt sich aus einer Antriebsquelle, einer Leitfähigkeitszelle, einem Leitfähigkeitsverstärker, einem phasensensitiven Glättungsschalter, einem Demodulator, einer Temperaturkompensation, einem Überlastschutz sowie einem Stromwandler zusammen. 　　8. Leitfähigkeitssender – Es handelt sich um ein Prozessinstrument (integrierter Sender), das die Konzentration der Ionen indirekt durch Messung des Leitwertes der Lösung bestimmt. Damit kann die Leitfähigkeit von Wasserlösungen in industriellen Prozessen kontinuierlich überwacht werden. 　　Da die Elektrolytlösung ein ebenso guter Leiter von Elektrizität ist wie ein metallischer Leiter, muss beim Fluss des Stroms durch die Elektrolytlösung ein Widerstand vorhanden sein. Dabei gilt das Ohm’sche Gesetz. Doch die Temperaturabhängigkeit des Widerstands von Flüssigkeiten ist im Gegensatz zu metallischen Leitern negativ. Im Gegensatz zu metallischen Leitern wird die Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen durch die Leitfähigkeit (das Umgekehrte der Widerstandskraft) oder die Leitfähigkeitskonstante (das Umgekehrte der Widerstandskonstante) angegeben. Wenn zwei voneinander isolierte Elektroden eine Leitzelle bilden und in deren Mitte die zu prüfende Lösung platziert wird, sowie wenn eine Wechselspannung mit konstanter Spannung durch diese Leitzelle geleitet wird, entsteht ein Stromkreis. Wenn die Spannung sowie die Abmessungen der Elektroden konstant gehalten werden, dann besteht zwischen der Schaltstromstärke und der Leitfähigkeit eine bestimmte funktionale Beziehung. Auf diese Weise kann, indem die durch die zu prüfende Lösung fließende Stromstärke gemessen wird, die Leitfähigkeit der zu prüfenden Lösung bestimmt werden. 　　Die Struktur und die Schaltung des Leitfähigkeits-Senders sind identisch mit denen der Sender für die Konzentration von Säuren, Basen und Salzen. 　　9. Intelligente Transmitter Intelligente Transmitter bestehen aus Sensoren sowie einem Mikroprozessor (Microcomputer). Es nutzt die Rechen- und Speicherkapazitäten des Mikroprozessors voll aus, um Daten von Sensoren zu verarbeiten – dazu gehören die Verarbeitung der Messsignale (z. B. Filtern, Verstärken, A/D-Umwandlung usw.), die Anzeige der Daten sowie automatische Korrekturen und Ausgleichsmaßnahmen. 　　Der Mikroprozessor ist das Herzstück des intelligenten Transmitters. Es kann nicht nur Messdaten berechnen, speichern und verarbeiten, sondern auch über Rückkopplungsschleifen die Sensoren justieren, damit die erfassten Daten optimal sind. Da Mikroprozessoren über verschiedene Software- und Hardwarefunktionen verfügen, können sie Aufgaben erledigen, die für herkömmliche Sender schwierig sind. Daher verringern intelligente Transmitter die Herstellungskomplexität der Sensoren und verbessern deren Leistung in hohem Maße. Außerdem weisen intelligente Transmitter die folgenden Eigenschaften auf: 1. Sie verfügen über eine automatische Kompensationsfunktion – mithilfe von Software kann die Nichtlinearität des Sensors sowie Temperatur- und Zeitverzerrungen automatisch ausgeglichen werden. 　　2. Selbstdiagnose möglich: Nach dem Einschalten kann der Sensor selbst überprüft werden, um festzustellen, ob alle Teile des Sensors in Ordnung sind, und um eine Entscheidung treffen zu können. 　　3. Die Datenverarbeitung ist einfach und genau – die Daten können gemäß internen Prozessen automatisch verarbeitet werden, beispielsweise durch statistische Auswertungen oder durch das Entfernen von abweichenden Werten. 　　4. Verfügt über eine Funktion zur bidirektionalen Kommunikation. Der Mikroprozessor kann nicht nur Sensordaten empfangen und verarbeiten, sondern auch Informationen an die Sensoren zurücksenden. Dadurch kann der Messvorgang reguliert und gesteuert werden. 　　5. Es ist möglich, Informationen zu speichern und abzuspeichern – dabei können die Eigenschaftsdaten der Sensoren, Konfigurationsinformationen sowie Kompensationswerte gespeichert werden. 　　6. Es verfügt über eine Ausgangsfunktion für digitale Signale, wodurch die ausgegebenen digitalen Signale bequem mit Computern oder Feldbussen verbunden werden können.