Justierung analoger Eingänge

Anleitung zur Justierung von analogen Eingängen in LisRT, um genaue Messwerte zu gewährleisten, indem Toleranzen in der Messkette kompensiert werden.
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Über analoge Eingänge werden Messwerte von angeschlossenen Sensoren, wie z.B. Spannung, Temperatur, Druck usw. erfasst. Da die Sensoren unterschiedliche Signale liefern, wie z.B. 0-10V oder 4-20mA, sind über die gesamte Messkette verschiedene Wandler, Filter und Verstärker notwendig, um die analogen Signale in digitale Messwerte umzuwandeln, die von der LisRT-Anwendung verarbeitet werden können.

Signalverarbeitung

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Abbildung 1. Komponenten der Messkette

Die Komponenten der Messkette sind:

  • Sensor: Wandelt die physikalische Größe in ein elektrisches Signal um.

  • Signalaufbereitung: Filtert und verstärkt das Sensorsignal und liefert z.B. ein genormtes 0-10V oder 4-20mA Signal, das dem Messbereich des Sensors entspricht.

  • A/D-Wandler: Wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal um. Je höher die Auflösung des A/D-Wandlers, desto genauer kann das analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt werden.

    Beispiel 1. Auflösung eines A/D-Wandlers

    Ein 12-Bit A/D-Wandler hat 4096 (212) mögliche Werte. Wenn der Messbereich des Sensors 0 - 100°C beträgt was dem elektrischen Signal von 0-10V entspricht, dann entspricht ein Bitwert von 0 dem Wert 0°C und ein Bitwert von 4095 dem Wert 100°C. Die Auflösung der Messung beträgt in diesem Fall 100°C / 4096 = 0,0244°C pro Bit.

  • Sensor-Skalierung: Wandelt den digitalen Messwert in die physikalische Größe um, z.B. in °C, bar, V, A, Ohm etc. Mit der Skalierung wird der Bitwert dem Messbereich des Sensors zugeordnet.

  • Die Justierung erfolgt durch den Vergleich eines gemessenen Wertes mit dem Messwert eines kalibrierten Messgeräts. Die Korrekturwerte in der LisRT-Anwendung werden so angepasst, dass die Abweichungen minimiert werden.

Übersicht Servicefenster Analogeingänge

Das Servicefenster für analoge Eingänge ist in folgende Bereiche unterteilt:

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Abbildung 2. Servicefenster für Analogeingänge

  1. Wertanzeigen: es wird der justierte Wert, der skalierte Wert und der Rohwert angezeigt

  2. Messbereich des Sensors

  3. Justierung mit den Korrekturwerten

  4. Grafische Darstellung der Abweichung zwischen dem justierten und dem skalierten Wert

Werteanzeigen

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Abbildung 3. Wertanzeigen im Servicefenster für Analogeingänge

Es werden folgende Werte angezeigt:

  1. Nicht skalierter Wert: Das entspricht dem Rohwert, der direkt vom A/D-Wandler geliefert wird. In unserem Beispiel der digitale Bitwert in 0-10V umgerechnet.

  2. Nicht justierter, aber skalierter Wert: Das sind die 0-10V umgerechnet in die physikalische Größe, z.B. °C.

  3. Justierter und skalierter Wert: Das ist der Wert nach der Justierung, der die Abweichungen der Messkette berücksichtigt.

Justierung von analogen Eingängen

Alle Komponenten der Messkette sind mit Toleranzen behaftet, die sich auf die Genauigkeit der Messwerte auswirken. Um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten, ist eine Justierung der analogen Werte erforderlich.

Die Justierung erfolgt über sogenannte Korrekturwerte, die in der LisRT-Anwendung hinterlegt werden können. Zur Ermittlung der Korrekturwerte werden die Sensor-Werte mit einem kalibrierten Messgerät verglichen, das eine höhere Genauigkeit aufweist als die zu justierenden Messwerte.

Bei einem annähernd linearen Sensorverhalten reicht es aus, zwei Justierpunkte zu erfassen.

Justierung

Eine Messkette muss an mindestens zwei Punkten justiert werden. Dadurch wird ein Nullpunkt- und Verstärkungsfehler ausgeglichen. In der Regel werden die Justierpunkte am unteren und oberen Ende des genutzten Messbereichs des Sensors gewählt.

Beispiel 2. Justierung eines Temperatursensors

Der, mit LisRT verbundene, Sensor wird zusammen mit dem Sensor des kalibrierten Referenzmessgeräts in ein Wasserbad gelegt. Das Wasserbad wird auf die erste Kalibriertemperatur (z.B. 0°C) eingestellt und die Messwerte beider Sensoren nach einer Einschwingzeit abgelesen und in die Tabelle eingetragen. Danach wird das Wasserbad auf die zweite Kalibriertemperatur (z.B. 100°C) eingestellt und die Messwerte erneut abgelesen.

Der Abgleich über das Servicefenster ist denkbar einfach:
(Die Eingabefelder werden durch Doppelklick aktiviert und können dann bearbeitet werden.)

  1. In die Spalte Wert wird der nicht justierte Messwert des Sensors eingetragen (z.B. 0°C bzw. 100°C, siehe Wertanzeigen)

  2. In die Spalte Justierter Wert wird der Messwert des kalibrierten Messgeräts eingetragen (z.B. -0,1°C bzw. 107°C)

  3. Das Ausrufungszeichen in der rechten oberen Ecke erinnert daran, dass die Justierung noch nicht gespeichert wurde.

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Abbildung 4. Werteingabe im Servicefenster für Analogeingänge

Die Justierung ist nur mit entsprechender Berechtigung möglich.

Nichtlineares Sensorverhalten

Bei nichtlinearem Sensorverhalten sind mehr als zwei Punkte für die Korrektur erforderlich, um einen genauen Abgleich zu erreichen. Dazu werden zusätzliche Zwischenwerte aufgenommen und im Servicefenster eingetragen:

  • Durch Doppelklick auf eine Zeile unterhalb der vorhandenen Justierpunkte wird eine neue Zeile eingefügt.

  • Die neue Zeile wird, nach der Werteeingabe, automatisch an die richtige Position sortiert.

  • Es kann passieren, dass ein roter Hinweis erscheint. Das liegt in diesem Fall daran, dass eine neue Zeile mit dem Wert 0 vorgeschlagen wird, dieser Wert aber bereits vorhanden ist.

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Abbildung 5. Zusätzliche Justierpunkte im Servicefenster für Analogeingänge

Eine Zeile kann mit der Entf-Taste gelöscht werden.

Die nachgebildete Kennlinie würde dann folgendermaßen aussehen:

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Abbildung 6. Kennlinie mit mehreren Justierpunkten

Der Messwert wird durch eine lineare Interpolation zwischen den nächstgelegenen Justierpunkten ermittelt.

Wird der Mauszeiger mit gedrückter linker Maustaste auf einen Stelle der Kennlinie gezogen, wird die Abweichung für den jeweiligen Messwert angezeigt.

Bitte beachten:

Die Justierung der analogen Eingänge sollte regelmäßig überprüft und gegebenenfalls angepasst werden, um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten. Denn manche Sensoren können sich im Laufe der Zeit verändern oder altern, was zu Abweichungen in den Messwerten führen kann.

Beim Austausch des Sensors oder einer der anderen Komponenten der Messkette muss die Justierung erneut durchgeführt werden, da sich die Messwerte ändern können.