Auswahl eines Wheatstone-Brückenmessmoduls

Überblick

In diesem Dokument wird erläutert, was bei der Erstellung von Messsystemen für brückenbasierte Sensoren wie Kraftmessdosen, Druck- und Drehmomentsensoren zu beachten ist. Zudem liefert es eine Übersicht über die NI-Messgeräte, die den Anforderungen dieser Sensortypen gerecht werden.

Signalkonditionierung für Dehnungsmessstreifen und brückenbasierte Sensoren

Bei der Dehnungsmessung kommt es auf die Erfassung extrem kleiner Widerstandsschwankungen an. Daher ist die sorgfältige Auswahl und der richtige Einsatz von Brücke, Signalkonditionierung, Verdrahtung und Datenerfassungskomponenten für zuverlässige Messungen unerlässlich. Für präzise Dehnungsmessungen sollten folgende Aspekte bedacht werden:

  • Brückenvervollständigung
  • Erregung
  • Kontaktlose Fernmessung (Remote Sensing)
  • Verstärkung
  • Filterung
  • Offset
  • Shunt-Kalibrierung

Brückenvervollständigung: Wird keine Vollbrückenschaltung mit vier aktiven Dehnungsmessstreifen verwendet, so muss die Brücke mithilfe von Referenzwiderständen vervollständigt werden. Zu diesem Zweck bieten die meisten DMS-Signalkonditionierungsgeräte aus hochgenauen Referenzwiderständen bestehende Widerstandsnetzwerke zur Ergänzung von Halbbrücken. Abbildung 1 zeigt die Verdrahtung der Schaltung eines Halbbrücken-Dehnungsmessstreifens mit einem Konditionierer mit den Festwiderständen R1 und R2.

Abb. 1: Verbindungen der Schaltung eines Halbbrücken-Dehnungsmessstreifens

Erregung: DMS-basierte Signalkonditionierungshardware verfügt normalerweise über eine integrierte Spannungsquelle zur Speisung der Brückenschaltung. Zwar gibt es keinen industrieweiten Standard für den Spannungspegel, doch allgemein ist eine Erregungsspannung von ca. 3 V oder 10 V üblich. Eine höhere Erregungsspannung ermöglicht zwar einerseits eine entsprechend höhere Ausgangsspannung, andererseits kann es jedoch zu größeren Messfehlern infolge von Eigenerwärmung kommen.

Kontaktlose Fernmessung: Wenn die Schaltung mit dem Dehnungsmessstreifen weit von der Signalkonditionierung und der Erregerquelle entfernt ist, kann es zu Messfehlern kommen, die von Spannungsabfällen durch Widerstand in den Leitungen herrühren, die die Erregerspannung mit der Brücke verbinden. Bei einigen Signalkonditionierungsgeräten gibt es daher eine Fernmessfunktion zum Ausgleich der Leitungsverluste. Verbindungen für die Fernmessung sind an den Punkt angeschlossen, an dem die Drähte für die Erregungsspannung mit der Brückenschaltung verbunden sind (siehe Abbildung 2). Über diese zusätzlichen Messleitungen wird die Erregungsspannung über Verstärker mit negativem Feedback so reguliert, dass Leitungsverluste ausgeglichen werden und die Brücke mit der benötigten Spannung versorgt wird.

Abb. 2: Fehlerkompensation bei einem dezentralen Sensor

Verstärkung: Das Ausgangssignal von Dehnungsmessstreifen und entsprechenden Messbrücken ist relativ schwach. Die meisten Dehnungsmessbrücken und Dehnungsmesser geben z. B. eine Ausgangsspannung von weniger als 10 mV/V aus, das heißt, 10 Millivolt pro Volt Erregerspannung. Bei einer Erregungsspannung von 10 V liegt das Ausgangssignal also bei 100 mV. Daher verfügen DMS-Signalkonditionierungsgeräte häufig über einen Verstärker zur Anhebung des Signalpegels, damit die Messauflösung erhöht und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird.

Filterung: Dehnungsmessstreifen werden häufig in elektrisch verrauschten Umgebungen eingesetzt. Daher ist es unabdingbar, Rauschsignale zu eliminieren, die das Ausgangssignal des DMS beeinträchtigen könnten. Tiefpassfilter beispielsweise dienen zur Beseitigung von hochfrequentem Rauschen, das charakteristisch für die meisten DMS-Einsatzumgebungen ist.

Offset-Ausgleich: Es kommt selten vor, dass bei der Implementierung einer DMS-Brückenschaltung das Ausgangssignal bei nicht einwirkender Dehnkraft auf Anhieb exakt 0 V beträgt. Schon eine geringe Widerstandsdifferenz zwischen den Brückenzweigen und dem Drahtwiderstand führt zu einer Offset-Spannung ungleich 0 V. Der Offset-Ausgleich kann in der Hard- oder der Software erfolgen:

1. Beim softwarebasierten Ausgleich wird bei noch nicht einwirkender Dehnkraft eine erste Messung durchgeführt und der gewonnene Offset-Wert zur Berichtigung späterer Messergebnisse herangezogen. Diese Vorgehensweise ist einfach, schnell und erfordert keine manuellen Einstellungen. Der Nachteil besteht darin, dass der Offset der Brücke nicht entfernt wird. Bei entsprechend großer Abweichung von Null ist auch die Verstärkung der Ausgangsspannung geringer, da sich der dynamische Messbereich verringert.

2. Beim hardwarebasierten Offset-Ausgleich wird mit dem Potenziometer ein einstellbarer Widerstand eingesetzt, über den die Brücke physisch abgeglichen werden kann. Durch Drehen des Widerstands am Potenziometer kann die Brückenspannung geregelt und der Ausgangswert auf 0 Volt eingestellt werden.

Shunt-Kalibrierung: Das übliche Verfahren zur Verifizierung des Ausgangssignals eines DMS-Messsystems anhand eines bekannten Referenzeingangssignals bzw. einer Dehnung ist die Shunt-Kalibrierung. Die Shunt-Kalibrierung basiert auf der Simulation einer Dehnkraft durch Veränderung des Widerstands in einem der Brückenzweige um einen genau bekannten Wert. Hierzu wird ein hochohmiger Widerstand (Rs) parallel an einen der Brückenzweige angeschlossen, wodurch dieser eine Widerstandsänderung ΔR bekannten Ausmaßes erfährt (siehe Abbildung 3). Der Brückenausgang kann dann gemessen und das Ergebnis mit den erwarteten Spannungswerten verglichen werden. Die Messergebnisse werden verwendet, um die gesamte Messkette auf Messbereichsfehler zu überprüfen und diese gegebenenfalls zu korrigieren, oder um die ordentliche Funktionsweise des Messsystems sicherzustellen.

Abb. 3: Shunt-Widerstand mit Verbindung über R3

 

Plattformen für Messungen von Dehnungs- und brückenbasierten Sensoren

Kompakte Messungen

Stationäre und mobile Messungen

Ein CompactDAQ-System umfasst ein Chassis, I/O-Module der C-Serie und Software. Die Chassis können an einen Host-PC über USB, Ethernet oder WLAN (IEEE 802.11) angebunden oder mit einem integriertem Controller im Stand-alone-Betrieb eingesetzt werden. Mit mehr als 50 messspezifischen Modulen sowie Chassis mit einem, vier oder acht Steckplätzen stellt CompactDAQ eine flexible, erweiterbare Plattform für elektrische und sensorische Messsysteme dar.

  • Mehrere Timing-Engines für unterschiedliche Erfassungsraten
  • Erweiterte Counter-Funktionen basierend auf NI-STC3-Technologie

Was ist CompactDAQ?

Embedded-Messungen und -Datenloggen

CompactDAQ-Controller bieten eine leistungsstarke Plattform für Embedded-Messungen und das Datenloggen. Die Controller verfügen über einen integrierten Computer sowie nichtflüchtigen Speicher, sodass CompactDAQ ohne einen externen Computer eingesetzt werden kann.

  • Multicore-Prozessor von Intel, bis zu 32 GB nichtflüchtiger Speicher, 2 GB RAM
  • Gleichzeitiges Streamen kontinuierlicher Messungen mit Abtastraten von bis zu 1 MS/s pro Kanal

Was ist CompactDAQ?

Extreme Robustheit sowie erweiterte Steuer- und Regelfunktionen

CompactRIO ist ein rekonfigurierbares Embedded-System für Datenerfassung, Steuerung und Regelung. Die Hardwarearchitektur von CompactRIO umfasst ein rekonfigurierbares FPGA-Chassis und einen Embedded-Controller. CompactRIO kann in einer Vielzahl von Embedded-Anwendungen zur Steuerung, Regelung und Überwachung eingesetzt werden.

  • Verschiedene rekonfigurierbare Chassis mit FPGA für benutzerdefinierte Timing-, Analyse-, Steuer- und Regelfunktionen
  • Offene Embedded-Architektur mit geringen Abmessungen und hoher Robustheit

Was ist CompactRIO?

 

I/O-Module der C-Serie mit integrierter Signalkonditionierung für Dehnungsmessungen

NI 9237: Brückenmodul mit 24 bit

Im Angebot von NI finden sich die I/O-Module der C-Serie NI 9235, NI 9236 und NI 9237, die speziell für Messungen mit Dehnungsmessstreifen konzipiert sind. Die Brückenmodule enthalten die Signalkonditionierungsfunktionen, die notwendig sind, um brückenbasierte Sensoren gleichzeitig zu versorgen und zu messen. Die Module NI 9235 und NI 9236 haben mehr Kanäle und bieten Brückenvervollständigung für Viertelbrückensensoren. Das Modul NI 9237 unterstützt maximal vier Voll- und Halbbrückensensoren und kann mit dem Zubehör zur Brückenvervollständigung viertelbrückenbasierte Dehnungsmessungen durchführen. Das NI 9237 kann Offset- und Nullabgleich sowie Shunt-Kalibrierung und Fernmessungen durchführen, sodass es sich insbesondere für Dehnungs- und Brückenmessungen mit geringer bis mittlerer Kanalanzahl eignet.

Messsystem NI 9237

NI 9219: Universelles Analogeingangsmodul mit 24 bit

Beim NI 9219 handelt es sich um ein universelles Modul der C-Serie mit vier Kanälen für verschiedene Prüfanwendungen mit einem beliebigen CompactDAQ- oder CompactRIO-Chassis. Mithilfe des Moduls NI 9219 lassen sich verschiedene Signale von Sensoren, wie z. B. Dehnungsmessstreifen, RTDs, Thermoelementen, Kraftaufnehmern und anderen strombetriebenen Sensoren, messen. Die Kanäle können individuell angewählt werden, sodass auf jedem der vier Kanäle ein anderer Messtyp bedient werden kann. Das NI 9219 nutzt sechspolige Steckklemmenanschlüsse an jedem Kanal für die direkte Signalanbindung. Zudem bietet das Modul integrierte Viertel-, Halb- und Vollbrückenunterstützung.

Messsystem NI 9219

 

Systeme mit hoher Leistung und hoher Kanalanzahl

 

Die PXI-Plattform umfasst verschiedene Chassis-, Controller- und Modul-Optionen, mit denen Messsysteme für unterschiedliche Anwendungsanforderungen erstellt werden können. Die Dehnungsmessmodule für NI SC Express ermöglichen eine Genauigkeit von bis zu 0,02 Prozent bei max. 102,4 kS/s. PXI kann für umfangreiche Anwendungen auf tausende Kanäle für Dehnungs- und brückenbasierte Messungen skaliert werden und bietet dabei kabelgebundene wie auch drahtlose Synchronisierungsoptionen.

  • Konfigurierbare Lösungen mit mehreren Chassis für Desktop, Rack und verteilte Systeme mit mehreren Chassis
  • Kompatibilität mit einer großen Auswahl an Sensoren und Wandlern
  • Über 1500 PXI-Module für CAN, GPS, Bildverarbeitung, Motorsteuerung u. v. m. erhältlich

I/O-Module für PXI mit integrierter Signalkonditionierung für Dehnungsmessungen

Die Produktfamilie SC Express umfasst PXI-Express-Datenerfassungsmodule mit integrierter Signalkonditionierung für Sensormessungen, z. B. von Thermoelementen und anderen brückenbasierten Wheatstone-Wandlern.

 

PXIe-4330: Brückeneingangsmodul mit 8 Kanälen und 24 bit

Das Brückeneingangsmodul PXIe-4330 mit acht simultanen Kanälen bietet eine Auflösung von 24 bit, eine Genauigkeit von 0,02 Prozent und eine Abtastrate von 25 kS/s pro Kanal. Damit eignet es sich für anspruchsvolle Dehnungsmessungen. Das PXIe-4330 führt viertel-, halb- und vollbrückenbasierte Messungen mit einem Zeitversatz von nur 5 ppb zwischen den Kanälen durch. Das Gerät ermöglicht eine Erregungsspannung pro Kanal von 0,625 V bis 10 V mit kontaktloser Fernmessung. Zusätzliche Flexibilität, integrierte Brückenvervollständigung sowie Shunt-Kalibrierung können über die Software für jeden Kanal separat konfiguriert werden.

Dehnungsmesssystem für SC Express

PXIe-4331: Brückeneingangsmodul mit 8 Kanälen und 24 bit

Das Brückeneingangsmodul PXIe-4331 mit acht simultanen Kanälen bietet ebenfalls eine Auflösung und Präzision von 24 bit, ermöglicht aber eine Abtastrate von 102,4 kS/s pro Kanal.

 


Weitere Ressourcen zur Dehnungsmessung

  1. Prinzip der Dehnung und Auswahl von Dehnungsmessstreifen
  2. Auswahl eines DMS-Messsystems
  3. Durchführung einer Dehnungsmessung mit LabVIEW
  4. Durchführung optimierter Dehnungsmessungen