Messtechnik hat heute viel mit Elektrotechnik zu tun. Der Grund liegt vor allem darin, dass wir Messergebnisse immer seltener für Menschen aufbereiten, die diese von Messgeräten ablesen, sondern für Maschinen. Maschinen benötigen in der digitalen Welt digitale Messdaten. Es gibt nur eine Größe, die direkt digitalisiert werden kann: Die elektrische Spannung. Sehr selten werden auch Zeiten oder elektrische Ströme digitalisiert, allerdings auch nur als elektrische Größen.
Aus diesem Grund werden alle physikalischen Größen, die gemessen und dabei digitalisiert werden, in eine elektrische Spannung umgewandelt. Dies geschieht in mehreren Schritten, die in dieser Vorlesung der Reihe nach besprochen werden. Die an der Signalverarbeitung beteiligten Komponenten werden auch als „Messkette“ bezeichnet.
In dieser Einleitung wird kurz auf die Verarbeitungsschritte eingegangen, die im Verlauf der Vorlesung detailliert besprochen werden.
Sensoren
Sensoren wandeln physikalische Größen in analoge elektrische Größen um. Elektrische Größen sind z. B. Strom, Spannung, Frequenz, Widerstandswert oder auch eine Zeitinformation, die sich in elektrischen Größen zeigt. Es gibt z. B. temperaturabhängige Widerstände (PT-100), deren Widerstandswert sich mit der Temperatur verändert.
Sensoren sind technische Sinnesorgane. Sie geben technischen Systemen Informationen über die Umwelt, so wie es beim Menschen z. B. die Augen oder die Haut tun.
Sensoren werden i. A. zugekauft und nicht selbst entwickelt. Daher beschränkt sich Ihre Aufgabe darauf, den für die Anwendung (Genauigkeit, Robustheit, Kosten) passenden Sensor zu wählen. In der Vorlesung Messtechnik wird nur auf wenige Sensoren in den nächsten Kapiteln näher eingegangen.
Analoge Signalverarbeitung
Die analoge elektrische Größe, die ein Sensor ausgibt, soll in der Messkette digitalisiert werden. Dazu ist es notwendig, diese elektrische Größe in eine Spannung in einem bestimmten Wertebereich umzuwandeln. Der Grund dafür liegt in den Eigenschaften eines Analog-Digital-Wandlers, auf den im nächsten Abschnitt eingegangen wird.
Die Aufgabe der analogen Signalverarbeitung liegt vor allem darin, die allgemeine elektrische Größe in eine Spannung umzuwandeln. Soll mit einem temperaturabhängigen Widerstand die Temperatur gemessen werden, ändert sich mit der Temperatur zunächst der Widerstandswert des Sensors. In der analogen Signalverarbeitung wird aus der Widerstandsänderung eine Spannungsänderung erzeugt.
Mikrocontroller
Folgende Bearbeitungsschritte durchläuft das Messsignal im Mikrocontroller:
1. Analog-Digital-Wandlung
Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) gibt eine Zahl aus, die proportional zur Eingangsspannung ist. Diese Zahl kann z. B. in einem Mikrocontroller (Arduino) weiterverarbeitet werden. Oft erfolgt die Analog-Digital-Wandlung innerhalb eines Mikrocontrollers.
2. Digitale Signalverarbeitung und Fehlerkorrektur
In diesem Block wird Software programmiert, um die vom ADC ausgegebene Zahl weiter zu verändern. Der Ausgabewert kann z. B. korrigiert werden oder es kann ihm eine Einheit zugewiesen werden.
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