Dezentrale Messdaten-Erfassung an Dehnungs-Messstreifen

Intelligente Messbrücken

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Messapplikationen mit Dehnungs-Messstreifen (DMS) stellen den Anwender vor einige Herausforderungen: Problematisch dabei sind unter anderem das Eigenrauschen der Verstärker und die Einkopplungen von elektromagnetischen Störungen in die Messleitungen bei weit auseinander liegenden Messstellen. Eine Lösung ist, die von den DMS gewonnenen Daten dezentral zu erfassen, zu verrechnen und innerhalb eines Messnetzwerks über CAN-Bus zu einem zentralen Erfassungsgerät zu übertragen.

Dipl.-Ing. Peter Scholz ist Geschäftsführender Gesellschafter der Additive GmbH in Friedrichsdorf

Dehnungs-Messstreifen werden zur Messung von Kraft und davon abgeleiteter Größen eingesetzt. Das Messen mit DMS ist eine messtechnisch anspruchsvolle Anwendung: Üblicherweise sind diese Messungen vielkanalig und die Messstellen liegen räumlich verteilt vor. Da sehr kleine Spannungsänderungen verarbeitet werden müssen, ist die Verlegung von geeigneten Messleitungen aufwendig und teuer. Ideal ist es daher, DMS dezentral zu erfassen, die Signalkonditionierung und Digitalisierung sensornah vorzunehmen und die Daten über einen robusten Feldbus störungsfrei zu einem zentralen Messdaten-Erfassungssystem zu übertragen.
Die Messungen sind statisch oder dynamisch und reichen bis in den Frequenzbereich natürlich auftretender Schwingungen. Üblicherweise werden mit Linearstreifen Materialdehnungen in einer Richtung gemessen. Sind die Hauptrichtungen des Materialspannungs-Zustandes jedoch unbekannt, kommen Mehrfach-Messgitter und Rosetten zum Einsatz.
Bei den DMS, die nach dem Messbrücken-Prinzip arbeiten, ruft eine mechanische Beanspruchung eine Widerstandsänderung hervor. Diese Widerstandsänderung ist weitgehend proportional zur Dehnung und diese wiederum zur anliegenden Kraft. Aus der gemessenen Kraft lassen sich dann wiederum die unterschiedlichsten Parameter wie z.B. Zug, Druck, Beschleunigung, Masse etc. berechnen. Bei dieser Art Messung werden entweder fertige Sensoren oder einzelne Dehnungs-Messstreifen benutzt. Fertige Sensoren (z.B. Kraftmessdosen) beinhalten die gesamte Messbrücke (Vollbrücken) und liefern ein Ausgangssignal, das proportional zur gemessenen Größe ist. Aus preislichen Gründen wird einer großen Anzahl an Messstellen üblicherweise auf den reinen Dehnungs-Messstreifen zurückgegriffen (überwiegend Viertelbrücken), der vom DMS-Verstärker des Messgerätes zur Vollbrücke ergänzt wird. Das Messgerät muss dann über Eigenschaften zur Spannungsanalyse verfügen, um die gesuchte Messgröße ermitteln zu können. Das sind beispielsweise Brückentyp, Ergänzungswiderstände, Brücken-Spannungsversorgung, Kalibrier- und Linearisierungsfunktionen und Offset-Korrekturmöglichkeiten.
Probleme ergeben sich meist durch das Eigenrauschen der Verstärker (kleine anliegende Spannungssignale), durch eingeschränkte Einstellmöglichkeiten des Verstärkers oder des Messgerätes (fehlende Brückentypen, K-Faktor etc.), lange Versorgungsleitungen zwischen Messgerät und Sensor (EMV Einstreuungen auf den Messleitungen) sowie räumlich weit auseinander liegende Messstellen.
Dezentralisierung
Eine kostengünstige Lösung für eine Vielzahl von Problemen, wie beispielsweise der Verlegung langer Messleitungen und die damit verbundenen elektrischen Störeinflüsse hat IMC-Messsysteme (Vertrieb über Additive) mit dem CAN-Messmodul Cansas-Bridge vorgestellt (Bild 1). Das Modul unterstützt alle üblichen DMS-Messbetriebs- und Anschlussarten bis hin zur Auswertung von DMS-Rosetten. Die analogen Messsignale werden erfasst, konditioniert und intern mit 24 bit digital umgesetzt. Ein interner Signalprozessor kann beliebige anwendungsspezifische Echtzeit-Verrechnungen vornehmen und so den CAN-Bus entlasten, über den die Messdaten zu einem zentralen Messdaten-Sammler geschickt werden.
So verhält sich Cansas-Bridge prinzi-piell wie ein intelligenter Sensor. Das Modul wird einmalig konfiguriert (DMS spezifische Parameter wie Brü-ckentyp, Versorgungsspannung, Skalierung, CAN-Identifier, etc.) und gibt dann die Daten kontinuierlich aus. Nach Anlegen der Versorgungsspannung erkennt das Modul seine Betriebsparameter und beginnt selbstständig mit der Umsetzung (Bild 2). Dies gilt auch für den Fall einer Versorgungsspannungs-Unterbrechung.
Das Modul hat ein kompaktes, lüfterloses Gehäuse. Es lässt sich auch in sehr rauen Umgebungen und bei hohen Umgebungstemperaturen nah am Sensor installieren. Mehrere Module können ohne Werkzeug mechanisch miteinander verbunden werden, wenn höhere Kanalzahlen benötigt werden.
Messdaten-Übertragung über CAN-Bus
Das Besondere an Cansas-Bridge ist die Umsetzung des analogen DMS-Signals auf CAN-Bus. Die Digitalisierung erlaubt die dezentrale Erfassung der Signale und deren störungsfreie Übertragung über weite Strecken, ohne dass spezielle Messleitungen verwendet werden müssen. Eine Signalvorverarbeitung ist in jedem der Module über einen digitalen Signalprozessor möglich. Es lassen sich zum Beispiel für jeden DMS-Kanal einzeln, verschiedene Filterar-ten, Messwert-Glättungen, Effektivwert-Ermittlung etc. online berechnen. Die sonst üblichen Probleme, wie das Verlegen teurer Messleitungen und die damit verbundenen elektrischen Störeinflüsse, wie sie mit analogen DMS-Vorverstärkern auftreten, sind so eliminiert.
Das Modul unterstützt analogseitig Viertel-, Halb-, und Vollbrücken. Damit wird der Einsatz für die komplette Spannungsanalyse erfüllt. Die notwendigen Ergänzungswiderstände werden für 120 bzw. 350 Ohm DMS von der Software automatisch angesprochen. Der Brückenabgleich ist sowohl manuell als auch über einen CAN-Befehl möglich. Für die gewählte Brückenschaltung steht dem Anwender im Konfigurierungsprogramm das richtige Anschlussschema sofort zur Verfügung. Lästiges Suchen nach der richtigen Steckerbelegung in Handbüchern entfällt somit. Für die Spannungs- und Dehnungsanalyse notwendige Konstanten, wie K- Wert des DMS, Poisson’sche Konstante und Elastizitätsmodul E werden von der Software abgefragt bzw. stehen in einer Datenbank für verschiedene Materialien zur Auswahl (Bild 3). Der Anwender kann alle DMS-Anschlussarten in der Software auswählen. Damit sind die entsprechenden Brückengleichungen für ein physikalisch richtiges Messen der Dehnung aktiviert.
Das Messmodul vervollständigt die Cansas-Familie, die nun aus acht unterschiedlichen CAN-Bus-Modulen für den analogen Anschluss für Spannung, Strom, Thermoelemente, Pt100, inkrementale Geber, DIO, DAC usw. besteht.
Aufbau eines dezentralen Messnetzwerks
Bild 4 zeigt einen dezentralen Aufbau eines Messnetzwerks für die Aufnahme unterschiedlichster Messgrößen wie Strom, Spannung, Temperatur, DMS, Inkrementalgeber sowie für analoge und digitale Ein- und Ausgänge. Die Messgrößen können dabei in beliebiger Anzahl und Art an unterschiedlichen Orten aufgenommen werden. Die Sensorausgänge werden an diesen Stellen dezentral, analog konditioniert und digitalisiert.
Die Verbindungen zwischen den einzelnen Cansas-Modulen und zum PC erfolgt über den CAN-Bus. Da die übertragbare Datenrate begrenzt ist, lassen sich die Messdaten innerhalb der Messmodule in Echtzeit verrechnen und gegebenenfalls über mehrere CAN-Knoten übertragen. Beliebige mathematische Funktionen und häufig benutzte Verfahren wie z.B. Mittelungen lassen sich über die Betriebssoftware einstellen und auf das Modul laden.
Um die Messdaten in der gewohnten Form z.B. als y/t-Plots darstellen zu können, wird an den PC ein Datenerfassungs-Gerät z.B. ein Busdaq (reiner CAN-Datensammler) über Ethernet angeschlossen. Liegen neben den CAN-Daten auch noch andere rein analoge Daten vor, so kommt z.B. ein Messsystem zum Einsatz das parallel und zeitsynchron analoge und CAN-Messdaten empfangen kann (z.B. µ-Musycs oder Spartan). Es wäre so auch möglich, das Messnetzwerk um andere analoge oder digitale Geräte oder Sensoren mit direktem Feldbus- oder Analogausgang zu erweitern.
Die erwähnten Messdaten-Erfassungssysteme erlauben es, die Daten in unterschiedlichen Darstellungsarten anzuzeigen und zu speichern. Komplexe Trigger, Echtzeit-Funktionen zum freien Ver-rechnen von Messdaten (mathematische Grundfunktionen, Filter, Glättungen, FFT, usw.) lassen sich formelorientiert und klarschriftlich definieren. Für die unterschiedlichen Messarten können verschiedene Speicherarten für Kurz- und Langzeit-Messungen aktiviert werden. Dazu gehören z.B. Ringspeicher und Multischuss, redundantes Speichern auf interner und PC-Festplatte. Last but not least kann sogar die komplette Messdokumentation über die Betriebssoftware erstellt werden.
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