Lernfeld 12 · Prüfung Teil 2

Sensorik und Signalaufbereitung

Sensorik und Signalaufbereitung: Pt100, Thermoelement, Dehnungsmessstreifen, Hallsensor und Operationsverstärker mit Formeln erklärt.

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Darum geht es

Sensoren wandeln physikalische Größen in elektrische Signale. Ein Pt100 ist ein Platinwiderstand mit $100 Ω$ bei $0^{\circ} C$ , dessen Widerstand fast linear mit der Temperatur steigt. Bei langen Leitungen verfälscht der Leitungswiderstand das Ergebnis; die Vierleiterschaltung beseitigt das, weil die Spannung über eigene, stromlose Leitungen direkt am Sensor gemessen wird.

Ein Thermoelement erzeugt eine kleine Spannung aus dem Temperaturunterschied zwischen Messstelle und Vergleichsstelle. Typ K eignet sich für hohe Temperaturen. Die Temperatur der Vergleichsstelle muss erfasst und ausgeglichen werden, und die Verbindung braucht Ausgleichsleitung aus passendem Material. Dehnungsmessstreifen ändern ihren Widerstand bei Dehnung nur sehr wenig; in einer Brückenschaltung wird daraus eine messbare Spannung. Gleichströme misst du berührungslos und galvanisch getrennt mit einem Hallsensor.

Sensorsignale sind oft klein oder hochohmig. Ein Operationsverstärker verstärkt sie oder entkoppelt sie. Der nichtinvertierende Verstärker hat einen hohen Eingangswiderstand und eine Verstärkung von mindestens eins. Als Spannungsfolger mit Verstärkung eins wirkt er als Impedanzwandler: hoher Eingangswiderstand, kleiner Ausgangswiderstand. Der invertierende Verstärker dreht das Vorzeichen um. Für die Rechnung nimmst du den idealen OPV an: unendliche Leerlaufverstärkung, unendlicher Eingangswiderstand, kein Eingangsstrom.

Das solltest du dir merken

Vierleiterschaltung beseitigt den Einfluss des Leitungswiderstands.
Thermoelemente messen eine Temperaturdifferenz und brauchen Vergleichsstellenkompensation.
Gleichstrom galvanisch getrennt messen heißt Hallsensor.
Der Spannungsfolger verstärkt nicht, er entkoppelt.

Formeln

Pt100-Kennlinie (linear genähert): $R_{ϑ} = R_{0} \cdot (1 + α \cdot ϑ)$; $R_{0} = 100 Ω$ bei 0 °C, $α = 0, 00385 K^{- 1}$ , $ϑ$ Temperatur in °C
Nichtinvertierender Verstärker: $V = 1 + \frac{R _{2}}{R _{1}}$; $V$ Spannungsverstärkung, $R_{2}$ Widerstand im Gegenkopplungszweig, $R_{1}$ Widerstand gegen Masse
Invertierender Verstärker: $V = - \frac{R _{2}}{R _{1}}$; $R_{2}$ Gegenkopplungswiderstand, $R_{1}$ Eingangswiderstand; das Minus zeigt die Phasendrehung um 180°
Viertelbrücke mit DMS: $U_{d} \approx \frac{U _{B}}{4} \cdot \frac{Δ R}{R}$; $U_{d}$ Brückenspannung, $U_{B}$ Brückenspeisung, $Δ R / R$ relative Widerstandsänderung des DMS

Typische Fehler in der Prüfung

Beim nichtinvertierenden Verstärker die 1 in der Formel vergessen.
Pt100 mit Temperatur in Kelvin statt in °C gerechnet.
Thermoelement mit normaler Kupferleitung verlängert.
Bei der Viertelbrücke durch 2 statt durch 4 geteilt.

Tipps aus der Werkstatt

Pt100: etwa 0,385 Ohm pro Kelvin, also R = 100 Ohm mal (1 + 0,00385 mal Temperatur in °C). Bei langen Leitungen verfälscht der Leitungswiderstand die Messung, deshalb Vierleiterschaltung: zwei Adern für den Strom, zwei für die Spannung.
Bei 4 bis 20 mA gilt der Dreisatz über 16 mA Spanne: Messwert = (I − 4 mA) / 16 mA mal Messbereich. Spannungsteiler mit NTC: Spannung am NTC = U mal R_NTC / (R1 + R_NTC). Abtastrate mindestens doppelte höchste Signalfrequenz (Shannon).

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

17 Aufgaben zu „Sensorik und Signalaufbereitung“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Geräte und Systeme 18.12.2020, Lernfeld 12; DIN EN 60751 (Platin-Widerstandsthermometer), DIN EN 60584-1 (Thermoelemente). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.