Grundkonzepte der Instrumentierung und Regelungstechnik

Instrumentierung & Regelungstechnik

Grundkonzepte und Begriffsbestimmungen für die Analyse von Instrumenten und Mess- und Regelsystemen

Einführung in die Welt der Mess- und Regelungstechnik mit dem Ziel, gute Messungen durchzuführen, um eine gute Regelung zu erreichen:

1. Variable:

Alles, was Dynamik, Statik, physikalische oder chemische Eigenschaften hat und unter bestimmten Bedingungen kontinuierlich gemessen werden kann.

2. Regelgröße:

Die Variable, die direkt geregelt werden soll und den Prozess bzw. das System direkt beeinflusst. Sie wird innerhalb des Regelkreises vom Sensor erfasst und führt zu einem Feedback-Signal.

3. Stellgröße:

Das Werkzeug, um die Variable direkt im Prozess zu ändern und die Regelgröße zu beeinflussen. Sie ist der Betrag, den die Instrumente für die Änderung der Endregelung benötigen. Sie ist die Botschaft des Reglers, um die erwarteten Änderungen der Regelgröße zu erreichen.

4. Prozess:

Eine Entwicklung, die durch eine Reihe von Komponenten mit bestimmten Funktionen gekennzeichnet ist und schrittweise zu einem endgültigen Ergebnis führt.

5. System:

Eine Kombination von Komponenten, die zusammenarbeiten, um ein Ziel zu erfüllen. Beispiel: Ein System, in dem Ventile verwendet werden, um den Durchfluss zu steuern und den Füllstand in Tanks zu regeln.

6. Störung:

Ein Signal, das die tatsächliche Antwort des Systems beeinflusst und einen Messfehler erzeugt, z. B. Magnetfelder oder Induktivität. Die Auswirkung hängt von der individuellen Empfindlichkeit ab.

7. Feedback-Regelung:

Die Fähigkeit eines Systems, sich selbst zu korrigieren, um Störungen zu beseitigen und den idealen Ausgang zu erreichen. Beispiel: Eine Heizplatte, die die gewünschte Temperatur hält, indem sie den Stromkreis des Widerstands öffnet, wenn die Temperatur steigt, und ihn schließt, wenn die Temperatur sinkt. Servo-Systeme regeln die Ausgabe, z. B. die mechanischen Elemente eines Roboterarms oder Ventils.

8. Prozessregelsysteme:

Ein System der automatischen Regelung, das die Reaktion der Variablen in Bezug auf die für das System programmierten Sollwerte bestimmt.

9. Regelkreis (Closed-Loop):

Ein Regelkreis, bei dem das Signal vom Regler mit dem Sollwert verglichen wird.

10. Offener Regelkreis (Open-Loop):

Ein System, bei dem die Ausgabe keinen Einfluss auf die Regelungsaktion hat. Es gibt keinen Vergleich zwischen dem gemessenen Wert am Ausgang und dem Sollwert. Der Signalweg hat kein Feedback. Beispiel: Eine Weihnachtsbeleuchtung, bei der die Lampen zeitgesteuert ein- und ausgeschaltet werden.

Der geschlossene Regelkreis nutzt ein Feedback-Signal, um Instabilität zu vermeiden und sich an externe Störungen anzupassen. Offene Regelkreise werden empfohlen, wenn die Eingänge bekannt sind und keine Störungen auftreten.

11. Adaptives Regelsystem:

Ein System mit der Fähigkeit zur Selbstabstimmung der Parameter durch zufällige und systematische Fehler.

12. Lernendes Regelsystem:

Ein System, bei dem der Bediener als Fahrer fungiert und die Erfahrung in der Verwaltung der veränderbaren Parameter des Systems gewinnt.

13. Messgerät:

Ein Gerät, das für die Erfassung von Signalen proportional zur Größe der Variablen verantwortlich ist.

14. Blinde Instrumente:

Instrumente ohne sichtbare Anzeige, die im Allgemeinen manipulativ sind, z. B. Schalter, Thermostate, Druckschalter, Ventile und Transmitter. Sie führen ihre Arbeit aus, ohne die Notwendigkeit, die allmählichen Veränderungen des Signals anzuzeigen.

15. Anzeigeinstrumente:

Instrumente mit einer Skala, die die Messwerte anzeigt, z. B. Manometer oder Blutdruckmessgeräte. Sie können konzentrisch, exzentrisch oder digital sein.

16. Schreiber:

Instrumente, die das Signal als Punkte oder kontinuierliche Linien aufzeichnen.

17. Stellglied:

Das Instrument, das die Signale vom Regler empfängt und direkt auf die Regelgröße einwirkt.

18. Primärelement:

Das Element, das in direktem Kontakt mit der Variablen steht und für die Energieumwandlung in der gemessenen Umgebung zuständig ist. Beispiele:
Blinde Instrumente, Durchflussmesser: Ein originales Sensorelement.
Optische Sensoren, Anzeigeinstrumente, Schreiber: Ermöglichen die Überwachung.
Sender: Es gibt zwei Arten: blind und mit Anzeige.
Überwachungs- und Kontrollpanel: Die virtuelle Instrumentierung, bei der die Instrumente auf dem PC simuliert werden.
Panel, auf dem sich die virtuelle Instrumentierung und die Steuerungen befinden.

19. Bereich:

Der Messbereich für eine beliebige Anzahl von Werten, der immer zwischen der Ober- und Untergrenze des Instruments liegen sollte.

20. Spanne:

Die Differenz zwischen der oberen und unteren Grenze des Bereichs.

21. Nullpunkt:

Der Nullwert der Variablen über dem unteren Wert des Messbereichs.

22. Nullpunktunterdrückung:

Die Höhe der Verzögerung, die unterhalb des unteren Bereichs liegt.

23. Empfindlichkeit:

Der kleinste Wert, den das Instrument erfassen und anzeigen kann.

24. Totzone:

Der Bereich, in dem die Empfindlichkeit des Instruments Null ist und keine Änderung der Anzeige oder des Ausgangssignals erfolgt.

25. Fehler:

Die Differenz zwischen dem Messwert des Instruments und dem tatsächlichen Wert der Variablen.

26. Genauigkeit:

Der Grad der Reproduzierbarkeit der Messungen.

27. Richtigkeit:

Die Übereinstimmung der Messwerte mit dem tatsächlichen Wert der Variablen.

Beispiel: Der Nullwert der Variablen beträgt 3 bar und der Wert bei 100 % der Variablen beträgt 15 psi. Die Nullpunktunterdrückung liegt zwischen 0 und 3 psi und der Nullpunkt liegt zwischen 3 und 4 psi. Die Totzone entspricht 7 psi - 1 %.

28. Hysterese:

Ein Dekompensationsphänomen, das auftritt, wenn ein Vergleich zwischen der Änderung einer Messung von unten nach oben und von oben nach unten durchgeführt wird. Sie wird in Prozent ausgedrückt. Beispiel: Wenn ein Messgerät von 0-100 % den tatsächlichen Druck von 18 bar anzeigt und der Messwert bei 100 % der Variablen 18,2 psig beträgt, und wenn die Variable von 100 % auf 0 % sinkt, der angezeigte Wert 17,7 beträgt, wird die Hysterese wie folgt berechnet:
(18,2 - 17,7 / 100 - 0) * 100 = +/- 0,5 %

29. Zuverlässigkeit:

Die Wahrscheinlichkeit, dass das Instrument innerhalb bestimmter Fehlergrenzen bleibt.

30. Rückführbarkeit:

Die Eigenschaft des Messergebnisses, mit einem Standard oder einem Muster verglichen werden zu können, durch eine ununterbrochene Kette von Vergleichen.

31. Rauschen:

Unerwünschte Signale, die die Messsignale beeinflussen.

32. Auflösung:

Die Anzeigegenauigkeit des Instruments.

33. Linearität:

Die direkte Proportionalität und Fehlerfreiheit mit hoher Kalibrierungsgenauigkeit.

34. Stabilität:

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Instrument eine lange Lebensdauer hat.

35. Betriebstemperatur:

Die Temperatur, bei der das Gerät betrieben werden kann.

36. Reproduzierbarkeit:

Die Fähigkeit, eine Messung zu wiederholen, wenn die Variable konstant bleibt.

37. Wiederholbarkeit:

Die Fähigkeit des Instruments, den gleichen Messwert bei wiederholter Anwendung des gleichen Wertes der Messgröße zu liefern. Beispiel: Wenn bei einem Druck von 25 bar ein Messgerät mit einer Genauigkeit von 1 bar die Messwerte 25,5, 26, 24,3 und 24 bar liefert, ist die Bedienung wiederholbar. Ein Messwert von 27 bar weist auf ein Problem der Wiederholbarkeit hin (es sei denn, es handelt sich um ein Problem der Hysterese).

38. Sender:

Ein Gerät, das das Signal vom Primärelement empfängt und über eine Distanz überträgt, z. B. elektrisch, pneumatisch, hydraulisch, mechanisch oder per Ultraschall.

39. Wandler:

Ein Gerät, das Signale von einer oder mehreren Messgrößen empfängt und in ein anderes Signal umwandeln kann oder nicht.

40. Konverter:

Ein Gerät, das das Eingangssignal ändert und ein standardisiertes Ausgangssignal liefert.

41. Signal:

Die Information, die vom Messgerät ausgegeben wird. Ein quantifizierter Wert.

42. Analoges Signal:

Eine kontinuierliche Funktion der Messgröße.

43. Digitales Signal:

Eine Darstellung der Messgröße in Form einer Reihe von diskreten Werten, die in einem Notationssystem kodiert sind.

44. Sollwert:

Der gewünschte Wert für das Signal bzw. die Variable.

Hinweis:

Alle Signale haben bestimmte Normen für die minimalen und maximalen Werte.