Industrielle Messwertgeber für Geschwindigkeit, Temperatur und Druck

Geschwindigkeitsgeber

Die Messung der Winkelgeschwindigkeit erfolgt in der Industrie durch Tachometer, die entweder mechanisch oder elektrisch betrieben werden können. Das Messergebnis drückt die Winkelgeschwindigkeit direkt in Umdrehungen pro Minute aus. Mit einem Tachometer lässt sich sowohl die durchschnittliche Geschwindigkeit in einem Zeitintervall als auch die Momentangeschwindigkeit bestimmen.

Mechanische Tachometer

Ein Drehzahlmesser ist ein Gerät, bei dem eine Schraubenwelle mit der zu messenden Drehzahl gekoppelt ist. Diese Schraube wird durch ein Getriebe gedreht, das mit zwei konzentrischen Zifferblättern kalibriert ist. Letztlich wird die Winkelgeschwindigkeit über die verstrichene Zeit ermittelt. Bei Kreiselpumpen-Drehzahlmessern werden zwei Gewichte durch die Zentrifugalkraft umso weiter von der Achse wegbewegt, je höher die Winkelgeschwindigkeit ist. Dies verursacht die Kompression einer Feder. Es handelt sich um eine Vorrichtung mit einem Zeiger, der an bestimmten Punkten befestigt ist und die momentane Winkelgeschwindigkeit auf einer Skala anzeigt.

Elektrische Tachometer

Diese Messumformer wandeln die Drehzahl in ein elektrisches Signal um (e = k · ω). Zu den Typen gehören:

• Induktionstachometer
• AC-Tachometer
• DC-Tachometer
• Frequenztachometer

Wandlertemperatur

Thermorestistoren (RTD)

Diese bestehen aus einem Draht, dessen Widerstand mit der Temperatur variiert, entsprechend dem Ausdruck: Rt = R₀ [1 + α (T - T₀)]. Die verwendete Messschaltung ist normalerweise die Wheatstone-Brücke. Dies ist eine Baugruppe, die aus vier Widerständen besteht, die in einem Gehäuse angeordnet sind. Zwei nicht aufeinanderfolgende Ecken (A und D) sind an die Klemmen eines Generators angeschlossen, während die beiden anderen (B und C) miteinander verbunden sind, kombiniert mit einem sehr empfindlichen Galvanometer (G). Durch Ändern des Widerstandswertes am Potentiometer wird erreicht, dass kein Strom durch das Galvanometer fließt (abgeglichene Wheatstone-Brücke). In einer ausgewogenen Wheatstone-Brücke ist das Produkt zweier gegenüberliegender Widerstände gleich dem Produkt der beiden anderen: R1 · R2 = Rx · Rpt, wodurch der Wert unter Kenntnis des Widerstands bei 0 Grad bestimmt werden kann.

Thermistoren

Sie sind temperaturabhängige Widerstände, bestehen jedoch nicht aus metallischen Leitern wie RTDs, sondern aus Halbleitern. Es gibt NTC- und PTC-Thermistoren. Die Messschaltung wird im Allgemeinen als Spannungsteiler verwendet, der eine Festspannung V hält. Über die erhaltene Spannung am Ausgang kann die Temperatur ermittelt werden.

Thermoelemente

Diese basieren auf dem sogenannten Seebeck-Effekt. Dieser besagt, dass beim Schließen eines Stromkreises mit zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, bei dem eine Lötstelle warm und die andere kalt gehalten wird, ein elektrischer Strom durch die elektromotorische Kraft entsteht, die durch die Temperaturdifferenz erzeugt wird. Wenn der Stromkreis unterbrochen und ein Millivoltmeter eingefügt wird, zeigt dieses eine Potenzialdifferenz an, die von der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Lötstelle abhängt.

Strahlungspyrometer

Die Funktion basiert auf dem Stefan-Boltzmann-Gesetz, welches besagt: Die Intensität der von der Oberfläche eines Körpers emittierten Strahlungsenergie ist direkt proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur. W = ε · σ · T⁴.

Druckaufnehmer (Transducers)

Mechanische Druckaufnehmer

• U-Rohr-Manometer: Dient zur Messung des atmosphärischen Drucks und besteht aus einem U-förmigen Rohr, das meist Quecksilber enthält. Ein Schenkel ist zur Atmosphäre offen, während der andere mit dem zu messenden Druck verbunden ist. Da der Druck in den beiden Teilen unterschiedlich ist, entsteht ein Quecksilberabfall. Der Druck ergibt sich aus: p = p_atm ± ρgh. Ein positives Zeichen gilt, wenn der Quecksilberspiegel im offenen Schenkel höher ist, ein negatives im umgekehrten Fall.
• Rohrfeder (Bourdon-Rohr): Ein Rohr mit elliptischem Querschnitt, das an einem Ende geschlossen und so gebogen ist, dass es fast einen perfekten Ring bildet. Durch den Druck der Flüssigkeit im Rohr tendiert es dazu, sich geradezubiegen. Diese Bewegung wird auf einen Zeiger übertragen, der sich über eine Skala bewegt.
• Diaphragma: Besteht aus einer oder mehreren Kapseln oder kreisförmigen Membranen, die an ihren Rändern verschweißt sind. Durch Anwendung von Druck wird jede Kapsel deformiert. Die Summe dieser kleinen Verformungen wird verstärkt und auf einen Zeiger übertragen.
• Faltenbalg: Er ist dem Diaphragma sehr ähnlich, besteht jedoch aus einem in axialer Richtung flexiblen Stück, das sich durch Druck erheblich komprimieren oder ausdehnen kann.

Elektromechanische Druckaufnehmer

Diese verwenden ein elastisches mechanisches Element, das kombiniert mit einem elektrischen Wandler für die Erzeugung des entsprechenden elektrischen Signals verantwortlich ist. Dazu gehören resistive und kapazitive Wandler, Dehnungsmessstreifen sowie piezoelektrische Wandler.