Praktikum Mess- und Regelungstechnik

1. Regelungstechnische Grundlagen (Elementare Übertragungsfunktionen, Systemanalyse)
2. Temperatursensor (Funktionsweise eines Thermoelements, Sensorkalibrierung, Einführung in das Prinzip von Messkarten)
3. Temperaturregelung (Systemidentifikation und Reglerauslegung zur Leistungssteuerung eines Heizelementes)
4. Füllstandssensor (Funktionsweise und digitale Auswertung eines Resonators, Aufnahme der Sensorkennlinie)

In der Regelungstechnik werden Systeme nach ihrem Übertragungsverhalten, d.h. nach dem Verhalten des Ausgangssignals bezogen auf das Eingangssignal eingeteilt. Dabei ist es unabhängig um welches physikalische System es sich handelt, dementsprechend werden elektrische Systeme, thermodynamische Systeme oder mechanische Systeme usw. alle gleich behandelt. Im Folgenden sind einige Begriffe zur Charakterisierung regelungstechnischer Systeme aufgeführt. Zum weiteren Verständnis der linearen Übertragungsglieder und zur Erarbeitung der Hausaufgaben kann das Skript zur Vorlesung Regelungstechnik I verwendet werden.

• Teil 1: Aufbau einer Messkette zur Temperaturmessung
• Teil 2: Unterdrückung von Störgrößen

Die Temperatur stellt einen der wichtigsten Prozessparameter der Messtechnik dar. Es existieren zahlreiche Methoden diese thermodynamische Zustandsgröße zu erfassen. Im Bereich der elektronischen Messtechnik werden oft Widerstandsthermometer (basierend auf einer temperaturabhängigen Widerstandsänderung) und Thermopaare (basierend auf dem Seebeck-Effekt) eingesetzt. Letzteres soll in diesem Praktikumsversuch genauer betrachtet und als Sensorprinzip genutzt werden.  Dafür soll ein signalaufbereitender Mikrochip AD595 (Vorverstärkung und Vergleichsstellentemperaturkompensation) und ein Verstärker verwendet werden, um die aus einem Thermoelement resultierende Thermospannung für einen Analog-Digital-Wandler anzupassen und an einen Rechner weiterzuleiten (siehe Abbildung 1). Mit Hilfe eines Temperaturreferenzmesssystems lassen sich anhand der beschriebenen Messstrecke die Kennlinienparameter eines solchen Thermoelementes erfassen. Im abschließenden Schritt können diese Parameter als Kalibrierdaten verwendet werden, um die vom Thermopaar ausgegebene Spannung einem Temperaturwert zuzuordnen und diesen in Echtzeit anzeigen zu lassen.

Das zu untersuchende System ist eine Temperaturregelstrecke. Die Temperaturregelstrecke besteht im Wesentlichen aus einem Metallrohr in dessen Inneren drei Glühkerzen als Heizelemente angebracht sind. Die Temperatur an den Heizelementen wird über ein PWM Signal reguliert und ist über eine Spannungsvorgabe einzustellen. Mit den beiden Ventilatoren am Ein- und Ausgang des Metallrohrs kann ein Luftmassenstrom, ebenfalls durch Vorgabe einer Spannung, eingestellt werden. Der sich einstellende Luftmassenstrom kann mit einem entsprechenden Messgerät am Ausgang der Messstrecke kontrolliert werden. Zusätzlich werden an drei Stellen im Rohr die Temperaturen erfasst, T1 am Eingang der Messstrecke, T2 direkt neben den Heizelementen und T3 am Ausgang der Messstrecke.

In der Regel existieren verschiedene Möglichkeiten zur Aufnahme einer Messgröße. Für die Bestimmung einer Füllstandshöhe sind zum Beispiel Methoden mit einem Schwimmer, einem Ultraschallecholot, einer Wasserdruckmessung oder die kapazitive Füllstandsmessung weit verbreitet. Letztere soll im Rahmen dieses Praktikums eingesetzt werden.

Bei der kapazitiven Füllstandsmessung wird der Effekt ausgenutzt, dass die Kapazität eines Kondensators vom dielektrischen Medium zwischen den Kondensatorflächen abhängt. Wird zum Beispiel ein Luftkondensator in Wasser getaucht, so verändert sich seine Kapazität in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe. Bei einem feststehenden Kondensator lässt sich mit Hilfe einer Kapazitätsmessung ein Rückschluss auf die Wasserhöhe ziehen.

Für die Kapazitätsmessung wird ein Oszillator mit einem LC-Schwingkreis als Taktgeber genutzt. Somit lässt sich aus der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (bzw. aus dem Oszillatortakt) bei bekannter Induktivität auf die Kapazität des Messkondensators schließen. Der Oszillatorausgang wird dazu mit Hilfe einer Messkarte digitalisiert, damit der Oszillatortakt mit einer digitalen Zählschaltung im Rechner bestimmt werden kann.