Anschluss-System für analoge Sensoren

Typen analoger Sensoren⚓

Die üblichen Sensortypen sind:

Messbrücken mit Wirkwiderständen (bspw. Kraftsensor, potenziometrischer Wegsensor), Gleichspannungsmessbrücke
Messbrücken mit Blindwiderständen (bspw. induktiver Wegsensor), Trägerfrequenzmessbrücke
Widerstände (bspw. Temperaturfühler Pt100)
Spannungsquellen mit kleiner Ausgangsspannung (<< 1 V, bspw. Thermoelemente)
Spannungsquellen mit großer Ausgangsspannung (> 1 V, Sensoren mit Signalverarbeitung, anderer D/A-Wandler)
Stromquellen (i. a. Sensoren mit Signalverarbeitung)
Ladungsquellen (bspw. piezoelektrische Beschleunigungssensoren)
Zähler (bspw. Drehzahlmessung)
Zähler mit Richtungsinformation (Weg- und Winkelsensoren)
Schalter

Alle diese Sensortypen erfordern unterschiedliche Schaltungskonzepte zu ihrem Anschluss und teilweise ihrer Auswertung. Die letzten drei Sensortypen liefern zwar digitale Größen (wertdiskret), sind aber gegenüber „echten“ Digitalsignalen noch zeitkontinuierlich.

Einige Sensoren haben mehrfache Achsen. Besonders üblich sind 3D-Beschleunigungssensoren.

Leider gibt es keinen fertigen Analogschaltkreis, um alle diese Sensoren im Multiplexverfahren anzuschließen. So behelfen sich die Hersteller von Universalmessgeräten (hier: HBM) durchgehend mit modularen Vorsatzkonvertern.

In der Regel werden für die verschiedenen Sensortypen verschiedene Steckverbinder benutzt. Der große Nachteil dabei ist, dass man eine große Anzahl verschiedenartiger Verlängerungsleitungen vorhalten muss. Deshalb wurde hier im Grundkonzept von einem Steckverbinder ausgegangen. Dies wurde bereits von HBM für die ältere Messgeräteserie UGR60, UPM100 gemacht, dann aber „vergessen“.

Generelles analoges Sensor-Anschluss-System⚓

Der von HBM verwendete 15pol. SubD-Stecker wurde hier aufgegriffen und kompatibel zu UGR60, UPM100 verwendet. Es ergeben sich folgende Vorteile und Erweiterungsmöglichkeiten:

SubD-Stecker sind billig, klein, kontaktsicher, auch trittfest, verschraubbar, leicht zu löten und jedermann bekannt
Geschirmte Verlängerungsleitungen sind handelsüblich, allerdings nur mit Gesamtschirm
Herausgeführt sind 4 differenzielle Analogleitungen (für Zähler mit Richtung und Nullpunkt oder 3D-Beschleunigungssensor), die mit den National-Instruments-Akquisitionskarten auch als 8 Single-Ended-Eingänge verwendet werden können
Weiterhin Speisemöglichkeit mit + 5 V (digital, mit Digitalmasse) sowie ± 15 V (analog, mit Analogmasse)
Anschlussmöglichkeit für TEDS (1 Leitung)
Viertes Analogleitungspaar für künftige digitale LVD-Datenübertragung, bspw. USB, denkbar
Unsymmetrische Konfiguration für bis zu 8 Analogkanäle, kompatibel zu National-Instruments-Messkarten (wenn korrekt verschaltet), etwa NI USB-6259
Es gibt auch passende Selbstbau-Donglegehäuse, lieferbar durch die Fa. ??? (Österreich), für handliche Signalkonditionierer
Zweireihige (statt dreireihige) SubD-Stecker ermöglichen die Kantenbestückung an Leiterplatten in Donglegehäuse
15pol. SubD-Stecker sind heutzutage nicht mehr im Computerbereich vorhanden und damit unverwechselbar

Macht zusammen 14 notwendige Kontakte.

Pin	Bedeutung	stammt von	Unsymmetrisch
1	ehemals Schirm, vorläufig frei, künftig ggf. + 24 V / 20..1000 mA für Phantomspeisungen und stromhungrige Wandler	UGR60,UPM100
2	+15 V Analog-Speisespannung, ca. 10 mA	DMCplus; Spider8 liefert nur + 10 V
3	–15 V Analog-Speisespannung, ca. 10 mA	DMCplus; Spider8 liefert keine neg. Spannung
4	Analogmasse (im Messverstärker mit Digitalmasse und Schirm verbunden)	DMCplus, Spider8	0V (Bezug)
5	Zweite Spannung +, Widerstand-Speisung +, Strommessung +, Brückenspeisung +, Kosinus +	alle HBM-Geräte	U2	3
6	Zweite Spannung –, Widerstand-Speisung –, Strommessung –, Brückenspeisung –, Kosinus –	alle HBM-Geräte	U3	4
7	Vierte Spannung +, LVD+, USB+?	Spider8	U6	7
8	Erste Spannung +, Widerstand-Spannung +, Brückendiagonalspannung +, Frequenz +, Sinus +	alle HBM-Geräte	U0	1
9	TEDS (1-Wire-Protokoll) gegen Digitalmasse	MGCplus - allerdings gegen Analogmasse (4)
10	+5 V Digital-Speisespannung, ca. 100 mA	DMCplus
11	Digitalmasse (im Messverstärker mit Analogmasse und Schirm verbunden, außer bei Quantum^X)	DMCplus
12	Dritte Spannung +, Brückenspeisungsfühler +, Null +	alle HBM-Geräte	U4	5
13	Dritte Spannung –, Brückenspeisungsfühler –, Null –	alle HBM-Geräte	U5	6
14	Vierte Spannung –, LVD–, USB–?	Spider8	U7	8
15	Erste Spannung –, Widerstand-Spannung –, Brückendiagonalspannung –, Frequenz –, Sinus –	alle HBM-Geräte	U1	2

Alle Eingänge mit Widerständen gegen 2,5 V für Speisemöglichkeit mit unsymmetrischen-TTL-Pegeln. Die (bie zu 3) Spannungseingänge sind gleichzeitig die Frequenzzähleingänge für Frequenzgeneratoren und inkrementelle Wegmesssysteme.

Vorsatzkonverter⚓

Vorsatzkonverter für (Mehrkanal-) A/D-Wandler passen in Donglegehäuse für 15pol. SubD-Stecker. Diese beziehen ihre bis zu drei Versorgungsspannungen (+ 5 V, digital; ± 15 V, analog) bequem von der A/D-Wandlerbaugruppe und enthalten in der Regel Instrumentationsverstärker. Das TEDS des Sensors wird einfach durchgereicht.

Schaltplan für

Gleichspannungsmessbrücke (Sechsleitertechnik, feste Verstärkung)
Spannungsteiler (fest, symmetrisch, für höhere Spannungen als ± 10 V)
Widerstandsmessung (Vierleitertechnik, feste Verstärkung)
kleine Spannung (Thermoelemente mit Ausgangsspannungen im mV-Bereich)
Strommessung (4..20 mA in 0..10 V umsetzend)
Ladungsverstärker (Bereiche umschaltbar?)
Wechselspannungsmessbrücke

Deren Handhabung ist nahezu idiotensicher. Sogar das 15-pol. SubD-Verlängerungskabel kann man auf beiden Seiten des Konverters verwenden. Sinnvoll ist es jedoch, besonders bei empfindlichen Messgrößen, den Konverter in die Nähe des Sensors zu platzieren.

Gerade bei diesen Vorsatzkonvertern zeigt sich, dass zweireihige SubD-Steckverbinder bestens für das generelle Analog-Anschlusssystem geeignet sind.

Farbkodes für Sensortypen⚓

Für die bessere Erkennung von passenden Buchsen zu den Sensoren habe ich mir ein Farbsystem erdacht, welches als Hintergrund für Steckerbeschriftungen eingesetzt wird:

Farbe	Elektrische Größe	Sensor-Beispiel
grün	Spannung	Sensoren mit (EDV und) Gleichspannungsausgang
grün	kleine Spannung (< 0,1 V)	Thermoelemente, Shunts
orange	Strom	Sensoren mit 4..20-mA-Schnittstelle
rot	Widerstand	Heißleiter, Kaltleiter (Pt100)
blau	Messbrücke	Kraftsensoren, DMS, Potenziometer (Wirk- oder Blindwiderstände)
violett	Ladung	Piezosensoren
gelb	Frequenz	Drehzahl mit Lochscheibe
gelb	Vierquadranten-Zählimpulse (ggf. mit Reset)	Position mit Glasmaßstab
weiß	Digitale (zeit- und wertdiskrete) Messdaten	RS485, RS422, CAN, USB usw.

Schalter können je nach Situation als Widerstand, Frequenzmesser oder Digitalsignal verwendet werden. Hier habe ich noch keine Festlegung getroffen.

Wie man im Foto oben sieht, geht bei diesem Konverter Blau (= Messbrücke, unten) in Grün (= Spannung, oben) über.