Anschluss-System für analoge Sensoren
Ziel ist eine vereinheitlichte Kontaktierung von vorhandenen
Sensoren im Bereich Maschinenbau.
Folgende Probleme sind hierbei gängig:
- Es gibt für die verschiedenen Sensortypen kein einheitliches Anschlusskonzept,
jeder Hersteller kocht sein eigenes Süppchen
- Die einzig übliche „Schnittstelle“ ist das lose Drahtende
- Digitalisierung ist immer noch ein Fremdwort,
TEDS eher unüblich
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 |
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| 2 | +15 V Analog-Speisespannung, ca. 10 mA | DMCplus; Spider8 liefert nur + 10 V |
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| 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) |
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| 10 | +5 V Digital-Speisespannung, ca. 100 mA | DMCplus |
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| 11 | Digitalmasse (im Messverstärker mit Analogmasse und Schirm verbunden, außer bei QuantumX) | DMCplus |
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| 12 | Dritte Spannung +, Brückenspeisungsfühler +, Null + | alle HBM-Geräte | U4 | 5
|
|---|
| 13 | Dritte Spannung –, Brückenspeisungsfühler –, Null – | alle HBM-Geräte | U5 | 6
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|---|
| 14 | Vierte Spannung –, LVD–, USB–? | Spider8 | U7 | 8
|
|---|
| 15 | Erste Spannung –, Widerstand-Spannung –, Brückendiagonalspannung –, Frequenz –, Sinus – | alle HBM-Geräte | U1 | 2
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|---|
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
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
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|---|
| grün | Spannung | Sensoren mit (EDV und) Gleichspannungsausgang
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| kleine Spannung (< 0,1 V) | Thermoelemente, Shunts
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| orange | Strom | Sensoren mit 4..20-mA-Schnittstelle
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| rot | Widerstand | Heißleiter, Kaltleiter (Pt100)
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| blau | Messbrücke | Kraftsensoren, DMS, Potenziometer (Wirk- oder Blindwiderstände)
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| violett | Ladung | Piezosensoren
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| gelb | Frequenz | Drehzahl mit Lochscheibe
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| Vierquadranten-Zählimpulse (ggf. mit Reset) | Position mit Glasmaßstab
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| 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.
