Jemand fragte einmal einen Kollegen, was sein Beruf sei. Ohne zu zögern antwortete er: „Ich bin Ingenieur für Mess- und Regeltechnik.“

„Und was ist das?“, fragte sein Gesprächspartner.

„...Oh. Ähm ...“ „Nun bin ich in Schwierigkeiten“, dachte der Ingenieur.

 

Was ist Mess- und Regeltechnik?

Es ist relativ einfach zu erklären, was ein Maschinenbau-, Elektro-, Chemie- oder Elektrotechnikingenieur macht, aber es ist eine andere Geschichte, die Arbeit eines Ingenieurs, der auf Mess- und Regeltechnik spezialisiert ist, kurz und präzise zu beschreiben.

Mess- und Regeltechnik sind interdisziplinäre Fachgebiete. Sie erfordern Kenntnisse in Chemie, Mechanik, Elektrizität und Magnetismus, Elektronik, Mikrocontrollern und Mikroprozessoren, Programmiersprachen, Prozessregelung und vielem mehr, etwa in den Grundlagen der Pneumatik und Hydraulik sowie der Kommunikationstechnik.

Das macht die Mess- und Regeltechnik so interessant und lehrreich.

In diesem Artikel gebe ich einen vollständigen Überblick über die Grundlagen der Mess- und Regeltechnik (I & C), die für das Funktionieren und den Betrieb von Industrieanlagen eingesetzt werden, etwa in der Öl- und Gasindustrie, der Zellstoff- und Papierindustrie, der Zuckerindustrie sowie in der pharmazeutischen, Lebensmittel- und Chemieindustrie.

Zunächst müssen wir erklären, wie man misst. Dazu benötigen wir ein Messinstrument.

 

Was ist ein Messinstrument?

Ein Messinstrument ist ein Gerät, das in der Lage ist, physikalische oder andere Veränderungen in einem bestimmten Prozess zu erkennen. Anschließend wandelt es diese physikalischen Veränderungen in eine für den Benutzer verständliche Form von Informationen um.

Betrachten Sie das Beispiel in Abbildung 1.

 

Abbildung 1. Ein Beispiel für ein Messinstrument.

 

Wenn der Schalter geschlossen ist, erzeugt der Widerstand Wärme und erhöht dadurch die Temperatur der Flüssigkeit im Tank. Dieser Anstieg wird vom Messinstrument erkannt und auf der Skala dieses Instruments angezeigt.

Wir können Informationen über die physikalischen Veränderungen in einem Prozess durch eine direkte Anzeige oder einen Schreiber erhalten.

 

Anzeige

Dies ist die einfachste Form der Messung; sie ermöglicht es uns, den aktuellen Zustand der Variablen zu erkennen.

 

Abbildung 2. Überwachung einer Variablen mithilfe einer einfachen visuellen Anzeige.

 

Schreiber

Ein Gerät, das Daten speichern kann, ermöglicht es uns, den aktuellen Zustand der Variablen und ihr vergangenes Verhalten zu beobachten. Ein Schreiber liefert uns die Historie der Variablen.

 

Abbildung 3. Eine Anzeige, die zeigt, wie sich Messwerte im Laufe der Zeit verändert haben.

 

Komponenten eines Messinstruments

Messinstrumente bestehen hauptsächlich aus den folgenden Teilen:

• Sensor: Dieses Element ist ein Gerät, dessen physikalische Eigenschaften sich infolge von Änderungen im von ihm gemessenen Prozess verändern.
• Verstärker/Konditionierer: Die vom Sensor erfassten Änderungen können sehr klein sein. Daher müssen sie verstärkt und anschließend so aufbereitet werden, dass sie ordnungsgemäß angezeigt werden können.
• Anzeige: Die Messdaten sollten verständlich dargestellt werden. Dies kann mithilfe eines skalierten Messgeräts oder einer elektronischen Anzeige erfolgen. Manchmal dient die Anzeige zusätzlich als Aufzeichnungsgerät, um den Verlauf oder die Trends der Messung zu vermitteln.

 

Abbildung 4. Elemente eines Messgeräts.

 

Normalerweise müssen die von einem Messgerät erzeugten Messinformationen an eine Steuerzentrale (oder einen Leitstand) gesendet werden, die sich räumlich vom Messgerät entfernt befindet. Im Allgemeinen müssen diese Informationen festgelegten Spezifikationen entsprechen.

 

Abbildung 5. Messinformationen werden vom Messgerät an den Leitstand gesendet.

 

Wenn ein Messgerät Informationen senden kann, bezeichnen wir es als Messumformer (häufig als XMTR abgekürzt).

 

Klassifizierung von Messgeräten

Für Messgeräte gibt es verschiedene Einteilungen. Wir können sie beispielsweise in Feldgeräte oder Tafelmessgeräte einteilen. Das Feldgerät wird in der Nähe des Prozesses oder Messpunkts installiert. Es muss physisch robust sein, wenn es rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird. Tafelmessgeräte befinden sich in einem Raum mit kontrollierter Umgebung (häufig einem sauberen, klimatisierten Raum mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit).

Eine weitere Einteilung unterscheidet zwischen pneumatischen und elektrischen/elektronischen Messgeräten.

 

Pneumatische Messgeräte

Wie der Name schon sagt, werden diese Geräte mit Luft betrieben.

Einer der Vorteile dieser Messgeräte besteht darin, dass sie keinen Strom verbrauchen. Daher können sie in Bereichen eingesetzt werden, in denen die Nutzung elektrischer Energie gefährlich oder unpraktisch wäre. Sie arbeiten mit einer einzigen Variable, sind ungenau, werden durch Vibrationen und Temperaturänderungen beeinflusst und erfordern einen hohen Wartungsaufwand. Das Ausgangssignal der Messumformer liegt zwischen 3 und 15 psi, und die maximale Übertragungsentfernung beträgt ungefähr 200 Meter.

 

Abbildung 6. Grundlegendes Diagramm eines pneumatischen Messgeräts.

 

Elektrische/elektronische Messgeräte

Elektronische Messgeräte können in drei allgemeine Kategorien eingeteilt werden: analog, intelligent-analog und digital.

 

Analoge Geräte:

• Ausgangssignal: 4–20 mA
• Übertragungsentfernung: 1200 m (typisch)
• Daten für eine Variable werden übertragen
• Gute Genauigkeit
• Einfache Wartung

 

Abbildung 7. Grundschema eines elektronischen Instruments (XMTR).

 

"Intelligente" analoge Geräte:

• Charakterisierung des Sensors zur Messung von Temperatur, statischem Druck usw.
• Hervorragende Genauigkeit
• Selbstdiagnose (d. h., der Sensor kann Probleme in seiner eigenen Funktionsweise analysieren)
• Eine Variable

 

Digitale Geräte:

• Mehrere Instrumente können ein einziges Kabel verwenden
• Übertragung mehrerer Werte für jedes Instrument (Prozessvariablen, Kalibrierung, Diagnose, Messbereich)
• Entfernung: ungefähr 1900 m ohne Repeater
• Die Datenkapazität wird durch die Übertragungsart beeinflusst (Kabel, Glasfaser, drahtlos)

 

Abbildung 8. Digitale Messumformer.

 

Allgemeine Sensorspezifikationen

Messbereich: Der Bereich zwischen den Grenzen, innerhalb dessen eine Variable gemessen wird. Er gibt die Minimal- und Maximalwerte an, die den Bereich begrenzen. Der Messbereich wird mit zwei Zahlen angegeben, z. B. 10 bis 20 °C, 10 bis 150 V, 0 bis 100 %

Spanne: Wird als Maximalwert des Messbereichs minus Minimalwert des Messbereichs berechnet. Die Spanne wird als einzelne Zahl in Prozesseinheiten angegeben, z. B. 120 °C, 30 V, 150 Liter pro Sekunde.

Anhebung: Wenn die Untergrenze des Messbereichs ein positiver Wert ist, entspricht diese Untergrenze der Anhebung. Beispiel: Wenn der Messbereich 50 °C bis 200 °C beträgt, können wir sagen, dass die Anhebung 50 °C oder 33,3 % der Spanne beträgt.

Absenkung (auch als Unterdrückung bezeichnet): Wenn die Untergrenze des Messbereichs negativ ist, entspricht der Absolutwert dieser Untergrenze der Absenkung. Beispiel: Wenn der Messbereich -10 °C bis 80 °C beträgt, können wir sagen, dass die Absenkung 10 °C oder 11,1 % der Spanne beträgt.

Überbereich: Wenn ein Gerät für den Betrieb innerhalb eines bestimmten Bereichs kalibriert ist, aber Werten oberhalb oder unterhalb dieses Bereichs ausgesetzt sein kann, benötigt es einen Schutzmechanismus, um Schäden am Instrument zu verhindern oder zu verhindern, dass die Anzeige ihren oberen oder unteren Grenzwert überschreitet. Wenn die Messwerte über dem Maximalwert liegen, liegt ein positiver Überbereich vor. Wenn die Messwerte unter dem Minimalwert liegen, liegt ein negativer Überbereich vor.

 

Abbildung 9. Beispiele für Messbereich, Spanne, Anhebung und Absenkung.

 

Fehler: Die Differenz zwischen dem Messwert und dem tatsächlichen (oder erwarteten bzw. gewünschten) Wert einer physikalischen Größe. Der Fehler kann positiv oder negativ sein. Wenn der Messwert größer als der tatsächliche Wert ist, ist der Fehler positiv. Wenn der Messwert kleiner als der tatsächliche Wert ist, ist der Fehler negativ.

                        Wenn der Messwert > dem tatsächlichen Wert ist, ist der Fehler > 0

                        Wenn der Messwert < dem tatsächlichen Wert ist, ist der Fehler < 0

Der Fehler kann ausgedrückt werden

• in technischen Einheiten (z. B. °C, psi)
• als Prozentsatz der Messspanne (z. B. ± 3 % der Messspanne)
• als Prozentsatz des Messwerts (z. B. ± 5 % des Messwerts)

Referenzwert: Im Allgemeinen bezeichnet dies den tatsächlichen, erwarteten oder gewünschten Wert einer Variablen. Im Kontext eines Regelkreises wird der Messwert zurückgeführt und vom Referenzwert subtrahiert, um das Fehlersignal zu erzeugen.

Genauigkeit: Eine Zahl, die die Grenzen des Fehlers definiert. Wenn wir sagen, dass ein Messgerät eine Genauigkeit von 0,1 % der Messspanne hat, bedeutet dies, dass die Messwerte an jeder Stelle innerhalb des Messbereichs höchstens um 0,1 % der Messspanne vom tatsächlichen Wert abweichen.

 

Ein Beispiel für eine Prozessmessung

Zum besseren Verständnis der oben erläuterten Konzepte betrachten wir das folgende Beispiel.

Wir haben einen Öltank, in dem wir die Temperatur kontinuierlich messen müssen. Die Betriebsbedingungen für diesen Prozess sind wie folgt:

• Minimale Temperatur: -10 °C
• Maximale Temperatur: 90 °C
• Die Messgenauigkeit muss 1 % der Messspanne oder besser betragen.
• Die Temperaturmessung muss lokal und aus der Ferne angezeigt werden.

 

Abbildung 10. Unser Beispielsystem.

 

Zunächst müssen wir ein Messgerät auswählen, mit dem wir die Temperatur der Flüssigkeit im Tank messen können. Da die Informationen lokal und aus der Ferne verfügbar sein sollen, wählen wir einen Temperaturmessumformer.

Dieser Messumformer muss die folgenden Eigenschaften aufweisen:

• Messbereich: -10 °C bis 90 °C
• Messspanne: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Unterdrückung: 10 °C oder 10 % der Messspanne
• Genauigkeit: 1 % der Messspanne = 1 % × 100 °C = 1 °C
  • Diese Genauigkeit von 1 % stellt sicher, dass die Abweichungen oder Fehler bei jeder Messung bzw. Temperaturmessung ± 1 °C nicht überschreiten.

Zusätzlich müssen wir sicherstellen, dass ein korrektes Verhältnis zwischen dem Messbereich und dem standardisierten Ausgangssignal des Messumformers besteht. Zur Kalibrierung des Messgeräts müssen wir den Minimalwert des Messbereichs (-10 °C) dem Minimalwert des Ausgangssignals (4 mA) und den Maximalwert des Messbereichs (90 °C) dem Maximalwert des Ausgangssignals (20 mA) zuordnen.

 

Fazit

In diesem Artikel haben wir Messgeräte und grundlegende Messkonzepte im Kontext der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik besprochen. Außerdem haben wir ein einfaches Beispielsystem betrachtet, das ein Heizelement und ein Messgerät umfasst, das Temperaturdaten erfassen und übertragen kann. Im nächsten Artikel behandeln wir die vier grundlegenden Variablen, die in industriellen Anwendungen verwendet werden: Durchfluss, Füllstand, Temperatur und Druck. Außerdem besprechen wir verschiedene Sensoren wie Blenden, Thermoelemente und RTDs und sehen uns Messgeräte und Messumformer an, die zur Messung dieser vier physikalischen Variablen eingesetzt werden.