TEDS für Kostenersparnis, kurze Rüstzeiten und Sicherheit in der Anwendung

Wenn es um die passende Sensorik geht, zählen nicht nur technische Anforderungen: Die einfache Handhabung ist mindestens genauso wichtig. Der Einbau soll einfach und schnell vonstattengehen, die Parametrierung der Messkette effizient und fehlerfrei sein. Ein Einblick in moderne Lösungen am Beispiel von Kraftaufnehmern.

Herkömmliche Kraftsensoren haben in mechanischer Sicht viel zu bieten, jedoch ist die Einstellung der Messkette gemäß den Sensoreigenschaften eine nicht zu unterschätzende Aufgabe. Verantwortliche Mitarbeiter müssen mit der Sensortechnologie genauso vertraut sein wie mit der Bedienung der Messverstärker. Kein Wunder, dass sich viele Messtechniker einen Sensor wünschen, der seine Kalibrierdaten, die Seriennummer und Typenbezeichnung in sich trägt. Die Lösung bietet seit einigen Jahren die TEDS-Technologie ("Transducer Electronic Data Sheet").

TEDS: Was genau ist das?

Ein TEDS-Chip trägt Sensordaten wie einen Fingerabdruck in sich und ist untrennbar mit dem Sensor verbunden: Das erleichtert die Handhabung der Sensoren enorm. Der internationale Standard für TEDS ist die IEEE1451.4. Diese Richtlinie beschreibt  den schaltungstechnischen Anschluss von TEDS. Die Normung bietet für den Anwender den Vorteil, dass er Sensoren und Verstärkertechnologien verschiedener Hersteller miteinander kombinieren kann.

Viele Geräte können TEDS lesen oder beschreiben

Bei HBM hat sich TEDS inzwischen auf breiter Front durchgesetzt. Fast alle Sensoren sind optional mit TEDS ausgerüstet, entweder als Standardoption oder als Sonderlösung. HBM-Messverstärker können TEDS lesen, viele Geräte bieten die Möglichkeit, TEDS zu beschreiben.

Die Daten sind innerhalb eines TEDS Chips in sogenannten Templates hinterlegt. Diese Templates kann man sich als Tabellen vorstellen, in denen die Parameter für die Sensoren eingetragen werden.

Jeder TEDS-Chip enthält ein Template, das sich Basis-TEDS nennt. Innerhalb dieses Templates sind folgende Informationen gespeichert:

  • Hersteller des Sensors                    
  • Typenreihe des Sensors                  
  • Version Letter
  • Version Number
  • Seriennummer des Sensors                 

Das TEDS-Verfahren legt die notwendigen Daten in Templates codiert im Chip ab.

Der TEDS im Größenvergleich. Die kleine Platine lässt sich in vielen Sensoren integrieren. Bei sehr kleinen Sensoren wird die Schaltung in den Anschlussstecker montiert.

Beispiel für die Codierung

Wenn unter dem Punkt Manufacturer ID im TEDS eine 31 abgelegt ist, steht dies für HBM als Hersteller. Vom Chip im Sensor wird an den Verstärker nun die 31 übertragen. Es ist also ersichtlich, dass die Firmware im Verstärkersystem die Codierung kennen muss. Ähnlich funktioniert dies auch mit der Information zur Typenreihe der Sensoren. Die entsprechenden Dateien hält der jeweilige Hersteller der Sensoren bereit, insofern er diesen Standatd unterstützt. Bei HBM stehen diese Informationen auf der Homepage zum Download bereit.

Templates für nahezu alle Sensortechniken

Weitere zur Verfügung stehende Templates können durch eine entsprechende Beschreibung des Sensors das Messverstärkersystem parametrieren.

Nachdem der Basis-TEDS gelesen wurde, werden nun die Parameter der Sensordaten  übertragen. Im Falle von dehnungsmesstreifen-basierten Kraftaufnehmern handelt es sich um einen sogenannten Bridge Sensor, also ein Sensor, der auf Basis der Wheatstoneschen Brückenschaltung arbeitet. Die IEEE1451.4 definiert ein entsprechendes Template.

Das Basis-TEDS enthält neben der Empfindlichkeit des Kraftaufnehmers (also der Kombination aus Kennwert und Nennkraft) weitere wichtige Daten wie z.B. die Referenzspeisespannung, den Brückenwiderstand oder das Datum einer eventuell durchgeführten Kalibrierung. Andere DMS-Sensoren, z. B. für Druckmessungen, werden sinngemäß behandelt, insofern es sich ebenfalls um Wheatstonesche Brückenschaltungen handelt.

Wichtig ist, dass diese Einträge bei einer erneuten Kalibrierung überschrieben werden können. Sollte sich der Kennwert des Sensors geringfügig ändern und dies bei einer Rekalibrierung festgestellt werden, so kann im Anschluss an die Kalibrierung der neue Kennwert in das TEDS geschrieben werden.

Wahlweise kann das HBM-Kalibrierlabor oder auch der Nutzer selbst die TEDS-Daten schreiben, wenn er eine Vor-Ort-Kalibrierung benötigt.

Die TEDS-Technologie unterstützt mittels geeigneter Templates neben Brückensensoren nahezu alle Sensortechniken, so zum Beispiel Frequenzausgänge (Inkrementalwinkelgeber, Drehmomentaufnehmer) oder Spannungsausgänge. Weitere Templates stehen zur Verfügung, um Linearisierungen durchzuführen oder Anzeigeeinheiten an der Ausgabeschnittstelle einzustellen, sei es eine Anzeige oder ein Bussystem, wie z.B. EtherCAT oder PROFIBUS.

Kleine Datenmengen – schnelle Übertragung

Die zu übertragende Datenmenge ist jeweils sehr klein – ein unschätzbarer Vorteil, wenn man an die Übertragungsgeschwindigkeit denkt.

Werden Sensoren eingesetzt, deren Hersteller den Standard nicht unterstützen, so kann der Anwender das TEDS auch komplett beschreiben. Sollen für eine Applikation Sensoren eingesetzt werden, die von einem Anbieter kommen, der TEDS nicht anbietet, so stehen TEDS-Chips bei HBM zur Verfügung. Diese können dann im betreffenden Sensor oder dessen Kabel werden, und mittels entsprechender Hardware beschrieben werden. Somit lassen sich alle vorhandenen Sensoren plug-and-play-fertig einrichten.

Die IEEE1451 Codierung der HBM – Sensortypen- ein Ausschnitt. Die Datei steht auf der HBM Homepage zum Download bereit.

Verschaltung des TEDs-Moduls

Class-2-Verschaltung

Anschluss einer Wheatstone-Brücke mit TEDS über zusätzliche Leitungen (Class 2 Sensoren nach IEEE1451.4)

Die IEEE 1451.4 erlaubt verschiedene Anschlussmöglichkeiten für TEDS-Module. Die denkbar einfachste Methode ist es, zwei zusätzliche Leitungen zu verwenden, an denen das TEDS-Modul angeschlossen wird. In der Grafik ist eine solche Verschaltung dargestellt.

Diese Methode ist möglich, stößt in der Praxis aber oft an Grenzen:

  • Die Verkabelung für Sensoren in Montagelinien, aber auch in Prüfständen ist sehr häufig sechsadrig ausgeführt (zwei Leitungen zur Spannungsversorgung, zwei, die als Fühlerleitungen Kabeleinflüsse ausmessen, zwei Leitungen zur Übertragung des Messsignals). Zwei weitere Leitungen einzusetzen wäre gleichbedeutend mit der Erneuerung der Verkabelung – im Regelfall ein K.O.-Kriterium.
  • Messkabel für DMS-Sensoren in hoher Qualität stehen als achtadrige Ausführung nicht für alle Einsatzbedingungen zur Verfügung.

Zero-Wire-Verschaltung

Verschaltung des TEDS-Bausteins in einer Messbrücke. Es sind keine zusätzlichen Letungen notwendig.
Prinzipelle Funktionsweise der Zero-Wire-Technologie: Ein Spannungsimpuls öffnet den Schalter, die Daten können aus dem Chip ausgelesen werden. Schließt der Schalter, so ist der ID-Chip über die Speiseleitung Fühlerleitung (sense/excitation) kurz geschlossen, der Sensor ist im Messbetrieb.

Deshalb sind die sogenannten Class 1-Sensoren in der Norm definiert. Deren Leitungen zum Sensor werden entweder zum Auslesen der Sensordaten aus dem TEDS oder zur Messung verwendet, die Umschaltung erfolgt elektronisch. Die oben beschriebenen Nachteile entfallen, jedoch können Anwender nicht messen, während der Verstärker die Sensordaten liest. Sie akzeptieren diesen Nachteil in der Regel, da die Parametrierung zügig abläuft und Messungen erst nach der Einstellung des Messverstärkers sinnvoll sind.

Class-1-Verschaltungen sind sehr häufig bei IEPE Sensoren eingesetzt. In der DMS-Messtechnik findet diese Methode nach Kenntnisstand des Autors keine Anwendung und wird deshalb hier nicht näher betrachtet.

Eine weitere Methode ist die sogenannte Zero-Wire -Technik. Diese Schaltung benötigt wie die Class 1-Sensoren keine zusätzlichen Leitungen. HBM hat diese Methode vor einigen Jahren entwickelt, um den Forderungen von Kunden nachzukommen, die die TEDS-Technologie bei bestehender Infrastruktur einsetzen müssen.

Hierbei wird der TEDS-Baustein mit einer sehr kleinen Verschaltung zwischen der Spannungsversorgung und der Fühlerleitung der Messbrücke eingebaut, wie im Bild unten eingezeichnet.

Auch bei dieser Schaltungsart können Anwender während der Messung die Sensordaten nicht auslesen. Durch einen Spannungsimpuls auf den Baustein wird von Parametrierung auf Messung umgeschaltet. Ein elektronischer Schalter öffnet sich und unterbricht die Sensorleitung, Daten werden nun gelesen. Anschließend schließt  der Schalter wieder und schaltet auf  Messbetrieb um.

Zurzeit befindet sich die IEEE1451.4 in Überarbeitung. Die Zero-Wire-Technologie wird Bestandteil der neuen Version und für jeden Hersteller lizenzfrei nutzbar sein.

Einflüsse des TEDS auf die Messgenauigkeit

Es stellt sich noch die Frage nach der Messgenauigkeit, da die Verschaltung einen zusätzlichen Widerstand in der Fühlerleitung erfordert. Hierzu ist zu beachten, dass die Sechs-Leiter-Schaltung die Spannung zwischen der Speisung und der Fühlerleitung misst. Der Eingangswiderstand des Messverstärkers ist sehr hoch, der kleine Widerstand in Reihe folglich bedeutungslos. Hinzu kommt, dass die Sensoren ihre Kalibrierung mit dem TEDS-Chip erfahren, eventuelle Einflüsse sind also stets berücksichtigt.

Intensive Messungen ergaben Einflüsse auf den Nullpunkt von deutlich unter 50 ppm. Die Spanne (Differenz zwischen Nullpunkt und dem Messsignal bei vollem Ausschlag) ist unverändert. Ein TEDS-Baustein hat also keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit eines Brückensensors.

Wo ist das TEDS verbaut?

Wie bereits oben erwähnt, muss das TEDS immer untrennbar mit dem Sensor verbunden sein. Vorzugsweise erfolgt deshalb die Montage im Sensor.

Bei sehr kleinen Sensoren ist dies nicht möglich, beispielsweise bei Kraftaufnehmern, die auf Grund Ihres mechanischen Designs keinen Einbau des TEDS-Bausteins in den Federkörper erlauben. Hier ist der TEDS-Chip im Stecker eingebaut. Diese Sensoren sind mit TEDS nur mit Steckermontage bestellbar. HBM liefert fast alle Sensoren mit der Zero-Wire Technologie, die in Verbindung mit DMS-Sensoren die meisten Vorteile bietet. Class-2-Bauformen kommen nur vor, wenn der TEDS in den Stecker montiert werden muss, und der Stecker von seiner Bauform den Einbau eines Zero-Wire-TEDS-Bausteins nicht erlaubt.

Für alle weiteren Konfigurationen stehen Sonderlösungen zur Verfügung. Dies kann die TEDS-Platine als einzelnes Bauteil sein, oder auch Lösungen, bei denen die Montage im Kabel erfolgt.

Ausblick

Wie oben erwähnt befindet sich die IEEE1451.4 in Überarbeitung. In der Arbeitsgruppe sind neben Vertretern der Industrie auch Anwender beteiligt, so auch HBM. Die Erfahrungen aus der Praxis haben gezeigt, dass die Vordefinition der Anzeigeneinheit eine wesentliche Forderung ist, was künftig auch berücksichtigt wird. Ferner wird eine Linearitätskorrektur noch besser möglich sein. Auch wird die Zero-Wire-Technologie in den Standard aufgenommen. Die Organisation und die Beschaltung bleiben erhalten, so dass zurzeit ausgelieferte Sensoren zukunftssicher verwendbar sind.


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