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Was ist ein Bildverarbeitungssysteme?

Ein Bildverarbeitungssystem ist eine Reihe von Systemkonfigurationen, die 2D- und 3D-Bilder und -Daten verarbeiten und synthetisieren und deren Merkmale auslesen.

Bildverarbeitungssysteme ersetzen das menschliche Auge und ermöglichen eine Vielzahl von Beurteilungen und Messungen, was sie zu einer unverzichtbaren Technologie für automatische Maschinen und Industrieroboter macht.

Einsatzgebiete von Bildverarbeitungssystemen

Die Bildverarbeitung wird heute in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, unter anderem

1. Im medizinischen Bereich

CT und MRT sind die beiden wichtigsten Arten der Bildverarbeitung im medizinischen Bereich: CT erweitert die Bilder herkömmlicher Röntgenuntersuchungen von zwei auf drei Dimensionen und ermöglicht so die Betrachtung des gesamten Körpers; MRT nutzt ein starkes Magnetfeld und elektromagnetische Wellen, um eine Diagnose ohne Strahlung zu ermöglichen; und MRT wird im medizinischen Bereich zur Diagnose von Krebs und anderen Krankheiten eingesetzt. Beide Untersuchungsarten nutzen Bildverarbeitungstechnologien, um das Innere des Körpers aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten.

2. Industrielle Bereiche

Im industriellen Bereich werden viele Bildverarbeitungssysteme in Produktionslinien eingesetzt. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie z. B. Bauteilerkennung, Aufnahme und Ausrichtung in Montageprozessen, Stückzählung, Sicht- und Maßkontrolle in Inspektionsprozessen, Sortierung und Verpackung in Versandprozessen sowie Gefahrenüberwachung, und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur Prozessautomatisierung.

3. Verkehr

Typische Anwendungen im Verkehrsbereich sind die Fahrerassistenz und die Fahrautomatisierung. Durch die Verarbeitung von Kamerabildern nicht nur von vorne, sondern aus dem gesamten 360°-Winkel können Fußgänger, Hindernisse und andere Fahrzeuge erkannt, der Fahrer gewarnt und Ausweichmanöver eingeleitet werden.

Neben Autos wird das System auch für die Ausrüstungs- und Sicherheitsüberwachung in Eisenbahnsystemen eingesetzt und ist nützlich für die Überwachung eines weiten Bereichs in der sich ändernden hellen Umgebung im Freien und entlang von Eisenbahnlinien im Namen der Menschen.

4. Sicherheitsbereich

Ein typisches Beispiel für den Einsatz im Sicherheitsbereich sind Gesichtserkennungssysteme. Sie sind in Smartphones weit verbreitet und tragen auch dazu bei, die Sicherheit beim Zugang zu Gebäuden zu erhöhen.

Prinzip von Bildverarbeitungssystemen

Bildverarbeitungssysteme arbeiten nach folgendem Ablauf.

1. Bildeingabe

Die Lichtverteilung wird in elektrische Signale umgewandelt, hauptsächlich mit Hilfe von CCD-Sensoren.

2. Glättung

Die Glättung, eine Art der Vorverarbeitung, bewirkt eine Glättung von Unschärfeveränderungen. Die Glättung wird auch als Mittelwertfilter bezeichnet, da sie den Durchschnittswert der Pixel in dem vom Filter abgedeckten Bereich berechnet und diesen Wert als neue Pixelanzahl definiert. Es wird als räumlicher Filter verwendet, um ein Bild zu glätten und Rauschen zu entfernen.

3. Merkmalsextraktion

Eines der Merkmalsbilder ist ein Binärbild. Bei der Binarisierung wird ein Bild von mehreren Dichtestufen auf nur zwei Dichtestufen, weiß und schwarz, reduziert, und ein Bild mit nur einer Dichtestufe, entweder weiß oder schwarz, wird als Binärbild bezeichnet.

Eine Möglichkeit, die Beschaffenheit eines Bildes anhand von Graustufenwerten zu bestimmen, ist ein Histogramm. Dabei wird die Anzahl der Pixel auf der horizontalen Achse und die Häufigkeit der Pixel auf der vertikalen Achse in einem Diagramm dargestellt. Das Histogramm wird dann verarbeitet, indem die Anzahl der Schattierungen auf der horizontalen Achse des Histogramms irgendwo durch zwei geteilt wird, wobei die Pixeldaten in 1 geteilt werden, wenn die Anzahl der Schattierungen größer ist, und in 0, wenn sie kleiner ist.

4. Auswertung

Die durch Merkmalsextraktion gewonnenen Bilder werden je nach Zweck ausgewertet.

Weitere Informationen über Bildverarbeitungssysteme

1. Kameraauswahl für Bildverarbeitungssysteme

Die Auswahl der Kamera ist für die Bildverarbeitung sehr wichtig. Kameras werden in Bildverarbeitungssystemen zur Erfassung von Bilddaten des Werkstücks im Bildeingabeprozess eingesetzt.

An Produktionsstandorten werden beispielsweise Kameras, die die Funktion von Augen erfüllen, zur Aufnahme von Bildern von Prüfobjekten wie Leiterplatten verwendet, um die Fehler und den Zustand von Produkten zu prüfen, aber unterschiedliche Aufnahmebedingungen können Schwankungen in der Prüfgenauigkeit verursachen.

Um sicherzustellen, dass die Aufnahmebedingungen möglichst identisch sind, muss die Kamera zusammen mit dem Objektiv und der Beleuchtung entsprechend ausgewählt werden. Es gibt zwei Hauptarten von Bildverarbeitungssystemen

Flächensensor-Kamerasysteme

Dies ist die am häufigsten verwendete Bildverarbeitungsmethode, mit der ein zweidimensionales Bild erzeugt werden kann. Die Größe des Bildes, das aufgenommen werden kann, wird durch die Kamera bestimmt.

Zeilensensor-Kamerasystem

Dieses Verfahren nimmt kontinuierlich eindimensionale Bilder auf und kann zweidimensionale Bilder erzeugen. Die Kamera oder das Werkstück müssen sich bei der Bildaufnahme in eine bestimmte Richtung bewegen. Diese Methode eignet sich für die Aufnahme von Bildern von relativ großen Werkstücken. Die Auswahl einer geeigneten Kamera muss auf der Grundlage eines gründlichen Verständnisses der Anforderungen erfolgen.

2. Echtzeitverarbeitung in Bildverarbeitungssystemen

Rechnerische Verarbeitung innerhalb des Bildverarbeitungssystems, Software oder Hardware. Die Software-Verarbeitung ist sehr flexibel, da sie durch Programmänderung an verschiedene Änderungen angepasst werden kann, während die Hardware-Verarbeitung in Situationen erforderlich ist, in denen eine Echtzeit-Verarbeitung erforderlich ist, z. B. zur Gefahrenvermeidung.

Ein Rundumsichtmonitor, der zur Vermeidung von Kollisionen beim Einparken eines Fahrzeugs verwendet wird, projiziert ursprünglich Bilder in Echtzeit von oberhalb des Fahrzeugs, wo keine Kamera vorhanden ist, aber hier wird spezielle Hardware wie ein ASIC verwendet, um Bilder in Echtzeit zu erzeugen, indem die Bilddaten der Bordkamera synthetisiert und verarbeitet werden. Die Bilder werden in Echtzeit durch den Einsatz spezieller Hardware wie ASICs erzeugt.

Was ist ein Messmikroskope?

Messmikroskope sind dimensionale Messmaschinen, die Abmessungen anhand von Bildern messen, die durch ein Mikroskop vergrößert wurden.

Es besteht aus einem optischen Mikroskop mit exakter Vergrößerung und einem XY-Tisch zum präzisen Bewegen des Werkstücks auf einer ebenen Fläche, einschließlich einer Schablone für Vergleichsmessungen. Messmikroskope ermöglichen die berührungslose Messung und damit die Beobachtung von Konturen und Oberflächen ohne Beschädigung des Werkstücks.

Messmikroskope verwenden im Allgemeinen telezentrische Optiken im optischen System. In den letzten Jahren haben einige Spezifikationen ein unendlich korrigiertes optisches System im optischen Kopf eingeführt, um die Beobachtung mit differentiellem Interferenzlicht und die einfache Beobachtung mit polarisiertem Licht zu ermöglichen.

Verwendungszwecke von Messmikroskopen

Messmikroskope werden für die Produktion und Qualitätskontrolle von relativ kleinen Maschinenteilen, Teilen elektronischer Geräte und Halbleiterprodukten verwendet. Messmikroskope eignen sich für die Messung kleiner Teile und kleiner Flächen, die ohne Mikroskopvergrößerung schwer zu messen sind.

Neben der Dimensionsmessung kann das Mikroskop auch für die Beobachtung mit polarisiertem Licht und differentieller Interferenz verwendet werden, um z. B. Fehler in Halbleitersubstraten zu erkennen. Aufgrund der Genauigkeit der Vergrößerung ist es auch für einfache Kontrollen nützlich, um durch Vergleichsmessungen anhand einer Schablone festzustellen, ob ein Produkt innerhalb der Toleranz liegt.

Messmikroskope können sowohl als Messmaschinen als auch als Mikroskope verwendet werden, und man kann sie für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen.

Prinzip der Messmikroskope

Messmikroskope lassen sich nach der Beleuchtungsmethode einteilen.

1. Durchlichtbeleuchtung

Die Durchlichtbeleuchtung wird für Dimensionsmessungen verwendet, indem Licht durchgelassen und der Schatten eines Objekts als Konturform erfasst wird. Sie wird zur Messung von Konturen verwendet.

2. Vertikale Auflichtbeleuchtung

Bei der vertikalen Auflichtbeleuchtung wird das Licht senkrecht auf die Oberfläche eines Objekts gestrahlt und das reflektierte Licht zur Beobachtung der Oberfläche verwendet. Die vertikale Auflichtbeleuchtung kann nicht nur für dimensionale Messungen, sondern auch für die Beobachtung der Oberflächengeometrie verwendet werden.

3. Schräge Auflichtbeleuchtung

Die schräge Auflichtbeleuchtung ist eine Beleuchtungsmethode, bei der das Licht in einem Winkel auf die Oberfläche des Messobjekts gerichtet wird. Die Besonderheit besteht darin, dass der Kontrast des Bildes hervorgehoben wird, so dass ein dreidimensionales und scharfes Bild erzielt werden kann. Allerdings sind Fehler bei Dimensionsmessungen wahrscheinlicher.

Weitere Informationen über Messmikroskope

1. Telezentrische Optik

Die meisten Messmikroskope verwenden telezentrische Optiken zur Durchleuchtung. Mikroskope ohne telezentrische Optik lassen nahe Objekte größer und weiter entfernte Objekte kleiner erscheinen.

Dieses Phänomen tritt auch bei den Kameras auf, die wir im Alltag verwenden. Diese Eigenschaft führt jedoch dazu, dass bei Dimensionsmessungen entfernte Objekte im Verhältnis zu verschiedenen Teilen in Höhenrichtung kleiner gemessen werden.

Bei Objektiven mit telezentrischer Optik wird das Bild unscharf, aber die Größe bleibt gleich, auch wenn der Fokus in Richtung der Entfernung zum Objektiv und der optischen Achse verschoben wird. Telezentrische Optiken sind unentbehrlich für dimensionale Messmikroskope, bei denen die Abmessungen beim Beobachten mit dem Mikroskop gemessen werden.

2. Parallelisierung des Messmikroskops

Messmikroskope messen, indem sie das Messobjekt auf einen XY-Tisch stellen. Daher kann der Messpunkt überall innerhalb des Arbeitsbereichs des XY-Tisches liegen. Das bedeutet, dass der XY-Tisch zum Messpunkt bewegt werden kann, wo immer sich das Messobjekt auf dem XY-Tisch befindet.

Einige Winkel und Kreisdurchmesser, die gemessen werden sollen, erfordern eine große Bewegung des XY-Tisches, aber die Kontur des Messobjekts wird nie ohne besondere Einstellung parallel zur Bewegung des XY-Tisches platziert. Es ist daher notwendig, die Bewegung des XY-Tisches vor der Messung parallel zur Bezugskante des Messobjekts zu führen.

Wenn das Messobjekt und der XY-Tisch nicht parallelisiert sind, können bei der Messung von Winkeln und Parallelität große Fehler auftreten. Es sind daher Berechnungen erforderlich, um die Messergebnisse zu kompensieren. In den letzten Jahren haben die Hersteller eine Reihe von Messgeräten entwickelt, die auf dem XY-Tisch ein Koordinatensystem erstellen und aus den Koordinaten des Ursprungs und der Messpunkte berechnen. Durch den Einsatz dieser Geräte kann der Arbeitsaufwand für die Parallelisierung reduziert werden.

3. Sichtfeld des Messmikroskops

Es ist wichtig, dass das Mikroskop das Objekt unter starker Vergrößerung beobachten kann, aber es ist auch wichtig, dass ein großes Sichtfeld auf einmal erreicht werden kann. Das Sichtfeld ist der Bereich, der mit dem Mikroskop auf einmal gesehen werden kann, und wird durch den Durchmesser des Okulars bestimmt.

Die Größe des Sichtfeldes wird als Anzahl der Sichtfelder bezeichnet, und das tatsächliche Sichtfeld ist der Bereich der Oberfläche des zu messenden Objekts, der innerhalb des Sichtfeldes sichtbar ist. Die Beziehung zwischen dem tatsächlichen Sichtfeld und der Objektivvergrößerung ist wie folgt

Tatsächliches Sehfeld = Anzahl der Sehfelder des Okulars / Vergrößerung der Objektivlinse

Aus der obigen Formel geht hervor, dass bei gleicher Anzahl von Sehfeldern des Okulars der Bereich des tatsächlichen Sehfelds mit zunehmender Vergrößerung des Objektivs kleiner wird. Dies zeigt, dass es einen Kompromiss gibt zwischen der Erhöhung der Vergrößerung des Objektivs zur Vergrößerung des Messobjekts und dem Bereich, der auf einmal gesehen werden kann.

Um das tatsächliche Sichtfeld zu vergrößern, muss der Durchmesser des Okulars vergrößert oder die Vergrößerung der Objektivlinse verringert werden. Der Verkleinerung der Objektivvergrößerung sind jedoch aufgrund der für die Messung erforderlichen Vergrößerung Grenzen gesetzt. Aus diesem Grund sind Messmikroskope mit einem XY-Tisch und einem Zähler oder einem ähnlichen Gerät ausgestattet, das den Betrag der Bewegung anzeigt und den Teil des Objekts misst, der im Sichtfeld nicht zu sehen ist.

Was ist eine Bewegungssteuerung?

Eine Bewegungssteuerung ist ein Gerät, das die Bewegung von Geräten steuert, die von Servomotoren und anderen Geräten angetrieben werden.

Der Benutzer programmiert die zu realisierende Bewegung im Voraus und steuert die Bewegung des Geräts, indem er sie von der Bewegungssteuerung ausführen lässt.

Anwendungen von Bewegungssteuerungen

Bewegungssteuerungen werden zur Steuerung von Geräten verwendet, die von Servomotoren oder Linearmotoren angetrieben werden. Sie werden daher bei Industrierobotern und Werkzeugmaschinen eingesetzt. Spezifische Anwendungen sind folgende:

• Zur Steuerung von kooperativen Robotern
• Zur Steuerung von Verpackungsmaschinen für allgemeine Verbrauchsgüter
• Zur Steuerung von Akzidenzdruckmaschinen
• Zur Steuerung von Hochgeschwindigkeitspressen
• Für die Steuerung von automatischen Montagerobotern

Funktionsweise der Bewegungssteuerungen

Die Funktionsweise von Bewegungssteuerungen unterscheidet sich je nach Ausgabeverfahren. Typische Ausgabemethoden sind folgende:

1. Gemeinsame Impulsmethode

Bei der gemeinsamen Impulsmethode wird der Motor mit einem Drehrichtungssignal und einem Impulsfahrbefehl gesteuert. Die Drehrichtung wird durch das Drehrichtungssignal gesteuert und der Motor wird durch das Impulsbetriebssignal betrieben.

2. Zwei-Richtungs-Impulsmethode

Die Zweirichtungs-Impulsmethode steuert den Motor mit zwei Befehlen: einem Vorwärtsdrehungs-Impulsbetriebsbefehl und einem Rückwärtsdrehungs-Impulsbetriebsbefehl. Der Motor wird in Vorwärtsrichtung durch einen FWD-Impulsbetriebsbefehl und in Rückwärtsrichtung durch einen REV-Impulsbetriebsbefehl angetrieben.

3. Phasendifferenz-Eingabemethode

Bei der Phasendifferenz-Eingangsmethode wird die Drehrichtung anhand der Phasendifferenz zwischen zwei Impulssignalen bestimmt. Die Vorwärtsdrehung erfolgt, wenn das Referenzimpulssignal um 90 ° voraus ist, und die Rückwärtsdrehung, wenn es um 90 ° zurückliegt.

Auswahl einer Bewegungssteuerung

Bei der Auswahl einer Bewegungssteuerungen ist die Interpolationssteuerung wichtig. Die Interpolationssteuerung ist eine Methode zur synchronisierten Steuerung mehrerer Achsen. Es gibt zwei Arten von Bewegungssteuerungen: direkte Interpolation und Kreisinterpolation.

1. Lineare Interpolation

Die lineare Interpolation ist eine Steuerungsmethode, bei der zwei Motoren gleichzeitig gesteuert werden, um sich linear zur gewünschten Position zu bewegen. Die CPU berechnet und steuert die Bewegung so, dass sie sich in einer geraden Linie in diagonaler Richtung bewegt, anstatt sich erst horizontal und dann vertikal zu bewegen. Die Verwendung der linearen Interpolation ermöglicht eine geradlinige Bewegung in diagonaler Richtung und verkürzt so die für die Positionierung erforderliche Zeit.

2. Kreisinterpolation

Die Kreisinterpolation ist eine Steuerungsmethode, bei der die CPU die Bewegung zweier Motoren auf einem Kreisbogen berechnet, wenn diese gleichzeitig gesteuert werden. Da die Bewegungsbahn nicht linear ist, dauert es länger als bei der linearen Interpolation, bis die Zielposition erreicht ist. Durch die Verwendung der Kreisinterpolation ist es jedoch möglich, Hindernisse auf der Strecke zu umgehen.

Weitere Informationen zu Bewegungssteuerungen

1. Merkmale von Bewegungssteuerungen und PLCs

Bewegungssteuerungen ähneln den SPS insofern, als sie Geräte mit benutzerdefinierten Programmen automatisch steuern. Bewegungssteuerungen zeichnen sich durch ihre Eignung zur Steuerung von Servosystemen aus.

Bewegungssteuerungen werden häufig anstelle von SPS zur Bewegungssteuerung eingesetzt. Ein Vorteil von Bewegungssteuerungen besteht darin, dass sie für die Steuerung einer großen Gesamtzahl von Achsen geeignet sind, z. B. für die Mehrachssteuerung und Synchronisierung.

SPS hat eine begrenzte Anzahl von Achsen, die von einer einzigen SPS gesteuert werden können, aber Bewegungssteuerungen können weit mehr Achsen steuern als das. Aus diesem Grund werden Bewegungssteuerungen in industriellen Werkzeugmaschinen und Robotern eingesetzt, die eine präzise Mehrachsensteuerung erfordern.

2. Programmierung von Bewegungssteuerungen und PLCs

Das Prinzip von SPS und Bewegungssteuerungen unterscheidet sich in der Art der Verarbeitung in der CPU: Eine SPS ist ein Multitasking-Steuerungssystem, das bei jeder Ausführung alle Zeilen des Programms liest und alle Zeilen auf einmal ausführt. Folglich ist die Zeit, die zum Lesen aller Programmzeilen benötigt wird, der geschwindigkeitsbegrenzende Faktor, und es steht nicht genügend Rechenzeit zur Verfügung, um komplexe Steuerungen durchzuführen.

Bewegungssteuerungen hingegen unterscheiden sich von SPS dadurch, dass das Programm zeilenweise gelesen und ausgeführt wird. Im Vergleich zu SPS bedeutet dies, dass die für eine Aufgabe erforderliche arithmetische Verarbeitung kürzer und schneller ist als bei SPS.

Außerdem wird die Bearbeitungszeit einer Zeile einer Bewegungssteuerungen nicht durch eine Erhöhung der Programmkapazität beeinflusst. Daher können komplexe Systeme wie Servomotoren mit Bewegungssteuerungen schneller verarbeitet werden.

Was ist ein Emulator?

Ein Emulator ist eine Software oder Hardware, die das Verhalten von Hardware oder Software emuliert.

Anwendungen von Emulatoren

Ein Beispiel für einen häufig verwendeten Emulator ist ein Software-Emulator, der benötigt wird, um Anwendungen des Betriebssystems Android auf einem Smartphone auf einem PC mit Windows-Betriebssystem auszuführen.

Zu den Hardware-Emulatoren gehören z. B. Emulatoren, die für das Debugging bei der Entwicklung von Programmen für Geräte mit Mikrocontrollern verwendet werden.

Funktionsweise der Emulatoren

Computerhardware und -software scheinen zwei verschiedene Dinge zu sein, aber in Wirklichkeit besteht der Unterschied darin, ob derselbe Inhalt in Hardware oder Software ausgeführt wird.

Programme, die in visuellen Programmiersprachen oder Hochsprachen erstellt wurden, werden ebenfalls in Hardware ausgeführt und daher letztlich in Maschinensprache umgewandelt, die in Form von 0en und 1en ausgedrückt wird. Andererseits bestehen alle Schaltkreise in der Hardware, die nur 0en und 1en verarbeiten können, aus logischen Schaltkreisen, die das de Morgan’sche Gesetz umsetzen, und alle numerischen Operationen werden ebenfalls von denselben Schaltkreisen verarbeitet.

Das bedeutet, dass sowohl die Software als auch die Hardware eine Kombination aus logischen 0- und 1-Operationen in verschiedenen Realisierungen verarbeiten. Das Gleiche gilt für die an den Computer angeschlossenen Peripheriegeräte, die die Grundlage der gesamten Digitaltechnik bilden.

Arten von Emulatoren

1. Software-Emulatoren

Wenn Sie eine Android-OS-Anwendung auf einem Windows-Betriebssystem ausführen möchten, kann Software, die in Hochsprachen entwickelt wurde und auf beiden Betriebssystemen ausgeführt werden kann, auf beiden Systemen ausgeführt werden. Wenn die Anwendung jedoch auf einer der Anwendungsentwicklungsumgebungen entwickelt wurde, kann sie auf dem anderen Betriebssystem möglicherweise nicht korrekt ausgeführt werden.

In solchen Fällen ermöglicht beispielsweise die Ergänzung der Anwendung auf dem Android-Betriebssystem durch eine Emulatorsoftware zwischen dem Android-Betriebssystem und dem Windows-Betriebssystem einen normalen Betrieb, aber die Betriebsgeschwindigkeit ist reduziert, da sie über eine Emulatorsoftware ausgeführt wird.

Ein weiteres Beispiel ist Emulatoren-Software, die verschiedene Browser auf demselben Betriebssystem miteinander verbindet. Dies wird z. B. verwendet, wenn eine für den Internet Explorer erstellte Seite auf Edge angezeigt wird. Auch in diesem Fall wird die Arbeitsgeschwindigkeit durch die Programmverarbeitung des Emulators verringert.

2. Hardware-Emulatoren

ICE (Englisch: In Circuit Emulator) ist einer der Hardware-Emulatoren, die bei der Softwareentwicklung für Mikrocontroller-basierte Geräte eingesetzt werden.

Bei der Fehlersuche in der Software ist es notwendig, den internen Status des Mikrocontrollers und der Peripheriegeräte zu überprüfen, aber der interne Status eines normalen Mikrocontrollers kann von den externen Terminals kaum erkannt werden. Aus diesem Grund ist ICE eine Hardware, die den Mikrocontroller durch einen Emulations-Chip ersetzt, der auf die gleiche Weise wie der Mikrocontroller arbeitet, aber ein Terminal hat, das den internen Status nach außen ausgibt.

Der ICE kann einen externen Speicher anschließen, um den Speicher innerhalb des Mikrocontrollers zu verfolgen, oder einen Haltepunkt setzen, um den internen Status zu überprüfen, indem die Programmausführung an einem beliebigen Punkt angehalten (unterbrochen) wird.

3. Andere Hardware-Emulatoren

Neben dem Debugging eingebetteter Software können Hardware-Emulatoren auch verwendet werden, um Software auf Computern auszuführen, die aufgrund von Fehlfunktionen oder aus anderen Gründen nicht mehr verfügbar sind.

Weitere Informationen zu Emulatoren

1. Tipps zur Verwendung von ICE

ICE wird hauptsächlich im Bereich der Softwareentwicklung für die Mikrocomputersteuerung verwendet, da die ICE-Funktionalität ein Programm erfordert, das die Hardware Schritt für Schritt direkt ansteuert.

Obwohl höhere Sprachen die Programmentwicklung erleichtern und die Programme kürzer sind, haben ICE-Programme eine geringere Codegröße, wenn sie tatsächlich in das ROM des Mikrocontrollers geschrieben werden.

Dies liegt daran, dass ICE auf einem Niveau geschrieben werden kann, das dem von Assembler nahe kommt, wodurch die ROM-Kapazität und die Anzahl der Schritte verringert werden, was die Echtzeitleistung verbessert und eine präzise Steuerung der Peripherie-Hardware ermöglicht.

2. Gemischte Hardware/Software-Emulatoren

Folgt man dem Prinzip des Emulators, so lassen sich auch hybride Emulatoren mit Hardware und Software realisieren. So kann beispielsweise ein neues Betriebssystem, das sich in der Entwicklung befindet, auf einem hybriden Emulatoren, der den gesamten Computer nachbildet, ausgeführt und getestet werden.

Was ist ein Ferrit?

Ferrite ist eine Keramik auf der Basis von Eisenoxid, die als magnetisches Material verwendet wird. Als Keramik hat es einen höheren elektrischen Widerstand als metallische Magnetwerkstoffe und zeichnet sich durch eine hervorragende Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit aus.

Anwendungen von Ferrite

Ferrite wird hauptsächlich als Magnet verwendet und ist als Ferritemagnet bekannt. Da er kostengünstig ist und in großen Mengen hergestellt werden kann, sind seine Einsatzgebiete vielfältig und umfassen Haushaltsgeräte, Spielkonsolen und Computer.

Sie werden auch als Kern von Transformatoren und als Material zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen in schalltoten Boxen und schalltoten Räumen verwendet. Ferritepartikel werden auch als Träger für Toner in Laserdruckern und anderen Anwendungen verwendet, sodass Ferrite ein magnetisches Material ist, das unser tägliches Leben durchdringt.

Arten von Ferrite

Es gibt drei Arten von Ferriten:

1. Spinell Ferrite

Spinell Ferrite ist ein Ferrite, dessen Hauptbestandteil Fe2O4 ist. Da sein Hauptbestandteil Eisenoxid ist, musste er in der Vergangenheit bei Temperaturen von 800 °C oder höher wärmebehandelt werden, um ihn herzustellen.

In den letzten Jahren ist es durch Reaktionen in alkalischen Lösungen möglich geworden, es bei Temperaturen von nur 100 °C herzustellen. Bei den Ferrite vom Spinell-Typ handelt es sich um weiche Ferrite, die in Verbindung mit Zusätzen wie Mangan, Kobalt, Nickel, Kupfer und Zink weichmagnetische Eigenschaften aufweisen.

2. Hexagonaler Ferrite

Hexagonale Ferrite sind Ferrite mit der chemischen Formel M-Fe12O19 (wobei M für Ba, Sr, Pb, usw. steht). Es handelt sich um einen harten Ferrite, der bei Zugabe von Barium oder Strontium einen harten Magnetismus aufweist.

3. Ferrite vom Granattyp

Der Ferrite vom Granattyp ist ein Ferrite mit der gleichen Kristallstruktur wie der natürliche Granatapfelstein und hat eine Struktur mit der chemischen Formel Mg3Al2Si3O12. Granat-Ferrite sind Weichferrite, die die gleichen weichmagnetischen Eigenschaften wie Spinell Ferrite aufweisen.

Weitere Informationen zu Ferrite

1. Eigenschaften

Hartferrite
Hartferrite sind Ferrite mit ferromagnetischen Eigenschaften, die bei Anlegen eines starken Magnetfeldes magnetisch werden und magnetisch bleiben.

Weichferrite
Weichferrite sind Ferrite mit ferromagnetischen Eigenschaften, die bei Anlegen eines Magnetfeldes magnetisch werden und bei Wegnahme des Feldes nicht mehr magnetisch sind. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Permeabilität aus und werden in den Kernen von Spulen und Transformatoren verwendet.

2. Wie Ferrite das Rauschen reduzieren

Ferrite werden auch als rauschmindernde Bauteile eingesetzt. EMI (Elektromagnetische Interferenz) ist zum Beispiel ein großes Problem bei Hochgeschwindigkeitskommunikationssignalen wie USB usw. EMI (Elektromagnetische Interferenz) ist nicht auf Kommunikationsleitungen beschränkt, sondern bezieht sich auf unerwünschte elektromagnetische Störungen, die von elektrischen Geräten ausgehen.

Bei der EMI-Zertifizierung und Qualitätssicherung werden elektrische Geräte in die Klassen A und B eingeteilt. Für jedes Produkt sind geeignete EMI-Gegenmaßnahmen erforderlich. Normalerweise werden EMI-Gegenmaßnahmen zum Zeitpunkt des Entwurfs von Schaltungen und Mustern getroffen, aber Ferrite können auch in späteren Phasen des Entwurfs und bei begrenzter Entwicklungszeit eingesetzt werden.

Durch das Umwickeln des störenden Kabelbaums mit Ferrite ändert sich die Impedanz des Kabels entsprechend der Magnetisierung des Ferrites, wodurch der Rauschstrom reduziert wird. Die Verringerung des Rauschstroms bedeutet jedoch, dass die hochfrequenten Komponenten reduziert werden. Mit anderen Worten: Der Ferrite funktioniert wie ein einfacher Tiefpassfilter.

Es ist zu beachten, dass die Verringerung der Hochfrequenzkomponente zu einer Verzerrung des Signals führen kann, was eine Akzentuierung der Wellenform und folglich eine Verschlechterung der Signalqualität zur Folge haben kann. Die Rauschunterdrückungseigenschaften von Ferrite werden durch ihre Impedanz bestimmt, die je nach Ferritematerial, Größe und Windungszahl variiert.

Bei gleichem Ferrite Material und gleicher Größe steigt die Impedanz im Allgemeinen mit der Anzahl der Windungen N im Kabelbaum. Die Erhöhung der Impedanz führt zu einem stärkeren Rauschschutz, aber die Anzahl der Windungen sollte entsprechend dem zu behandelnden Frequenzband gewählt werden.

Auch die Querschnittsfläche wirkt sich auf die Impedanz aus, und in der Regel hat ein Ferrite mit einem kleineren Innendurchmesser und einem größeren Außendurchmesser eine höhere Impedanz. Eine breite Palette von Ferrite ist als Hochfrequenz-Gegenmaßnahmekomponenten erhältlich. Es ist wichtig, die Eigenschaften jedes einzelnen Ferrites zu kennen und einen Ferrite mit den geeigneten Eigenschaften für das Frequenzband, dem entgegengewirkt werden soll, zu verwenden.

Was ist ein Ferritkern?

Ein Ferritkern ist ein Ferrit, ein keramischer Magnetwerkstoff, der hauptsächlich aus Eisen besteht und je nach Anwendung verarbeitet wird.

Ferrit als Magnetkern kann hochfrequente Ströme blockieren und ist daher als Rauschunterdrücker wirksam. Ferrite werden je nach ihrer Zusammensetzung in verschiedene Systeme unterteilt, wobei Ni-Zn-Ferrite hauptsächlich zur Rauschunterdrückung eingesetzt werden.

Die Gründe dafür sind, dass das Ni-Zn-System keine Isolationsbearbeitung erfordert und hervorragende Hochfrequenzeigenschaften aufweist. Das Rauschen kann beseitigt werden, indem das Kabel durch eine ringförmige Ferritkerne geführt wird.

Anwendungen von Ferritkernen

Ferritkerne werden zur Rauschunterdrückung in elektronischen Geräten eingesetzt. Die rauschmindernde Wirkung von Ferritkernen beschränkt sich nicht nur auf Rauschen, das von außen in das Kabel eindringt, sondern kann auch kabelseitig erzeugtes Rauschen beseitigen.

Ferritkerne sind einfache, kostengünstige Komponenten zur Rauschunterdrückung und zeichnen sich durch ihre einfache Handhabung aus. Daher kann die Entstörung ohne Designänderungen an Platinen oder Schaltkreisen durchgeführt werden. Sie können daher als Versuchsmethode eingesetzt werden, bevor die endgültigen Spezifikationen festgelegt werden, oder als Notmaßnahme zur Entstörung.

Funktionsweise der Ferritkerne

Es gibt zwei Hauptprinzipien, nach denen Ferritkerne Störungen beseitigen können: Erstens wirken sie als Filter, um hohe Frequenzen zu unterdrücken und Störungen zu beseitigen, die durch hochfrequente Ströme verursacht werden.

Wenn Strom durch das Loch im Ferritkern fließt, wird das Kabel zu einer Induktivität und die Impedanz des Kabels ändert sich entsprechend der Magnetisierung des Ferritkerns. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich die Impedanz im Hochfrequenzbereich, wodurch hochfrequente Ströme, die Rauschkomponenten sind, gedämpft werden können.

Zweitens führen Hystereseverluste dazu, dass Rauschströme als thermische Energie freigesetzt werden. Wenn ein Ferritkern eine Induktivität bildet und von einem Wechselstrom durchflossen wird, schwankt das erzeugte Magnetfeld in Richtung und Größe mit der Zeit in einer bestimmten Periode.

Die Magnetisierung des Ferritkerns, die einen Zyklus ausmacht, wird als Hystereseschleife bezeichnet und der dabei auftretende Energieverlust als Hystereseverlust.

Auswahl eines geeigneten Ferritkerns

Bei der Auswahl eines Ferritkerns muss Folgendes beachtet werden.

1.  Reduzierung des Rauschens im Hochfrequenzband über 150 MHz als Richtwert

• Wählen Sie einen Ferritkern mit einem zum Kabel passenden Innendurchmesser und einem möglichst großen und langen Außendurchmesser
• Verwenden Sie das Kabel ohne es zu drehen
• aufgrund des Formfaktors der Ferritkerne gute Impedanzeigenschaften erzielt werden

2. Rauschunterdrückung in Frequenzbereichen unter 150 MHz oder als Rauschunterdrückung für Kabel in Geräten

• Wählen Sie einen Typ mit großem Innendurchmesser und kurzer Länge des Ferritkerns
• Verwendung mit Windungen im Kabel
• Je nach Anzahl der Windungen gute Impedanzeigenschaften erzielen

Weitere Informationen zu Ferritkerne

1. Material

Für Ferritkerne werden weichmagnetische Werkstoffe, so genannte Weichferrite, verwendet. Oxide von Übergangsmetallen wie Nickel, Eisen, Zink und Kupfer sind die wichtigsten Ausgangsstoffe. Die Zusammensetzung von Weichferriten erlaubt es, die magnetische Permeabilität zu variieren, sodass die Impedanz je nach dem Anteil des Hauptrohstoffs eingestellt werden kann.

Die Impedanz hat zwei Komponenten, nämlich Reaktanz und Widerstand. Bei Ferritkernen zur Rauschunterdrückung enthält die Materialzusammensetzung einen hohen Anteil an Widerstandskomponenten. Daher ist die Rauschunterdrückung effektiver bei der Ableitung der Energie des Rauschstroms in Form von Wärme aufgrund von Hystereseverlusten, verglichen mit der Wirkung eines Filters, das hohe Frequenzen abschneidet.

2. Rauschunterdrückungsleistung

Die Rauschunterdrückungsleistung eines Ferritkerns wird anhand seiner Impedanz bewertet. Die Impedanz wird durch die Materialeigenschaften, den Formfaktor und die Anzahl der Windungen bestimmt.

Die Materialeigenschaften werden durch die Zusammensetzung des Weichferrits bestimmt. Der Formfaktor ist die Querschnittsfläche des Ferritkerns geteilt durch die durchschnittliche magnetische Weglänge. Daher schneiden Ferritkerne mit einer großen Querschnittsfläche und einem kleinen Innendurchmesser im Allgemeinen besser ab. Um die Rauschunterdrückung zu erhöhen, ist es auch effektiv, das Kabel mehrmals um den Ferritkern zu wickeln.

Wenn ein Leiter jedoch mehr als einmal gewickelt wird, liegen der Anfang und das Ende der Wicklung nahe beieinander, wodurch Streukapazitäten zwischen ihnen entstehen. Diese Streukapazität verringert die Wirksamkeit von Gegenmaßnahmen gegen hochfrequente Komponenten, sodass es notwendig ist, das Kabel zu wickeln und dabei das Frequenzband im Auge zu behalten, für das eine Rauschunterdrückung gewünscht wird.

Was ist ein Klemmenblock?

Klemmenblöcke sind Klemmenreihen, die externe Leitungen mit internen Stromkreisen verbinden. Sie werden in Verteilertafeln und Schalttafeln verwendet. Sie werden auch Klemmleisten genannt.

Die Drähte werden mit Quetschkabelschuhen oder ähnlichem behandelt und an den Klemmenblöcken befestigt. Für Klemmenblöcke gibt es schraubbare und schraubenlose Ausführungen.

Auch zweistufige, öl- und chemikalienbeständige Typen sind erhältlich. Spannung und Durchgang können mit einem Prüfgerät an der Klemmenblöcke gemessen werden.

Anwendungen von Klemmenblöcken

Klemmenblöcke werden verwendet, um die internen Schaltkreise der Schalttafel mit der externen Verdrahtung zu verbinden. Klemmenblöcke werden in Verteilertafeln, Schalttafeln, Trennschaltern, Rauschfiltern, in der Luft- und Raumfahrt, in Relais und in der Steuerung von Klimaanlagen verwendet.

Je nach Anwendung kann man zwischen verschiedenen Arten von Klemmenblöcken wählen. So gibt es zum Beispiel spezielle Klemmenblöcke für Schnittstellen, die kompakt und komfortabel sind und eine große Anzahl von Klemmen aufweisen. Darüber hinaus gibt es anwendungsspezifische Klemmenblöcke für Erdung, Sicherunge, etc.

Funktionsweise der Klemmenblöcke

Klemmenblöcke werden in Leiterplatten und Komponenten wie Kunststoffträger unterteilt.

Leiterplatten sind Platten aus leitfähigem Material und dienen der Stromleitung zwischen den Drähten. Die Kunststoffträger sind Teile, die den Stromkreis isolieren, um Erdschlüsse zu verhindern.

Die Leiterplatte wird verwendet, indem die Drähte an die Leiterplatte angeschlossen werden, die mit Quetschklemmen abgeschlossen werden. Crimpkontakte können auch allein verwendet werden, es ist jedoch sicherer, sie mit markierten Röhrchen oder Isolierkappen vor Stromschlägen zu schützen.

Die Quetschkabelschuhe werden unter die Schrauben der Leiterplatte geklemmt. Der Strom kann durch die Leiterplatte geleitet werden. Im Allgemeinen sollten nicht mehr als drei Drähte auf eine Schraube geklemmt werden. Ziel ist es, einen erhöhten Übergangswiderstand zu vermeiden.

Achten Sie darauf, dass die Drähte nicht auf Anlagen oder Geräten aufliegen, um Stromschläge oder Erdungsfehler zu vermeiden. Prüfen Sie vor der Verwendung die Spezifikationen des Klemmenblocks, um sicherzustellen, dass Strom und Spannung innerhalb der zulässigen Grenzen liegen.

Schraubenlose Typen sind praktisch, da sie keine Klemmen benötigen und durch Abisolieren der Drähte und direktes Einstecken in die Klemmenblöcke verwendet werden können.

Harzträger sind auch in thermoplastischen und duroplastischen Harzen erhältlich, die sich in Bezug auf ihre Hitze- und Chemikalienbeständigkeit unterscheiden. Schrauben und leitende Platten sind aus Kupfer, Edelstahl, verchromt oder anderen leitenden Metallen, und viele Produkte sind RoHS-konform.

Arten von Klemmenblöcken

Neben der Klassifizierung der Anschlussarten gibt es auch praktische Klemmenblöcke mit verschiedenen Funktionen.

Herkömmliche Klemmenblöcke, bei denen die Klemmenanschlüsse intern verbunden sind, werden hauptsächlich für die Energieverteilung verwendet und sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, wie z. B. 10-polig, 20-polig, Steck- und Schraubanschlüsse, die je nach den Spezifikationen der Geräte ausgewählt werden.

Klemmenblöcke dienen der Umwandlung von Steckern verschiedener Normen in Klemmen. Die Steckverbinder werden an den Klemmenblöcken angeschlossen und die Drähte werden an die den Stiften des Steckverbinders entsprechenden Klemmen angeschlossen, so dass die Drähte ohne Löten angeschlossen werden können.

Es gibt eine Reihe von Steckverbindern, die verwendet werden können, und es sind Produkte erhältlich, die mit verschiedenen Steckverbindern wie D-Sub, MIL und FCN kompatibel sind. Klemmenanschlüsse sind auch als Schraubanschlüsse, Steckanschlüsse, etc. erhältlich.

Klemmenblöcke werden häufig für E/A-Anschlüsse zu SPS verwendet. Durch den Anschluss des E/A-Steckers der SPS an den Klemmenblock mit einem Kabel und die Verdrahtung der E/A an den Klemmenblock ist eine E/A-Anbindung an die SPS möglich, was den Arbeitsaufwand für die Verdrahtung reduziert.

Weitere Informationen zu Klemmenblöcken

Normen für Klemmenblöcke

Es gibt festgelegte Normen für Klemmenblöcke. In den Normen werden die Nennisolationsspannung, die kompatiblen Drähte und die Abmessungen, wie z. B. die Nenngröße der Schraube für den Draht, detailliert angegeben.

Außerdem werden verschiedene Leistungstests vorgeschrieben, darunter ein Temperaturtest zur Messung des Temperaturanstiegs bei Anlegen eines Prüfstroms, ein Isolationswiderstandstest, ein Wärmezyklustest und ein Festigkeitstest.

Die Prüfungen werden für einen Produkttyp oder für jedes Produkt festgelegt. Die Hersteller führen die Prüfungen gemäß den Normen durch, um die Funktionalität ihrer Produkte zu gewährleisten.

Bei der Verwendung im Ausland muss das Produkt den lokalen Normen entsprechen. Einige Hersteller vertreiben UL-genormte Produkte (US-Normen) und CE-genormte Produkte (EU-Zonen-Normen).

Was ist ein Kraftmessgeräte?

Ein Kraftmessgerät ist ein Instrument, das die Druck- oder Zugkraft misst, die auf ein zu messendes Objekt wirkt.

Es gibt zwei Arten von Kraftmessgeräten: analoge Kraftmessgeräte, die keine Stromversorgung benötigen, und digitale Kraftmessgeräte, die Werte genau ablesen können. Digitale Typen können zur Aufzeichnung und Analyse von Daten während der Messung und zum Anschluss an einen Computer oder andere Geräte verwendet werden.

Es gibt zwei Möglichkeiten der Messung: man hält das Kraftmessgerät in der Hand und zieht oder drückt es gegen das Messobjekt, oder man montiert es auf einem Stativ für Kraftmessgeräte.

Verwendungszwecke von Kraftmessgeräten

Kraftmessgeräte werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in Industriemaschinen, Behältern für gemischte Phasen, Lebensmitteln, Kleidung, Arzneimitteln und Sportartikeln. Sie werden eingesetzt, um die Qualität von Produkten zu gewährleisten und die physikalischen Eigenschaften der zu messenden Objekte zu untersuchen.

Spezifische Anwendungen von Kraftmessgeräten sind

• Messung der Zugfestigkeit von Bekleidungsknöpfen.
• Messung der Elastizität von Brot und Biskuitgebäck
• Messung der Quetschkraft von medizinischen Pinzetten
• Tests zur Bestimmung der Druck- und Zugfestigkeit

Zu den Werten, die mit einem Kraftmessgerät gemessen werden können, gehören

• Druckfestigkeit
• Zugfestigkeit
• Schälkraft
• Einschub- und Auszugskräfte
• Durchbiegungskraft
• Adhäsionskraft
• Reibungskraft (Reibungskoeffizient), usw.

Kraftmessgeräte müssen je nach Verwendungszweck nach ihrer Nennleistung, der entsprechenden physikalischen Größe und der Haltbarkeitsdauer ausgewählt werden.

Prinzip der Kraftmessgeräte

Kraftmessgeräte lassen sich in drei Typen unterteilen: analoge, digitale und Standgeräte.

1. Analoge Kraftmessgeräte

Analoge Kraftmessgeräte zeigen mechanisch die Auslenkung einer zu messenden Feder an. Sie werden mit einer Zahnstange zum Einhängen in das Messobjekt oder mit einem Werkzeug zum Drücken gegen das Messobjekt geliefert. Sie benötigen keine Stromversorgung und zeichnen sich dadurch aus, dass sie die Kraft leicht messen können.

2. Digitale Kraftmessgeräte

Digitale Kraftmessgeräte bestehen aus einer Kraftmesszelle zur Messung und einem Werkzeug zum Aufsetzen auf das Messobjekt. Das Messobjekt wird durch die Kraft verformt, und die Kraft wird durch Messung der Änderung des elektrischen Widerstands der Wägezelle aufgrund der Verformung erfasst.

Einige Modelle können die Daten zur Analyse auf einem PC speichern. Je nach dem zu messenden Objekt wird auch ein Typ verwendet, bei dem die Wägezelle von der Haupteinheit getrennt ist.

3. Kraftmessgeräte für den Standbetrieb

Bei dieser Methode wird ein Stativ verwendet, an dem ein Kraftmessgerät befestigt werden kann, um Elastizität und Bruchspannung genau zu messen. Einige Modelle von Kraftmessständern sind für Pendelprüfungen geeignet und können auch die Dauerfestigkeit messen.

Weitere Informationen über Kraftmessgeräte

1. Einheiten eines Kraftmessgeräts

Kraftmessgeräte zeigen die Messwerte in der SI-Einheit “Kraft”, “N” Newton, an. Je nach Kapazität des Kraftmessgeräts kann auch “mN” oder “kN” verwendet werden.

Vor der Durchsetzung der SI-Einheiten wurde “kgf” verwendet, aber aufgrund der Überarbeitung des Messgesetzes ist diese Einheit in Japan seit Oktober 1999 nicht mehr verfügbar.

2. Preis von kraftmessgeräten

Kraftmessgeräte des analogen Typs zeichnen sich durch ihre niedrigen Kosten, ihre geringe Bruchfestigkeit und die Tatsache aus, dass sie keine Stromversorgung benötigen, und sind ab etwa ¥ 30.000 erhältlich.　Modelle mit digitalem Ausgang können per Software an einen PC angeschlossen werden. Sie werden in Japan hergestellt und beginnen bei etwa 60.000 JPY, wobei einige Hochleistungsprodukte mehr als 100.000 JPY kosten.

Bei digitalen Kraftmessern mit einer Kraft von bis zu etwa 1 kN ist der Preisunterschied zwischen den Modellen hauptsächlich auf Unterschiede in der Funktionalität und nicht so sehr auf Unterschiede in der Kraft zurückzuführen. In den letzten Jahren wurden auch preiswerte ausländische Produkte im Internet angeboten.

Der Preis der Anbaugeräte variiert je nach Form des Modells, aber man kann sagen, dass viele von ihnen teurer sind, als sie aussehen, vielleicht wegen der geringen Produktionsmenge. Stative sind ab 50.000 JPY für manuelle Typen und ab 200.000 JPY für motorisierte Typen erhältlich.

3. Zusatzgeräte für Kraftmessgeräte

Kraftmessgeräte werden standardmäßig mit mehreren Messaufsätzen geliefert.　Dazu gehören ein Hakentyp für die Zugmessung, mehrere unterschiedlich geformte Druckvorrichtungen für Druckversuche und eine Verlängerungsstange zur Verlängerung des Arbeitspunkts.

Die mitgelieferten Aufsätze sind oft nicht für die Messanwendung geeignet. Vor allem bei der Zugmessung kann das Messobjekt nicht gegriffen werden, so dass Spannvorrichtungen wie Spannfutter, Schraubstöcke, Griffe usw. als Optionen für die jeweilige Messanwendung erhältlich sind. Bei der Auswahl werden die Form des Messobjekts, die Gleitfähigkeit der Oberfläche und die Belastbarkeit berücksichtigt.　

Für die Druckkraftmessung werden die Aufsätze nach der Form des Objekts, z. B. flach oder kugelförmig, der Größe der komprimierten Oberfläche und der Härte des Metalls oder Harzes ausgewählt. Aufsätze sind auch für spezielle Anwendungen wie Schälversuche, Reibungsmessungen und Dreipunkt-Biegeversuche erhältlich.

Was ist ein Vakuumöfen?

Ein Vakuumofen ist ein Ofen, in dem eine Wärmebehandlung im Vakuum durchgeführt werden kann.

Da das Objekt im Ofen im Vakuum erhitzt wird, kann die Oberfläche des Objekts bearbeitet werden, ohne dass es oxidiert. Die Entkohlung wird verhindert, und der Glanz von Edelstahl und anderen Werkstoffen kann nach der Wärmebehandlung erhalten bleiben.

Die hohe Oberflächenreinheit ermöglicht auch die Bearbeitung von sauberen Verbindungen verschiedener Metalle. Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens besteht darin, dass der Verzug aufgrund der allmählichen Abkühlung vom Erhitzen zum Abkühlen verringert werden kann.

Bei dieser Behandlungsmethode wird weniger Kohlendioxid freigesetzt, und die Schwankungen bei den Abmessungen und der Härte werden verringert. In einigen Fällen wird die Wärmebehandlung in einem Vakuumofen durchgeführt, der von Stickstoffgas durchströmt wird.

Einsatzbereiche von Vakuumöfen

Vakuumöfen werden hauptsächlich für die Verarbeitung von Metallen und Halbleitern eingesetzt. Nachfolgend einige Beispiele für den Einsatz von Vakuumöfen

• Abschrecken, Anlassen und Sintern von Metallen
• Hartlöten von Verdampfern, etc.
• Glühen

Weitere Beispiele für Produkte, die in Vakuumöfen hergestellt werden, sind

• Hochwertige Stähle für Hartmetallwerkzeuge
• Materialien für elektronische Produkte wie Magnete und Kondensatoren
• Automobil- und Industriemaschinenteile

Metalle mit besonderen Funktionsanforderungen werden in Vakuumöfen hergestellt. In Vakuumöfen behandelte Metalle zeichnen sich durch eine hohe Leuchtkraft aus, und Oberflächenoxidation und Verunreinigungen können reduziert werden.

Obwohl Vakuumöfen viele Vorteile bieten, haben sie auch den Nachteil hoher Wartungs- und Erstinstallationskosten.

Prinzip der Vakuumöfen

Vakuumöfen verwenden eine Kombination aus Ölkreiselpumpen und Turbomolekularpumpen, um die Luft im Ofen abzusaugen und ein hohes Vakuum aufrechtzuerhalten. Das Erhitzen in Abwesenheit von Sauerstoff im Hochvakuum verhindert die Oxidation.

1. Gefäßmaterial

Die Öfen bestehen in der Regel aus rostfreiem Stahl als Gefäßmaterial; sie können von 1.000 °C bis 2.300 °C beheizt werden und werden durch Metallheizer wie Wolfram, Molybdän oder Siliziumkarbid beheizt.

Es gibt auch kleinere Öfen, bei denen das Objekt in einem Rohrofen aus Aluminiumoxid oder Quarzglas erhitzt wird. Als Heizmaterial wird Kanthal-Draht verwendet, der auf Temperaturen zwischen 700 °C und 1.600 °C erhitzt werden kann.

2. Kühlverfahren

Zu den Kühlmethoden gehören natürliche Kühlung, Gaskühlung und Ölkühlung. Bei hohen Temperaturen wird auch eine Wasserkühlung mit einem doppelschichtigen Behälter verwendet. Hohe Temperaturen werden von außen mit einem Strahlungsthermometer gemessen.

Bei den Standard-Vakuumöfen werden Heizung und Kühlung in derselben Kammer durchgeführt, aber in den letzten Jahren wurden getrennte Kammern eingeführt, um die Arbeitseffizienz zu verbessern.

Aufbau von Vakuumöfen

In Vakuumöfen werden wärmebehandelte Teile durch drei Prozesse wärmebehandelt: Fördern, Erwärmen und Kühlen. Je nach Art und Zweck der wärmebehandelten Teile werden sie grob in zwei Arten von Strukturen unterteilt: Einkammer- und Mehrkammeröfen.

1. Ein-Kammer-Vakuumöfen

Bei den Einkammer-Vakuumöfen wird das Werkstück vom Bediener transportiert und in den Ofen gelegt und in einer einzigen Kammer erhitzt und abgekühlt. Da die Aufheiz- und Abkühlvorgänge in derselben Kammer stattfinden, muss der Ofen schnellen Temperaturunterschieden standhalten. Für den Heizer und die Strukturkomponenten werden hitzebeständige Edelstahl- und Kohlenstoffkomponenten verwendet.

Aufgrund ihres einfachen Aufbaus sind sie in einer breiten Palette von Größen erhältlich, von klein bis groß. Zur Kühlung wird eine natürliche Kühlung oder eine Inertgaskühlung mit Stickstoff usw. verwendet, um eine Verunreinigung des Ofeninneren und des wärmebehandelten Produkts zu vermeiden. Die Struktur des Kühlgasauslasses und der Rührventilator gewährleisten eine gleichmäßige und kontaminationsfreie Kühlung.

Er eignet sich daher für die Verarbeitung von Produkten, die empfindlich auf Oberflächenverunreinigungen oder Verformungen reagieren. Der Nachteil ist jedoch die geringe Produktivität, da das nächste wärmezubehandelnde Produkt erst nach Abschluss der vorhergehenden Behandlung beschickt werden kann.

2. Vakuumöfen mit mehreren Kammern

Ein Mehrkammer-Vakuumofen ist ein Vakuumofen mit einer Struktur, bei der die Förder-, Heiz- und Kühlprozesse in zwei oder mehr Kammern durchgeführt werden. Das Aufheizen und Abkühlen erfolgt grundsätzlich automatisch entsprechend den Einstellungen, sobald das Produkt in die Förderkammer eingeführt wird. Es ist möglich, die Temperatur in jeder Zone zu regeln oder mehrere Heizkammern für kleine Chargen mit gestaffelten Bearbeitungszeiten einzurichten.

Die oben genannten Innovationen können die Produktivität verbessern, was ein Merkmal dieses Systems ist. Da die Kühlung in einer separaten Kammer erfolgt, können flüssige Kältemittel mit hoher Kühlleistung, wie z. B. Öl, gewählt werden. Da die Kühlkammer nicht beheizt wird, kann eine hohe Kühlleistung beibehalten werden.

Selbst metallische Werkstoffe mit geringer Härtbarkeit, die empfindlich auf Abkühlungsgeschwindigkeiten reagieren, können gut funktionieren. Andererseits ist nach der Wärmebehandlung eine Reinigung erforderlich, da das behandelte Material durch das Kältemittel verunreinigt wird. Außerdem besteht aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit die Gefahr von Verformung und Rissbildung.

Weitere Informationen über Vakuumöfen

Kohlenstoffkomponenten in Vakuumöfen

Kohlenstoffkomponenten wie Kohlenstoffgraphit oder C/C-Verbundstoffe werden in Vakuumöfen verwendet. Sie werden in Heizelementen, Strukturmaterialien und Wärmebehandlungsvorrichtungen verwendet.

Kohlenstoffkomponenten sind sehr hitzebeständig und können Temperaturen von bis zu 3.000°C standhalten. Sie zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine geringe Verformung durch thermische Ermüdung und eine geringe Wärmekapazität aus.

wärmebehandelten Produkten. Der geringe Verformungswiderstand führt auch zu niedrigeren Betriebskosten. Die niedrige Wärmekapazität und der hohe Energiespareffekt haben den Vorteil, dass sie viele produktivitätssteigernde Effekte haben.

Ein Nachteil ist jedoch, dass sich der Kohlenstoff beim Erwärmen verflüchtigt, was zu einer Verunreinigung des Ofens und der zu wärmebehandelnden Teile führt. Auch das Kühlsystem ist auf eine reine Gaskühlung beschränkt.

Was ist eine Elektronische Lasten?

Eine elektronische Last ist ein Gerät, das mit dem zu prüfenden Gerät verbunden ist und als Lastwiderstand fungiert.

Früher wurde ein Widerstand an das zu prüfende Gerät angeschlossen und als Last verwendet, aber der Widerstand musste bei jeder Änderung des Widerstandswerts ersetzt werden. Der Vorteil elektronischer Lasten besteht darin, dass die Größe der Last beliebig eingestellt werden kann.

Außerdem kann ein externer Controller verwendet werden, um die Lasteinstellungen mit hoher Geschwindigkeit umzuschalten. Außerdem gibt es Funktionen wie den Konstantstrommodus, bei dem ein konstanter Strom vom Prüfling fließt, und den Konstantspannungsmodus, bei dem die Ausgangsspannung des Prüflings konstant gehalten wird, so dass sie sich für eine Vielzahl von Messungen und Prüfungen eignet.

Verwendungszwecke elektronischer Lasten

Elektronische Lasten werden für Leistungsbewertungsprüfungen und Produktinspektionen von elektronischen Schaltungen, Netzteilen und Batterien verwendet. Im Einzelnen sind die folgenden Anwendungen möglich

• Ansteuerbarkeit von Lasten in elektronischen Schaltungen
• Prüfung der Lastcharakteristik von Stromversorgungen
• Lade-/Entladeprüfung von Batterien

Da die Last durch ein externes Steuergerät gesteuert werden kann, kann sie auch zur Automatisierung von Prüfungen verwendet werden, z. B. durch Änderung der Lastbedingungen entsprechend dem Zweck.

Funktionen der elektronischen Lasten

Elektronische Lasten verfügen über eingebaute Verstärker aus Bipolartransistoren, FETs usw., die den in sie eingeleiteten Strom (Laststrom) steuern. Die charakteristischen Funktionen werden im Folgenden beschrieben.

1. Leistungsaufnahme/Umsetzungsmethode

Die Art der Leistungsaufnahme bzw. -umwandlung hängt von der Art der elektronischen Lasten ab.

Elektronische Lasten mit thermischer Umwandlung
Die in der elektronischen Last aufgenommene Leistung wird von den Halbleiterelementen, aus denen der Verstärker besteht, in Wärme umgewandelt. Dies ist scheinbar derselbe Effekt wie beim Stromfluss durch einen Widerstand, aber die Halbleiterelemente erzeugen Wärme, so dass ein Wärmeableitungsmechanismus erforderlich ist.

Elektronische Lasten mit Energierückgewinnung
Die in eine elektronische Last eingespeiste Leistung wird von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Der umgewandelte Strom wird in das Verteilernetz zurückgespeist, so dass der Stromverbrauch gering und die Wärmeabfuhr relativ einfach ist. Da jedoch die rückgewonnene elektrische Energie in das Stromnetz zurückgespeist wird, ist sie auf Umgebungen beschränkt, in denen ein netzgekoppelter Betrieb möglich ist.

2. Betriebsarten von Elektronischen Lasten

Elektronische Lasten sind im Allgemeinen in den folgenden vier Betriebsarten erhältlich, von denen die geeignetste je nach Prüfzweck ausgewählt wird

Konstantstrom-Modus
In dieser Betriebsart arbeitet die elektronische Last mit einem eingestellten konstanten Stromfluss, unabhängig von der Eingangsspannung der Last. Die elektronische Last wird so angepasst, dass der Laststrom auch dann konstant bleibt, wenn die Ausgangsspannung des zu prüfenden Geräts schwankt.

Konstanter Widerstandsmodus
In diesem Modus wird der eingestellte Widerstandswert wie ein Festwiderstand konstant gehalten. Er zeichnet sich dadurch aus, dass der eingestellte Widerstandswert außer während der Einschwingphase unmittelbar nach dem Einschalten beibehalten wird. Da der Laststrom linear mit der Eingangsspannung variiert, wird er für Kapazitätsprüfungen von Batterien und Akkus, Anlauftests von elektronischen Geräten usw. verwendet.

Modus Konstante Spannung
In diesem Modus wird die Ausgangsspannung des zu prüfenden Geräts auf einem konstanten Wert gehalten. Wenn die Ausgangsspannung des zu prüfenden Geräts schwankt, ändert die elektronische Last den Laststrom, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Dadurch bleibt die Ausgangsspannung des Prüflings konstant, obwohl der Laststrom schwankt.

Sie werden häufig für die Prüfung von Brennstoffzellen, Batterieladegeräten usw. verwendet. Bei der Prüfung von Batterieladegeräten kann das komplexe Verhalten der Batteriespannung auch mit elektronischen Lasten nachgebildet und geprüft werden.

Modus “Konstante Leistung”
In diesem Modus arbeitet die elektronische Last so, dass sie eine bestimmte Menge an Strom verbraucht. Zunächst wird die Spannung des Prüflings gemessen, aus dieser Spannung und dem eingestellten Leistungswert wird der Stromwert berechnet und der Strom entnommen.

Wie man eine elektronische Last auswählt

Bei der Entwicklung und Herstellung von Stromquellen wie Netzteilen und Batterien sind elektronische Lasten unverzichtbar, um die Leistung der einzelnen Geräte zu testen. Bei der Auswahl einer elektronischen Last sollten die folgenden Punkte berücksichtigt werden.

1. Leistungskapazität und Stehspannung

Handelt es sich bei dem zu prüfenden Gerät um ein Netzteil, sollte es grundsätzlich eine Leistungskapazität haben, die seine maximale Ausgangsleistung abdeckt. Außerdem ist es wichtig, dass die Spannungsfestigkeit höher ist als die Spannung, die tatsächlich angelegt werden kann.

2. Mindestspannungen, die elektronische Lasten aushalten können

Elektronische Lasten sind im Allgemeinen im unteren Spannungsbereich nur schwer einsetzbar, und die Mindestspannung, die eine elektronische Last verkraften kann, wird als Mindestbetriebsspannung bezeichnet. Wie bereits erwähnt, steuern elektronische Lasten den Strom, der durch einen Verstärker fließt, der aus bipolaren Transistoren oder FETs besteht. Wenn die Spannung unter der Spannung liegt, bei der der Verstärker arbeitet, funktioniert die elektronische Last nicht richtig.

Folglich kann der Strom nicht bei einer niedrigeren Spannung als einer bestimmten Spannung entnommen werden. Mit anderen Worten: Wenn die Spannung an beiden Enden der elektronischen Lasten niedriger ist als die Mindestbetriebsspannung, funktioniert sie nicht.

3. Umgebungstemperatur und Zeit

Bei elektronischen Lasten ist auf die Angaben zur Umgebungstemperatur zu achten, die die maximale Belastung gewährleisten. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass thermisch umgewandelte Elektronische Lasten nur bedingt bei hohen Temperaturen einsetzbar sind, da die Umgebungstemperatur durch ihre eigene Wärmeentwicklung ansteigt.

Darüber hinaus kann die Zeit, in der die Höchstlast aufrechterhalten werden kann, begrenzt sein, so dass es notwendig ist, die Beschreibungen im Katalog oder im Datenblatt vorab zu überprüfen.