Prozess- und Steuerungsgrößen erfassen Feldtransmitter für mehrere Sensoren

Industrielle Automatisierung und Prozesssteuerung verlangt häufig nach präziser Erfassung zahlreicher Prozess- oder Steuerungsgrößen. Embedded Mikrocontroller mit mehrkanaligen A/D-Wandlern lösen die Aufgabe zeitgemäß.

Die überwiegende Mehrzahl industrieller Automatisierungs- und Sensorlösungen basiert nach wie vor auf dem Konzept der Stromschleife. Einfache Anwendung, zuverlässige Datenübertragung über große Distanzen, geringe Störempfindlichkeit und niedrige Kosten machen dieses Konzept sehr beliebt. Die Stromschleife dient einerseits der Stromversorgung des Systems und fungiert andererseits als Kommunikationsweg zwischen Sensor und Gateway. Im konkreten Fall enthält das System eine spannungsgesteuerte Stromquelle, die den Schleifenstrom gemäß dem vom Sensor ausgegebenen Signal moduliert. Der modulierte Strom variiert üblicherweise zwischen 4 mA und 20 mA, wobei der minimale Wert des Sensorwertebereichs mit 4 mA signalisiert wird, der Maximalwert mit 20 mA. Der lineare Bereich zwischen diesen Endwerten repräsentiert die dazwischen liegenden Ausgangssignale des Sensors.

Bild 1 zeigt eine typische Konfiguration der spannungsgesteuerten Stromquelle. Den Strom in der Schleife definiert der Stromteiler R6/R7 und der durch R5 fließende Referenzstrom. Da die Kommunikationsschleife auf einem Strom beruht, wird die Genauigkeit des Signals nicht durch Spannungsabfälle entlang der Übertragungsleitung gestört. Die Entfernung zwischen Messwertgeber und Empfänger darf deshalb bis zu einigen tausend Metern betragen. In diesem Fall ist nicht der Transmitter die Stromquelle, sondern der Strom wird aus einer externen Spannungsquelle bezogen, die an seine Ausgänge angeschlossen ist. Hieraus resultiert ein weiterer Vorteil: Die Kommunikationsschleife übernimmt auch die Stromversorgung des Transmitters. Da der kleinste zulässige Messwert von 4 mA Stromfluss repräsentiert wird, muss die Stromaufnahme des gesamten Transmitters unterhalb dieses Werts liegen (typisch unter 3,5 mA). Auf diese Weise ist noch Spielraum für Alarm-Low-Messwerte vorhanden.

Stromschleifen

Ein Stromschleifentransmitter besteht aus einem Sensor, einer Sensorschnittstelle, aus einem Mikrocontroller und einer spannungsgesteuerten Stromquelle (oder einem D/A-Wandler mit Stromausgang). Bild 2 zeigt die Blockschaltung eines typischen Transmitters. Im Fall der MCU-Familie MSP430i20xx (siehe auch Textkasten) lässt sich das Sensorsignal mithilfe der differenziellen Eingänge der 24-bit-Sigma-Delta-ADCs direkt erfassen. Die Vorspannung des Stromtreibers für die spannungsgesteuerte Stromquelle lässt sich mithilfe eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) realisieren, für das die einschlägigen Tastverhältnis- und Filter-Anforderungen gelten. Mit dem 16-bit-Timermodul lässt sich ein einstellbares PWM-Signal mit einer theoretischen Genauigkeit von bis zu 16 bit erzeugen. Dieses Ausgangssignal mit variablem Tastverhältnis kann anschließend einem Tiefpassfilter zugeführt werden, das so bemessen ist, dass an seinem Ausgang nur eine Gleichspannung liegen kann. Um Monotonie der Ausgangsspannung zu gewährleisten, ist die Eckfrequenz des Filters kleiner als die Frequenz des PWM-Signals.

Der Transmitter kann als Zweidrahtkonfiguration ausgeführt sein und über die Stromschleife gespeist werden. Eine andere Möglichkeit ist die Versorgung über eine separate Leitung, die in keinem direkten Zusammenhang mit der 4...20-mA-Stromschleife steht. Im letzteren Fall wird eine Drei- oder Vierdraht-Lösung gewählt. In beiden Fällen setzt ein Low-Dropout-Regler (LDO) die Spannung der Stromschleife auf die Spannung zur Versorgung des Transmitters herab. Bild 3 zeigt eine Zweidraht- und eine Dreidrahtlösung.

Sensorschnittstelle

In vielen fortschrittlichen Segmenten des industriellen Markts kommen leistungsfähige, mehrkanalige Datenerfassungssysteme zum Einsatz, die Informationen präziser industrieller Sensoren nahezu in Echtzeit verarbeiten. Typische Beispiele sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Leistungsmesser und Überwachungssysteme, Vibrations- und Wellenformanalysen, Mess- und Steuerungssysteme sowie Datenerfassungssysteme zur Messung von Größen aus der realen Umgebung (Temperatur, Druck, Lichtintensität, Durchflussrate, Kraft usw.). Der differenzielle Eingang des chipintegrierten PGA ermöglicht, unmittelbar angeschlossen an den 24-bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler, eine direkte und hochpräzise Erfassung des Sensorsignals. Die Sensoren beruhen außerdem auf Sigma-Delta-Modulatoren zweiter Ordnung und digitalen Dezimationsfiltern.

Bei letzteren handelt es sich um SINC3-Kammfilter mit einem wählbaren Oversamplingverhältnis bis zu 256. In den MCUs der MSP430i20xx-Baureihe sind bis zu vier unabhängige 24-bit-Sigma-Delta-A/D- Wandler verfügbar, sodass sich bis zu vier Sensorschnittstellen implementieren lassen. Damit ist die gleichzeitige Erfassung mehrerer Automatisierungs- oder Prozessgrößen möglich. Jeder der Kanäle nimmt während einer Umwandlung durchschnittlich nur 200 µA Strom auf, während es bei anderen Lösungen typisch zwischen 0,5 mA und 1,0 mA pro Kanal sind. Die geringe Stromaufnahme pro Kanal erlaubt bei den MSP430i20xx-MCUs eine simultane Abtastung der Sensoren auch dann, wenn das knappe Strombudget einer per Stromschleife gespeisten Architektur eingehalten werden muss.

Die Tabelle vergleicht statische und dynamische Kenndaten des vierkanaligen 24-bit-Moduls SD24 der MCU-Familie MSP430i20xx. Wie man sieht, beträgt die DC-Performance des SD24 bei der Mehrzahl der PGA-Verstärkungseinstellungen mehr als 16 effektive Bit. Dies reicht in einer 4...20-mA-Stromschleifen-Anwendung für eine Toleranz von mehr als 0,5 µA. Weitere Prüfdaten zeigt Bild 4.

ParameterPGA-VerstärkungUccTypischer WertEinheit
SINAD1
2
4
8
16
3 V89
89
87
83
77
dB
DC ENOB (Interner Widerstand)1
2
4
8
16
3 V16.71
16.58
16.71
16.09
15.03
bit
DC ENOB (Externer Widerstand)1
2
4
8
16
3 V16.07
16.07
16.00
15.64
15.14
bit

 

Tabelle: Vergleich der statischen und dynamischen Kenndaten des vierkanaligen 24-bit-A/D-Wandler-Moduls SD24 der MSP430i20xx-Bausteine.