Signalkonditionierung
Völker, trennt die Signale
In industriellen Mess- und Regelsystemen gehört die Signaltrennung zu den entscheidenden Faktoren für die Zuverlässigkeit und die Betriebssicherheit. Das erfordert ausgefeilte technische Maßnahmen.
Um Prozesse zuverlässig beobachten und steuern zu können, müssen deren Eigenschaften oder Zustände durch gemessene Signale exakt erfasst werden. Das Messsystem selbst muss vor äußeren Einflüssen und Zerstörung geschützt sein. Doch in industrieller Umgebung werden unterschiedliche Signale erfasst, deren Integrität durch äußere Einflüsse permanent gefährdet ist (Bild 1). Dort kommt es immer wieder zu Problemen und Gefährdungen, die mit Techniken der Signaltrennung wenn nicht ganz verhindert so doch zumindest deutlich reduziert werden können.
Die Relevanz der Signaltrennung wird deutlich, wenn man die Umgebungen betrachtet, in denen die meisten Mess- und Regelsysteme eingesetzt werden. Dies sind zum Beispiel große Fabriken, schwere Maschinen oder Fertigungsstraßen. In so einer Umgebung bedrohen eine Vielzahl von Einflüssen die Signalintegrität. Selbst die Zerstörung empfindlicher Sensorelemente muss als potenzielles Risiko in Betracht gezogen werden. Zur Abwendung von Gefahren muss eine Anlage im Fehlerfall automatisch einen sicheren Zustand einnehmen.
Berufsrisiken
Die häufigsten Einflüsse auf die Signalverarbeitung in industriellen Umgebungen sind:
- Kurzzeitige Überspannungen: Infolge Blitzeinschlag, Stromausfall oder ausgelöste Schutzschalter können durch Induktion entstandene Spannungsspitzen auf die Leitungsführung einwirken.
- Masseschleifen: Werden Sensoren im Feld oder in großflächig verteilten Messsystemen verwendet, können Differenzen in den Massepotenzialen Stromflüsse induzieren, die in der Folge zu Fehlern im Samplingprozess und schlimmstenfalls zur Zerstörung der Hardware führen.
- Gleichtaktspannungen: Wirken elektrische Felder auf Messleitungen ein, kann bei geschickter Planung die Auswirkung reduziert (verdrillte Leitungen) oder bei der Übertragung als Differenzsignal herausgerechnet werden (Differenzverstärker).
Einige der oben genannten Störfaktoren lassen sich abmildern. Induktionsspannungen zum Beispiel lassen sich durch räumlich getrennte Verkabelung von Versorgungsleitungen und Messleitungen reduzieren. Die gänzliche Beseitigung der Einflüsse durch derartige Maßnahmen ist jedoch schwierig.
Die in den Messsystemen verbauten elektronischen Elemente sind nicht für hohe Spannungen ausgelegt, wie sie in industriellen Anlagen auftreten können. Gerade für diese besonders kostenintensiven Einheiten besteht das latente Risiko der Zerstörung durch Überspannung. Die Minimierung dieses Risikos führt folglich auch zu einer Reduzierung der Betriebskosten, insbesondere für Reparaturen und Stillstandszeiten als Folge von Systemausfällen.
Signaltrennung bedeutet, die Messsignale aus dem Feld elektrisch und physisch vom Regelsystem zu trennen und gleichzeitig die Interaktion zwischen Datenerfassung und Regelung aufrecht zu erhalten. Aufgrund dieser Entkopplung ist es möglich, mit unterschiedlichen Spannungspegeln und Massepotenzialen innerhalb eines Messsystems zu arbeiten. Während auf der Messseite hohe Spannungen anliegen, bleibt auf der anderen Seite der Isolationsbarriere das empfindliche Messsystem selbst vor den potenziell gefährlichen Spannungen und Spannungsspitzen geschützt.
Trennverfahren
Normalerweise wird die elektrische Isolation (galvanische Trennung) mit einer der folgenden gängigen Methoden erreicht (Bild 2).
- Induktiv: Ein Trenntransformator, überträgt das Signal mit zwei Wicklungen auf einem ferromagnetischen Kern.
- Optisch: Ein Optokoppler besteht aus einer Lichtquelle und einem Lichtsensor. Das elektrische Signal wird in ein Lichtsignal gewandelt, an den Lichtsensor übertragen und anschließend wieder in ein elektrisches Signal gewandelt. Mittlerweile werden vermehrt auch Glasfaserleitungen für die optische Übertragung eingesetzt.
- Kondensator: Bei der kapazitiven Kopplung, auch AC-Kopplung genannt, wird für die Signalübertragung das elektrische Feld zwischen Kondensatorplatten verwendet. Darüber hinaus kommen für die entkoppelte Datenübertragung heute auch Funktechniken wie WLAN, Bluetooth oder ZigBee infrage. Bei allen sonstigen Vorteilen der Signaltrennung in Mess- und Regelsystemen bleibt der Schutz der elektrisch sensiblen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Doch auch die weiteren Vorteile sollen nicht unbeachtet bleiben:
- Eliminieren von Masseschleifen: Als Ergebnis der elektrischen Trennung verbindet die Masse oder Erde nicht mehr beide Seiten des Messsystems. Damit wird die Entstehung von Masseschleifen durch unterschiedliche Massepotenziale verhindert und so eine typische Fehlerquelle für Messsignale ausgeschaltet, ebenso wie das Risiko der Zerstörung von elektronischen Komponenten.
- Gleichtaktunterdrückung (CRM, Common Mode Voltage Rejection): Hohe Gleichtaktspannungen lassen sich unterdrücken, ohne die eigentlichen Prozessinformationen zu verlieren. Differenzverstärker oder Operationsverstärker verhindern die Übertragung hoher Signalspannungen in die Datenerfassungselektronik.
Bei den meisten Einrichtungen zur Signaltrennung wird die Art der Isolierung unterschieden in:
- Channel-to-Bus: Die Isolation separiert jeden Kanal auf der Feldseite der Barriere von der Elektronik auf der Systemseite. Die Kanäle untereinander sind nicht getrennt.
- Channel-to-Channel: Die Isolation separiert die Kanäle sowohl voneinander als auch vom Bus.
Konditioniere und teile
Dataforth (Vertrieb: Acceed) entwickelt und fertigt isolierte Signalkonditionierungsmodule und deckt damit ein breites Anwendungsspektrum von Sensorschnittstellen ab. Durch die Kombination von Signalkonditionierung und Signaltrennung entsteht bei Verwendung der Module nur sehr geringes Rauschen und es verbleibt geringe Restwelligkeit bei höchster Störsignalunterdrückung (CRM). Die empfindliche Datenerfassungselektronik wird geschützt und die Signalintegrität bleibt in hohem Maß erhalten. Technisch gibt es drei Varianten der Signaltrennung:
- 2-Wege-Trennung: Signalweg und Spannungsversorgung.
- 3-Wege-Trennung: Signalweg, Spannungsversorgung und Spannungsversorgung der Computer-Seite.
- 4-Wege-Trennung: Signalweg, Spannungsversorgung, Spannungsversorgung der Computer-Seite und Spannungsversorgung der Sensorik
Alle Signalkonditionierungsmodule und Datenerfassungssysteme von Dataforth arbeiten mit einer sicheren Isolationsstärke. Die Wahl der minimal erforderlichen Isolationsstärke ist entscheidend für den Schutz und die Sicherheit der Messausrüstung. Die optische oder magnetische Signaltrennung ist integraler Bestandteil aller Module. Darüber hinaus werden die Signale als Vorbereitung auf die nächsten Schritte im Datenerfassungsprozess konditioniert.
Über den Autor:
Dr. Werner Kunze ist Geschäftsführer von Acceed.
| Was bedeutet Sginalkonditionierung? |
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Auf eine Digitalisierung gilt es die meisten Analogsignale erst noch vorzubereiten. Signale eines Thermoelements z. B. sind sehr schwach und müssen daher verstärkt werden. Andere Sensoren, wie Widerstandstemperaturmesser (RTDs), Thermistoren, Dehnungsmessstreifen und Beschleunigungssensoren, benötigen einen Erregerstrom. Alle diese vorbereitenden Maßnahmen sind Formen der Signalkonditionierung. Die besten Messungen lassen sich erzielen, wenn die Anforderungen an die Signalkonditionierung für jeden Messtyp bekannt sind. Ausgehend von den Sensoren, die für die Ausführung einer Anwendung erforderlich sind, muss der Anwender bestimmte Arten der Signalkonditionierung betrachten, um sich der bestmöglichen Messung sicher zu sein. Ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung eines jeden neuen Messsystems mit Signalkonditionierung ist der, dass einige der zum Erfolg beitragenden Variablen sich direkt auf die Konditionierungsschaltungen beziehen, während andere praktischer ausgerichtet sind und sich auf die Implementierung, die Systemintegration und die Wartung des Entwurfs beziehen. Bei der Entscheidung darüber, ob ein eigenes Signalkonditionierungssystem erstellt und eingebunden oder eine integrierte Signalkonditionierungslösung erworben werden soll, gilt es die Anwendungsanforderungen, die verfügbaren Ressourcen und wichtige Überlegungen zur zukünftigen Weiterentwicklung zu evaluieren. Ein Signalkonditionierungssystem sollte als eine Plattform betrachtet werden, welche die Messfunktionen eines Datenerfassungssystems definiert. Dank der breiten Palette kommerziell verfügbarer Konditionierungstechniken muss heute keine Zeit für eine maßgeschneiderte Konditionierung aufgewendet werden. |
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