Mess- und Regelsysteme Warum ist Signaltrennung so wichtig?

Datenerfassungs-System MAQ20 von Dataforth
Datenerfassungssystem MAQ20 von Dataforth

In industrieller Umgebung werden Signale erfasst, deren Integrität durch äußere Einflüsse oft gefährdet ist. Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit leiden darunter. Verschiedene Techniken der Signaltrennung reduzieren die Probleme und Gefährdungen.

Mess- und Regelsysteme werden z. B. in große Fabriken, bei schweren Maschinen oder in Fertigungsstraßen eingesetzt. In diesen Umgebungen wird die Signalintegrität durch viele unterschiedliche Einflüsse gestört. Bei auftretenden Fehlern ist die Minimalanforderung an die Anlage, automatisch einen sicheren Zustand herzustellen und zu gewährleisten.

Häufige Einflüsse auf die Signalverarbeitung in industrieller Umgebung:

  • Kurzzeitige Überspannungen: Ausgelöst durch Blitzeinschläge, Stromausfälle oder Schutzschalter. Spannungsspitzen wirken durch Induktion auf die Leitungsführung ein.
  • Masseschleifen: Sensoren im elektrischen Feld oder in großflächig verteilten Messsystemen können durch Differenzen in den Massepotenzialen Stromflüsse induzieren, die in der Folge zu Fehlern im Sampling-Prozess der Signale oder zur Zerstörung der Hardware führen.
  • Gleichtaktspannungen: Wenn elektrische Felder auf die Messleitungen einwirken, kann bei entsprechender Planung die Wirkung reduziert (verdrillte Leitungen) oder bei Übertragung als Differenzsignal herausgerechnet werden (Differenzverstärker).

Störfaktoren reduzieren

Induktionsspannungen lassen sich z. B. durch eine räumliche Trennung der Verkabelung von Versorgungs- und Messleitungen reduzieren. Die äußeren Einflüsse durch derartige Maßnahmen jedoch vollständig zu beseitigen ist schwierig.

Die elektronischen Bauelemente der Messsysteme sind nicht für hohe Spannungen ausgelegt. Hohe Spannungen sind in industriellen Anlagen aber keine Seltenheit. Für die angesprochenen Bauelemente besteht deshalb ein latentes Risiko durch Überspannungen zerstört zu werden.

Was ist Signaltrennung?

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.

Damit ist es möglich, mit unterschiedlichen Spannungspegeln und Massepotenzialen innerhalb eines Messsystems zu arbeiten. Während auf der Messseite hohe Spannungen anliegen können, bleibt auf der anderen Seite der Isolationsbarriere das empfindliche Messsystem selbst vor den potenziell gefährlichen Spannungen und Spannungsspitzen geschützt.

Elektrische Isolation - aber wie?

Gängige Methoden um die elektrische Isolation zu erreichen:

  • Induktiv: Ein Trenntransformator überträgt das Signal mittels Spulen um einen ferromagnetischen Kern.
  • Optisch: Ein Optokoppler arbeitet mit einer Lichtquelle und einem Lichtsensor. Das elektrische Signal wird in ein Lichtsignal transformiert, an den Lichtsensor übertragen und anschließend wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. Mittlerweile werden vermehrt auch Glasfaserleitungen für die optische Übertragung eingesetzt.
  • Kondensator: Als Signalübertragung dient bei der kapazitiven Kopplung (auch AC-Kopplung) das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten.
  • Darüber hinaus werden für die entkoppelte Datenübertragung heute auch Funktechniken wie WLAN, Bluetooth oder ZigBee eingesetzt.