Messgenauigkeit durch Signalaufbereitung sicherstellen

10-18-2011 | Kalibrierung

Von Jack Smith

Messgenauigkeit mit dem ProcessMeter Fluke 789 sicherstellen.

In einem Werk, das wichtige Komponenten für Luft- und Raumfahrtunternehmen herstellt, kalibriert ein Techniker das Steuerungssystem zur Sicherstellung exakter Temperaturen in den Öfen, in denen Metallteile während der Wärmebehandlungsprozesse gehärtet werden. In einem Werk, das Produkte der Unterhaltungselektronik herstellt, konfiguriert ein Versuchsingenieur ein Datenerfassungssystem, um während des Entwicklungsprozesses eine Reihe von Tests bei einem Prototypen durchzuführen. In einer petrochemischen Raffinerie führt ein Messtechniker eine Fehlersuche bei einer Prozesssteuerungsschleife durch, um einem intermittierendem Problem auf den Grund zu gehen.

So unterschiedlich die Branchen aus diesen Beispielen sind – die Fachleute haben mindestens eines gemeinsam. Techniker und Ingenieure, die mit Automatisierungs-, Instrumentierungs- sowie Steuerungsgeräten und -systemen umgehen, müssen sich tagtäglich mit Messproblemen auseinandersetzen. Sie wissen, dass Sensoren physikalische Eigenschaften physischer Umgebungen oder Prozesse in messbare elektrische Signale umwandeln. Ebenso gut wissen sie aber auch, dass die Signale auf dem Weg zum betreffenden Gerät oder System durch verschiedene Einflüsse beeinträchtigt werden können.

Techniker und Ingenieure wissen, dass es in der Industrie zumeist nicht sonderlich signalfreundlich zugeht. Erdschleifen und Rauschen können die Signalübertragung empfindlich stören. Manchmal sind Sensorsignale schwach oder müssen umgewandelt werden, manchmal kann ohne externe Stromquelle kein Signal erzeugt werden. Werden Techniker und Ingenieure mit Messproblemen konfrontiert, greifen sie oft auf die Möglichkeit der Signalaufbereitung zurück, um Messdaten zu erhalten, zu pflegen und qualitativ zu verbessern.

Hey! Mein Signal rauscht

Prozessindikatoren, Geräte zur Datenerfassung, SPS, Prozesssteuerungssysteme und alle anderen Messgeräte sind auf die richtigen Signale angewiesen – und zwar nur auf die Signale. Daher müssen die Signale „rein“ und frei von Störungen und Rauschen sein. Motoren, Antriebe mit variabler Frequenz, Schweißgeräte und Transienten, die durch die In- und Außerbetriebnahme von Geräten auftreten, können ein Rauschen verursachen. Dieses Rauschen kann die Signale auf ihrem Weg vom Sensor zum vorgesehenen Messgerät beeinträchtigen.

Bewährte Verfahren bei der Elektro- und Geräteverkabelung – etwa eine ordnungsgemäße Erdung und Abschirmung – können im Hinblick auf die Vermeidung unerwünschten Rauschens eine große Hilfe sein. Bei gut ausgelegten und installierten Systemen treten solche Rauschprobleme zwar seltener auf, doch diese Verbesserung reicht oft nicht aus. Für die Signale ist es ideal, wenn man genau weiß, wann, wo und wie die Signalaufbereitung helfen kann.

Anhand der Signalaufbereitung werden die benötigten Signale durch Isolierung oder Filterung vor unerwünschten Einflussfaktoren oder Auswirkungen geschützt. Mittels Isolierung tragen Signalaufbereitungsgeräte zur Minimierung der Störeffekte bei, die durch Erdschleifen oder Rauschen entstehen und die Messgenauigkeit beeinträchtigen können. Filter dienen zur Minimierung des Rauschens, indem Signale innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs unterdrückt, andere wiederum durchgelassen werden. So blockieren beispielsweise Tiefpassfilter, die in einer Reihe von Fluke-Digitalmultimetern und -Strommesszangen verbaut sind, auf effektive Weise Hochfrequenz-Rauschkomponenten – etwa von Antrieben mit variabler Frequenz – in Messsignalen.

Übersetzung von der Sensorsprache in die Messsprache

Im Ausland sind viele von uns darauf angewiesen, jemanden dabeizuhaben, der die jeweilige Landessprache beherrscht und als Dolmetscher fungiert. Gleiches gilt oftmals auch für Sensoren und die für die Verarbeitung der Sensorsignale zuständigen Geräte. Was die zulässigen Signaltypen angeht, sind viele Messgeräte und die damit verbundenen Systeme ziemlich penibel. Daher müssen die Sensorsignale übersetzt, also umgewandelt werden, ehe sie vom betreffenden Messgerät verarbeitet werden können.

Die Signalumwandlung ist eine andere Form der Signalaufbereitung. Es gibt verschiedene Arten der Signalumwandlung, darunter Verstärkung, Abschwächung, Linearisierung, Vergleichsstellenkompensation und Anregung. Bei einigen Messgeräten kommt es auf die Spannung, bei anderen auf die Stromstärke an. Beim Großteil dieser Geräte übersteigen die Anforderungen an das Signal die Möglichkeiten der meisten Sensoren.

Der „Klassiker“ – und in meinen Augen das Aushängeschild – im Bereich der Signalumwandlung sind weiterhin Thermoelemente. Diesen Status haben sich die Thermoelemente meines Erachtens verdient, da sie drei der fünf erwähnten Arten der Signalumwandlung voraussetzen: Verstärkung, Linearisierung und Vergleichsstellenkompensation.

Verstärkung: Thermoelemente erzeugen Spannungen im Millivoltbereich. Allerdings können einige der zugehörigen Temperaturmessgeräte nur bei 1 bis 5 V DC, 0 bis 10 V DC oder 4 bis 20 mA einwandfrei betrieben werden. Das Signal des Thermoelements ist nur bei entsprechender Verstärkung nützlich.

Linearisierung: Thermoelemente sind bekanntermaßen nicht-linear. Andere Sensoren wie Widerstandstemperaturfühler (RTDs), Dehnungsmesser und Beschleunigungsaufnehmer sind jedoch ebenfalls nicht-linear. Ein Sensor gilt als linear, wenn sich die Wertveränderung des erzeugten Signals unmittelbar proportional zur Wertveränderung in der gemessenen physischen Umgebung oder im gemessenen Prozess verhält. Wenn Sensoren jedoch Signale erzeugen, die sich nicht linear zu den physischen Messungen verhalten, ist eine Linearisierung notwendig.

Vergleichsstellenkompensation (auch als Kaltstellenkompensation bezeichnet): Die Verbindung zwischen dem Thermoelement und der Anschlussstelle des Messgeräts bildet eine weitere Übergangsstelle, die Vergleichs- oder Kaltstelle. Ohne Kompensation erzeugt die Vergleichsstelle einen Messfehler. Bei der Vergleichsstellenkompensation kommt jedoch ein temperaturempfindliches Gerät zum Einsatz, beispielsweise ein Thermistor oder eine Diode, um die erforderliche Korrektur zu simulieren und vorzunehmen.

Anregung: Einige Sensoren erzeugen weder Spannung noch Strom und müssen dementsprechend durch eine externe Spannungs- oder Stromquelle erregt werden. Beispiele für solche Sensoren sind Widerstandstemperaturfühler (RTDs), Thermistoren, Dehnungsmesser und Beschleunigungsaufnehmer.

Signale bei Laune halten

Wird die Möglichkeit der Signalaufbereitung in Messsystemen genutzt, benötigt jeder Sensor einen individuellen Signalaufbereiter auf der Basis des vom Sensortypen erzeugten Signals. Für die meisten Arten von Analogsignalen sind Signalaufbereitungsmodule und -geräte erhältlich. Die Ersatzteilbevorratung für jeden einzelnen Typen kann sich als kostspielig und mühselig erweisen.

Glücklicherweise sind inzwischen universelle Signalaufbereiter erhältlich. Mit ihnen werden die Signale von zahlreichen verschiedenen Sensortypen sowie von Steuereinheiten und anderen Geräten umgewandelt, isoliert und übertragen. Diese vielseitigen Signalaufbereiter können in der Regel Eingangssignale der folgenden Typen verarbeiten: Strom, Gleichspannung, Thermoelemente, RTD und Widerstand. Zu den typischen Ausgängen von Universal-Signalaufbereitern gehören Strom-, Gleichspannungs- und programmierbare Relaisausgänge.

Stromschleifenkalibrator Fluke 705
Stromschleifenkalibrator Fluke 705
Milliampere-Prozess-Strommesszange Fluke 771
Milliampere-Prozess-Strommesszange Fluke 771
Stromschleifenkalibrator Fluke 707
Stromschleifenkalibrator Fluke 707
ProcessMeter Fluke 789
ProcessMeter Fluke 789

Techniker und Ingenieure, die mit Automatisierungs-, Instrumentierungs- sowie Steuerungsgeräten und -systemen umgehen, verbessern mithilfe der Signalaufbereitung die Messgenauigkeit und die Leistung der Steuerungssysteme durch Optimieren der Prozesssensorsignale. Diese Steuerungssysteme müssen jedoch ebenfalls ordnungsgemäß gewartet und regelmäßig kalibriert werden. Erfreulicherweise helfen Fluke-Geräte wie das ProcessMeter Fluke 789, die Stromschleifenkalibratoren Fluke 705und Fluke 707sowie die Milliampere-Prozess-Strommesszange Fluke 771, die Verlässlichkeit, Genauigkeit und Sicherheit von Prozessmess- und -steuerungssystemen zu gewährleisten.

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Bis zum nächsten Mal bleiben Sie weiter auf „festem Boden“ stehen.

In Sachen Technik: Über Erdschleifen und Rauschen

Erdschleifen und Rauschen können Messsignale empfindlich stören. Bei der Erdung geht es darum, ein definiertes Bezugspotenzial (Erdpotenzial) oder einen Potenzialausgleich herzustellen. Zu einer Erdschleife kommt es, wenn bei einem einzelnen Steuersignal zwischen zwei Geräten unterschiedliche Potenziale bestehen, sodass ein Ausgleichsstrom von einem Gerät zum anderen fließt.

Durch diesen Unterschied beim Erdpotenzial kann in unvorhersehbarer Menge zusätzlicher Strom in der Schleife erzeugt werden. Da dieser Strom nicht zum gewünschten Signal gehört, verzerrt er das Signal und die Messung. Signalaufbereitungsgeräte stellen die reibungslose Signalübertragung sicher, indem der Fluss des Erdschleifenstroms unterbrochen wird.

Industriegeräte erzeugen ein elektrisches Rauschen, das die Messsignale beeinträchtigen kann. Gegentaktrauschen tritt typischerweise in Wechselstromkreisen zwischen dem neutralen und dem stromführenden Kabel auf. Gleichtaktrauschen entsteht zwischen dem neutralen Kabel und dem Erdungskabel, kann aber auch zwischen dem stromführenden Kabel und dem Erdungskabel auftreten.

Zwar kann das Gegentaktrauschen außerdem bei Messungen in Gleichstromkreisen entstehen, doch das Gleichtaktrauschen tritt insgesamt häufiger auf und verursacht die meisten Messfehler. Durch Isolieren des Signals kann jedoch dafür gesorgt werden, dass sich das Rauschen nicht negativ auf die Messgenauigkeit auswirkt.