Obwohl Mikroprozessoren und digitale Netzwerktechnologien die Art und Weise, wie moderne Datenerfassungssysteme Daten verarbeiten, grundlegend verändert haben, werden viele Labor- und Fertigungsinformationen nach wie vor auf „altmodische” Weise über analoge elektrische Signale übertragen. Ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise der analogen Signalübertragung muss zunächst mit einer Erörterung der elektrischen Grundlagen beginnen.
Um zu verstehen, wie ein analoges Signal über eine Schaltung übertragen wird, ist es zunächst wichtig, die Zusammenhänge zu verstehen, die die analoge Signalübertragung ermöglichen. Es ist der grundlegende Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und elektrischem Widerstand (Abbildung 3-1), der es ermöglicht, dass entweder ein kontinuierlich variierender Strom oder eine kontinuierlich variierende Spannung eine kontinuierliche Prozessvariable darstellt.
Während der Ladungsfluss der elektrische Strom ist, ist die Spannung die Arbeit, die beim Bewegen einer Ladungseinheit (1 Coulomb) von einem Punkt zu einem anderen verrichtet wird. Die Einheit der Spannung wird oft als Potentialdifferenz oder Volt (V) bezeichnet. Die Einheit des internationalen Einheitensystems (SI) für den elektrischen Strom ist das Ampere (A), definiert als ein Coulomb pro Sekunde (c/s).
Eine Signalquelle mit einer Spannung V bewirkt, dass ein Strom I durch einen Widerstand R fließt. Das Ohmsche Gesetz, das vom deutschen Physiker Georg Simon Ohm (1787–1854) formuliert wurde, definiert die Beziehung:
V=IR
While most single-channel analog signal transmissions use direct current (dc) variations in current or voltage to represent a data value, frequency variations of an alternating current (ac) also can be used to communicate information. In the early 19th century, Jean Baptiste Joseph Fourier, a French mathematician and physicist, discovered that ac signals could be defined in terms of sine waves. A sine wave is described by three quantities: amplitude, period, and frequency. The amplitude is the peak value of the wave in either the positive or negative direction, the period is the time it takes to complete one cycle of the wave, and the frequency is the number of complete cycles per unit of time (the reciprocal of the period).
Analog Signal Types
Während die meisten einkanaligen analogen Signalübertragungen Gleichstromschwankungen (DC) in Strom oder Spannung verwenden, um einen Datenwert darzustellen, können auch Frequenzschwankungen eines Wechselstroms (AC) zur Übertragung von Informationen verwendet werden. Im frühen 19. Jahrhundert entdeckte der französische Mathematiker und Physiker Jean Baptiste Joseph Fourier, dass Wechselstromsignale anhand von Sinuswellen definiert werden können. Eine Sinuswelle wird durch drei Größen beschrieben: Amplitude, Periode und Frequenz. Die Amplitude ist der Spitzenwert der Welle in positiver oder negativer Richtung, die Periode ist die Zeit, die eine Welle benötigt, um einen Zyklus zu vollenden, und die Frequenz ist die Anzahl der vollständigen Zyklen pro Zeiteinheit (der Kehrwert der Periode).
Transduktion ist der Prozess der Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere. Ein Wandler ist daher ein Gerät, das physikalische Energie in ein elektrisches Spannungs- oder Stromsignal zur Übertragung umwandelt. Es gibt viele verschiedene Arten von analogen elektrischen Wandlern. Zu den gängigen Wandlern gehören Wägezellen zur Messung der Dehnung über den Widerstand sowie Thermoelemente und Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) zur Messung der Temperatur über die Spannungs- bzw. Widerstandsmessung. Übertragungskanäle können Drähte oder Koaxialkabel sein.
Bildunterschrift Titel
Für eine rauschunempfindliche Übertragung über große Entfernungen wird das Rohsignal des Messumformers häufig durch einen zweidrahtigen, schleifengespeisten Transmitter in ein 4-20-mA-Signal umgewandelt. Der untere Wert des Messbereichs einer Prozessvariablen, beispielsweise einer Temperatur, wird in der Regel mit 4 mA angegeben, wodurch sich ein Ausfall des Transmitters (0 mA) leicht von einem gültigen Signal unterscheiden lässt. Bei einer hochwertigen Stromquelle sind Stromschleifen in der Regel weniger empfindlich gegenüber Störsignalen durch elektromagnetische Interferenzen als spannungsbasierte Signale.
Rauschen und Erdung
Bei der Übertragung analoger Signale in einer Prozessanlage oder Fabrikhalle ist der Schutz der Datenintegrität eine der wichtigsten Anforderungen. Wenn ein Datenerfassungssystem jedoch analoge Signale mit niedrigem Pegel über Kabel überträgt, ist eine gewisse Signalverschlechterung aufgrund von Rauschen und elektrischen Störungen unvermeidlich. Rauschen und Signalverschlechterung sind zwei grundlegende Probleme bei der analogen Signalübertragung.
Rauschen wird als jedes unerwünschte elektrische oder magnetische Phänomen definiert, das ein Nachrichtensignal verfälscht. Rauschen kann anhand seiner Quelle in zwei große Kategorien unterteilt werden: internes Rauschen und externes Rauschen. Während internes Rauschen von Komponenten erzeugt wird, die mit dem Signal selbst in Verbindung stehen, entsteht externes Rauschen, wenn natürliche oder künstliche elektrische oder magnetische Phänomene das Signal während der Übertragung beeinflussen. Rauschen schränkt die Fähigkeit ein, die gesendete Nachricht korrekt zu identifizieren, und beeinträchtigt somit die Informationsübertragung. Zu den Ursachen für internes und externes Rauschen gehören unter anderem:
Elektromagnetische Störungen (EMI) Hochfrequenzstörungen (RFI) Leckagepfade an den Eingangsanschlüssen Turbulente Signale von anderen Instrumenten Aufnahme elektrischer Ladungen aus Stromquellen Schalten von Hochstromlasten in nahe gelegenen Leitungen Eigenerwärmung aufgrund von Widerstandsänderungen Lichtbögen Blitzeinschläge Elektromotoren Hochfrequente Transienten und Impulse, die in das Gerät gelangen Unsachgemäße Verkabelung und Installation Signalumwandlungsfehler; und Unkontrollierbare Prozessstörungen.
Signalleitungen können zwei Arten von externen Störungen aufnehmen: Gleichtakt- und Gegentaktstörungen. Normalmodusstörungen gelangen als Differenzspannung in den Signalweg und können nicht vom Wandlersignal unterschieden werden. Rauschen, das auf beiden Leitungen vom Boden aufgenommen wird, wird als Gleichtaktstörung bezeichnet.
Bildunterschrift Titel Typische Messbereiche für Datensignale und Rauschen sind in Abbildung 3-3 dargestellt. Ob das Rauschen die ordnungsgemäße Leistung des Systems beeinträchtigt, hängt vom Verhältnis der Gesamtsignalleistung zum Gesamtrauschpegel ab. Dies wird als Signal-Rausch-Verhältnis bezeichnet. Ist die Signalleistung im Vergleich zum Rauschsignal groß, kann das Rauschen oft ignoriert werden. Bei Fernsignalen mit begrenzter Signalleistung kann das Rauschen jedoch das Signal vollständig stören.
Stromgesteuerte Geräte haben sich in Verarbeitungsanlagen mit einem üblichen Messbereich von 4–20 mA am weitesten durchgesetzt. Niedrige Stromsignale sind nicht nur sicher, sondern auch weniger störanfällig als Spannungssignale. Wenn bei der Übertragung des Signals von einer Stromquelle ein Strom magnetisch in die Verbindungsdrähte gekoppelt wird, führt dies zu keiner signifikanten Änderung des Signalstroms. Handelt es sich bei dem Wandler um ein spannungsgesteuertes Gerät, wird der Fehler direkt zum Signal addiert. Nach der Stromübertragung können Spannungssignale leicht wiederhergestellt werden.
Auch wenn interne und externe Störungen bei der Übertragung analoger Signale problematisch sein können, wird die analoge Signalübertragung in der Industrie weit verbreitet und erfolgreich eingesetzt. Die Auswirkungen von Störsignalen können durch sorgfältige technische Planung, ordnungsgemäße Installation, Verlegung von Drähten und Kabeln sowie Abschirmung und Erdung reduziert werden.
Eine der Methoden, mit denen Ingenieure versucht haben, die Auswirkungen von Rauschen zu minimieren, ist die Maximierung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Dazu muss die Leistung des gesendeten Signals erhöht werden. Dies funktioniert zwar in einigen Fällen, hat jedoch seine Einschränkungen. Durch die Erhöhung des Signals werden nichtlineare Effekte dominant, da die Signalamplitude erhöht wird – das Signal und das Rauschen werden im gleichen Verhältnis verstärkt.
Eine ordnungsgemäße Erdung ist ebenfalls für den effektiven Betrieb jedes Messsystems unerlässlich. Eine unsachgemäße Erdung kann zu potenziell gefährlichen Erdschleifen und einer Anfälligkeit für Störungen führen. Um die Prinzipien der Abschirmung und Erdung zu verstehen, müssen zunächst einige Begriffe verstanden werden. Eine Erdung ist ein leitender Strompfad zwischen einem Stromkreis und der Erde. Erdungskabel werden in der Regel aus Materialien mit sehr geringem Widerstand hergestellt. Da Strom den Weg des geringsten Widerstands nimmt, bieten die vom System angeschlossenen Erdungskabel eine stabile Referenz für Spannungsmessungen. Erdungskabel schützen auch vor unerwünschten Gleichtaktsignalen und verhindern den versehentlichen Kontakt mit gefährlichen Spannungen. Rückleitungen führen Strom oder Signalströme (Abbildung 3-4). Eine Erdschleife ist eine potenziell gefährliche Schleife, die entsteht, wenn zwei oder mehr Punkte in einem elektrischen System auf unterschiedliche Potentiale geerdet sind.
Es gibt viele verschiedene Erdungstechniken, die nicht nur zum Schutz der übertragenen Daten, sondern auch zum Schutz von Mitarbeitern und Geräten entwickelt wurden. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie alle Systeme geerdet werden sollten. Zunächst sollten alle Messgeräte und Aufzeichnungssysteme geerdet werden, damit Messungen in Bezug auf ein Nullspannungspotenzial durchgeführt werden können. Dadurch wird nicht nur sichergestellt, dass kein Potenzial in das Messgerät gelangt, sondern auch, dass die Gehäuse oder Schränke um die Geräte herum keine Spannung führen. Um ein Gehäuse oder einen Schrank zu erden, werden ein oder mehrere schwere Kupferleiter vom Gerät zu einem stabilen Erdungsstab oder einem dafür vorgesehenen Erdungsgitter verlegt. Diese Systemerdung bildet die Grundlage für die Unterdrückung von Gleichtakt-Störsignalen. Es ist sehr wichtig, dass diese Erdung stabil bleibt.
Die zweite Erdung ist für die Signalerdung vorgesehen. Diese Erdung ist notwendig, um eine solide Referenz für die Messung aller Signale mit niedrigem Pegel zu bieten. Es ist sehr wichtig, dass diese Erdung separat und isoliert von der Systemerdung erfolgt. Wenn eine Signalrückleitung an der Signalquelle und an der Systemerdung geerdet ist, kann eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Erdungen einen zirkulierenden Strom verursachen (Abbildung 3-5). In diesem Fall liegt der Zirkulationsstrom in Reihe mit den Signalleitungen und wird direkt zum Signal des Messgeräts addiert. Diese Erdschleifen können Störsignale erzeugen, die 100-mal so groß sind wie das ursprüngliche Signal. Dieser Strom kann auch potenziell gefährlich sein. Bei einer Einpunkt-Erdungskonfiguration kann nur ein minimaler Strom in der Erdungsreferenz fließen. Abbildung 3-6 zeigt, dass durch die Erdung des Drahtes nur am Signalende der Strom keinen Weg hat und die Erdschleife somit eliminiert wird.
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Bei nicht geerdeten Messungen wird die Abschirmung oder die Erdungsleitung entweder in Bezug auf den niedrigen Pegel des Signals oder an einem Punkt zwischen den beiden stabilisiert. Da die Abschirmung auf einem Potential über der Null-Referenz-Erde liegt, ist eine ordnungsgemäße Isolierung erforderlich.
Optionen für Drähte und Kabel
Ein weiterer wichtiger Aspekt, der bei der analogen Signalübertragung zu berücksichtigen ist, ist ein geeignetes Verkabelungssystem, mit dem sich Störgeräusche wirksam reduzieren lassen. Die analoge Signalübertragung erfolgt in der Regel über zwei- oder dreipolige Signalleitungen. In Systemen, die eine hohe Präzision und Genauigkeit erfordern, ist eine dritte Signalleitung oder Abschirmung erforderlich. In der dreiadrigen Konfiguration wird die Abschirmung an der Signalquelle geerdet, um Gleichtaktstörungen zu reduzieren. Dadurch werden jedoch nicht alle Möglichkeiten der Einleitung von Störungen ausgeschlossen. Es ist entscheidend, die Störungsaufnahme durch den Schutz der Signalleitungen zu verhindern. Dies gilt beispielsweise für den Fall, dass die Störungs- und Signalfrequenz identisch sind. In diesem Szenario kann das Signal am Empfangsgerät nicht von der Störung isoliert/gefiltert werden.
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Im Allgemeinen werden Zweidraht-Übertragungsmedien verwendet, um ein analoges Signal zum oder vom Feldbereich zu übertragen. Ein Draht, der Wechselstrom und Wechselspannung führt, kann in einem Paar benachbarter Signalleitungen Störsignale induzieren. Da die beiden Drähte möglicherweise unterschiedliche Abstände zum Störsignal haben, entsteht eine Differenzspannung/ein Differenzrauschen. Es gibt viele verschiedene Verkabelungsoptionen, um das Eindringen unerwünschter Störsignale in die Leitung zu reduzieren. Vier Arten von Drähten sind für die Datenerfassung von grundlegender Bedeutung: einfache Paare, abgeschirmte Paare, verdrillte Paare und Koaxialkabel.
Einfache Drähte können zwar verwendet werden, sind jedoch im Allgemeinen nicht sehr zuverlässig bei der Abschirmung von Störsignalen und werden daher nicht empfohlen. Ein abgeschirmtes Paar ist ein Paar von Drähten, die von einem nicht stromführenden Leiter umgeben sind. Die Abschirmung blockiert den Störstrom und leitet ihn zur Erde ab. Bei der Verwendung von abgeschirmten Paaren ist es sehr wichtig, die Regeln für die Erdung zu befolgen. Auch hier darf die Abschirmung nur an einer Stelle geerdet werden, um Erdschleifenstrom zu vermeiden.
Verdrillte Paare tragen zur Beseitigung von Störungen durch elektromagnetische Felder bei, indem die beiden Signalleitungen in regelmäßigen Abständen verdrillt werden. Jede induzierte Störung im Kabel hat die gleiche Stärke und führt zu einer Fehlerausgleichung.
Ein Koaxialkabel ist eine weitere Alternative zum Schutz von Daten vor Störungen. Ein Koaxialkabel besteht aus einem zentralen Leiterdraht, der durch einen Isolator von einem äußeren Leiterzylinder getrennt ist. Der zentrale Leiter ist gegenüber dem Außenleiter positiv und leitet Strom (Abbildung 3-7). Koaxialkabel erzeugen keine externen elektrischen und magnetischen Felder und werden auch nicht von diesen beeinflusst. Dadurch eignen sie sich ideal für die Übertragung von Signalen, sind jedoch auch teurer.
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Schreiber Einleitung zu Schreibern