Zuverlässige Messungen beginnen mit der Signalintegrität. Die genaue Datenerfassung hängt jedoch nicht nur von der Qualität der Sensoren ab, sondern auch davon, wie deren Signale für die Messung aufbereitet werden. In industriellen Umgebungen sind die Rohdaten der Sensoren oft schwach, verrauscht oder stimmen nicht mit den Eingangsanforderungen der Datenerfassungssysteme überein. Die Signalkonditionierung begegnet diesen Herausforderungen, indem sie die Sensorausgänge so modifiziert, dass sie zuverlässig gemessen und korrekt interpretiert werden können.
Die Signalkonditionierung ist die Reihe von Vorgängen, die auf das Ausgangssignal eines Sensors angewendet werden, um es für die nächste Verarbeitungsstufe vorzubereiten. Sie modifiziert, skaliert oder wandelt Rohsignale in Formen um, die mit der Datenerfassungshardware kompatibel sind. Diese Funktion wird von einem Signalkonditionierer ausgeführt – einem Instrument oder einer Schaltung, die eine Signalart in eine andere umwandelt, die für die Überwachung, Aufzeichnung oder Steuerung geeignet ist.
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Warum Signalkonditionierung wichtig ist
In der Praxis sind Sensoren und Wandler häufig elektrisch verrauschten oder physikalisch anspruchsvollen Umgebungen ausgesetzt. Viele Sensoren und Wandler erzeugen auch Low-Level-Ausgangssignale (wie kleine Spannungen, Ströme oder Widerstandsänderungen), die nicht gut für die direkte Eingabe in ein Datenerfassungssystem (DAQ) geeignet sind. Ohne Konditionierung sind diese Signale anfälliger für Rauschen, Verzerrungen und Genauigkeitsverluste.
Signalkonditionierer bilden die Schnittstelle zwischen dem Sensor und dem DAQ-System. Sie bereiten Signale auf, indem sie Funktionen wie Verstärkung, Filterung, Isolierung und Erregung anwenden, um die Signalintegrität zu bewahren und die Kompatibilität mit der nachgeschalteten Elektronik sicherzustellen.
So funktioniert ein Signalkonditionierer
Ein Signalkonditionierer ist typischerweise als elektronische Schaltung mit einer Eingangs- und einer Ausgangsstufe realisiert. Der Eingang empfängt ein Signal von einem Sensor, der eine physikalische Variable misst. Die Schaltung wendet dann eine oder mehrere Aufbereitungsfunktionen an, bevor ein modifiziertes Signal zur weiteren Verarbeitung an den Ausgang weitergeleitet wird.
Zu den üblichen Signalkonditionierungsfunktionen gehören:
Verstärkung
Die Verstärkung erhöht die Größe eines Signals, um die Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Dies ist besonders wichtig für niedrige Ausgangssignale von Sensoren wie Thermoelementen und Dehnungsmessstreifen. Beispielsweise kann ein 0–10-mV-Signal auf 0–10 V verstärkt werden, um besser zum Eingangsbereich eines DAQ-Systems zu passen.
Isolierung
Die Isolierung entfernt den direkten elektrischen (galvanischen) Pfad zwischen Eingang und Ausgang. Dies trägt dazu bei, empfindliche Geräte vor Überspannungsbedingungen zu schützen, und reduziert die Auswirkungen von Masseschleifen und elektrischem Rauschen. Die Signalübertragung über die Isolationsbarriere erfolgt in der Regel durch optische, magnetische oder kapazitive Kopplung.
Linearisierung
Einige Sensoren erzeugen Ausgänge, die nicht linear proportional zur Messgröße sind. Die Linearisierung korrigiert diese Nichtlinearität, sodass der Ausgang die physikalische Messung genauer wiedergibt. Thermoelemente sind ein gängiges Beispiel, das eine Linearisierung erfordert.
Filterung
Durch Filtern werden unerwünschte Frequenzkomponenten aus einem Signal entfernt. In Industrieumgebungen tritt häufig Rauschen bei bekannten Frequenzen auf, z. B. 50 Hz oder 60 Hz von Wechselstromnetzen. Eine geeignete Filterung verbessert die Signalstabilität und die Messgenauigkeit.
Erregung
Viele Sensoren, einschließlich RTDs, Dehnungsmessstreifen und einiger Drucksensoren, benötigen eine stabile Erregungsquelle (Spannung oder Strom), um zu funktionieren. Die Genauigkeit und Stabilität des Erregersignals beeinflussen direkt die Messgenauigkeit.
Kaltstellenkompensation (CJC)
Thermoelement-Messungen hängen von Temperaturunterschieden ab, wodurch sie empfindlich auf Schwankungen an der Referenzstelle reagieren. Die Kaltstellenkompensation korrigiert Änderungen der Umgebungstemperatur an dieser Stelle und verbessert so die Gesamtgenauigkeit der Messung.
Signalaufbereiter
DIN-Schienen-Signalaufbereiter
DIN-Schienen-Signalaufbereiter bieten einen kompakten, modularen Ansatz für die Signalaufbereitung in Schalttafeln. Sie wandeln Eingänge von Sensoren wie Thermoelementen und RTDs in standardisierte Ausgangssignale um, die für Datenerfassungs- und Steuerungssysteme geeignet sind. Ihr Formfaktor vereinfacht die Installation, Erweiterung und Wartung.
Universelle programmierbare Messumformer
Universelle programmierbare Transmitter (UPTs) werden zur Überwachung und Steuerung von Prozessvariablen in Industrie-, Gewerbe- und Laborumgebungen eingesetzt. Sie unterstützen mehrere Eingangstypen und bieten isolierte E/A, konfigurierbare Skalierung und lokale Benutzeroberflächen für die Einrichtung und Kalibrierung. Zertifizierungen wie UL und c-UL unterstützen den Einsatz in regulierten Anlagen.
Spezial-Signalaufbereiter
Spezial-Signalaufbereiter sind für Anwendungen konzipiert, die gezielte Mess- oder Steuerfunktionen erfordern, wie z. B. Temperatur, Dehnung oder Vibration. Diese Geräte sind für bestimmte Sensortypen und Messbedingungen optimiert, einschließlich LVDTs und Temperatursteckverbinder, bei denen eine Standardaufbereitung möglicherweise nicht ausreicht.
Signalaufbereiter für die Kopfmontage
Signalaufbereiter für die Kopfmontage werden direkt am Sensor installiert, wodurch die Rauschaufnahme und die Signalverschlechterung über lange Strecken minimiert werden. Sie wandeln Signale von Geräten wie Thermoelementen, RTDs und Millivolt-Quellen in standardisierte Ausgänge um und konditionieren sie. Viele Modelle bieten konfigurierbare Bereiche und eine einfache Einrichtung per Drucktaste oder Software.
Datenerfassung: DAQ-System Einleitung in Datenerfassungssysteme