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Messtechnik Analoge oder

Messtechnik Analoge oder digitale Messwertübertragung? Autor: Dipl.-Ing. Bernd Jödden, Geschäftsführender Gesellschafter a.b.jödden gmbh info@abjoedden.de www.abjoedden.de Viele Applikationen erfordern vielfältige, angepasste Lösungen mit sicheren und wirtschaftlichen Sensoren. Diese Anforderungen sind mit der Analog technik bestens zu realisieren. Industrielle Anwendungen in den Bereichen Automatisierung, Prozessüber wachung, Qualitätsprüfung, Forschung und Entwicklung sind kostengünstig zu erstellen und erhöhen die Verfügbarkeit der Maschinen und Anlagen. Die normierten, analogen Signale 0(4) – 20 mA, 0 – 10 V DC oder ± 10 V DC bilden die Grundlage der analogen Technik. Der große Erfolg der Analogtechnik basiert auf der Möglichkeit der galvanischen Trennung der Signale. Die Übertragung der analogen Signale in industrieller Umgebung kann störanfällig sein. Um Prozessabläufe nicht zu beeinträchtigen, dürfen die analogen Signale nicht durch externe Störungen verfälscht werden. Trennverstärker sorgen hier für Verbesserung der Übertragungsqualität. Potentialdifferenzen sind die Hauptursache für Verfälschungen analoger Signale. Je länger die Übertragungsstrecke wird, desto größer wird der Erdwiderstand und es können Spannungsdifferenzen bis zu 200 V entstehen. Erdschleifen können bei Signalen mit Massebezug Fehler verursachen, weil Teile des Messsignals nicht über die Analogstrecke sondern auch über Erde übertragen werden. Durch die Trennung der Signale mit Trennverstärkern wird die Entstehung der Erdschleifen verhindert. Die 4 – 20 mA Schnittstelle ist in der Prozesstechnik betriebsbewährt und zukunftssicher. Die Diagnose der robusten Schnittstelle ist mit einfachsten Mitteln möglich. Ein simples Amperemeter genügt, um die Funktion der Stromschnittstelle zu überprüfen. Betrachtet man dagegen die Diagnose der physikalischen Schicht eines Feldbussystems, bekommt man eine große Menge elektrischer Messwerte und Über tragungsdaten, die aufwändig analysiert werden wollen. Mit digitalen Technologien wird die gesamte Systemkomplexibilität deutlich zunehmen. Diese Betrachtung wirft die Frage auf, ob Feldgeräte die in autonome dezentrale Regelkreise eingebunden werden und komplexe Wartungs- und Diagnosedaten austauschen, ohne digitale Kommunikation denkbar sind. Die Bauelementekosten bei analoger Messwertverarbeitung und die Kalibrierung der Systeme sind heute schon höher als die Kosten leistungsstarker Mikrocontroller, die nicht nur digital übertragen, sondern Plattform für die Implementierung interessanter neuer Ideen bieten. Vorteile durch Symbiose Die zukünftigen Sensoren werden die Vorteile der digitalen Signalverarbeitung mit der robusten analogen Signalübertragung verbinden. Als Beispiele dienen die induktiven Wegaufnehmer, die seit vielen Jahren in der Wegmesstechnik eingesetzt werden. Sie erfassen den Weg analog, das proportionale Signal wird dann analog digital gewandelt, digital verarbeitet und anschließend wieder als analoges Normsignal ausgegeben. Die Technik dieser Sensoren basiert auf dem Prinzip der Differentialdrossel. Innerhalb eines Spulenkörpers wird ein NiFe-Kern axial bewegt. Die jeweilige Position des Kerns bewirkt eine entsprechende Induktivitätsverteilung in den beiden Spulenhälften, die durch eine externe oder integrierte Elektronik in ein wegproportionales, analoges Signal umgewandelt wird. Diese einfache Art der absoluten Wegerfassung ermöglicht einen robusten, zuverlässigen Aufbau des Sensorelementes. Programmierbare Wegaufnehmer Der Einsatz induktiver Wegaufnehmer in Kraftwerken zur Positionsrückmeldung an Ventilen führte zur Entwicklung der programmierbaren Wegaufnehmer mit Kurz gefasst Im Zeitalter der fortschreitenden Digitalisierung scheint die Analogtechnik zukünftig überflüssig zu werden. Die Praxis zeigt aber, dass sich die analoge Technologie erfolgreich gegen diese Konkurrenz behaupten kann. 4 – 20 mA Normsignalausgang. Die vorhandene Infrastruktur der analogen 4 – 20 mA Signalübertragungswege im Kraftwerk kann ausgenutzt werden. Die Montage der Wegaufnehmer erfolgt parallel am Zylinder des Ventils. Der Stößel des Wegaufnehmers wird mit einem Kugelgelenk an der Kolbenstange befestigt. Die Justage auf den aktuellen Weg des Ventils erfolgt elektronisch. Dazu wird das Ventil hydraulisch in die 28 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019

„ZU“-Position gefahren. Am Wegaufnehmer sind neben den Anschlüssen für die Betriebsspannung und dem Ausgangssignal zwei zusätzliche Anschlüsse „Anfang“ und „Ende“ vorhanden. Um das Ausgangssignal des Wegaufnehmers auf 4 mA zu justieren wird der Kontakt „Anfang“ für ca. 3 sec mit der Betriebsspannung verbunden. Analog dazu wird der Endwert mit dem Kontakt „Ende“ (20 mA) bei geöffnetem Ventil justiert. Diese elektronische Justierung bietet erheblichen Zeitvorteil gegenüber der rein analogen Justierung mit Justierpotentiometern. Die Inbetriebnahmephase der Ventile im Kraftwerk wurde damit erheblich verkürzt. Beispiel Der analoge Messwert des induktiven Wegaufnehmers der Serien SM41/43 wird mit dem 16-bit A/D- Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Die Korrektur der Messwerte - erreichbar sind Genauigkeiten bis 0,1 % vom Messbereich - erfolgt mit den in einem EEPROM abgelegten Genauigkeitsabweichungen. Die digitale Information wird mit einem 16 bit D/A-Wandler in normierte Ausgangssignale 0(4) – 20 mA oder 0 – 5(10) V DC umgeformt. Die Wegaufnehmer werden mit einer Betriebsspannung zwischen 9 und 32 V DC versorgt. Durch Teach-In Verfahren kann der Messbereich vom Kunden programmiert werden. Durch diese Technik sind unterschiedliche Messwege mit nur einem Wegaufnehmer darzustellen. Die programmierbaren Wegaufnehmer der Serie SM41 haben Standardmesswege 20, 40, 70, 100, 150 und 200 mm; die Wegaufnehmer der Serie SM43 haben 80, 170, 240, und 360 mm Messweg. Mehr Information Eine Besonderheit der Serie SM43 ist der aus mehreren Spulen gewickelte Wegaufnehmer. Diese Technik erzeugt wesentlich mehr Informationen über die Position des Kerns als bei LVDTs oder Differentialdrosseln. Dieses Verfahren bedeutet ein, für verschleißfrei arbeitende induktive Wegaufnehmer, wesentlich besseres Verhältnis zwischen Gehäuse länge und Nutzweg. So ist z. B. bei einer Gehäuselänge von 500 mm ein Messweg von 360 mm möglich. (Bei induktiven Halbbrücken sind bei gleicher Gehäuselänge max. 200 mm erreichbar!). Die vergossene Bauweise ermöglicht einen Einsatz bei Schock belastungen bis 250g SRS (20 – 2000 Hz) und Vibrationsbelastungen bis 20 g rms (50 g Spitze). Zusätzliche mechanische Anbauten, wie z. B. Kugelgelenke an Stößel und Gehäuse, Tasterversionen mit Rückholfedern und Faltenbälgen sind liefer bar. Der elektrische Anschluss erfolgt wahlweise über Stecker oder wasserdicht angegossenes Kabel. Fazit Auch in Zukunft wird in vielen industriellen Anwendungen die robuste, analoge Normsignalübertragung eingesetzt. Die in den Maschinen und Anlagen benötigten Sensoren werden die Vorteile der internen, digitalen Signalverarbeitung nutzen, um den Anwendern robuste, preiswerte und vielseitige Lösungen zur Verfügung zu stellen. ◄ Hochpräzise Glas- Temperaturfühler individuell nach Kundenanforderung Für den speziellen Einsatz im Laborbereich stellt die Ludwig Schneider GmbH verschiedene Widerstandsthermometer in Glasausführung – teilweise auch mit Normschliff – her. Die Bauformen sind in verschiedenen Varianten erhältlich, beispielsweise zylindrische Schäfte oder unterschiedliche Normschliffe und Gewinde. Die Abmessungen sind dabei variabel. So können die Fühler beispielsweise an die Einbaumaße oder die Eintauchtiefe angepasst werden. Es können auch sehr kleine Eintauch- und Einbautiefen realisiert werden, bei denen fast keine Wärmeableitung oder -einbringung auftritt. Auch die Anschlüsse sind in vielfältigen Größen und Formen erhältlich: Köpfe, Stecker, Kabel. Außerdem werden die Fühler für ihren Einsatzort optimiert, z. B. können Einbaufühler oder Handfühler zum Einsatz kommen. Die Fühler zeigen eine hohe Resistenz gegen die meisten Säuren, Laugen und Lösungsmittel. Zudem sind sie Medienneutral, da sie nicht mit dem zu messenden Medium kontaminiert werden. Die Fühler arbeiten in einem großen Temperaturmessbereich von -200 bis + 450 °C. Diese Eigenschaften ermöglichen ein großes Einsatzgebiet. Optional können sie auch mit Erdungs- und Potentialausgleich geliefert werden. Ebenso kann auf Wunsch der Werksprüfschein oder der rückführbare DAkkS-Kalibrierschein beigepackt werden. SENSOR+TEST, Halle 1, Stand 5-306 Ludwig Schneider GmbH & Co. KG info@ludwig-schneider.de www.ludwig-schneider.com Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019 29