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Rohsignale müssen gereinigt, transformiert und richtig eingestellt werden: Ausgabe 08/2019, 16.05.2019

Bessere Messungen durch richtige Signalaufbereitung

Bei der Messung physikalischer Phänomene ist die Signalaufbereitung eine wichtige Voraussetzung für die korrekte Verarbeitung der elektrischen Sensorsignale und die Verbesserung der Gesamtqualität der Daten. Ein Whitepaper von Measurement Computing gibt wertvolle Tipps und Hinweise.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Measurement Computing

So wie der auf dem Feld angebaute Weizen viel Verarbeitung benötigt, bevor er im Mehlsack im Handel erscheint, müssen in der Elektronik die Rohsignale gereinigt, transformiert und richtig eingestellt werden, um zu nutzbaren Ausgangssignalen zu werden, die der Mensch und die Maschine verstehen können.
Je nach Art der verwendeten Mess- und Datenerfassungssysteme sind unterschiedliche Arten der Signalaufbereitung zu wählen. Um den Leser mit den Grundlagen der Signalaufbereitung vertraut zu machen, werden in einem ausgezeichneten Whitepaper von Measurement Computing die gängigsten Typen der Datenerfassung definiert und diskutiert, wie zum Beispiel die analoge Frontend-Topologie, Instrumentenverstärker, das Filtern, die Dämpfung, Isolation, die Linearisierung und der Schaltungsschutz.
Jede Technik hat ihre Vor- und Nachteile. Diese 41-seitige Schrift erläutert die besten Praktiken und die häufigsten Anwendungsfälle. Schaltpläne und Gleichungen beschreiben die Auswahl der richtigen Komponenten. Das Verständnis der speziellen Eigenschaften dieser Signalaufbereitungsmethoden wird dazu beitragen, die Messgenauigkeit eines Datenerfassungssystems nachhaltig zu verbessern.

Analoge Front-End-Topologie
Datenerfassungssysteme unterscheiden sich von Ein- oder Zweikanalinstrumenten in mehrfacher Hinsicht. Sie können Daten von Hunderten von Kanälen gleichzeitig messen und speichern. Die meisten Systeme enthalten jedoch acht bis 32 Kanäle, typischerweise ein Vielfaches von acht. Im Vergleich dazu kann ein einfaches Voltmeter auch als Datenerfassungssystem betrachtet werden. Aber die Notwendigkeit, die Spannungsbereiche manuell zu ändern und fehlende Datenspeicher begrenzen den Nutzen. Aus den mehr als 30 Themen des Berichts wählten wir zwei für eine nähere Beschreibung: Digitale Isolation und Schaltungsschutz.

Thema 1: Digitales Isolationsverfahren
Digitale Isolationsschaltungen ähneln analogen Verstärkern. Sie übertragen Digitaldaten über die Isolationsbarriere mit einer Geschwindigkeit von bis zu 80 MBd, und einige können so programmiert werden, dass sie Daten in beiden Richtungen übertragen, d.h. über Ein-/Ausgangs- oder Aus-/Eingangskonfigurationen. Daten in Form von komplementären Impulsen koppeln über die Barriere durch Hochvoltkondensatoren oder Luftspulen. Faradaysche Abschirmungen umgeben in der Regel die Induktivitäten oder Kondensatoren, um Fehlauslösungen durch externe Felder zu vermeiden. Der Empfänger bringt dann die Impulse auf die ursprünglichen StandardLogikpegel zurück.
Wie bei Analogverstärkern sind auch die Stromversorgungen für jeden Schaltungsabschnitt galvanisch getrennt (Bild 1). Neben der direkten Messung von Spannung, Strom und Widerstand, die einen gewissen Isolationsgrad erfordern, sind bestimmte Sensoren, die andere Grössen messen, aufgrund ihrer Konstruktion oder Funktionsweise, von Natur aus isoliert.

Richtiges Übersetzungsverhältnis lässt sich einfach wählen
Die am häufigsten verwendeten Sensoren messen Position, Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, Beschleunigung und Nähe. Sie verwenden auch verschiedene Komponenten, um diese Grössen zu messen, darunter Potenziometer, lineare variable Differenzialtransformatoren, optische und magnetische Komponenten, Halleffektelemente und Halbleiter. Halleffektelemente messen beispielsweise Magnetfelder und sind von der Magnetquelle, die sie messen sollen, elektrisch isoliert.
Der Isolator kann Luft oder ein anderes Material wie Kunststoff oder Keramik sein. Die Anordnung isoliert das System im Wesentlichen von Erdschleifen und hohen Spannungen. Der Bericht veranschaulicht zwei Anwendungen, bei denen Halleffektelemente Geschwindigkeiten messen. Stromwandler und potenzielle Spannungswandler zur Messung von Wechselspannung und -strom sind ebenfalls zwischen Primär- und Sekundärwicklung inhärent isoliert. Das Übersetzungsverhältnis ist einfach zu wählen, um eine Hochspannung auf eine niedrigere Standardspannung von 5 VAC bis 10 VAC zu senken.

Thema 2: Schaltungsschutz Viele Datenerfassungssysteme enthalten Halbleiter-Multiplexschaltungen, um mehrere Eingangskanäle schnell abzutasten. Ihre Eingänge sind auf weniger als 30 V begrenztund können bei höheren Spannungen beschädigt werden. Andere Halbleiterbauelemente in einem Messsystem, inkl. Eingangsverstärker und Vorspannungsquellen, sind auch auf Niederspannungen beschränkt. Diese Eingänge kann man mit einem programmierbaren Dämpfungsglied und Trennverstärkern schützen, die die Hochspannungseingangsstufe von der Halbleiterschaltung trennen (Bild 2).
Eine weitere oft übersehene Überlegung ist die Verbindung aktiver Eingänge mit einem Datenerfassungssystem ohne Versorgungsspannung. Die gängige Sicherheitspraxis verlangt, dass alle Signale, die an den Eingang des unversorgten Datenerfassungssystems angeschlossen sind, abgeschaltet oder von deren Stromversorgung getrennt werden. Häufig haben stromlose Signalaufbereiter von Datenerfassungssystemen wesentlich niedrigere Eingangsimpedanzen als im aktiven Betriebszustand. Selbst Niederspannungseingangssignale mit mehr als 0,5 VDC können deren Eingangsschaltungen beschädigen.

Fazit Es ist hilfreich, alle für die Signalkonditionierung verfügbaren Tools zu kennen. So lassen sich fundierte Entscheidungen, wenn man  Datenerfassungssystem  zusammenstellt. Um diesen Prozess zu rationalisieren, gibt es von Measurement Computing Corporation (MCC) leistunggssgtarke Datenerfassungshardware für Endanwender aus allen Branchen. «

Whitepaper: 08_19.01.pdf

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Bild 1: Digitale Isolation: Ein weiteres Isolationsverfahren verwendet am Eingang und Ausgang schnelle CMOS-Codierer und -Decodierer, gekoppelt mit einem monolithischen Luftspulentransformator


Bild 2: Schutz vor Hochspannung. Mit isolierten Eingangsspannungsmodulen können Datenerfassungssysteme mehrere Kanäle des Analogeingangs bis 500 V isolieren