Grundlagen Meßtechnik

Kapitel 2 - Signalkonditionierung

2.3.1 Galvanisch gekoppelte Signalübertragung

Bedingt durch bauliche Gegebenheiten können zwischen den Sensoren und der Signalaufbereitung (Meßverstärker) oft große Leitungslängen auftreten. Die Leitungswiderstände können dann zu einer Verfälschung des Sensorsignals führen.

Beispiel Ein Pt100 Temperatursensor wird über ein 50 Meter langes Kupferkabel von 0.14 mm2 Querschnitt mit dem Meßverstärker verbunden.

Rs bei 25 °C = 109.73 Ohm
Rk für 100 m = 4.8 Ohm
114.53 Ohm = 35.5 °C

Dieses Problem läßt sich dadurch lösen, daß man den Sensor über zwei zusätzliche Leitungen mit dem Meßverstärker verbindet.

2.3.1.1 Die Vierleitermessung

Der Sensor Rs wird über eine Konstantstromquelle gespeist. Für die Gewinnung der Meßgröße wird ein Elektrometersubtrahierer eingesetzt. Der Spannungsabfall im Meßstromkreis hat lediglich eine Änderung der Gleichtaktaussteuerung Ugl = I0 * Rl zur Folge, die nach der Subtraktion herausfällt (Bild 2).

 Bild 2

2.3.1.2 Die Dreileitermessung

Wenn sichergestellt ist, daß der Leitungswiderstand in allen Leitungen gleich groß ist, dann kann man auf eine Leitung verzichten (Bild 3). Der Spannungsabfall läßt sich dann durch folgende Gleichung herausrechnen:

Ua = 2*U1 - U2 = 2*Us + 2*I0*Rl - Us - 2*I0*Rl = Us

 Bild 3

Will man auf den Einsatz eines Elektrometersubtrahierers verzichten, hat man nur noch die Möglichkeit das Sensorsignal schon an der Quelle so hoch zu verstärken, daß der Spannungsabfall an den Leitungen nur eine geringe Verfälschung des Nutzsignales zu Folge hat (Bild 4).

 Bild 4

Einfacher ist es jedoch, daß Sensorsignal in einen proportionalen Strom umzuwandeln, da ein Strom nicht durch die Leitungswiderstände verfälscht wird. Das Sensorsignal wird in einer Spannungsgesteuerten Stromquelle umgesetzt Is=S*Us (Bild 5). Am Arbeitswiderstand R1 auf der Empfängerseite fällt dann die Spannung Ua=S*R1*Us ab. Wird R1=1/S gewählt, ergibt sich wieder das Sensorsignal.

 Bild 5

2.3.1.3 Die Zweileitermessung

Sorgt man dafür, daß die Stromaufnahme des Sensors und der Spannungsgesteuerten Stromquelle konstant sind, dann kann man den Signalstrom Is und den Verbrauchsstrom Iv über dieselbe Leitung übertragen (Bild 6). Wenn man jetzt am Meßwiderstand den Strom Iv subtrahiert, dann bleibt das Sensorsignal übrig.

Durch die Stromübertragung wird das Sensorsignal nicht durch die Leitungswiderstände verfälscht. Es ist lediglich darauf zu achten, daß die Betriebsspannung Ub groß genug ist, um alle im Stromkreis auftretenden Spannungsabfälle zu versorgen.

Die Ströme Iv+Is einer Stromschleife sind genormt. Sie liegen zwischen 4mA und 20mA. Bei unipolaren Signalen entspricht:

4mA untere Signalgrenze
20mA obere Signalgrenze

und bei bipolaren Signalquellen entspricht:

4mA untere negative Signalgrenze
12mA 0
20mA obere positive Signalgrenze

Bei einem Meßwiderstand von üblicherweise 250 Ohm ergibt das einen Aussteuerbereich auf der Empfängerseite in beiden Fällen von:

1...5 Volt

Die Elektronik für eine sensorgesteuerte Stromquelle ist als IC im Handel erhältlich (z.B. AD693 von Analog Device).

 Bild 6


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