Signalaufbereitung, Störungen und Isolierung für Thermoelemente und RTDs

Inhalt

1. Signalaufbereitung, Störungen und Isolierung
2. Serienmodusstörungen
3. Gleichtaktstörungen
4. Isolierung
5. Zusammenfassung

Signalaufbereitung, Störungen und Isolierung

Die Signalaufbereitung ist bei der elektronischen Temperaturmessung von entscheidender Bedeutung. Sie stellt sicher, dass das Signal eines Thermoelements oder RTD genau, zuverlässig und robust genug für die Auswertung durch Messgeräte ist. Da Temperatursensoren kleine Signale – oft nur Millivolt – erzeugen, müssen diese verstärkt, gefiltert, umgewandelt und vor Störungen geschützt werden, bevor sie nutzbar sind.

Die Signalaufbereitung umfasst typischerweise mehrere Schlüsselfunktionen:

• Isolierung
• Störunterdrückung
• Signalumwandlung (z. B. Spannung-Strom, Analog-Digital)
• Skalierung und Verstärkung
• (Optional) Linearisierung und Übertragung

In den meisten Temperaturmesssystemen sind diese Funktionen in den Transmitter integriert, der als Signalschnittstelle zum umfassenderen Steuerungs- oder Überwachungssystem fungiert.

Moderne Messgeräte haben große Fortschritte bei der Lösung von Problemen erzielt, die die Signalaufbereitung früher komplex machten. Fortschrittliche Systeme isolieren und filtern Signale heute selbst in lauten Industrieumgebungen effektiv und ermöglichen so die Messung von Temperaturdaten mit höchster Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

Störungen, die kleine Sensorsignale verzerren oder beeinträchtigen können, sind eine der größten Herausforderungen bei der Signalaufbereitung. Sie lassen sich im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen:  Gegentakt-  und Gleichtakt Störungen. Diese werden durch externe Wechsel- oder Gleichstromsignale – üblicherweise durch das Stromnetz oder elektromagnetische Kopplung – und durch Unterschiede im Erdpotenzial zwischen Sensor und Messgerät verursacht.

Gegentaktstörungen

Gegentaktstörungen treten auf, wenn Signalleitungen ungleiche Spannungen aus umgebenden Magnetfeldern aufnehmen. In Europa ist die 50-Hz-Netzfrequenz ist die Netzfrequenz von 50 Hz die häufigste Ursache. Da Thermoelement- und RTD-Signale oft nur Millivolt betragen, kann eine nahegelegene 240-V-Wechselstromleitung leicht unerwünschte Störgeräusche verursachen.

Wenn es sich bei Störungen um Gleichstrom handelt, kann man wenig dagegen tun, da die Messumformer für die Messung von Gleichspannungen ausgelegt sind. Wechselstromstörungen lassen sich jedoch mithilfe verschiedener Techniken reduzieren oder eliminieren:

• Tiefpassfilter können höherfrequente Komponenten entfernen, obwohl sie für sich langsam ändernde Temperatursignale übertrieben sein können.
• Signalmittelung ist eine praktischere und kostengünstigere Methode. Da sich die Temperatur langsam ändert, wird das Rauschen durch die Mittelung des Signals über einen oder mehrere Interferenzzyklen aufgehoben.
• Phasensynchronisierte Abtastung synchronisiert die Analog-Digital-Wandlung mit der Interferenzfrequenz, wodurch Fehler weiter reduziert werden.

Gleichtaktstörungen

Gleichtaktstörungen entstehen durch gleichförmige Spannungssignale, die beide Signalleitungen gleichermaßen beeinflussen. Sie werden häufig durch elektromagnetische Felder, statische Kopplung oder Unterschiede im Erdpotenzial verursacht.

Die effektivste Methode zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen ist die Verwendung eines Differenzeingangs mit hoher Impedanz. Dadurch kann der Messkreis „schweben“ und die induzierten Spannungen effektiv ignorieren.

Weitere Strategien umfassen:

• Trennverstärker , die den Sensor elektrisch vom Messkreis trennen.
• Schutzsysteme  , die den Schutz auf das gleiche Potenzial wie die Gleichtaktspannung beziehen. Dadurch wird verhindert, dass Strom durch die Signalleitungen fließt, der Strom wird über die Schutzschaltung sicher zur Erde abgeleitet.

Diese Techniken verbessern die Unterdrückung von Gegen- und Gleichtaktstörungen erheblich.

Isolierung

Gute Isolierungsverfahren sind für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität unerlässlich. Bei unzureichender Isolierung können Störungen – ob Gegen- oder Gleichtaktstörungen – leicht in ein System eindringen.

Die meisten modernen Messumformer bieten eine galvanische Trennung, die in der Regel für 500 V oder mehr ausgelegt ist. Einige bieten eine dreifache Trennung zwischen Eingang, Ausgang und Stromversorgung. Dies wird durch transformatorgekoppelte oder optisch gekoppelte Systeme erreicht, wobei die Signalübertragung unter anderem mittels Mark-Space-Verhältnis, Frequenzmodulation oder digitaler Codierung erfolgt.

Hochwertige Systeme bieten Gleichtaktunterdrückungsverhältnisse (CMRR ) bis zu 150 dB bei 50 Hz , wodurch eine äußerst effektive Unterdrückung unerwünschter Signale und zuverlässige Temperaturdaten selbst in den rauesten Umgebungen gewährleistet werden.

Zusammenfassung

Eine genaue Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern hängt von einer effektiven Signalkonditionierung ab – mit einer Reihe von Techniken, die zur Verstärkung, Filterung, Isolierung und Umwandlung von Sensorsignalen mit niedrigem Pegel eingesetzt werden. Dazu gehören auch die Unterdrückung von Störungen und die Aufrechterhaltung der Signalintegrität vom Sensor bis zum Messgerät.

Störungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen:

• Gegentakt (z. B. 50-Hz-Netzrauschen) entsteht durch ungleichmäßige elektromagnetische Kopplung zwischen Signalleitungen und kann häufig durch Mittelwertbildung, Tiefpassfilterung oder phasenstarre Abtastung reduziert werden.
• Gleichtakt entsteht durch statische oder elektromagnetische Felder und Unterschiede im Erdpotenzial. Dem wird durch Differenzeingänge, Trennverstärker und Schutzschaltungen entgegengewirkt.

Isolierung ist entscheidend für den Schutz des Messsystems und die Aufrechterhaltung der Genauigkeit. Moderne Instrumente bieten eine robuste galvanische Trennung (typischerweise 500 V oder mehr) durch Transformator oder Optokoppler mit hoher Gleichtaktunterdrückung – für eine stabile Leistung auch in Umgebungen mit elektrischem Rauschen.