Donnerstag, 6. Juni 2024 · 0 min read
Warum isolierte Messverstärker wichtig sind
In diesem Artikel finden Sie eine praxisnahe Einführung in das Thema Isolation (galvanische Trennung) in Bezug auf Messgeräte, und in welchen Anwendungen wir unbedingt Isolation empfehlen, damit Sie saubere Messdaten bekommen, und gleichzeitig Ihr Messgerät vor Schaden schützen.
Arten von Messverstärker-Eingängen
Es gibt drei Grundtypen von Verstärkertechnologien:
Single-ended (asymmetrischer) Verstärker
Differenzielle (symmetrische) Verstärker
Isolierte Verstärker
Sehen wir uns die Unterschiede im Detail an:
Single-ended Messverstärker-Eingänge
Der Aufbau von Single-ended Verstärkern ist sehr einfach, daher kostengünstig. Die asymmetrische Signalübertragung erfolgt gegenüber einem Bezugspotenzial (Masse), das sich idealerweise nicht ändert.
Single-ended Verstärker machen fast nur Sinn in batterieversorgten Messaufbauten (floating source), wenn es keine Verbindungen zu einem Massepotenzial von anderen Geräten gibt. Heutzutage ist die Bedeutung dieser Verstärkertechnologie – vor allem für hochpräzise Messungen – verschwindend gering.
Differenzielle Messverstärker-Eingänge
Bei der symmetrischen Architektur des Differenzverstärkers wird permanent die Differenz zwischen beiden Eingängen (IN+ und IN-) gebildet. Dieses Prinzip unterdrückt auf beiden Leitern eingekoppeltes Rauschen (z.B. durch lange Sensorleitungen, die in der Nähe von Störquellen verlegt sind) perfekt. Somit wird nur der Signalunterschied, also das Nutzsignal, gemessen.
Auf diese Art werden auch Masseschleifen verhindert, jedoch nur wenn die Störungen kleiner als die maximale Gleichtakt-Spannung (Common mode voltage) des Eingangsverstärkers bleiben.
Isolierte Messverstärker-Eingänge
Galvanisch getrennte bzw. isolierte Messverstärker-Eingänge sind immer auch differenziell, damit haben Sie eine „sorgenfreie“ Lösung. Bei den isolierten Eingängen der Dewesoft Messgeräte sind übrigens auch die Sensorspeisungen isoliert, um Wechselwirkungen komplett auszuschließen.
Es gibt verschiedene Methoden, um eine saubere Trennung zwischen der Signalquelle und dem Rest des Messsystems zu erreichen:
Optische Isolation
Induktive Isolation
Kapazitive Isolation
Hier erfahren Sie mehr über die Isolations-Technologien:
Die isolierten Verstärkereingänge kann man sich als über der Common-Mode-Spannung „schwebend“ vorstellen. Die galvanische Isolationsbarriere hält dabei 1000 V oder mehr stand. Somit ist es möglich, sehr hohe Gleichtakt-Störungen zu unterdrücken und außerdem Masseschleifen zu verhindern.
Diese Messeingänge haben somit Kanal-zu-Kanal, sowie Kanal-zu-Masse Isolation. Die Fähigkeit, trotz hohen Massepotenzial-Unterschieden von bis zu 1000 V korrekt zu arbeiten, macht sie prädestiniert für industrielle Anwendungen.
Die häufigsten Messfehler
Gleichtaktspannung (Common-mode)
Gleichtaktspannungen sind unerwünschte Signale, die in die Messkette eingekoppelt werden, meist in ein langes Sensorkabel, also zwischen Sensor und Messverstärker. Diese Störungen werden im Sprachgebrauch häufig einfach als “Rauschen” bezeichnet, und können bei entsprechend hoher Amplitude das zu messende Signal komplett überdecken, was eine Messung unmöglich macht.
Beispiel: Thermoelement (AC Gleichtaktstörung)
Ist die Common-Mode Spannung der eingekoppelten Störung klein, arbeitet der Messverstärker korrekt und liefert das erwünschte Differenzsignal. Wenn jedoch die Gleichtakt-Störung den maximalen Common-Mode-Bereich des Messverstärkers übersteigt, beginnt der Ausgang im Grenzbereich zu „clippen“, also das Signal wird abgeschnitten, bzw. bei noch höheren Amplituden übersteuert.
Die Abhilfe bietet ein isolierter Messverstärker (der gleichzeitig auch differenziell arbeitet), somit kann auch bei hohen Gleichtaktstörungen gemessen werden.
Beispiel: Strommessung per Shunt in der positiven Zuleitung (DC Gleichtakt)
Das Schaltbild unten zeigt zwei Wege, um den Strom in einem 24 V-System zu messen, nehmen wir an, der Strom ist 4 A.
Wird das Messgerät im unteren Zweig angeschlossen, liegt eine Seite auf 0 V, die andere auf 0,1 Ohm * 4 A = 0,4 V. Jeder Eingang für sich ist unter der Gleichtaktspannung des Verstärkers, somit ist die Messung möglich. Es kann ein kleiner Messbereich eingestellt werden, z.B. 500 mV, um das Signal optimal aufzulösen.
Wird das Messgerät im oberen Zweig betrieben, liegt der – Eingang auf 24V, und der + Eingang auf 24 – 0,4 = 23,6 V. D.h. wir würden einen Messverstärker mit z.B. 50 V Eingangsbereich benötigen, um überhaupt messen zu können, hätten aber eine nur unzureichende Messauflösung unseres 400 mV Signals. Messverstärker mit kleinerem Messbereich, z.B. 10 V würden hier komplett übersteuern, weil wir weit über dem Common-Mode-Bereich sind, was eine Messung unmöglich macht.
Gleichtaktunterdrückung
Die Common Mode Rejection Ratio (CMRR) spezifiziert, wie gut ein Differenz-Messverstärker symmetrische, ungewollte Signale am Eingang unterdrücken kann. Wird z.B. ein statisches Signal gemessen, beeinflusst der DC Gleichtakt die Genauigkeit, während der AC Gleichtakt das Rauschen erhöht.
Masseschleife durch Sensor
Ein anderer Weg unerwünschtes Rauschen in die Messung einzukoppeln, kann durch Masseschleifen (Brummschleife, Erdschleife, engl. “ground loop”) hervorgerufen werden. Es gibt unterschiedliche Typen von Masseschleifen, manche können sich sehr schädlich auswirken und sogar die Elektronik zerstören.
Im Bild oben:
Der Messverstärkereingang rechts ist einseitig mit GND 1 verbunden. Der Sensor wird per geschirmtem, asymmetrischen Kabel angeschlossen.
Das metallische Sensorgehäuse ist elektrisch leitend mit dem Metallgehäuse einer Maschine verschraubt (GND 2).
Die Masseschleife entsteht durch die beiden parallelen Verbindungen für GND. Die Kabellänge verursacht eine aufgespannte Fläche, in welche elektromagnetische Störungen aus der Umgebung eingekoppelt werden, es entsteht eine Differenzspannung (durch Spannungsquelle symbolisiert) und ein Strom beginnt zu fließen.
Frage: Wie groß darf der Potenzialunterschied sein, damit er sich nicht aufs Messsignal auswirkt?
Es hängt von der Situation ab. Wird z.B. ein IEPE- oder Ladungssensor mit einem dynamischen Ausgang von 140 dB verwendet, und der Messverstärker im 10 V Messbereich betrieben, ist der erlaubte Potenzialunterschied nur 1 µV!
In unserem Beispiel kann die Masseschleife durch einen isolierten Sensor oder durch einen isolierten Messverstärker unterbrochen werden.
Masseschleife durch Versorgung
Auch nicht-isolierte Versorgungsspannungen können Masseschleifen verursachen, speziell in dem Fall wo mehrere Geräte parallel versorgt werden. Auch wenn die angeschlossenen Geräte Überspannungs- und Verpol-Schutz aufweisen, wie es bei Dewesoft DAQ der Fall ist.
Hier finden Sie unsere voll isolierten, modernen Messdatenerfassungs-Systeme
Sehen wir uns die Situation anhand eines praktischen Beispiels an. Bei einem mobilen Messaufbau im Fahrzeug, werden Messsystem und Sensor von derselben Fahrzeugbatterie versorgt.
Der Sensor hätte in unserem Beispiel eine hohe Stromaufnahme (z.B. Abgasmesssystem), der Hauptstrom fließt also von der Batterie zum Sensor und zurück. Parallel wird auch das Messsystem (DAQ System) von der Batterie versorgt, und analoge Ausgänge des Sensors mitgemessen, und GND entsprechend wieder verdrahtet.
Achtung! Fehlerfall mit unterbrochenem Masse-Kabel
Stellen wir uns nun vor, der Hauptstrompfad wird unterbrochen, z.B. durch ein defektes GND-Kabel oder jemand vergisst, die Masse der Sensorversorgung anzustecken. Der Rückstrom “sucht sich seinen Weg” und fließt nun über die Masse des Messgeräts!
Abhängig von der Situation ist in den meisten Fällen die interne Schaltung nicht für diese hohen Ströme ausgelegt. Das Messgerät kann also beschädigt werden! Abhilfe schafft hier nur eine isolierte Versorgung, wie sie beim isolierten SIRIUS Messmodul bereits standardmäßig integriert ist.
Zusammenfassung
Bei der Auswahl des passenden Messgeräts stehen also zwei Messverstärker zur Wahl:
Isolierte Messverstärker-Eingänge
Isolierte (und somit auch differenzielle) Messeingänge sind zwar etwas teurer, bieten aber eine “sorgenfreie” Lösung für viele Anwendungsfälle, wie oben gezeigt. Vor allem bei häufig wechselnden Messaufbauten, oder bei weniger geschultem Personal können saubere Messsignale und Schutz des Messgeräts gewährleistet werden.
Differenzielle Messverstärker-Eingänge
Diese Verstärkertechnologie ist günstiger in der Herstellung, und unter gewissen Voraussetzungen, wie z.B. bei Verwendung mit gehäuse-isolierten Sensoren oder Dehnungsmessstreifen, Strommesszangen, etc. ebenfalls gut geeignet. Qualitativ hochwertige Messungen sind ebenfalls möglich, wenn die Messingenieure darauf achten, dass das Signal innerhalb des Gleichtaktbereichs bleibt, die Verkabelung korrekt durchgeführt ist, etc.
Das richtige Sensorkabel
Die richtige Wahl des Sensorkabels hat einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Messdaten. In dem kurzen Video wird anhand einer simulierten Störquelle praktisch gezeigt, wie sich die Lage des Leiters im Störfeld auswirkt, und welche Abhilfe verdrillte, geschirmte, etc. Kabel bieten:
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