Spannungsmessung

Im Tutorial „Strommessung“ haben wir ausführlich erklärt, warum Sensoren mit Stromausgang (4 bis 20 mA) einige wesentliche Vorteile gegenüber solchen mit Spannungsausgang haben. In diesem Tutorial geht es um die Spannungsmessung, daher noch einmal das Beispiel, an dem wir Dir das Hauptproblem der Spannungsmessung erklären können:

Spannungsmessung Beispiel

Idealerweise würden bei einer Spannungsmessung keine Ströme fließen. In der Realität haben aber alle Spannungsmessgeräte, also auch Analogeingänge von Steuerungen, einen endlichen Eingangswiderstand. In unserem Beispiel ist dieser Eingangswiderstand R = 10 kΩ (was kein besonders guter Wert für ein Messgerät ist… unsere AIO Spannungseingänge haben 900 kΩ). Wenn Du nun eine zu messende Spannung U an diesen Eingang anlegst, dann fließt ein Strom I = U / R. Dieser Strom ist also kleiner je größer der Eingangswiderstand ist. Und dieser Strom ist ein Problem, denn er verfälscht das Messergebnis. Neben dem Eingangswiderstand gibt es nämlich auch noch die Widerstände der Leitungen und den Innenwiderstand der Spannungsquelle (des Sensors). Diese Widerstände sollten idealerweise eigentlich 0 Ω sein. In der Realität sind es aber Widerstände mit relativ kleinen Werten. In unserem Beispiel haben wir mal je 15 Ω für die langen Leitungen vom Sensor zur Steuerung und 10 Ω Innenwiderstand für den Sensor angenommen. Das sind in der Summe 40 Ω, die alle in Serienschaltung mit dem Eingangswiderstand angeordnet sind.

Der kleine Messstrom fließt daher auch durch all diese „parasitären“ Widerstände und erzeugt dort einen Spannungsabfall von U = R*I. Und dieser Spannungsabfall sorgt für eine zu niedrige Messung der Sensorspannung an der Steuerung. Je kleiner die Leitungs- und Innenwiderstände sind und je kleiner der Messstrom ist, um so kleiner ist dieser Spannungsfall und damit auch der Messfehler. In unserem Beispiel gibt der Sensor eigentlich eine Spannung von 8,52 V aus. Am Analogeingang der Steuerung wird aber eine Spannung von 8,486 V gemessen. Der Messstrom von nur 850 µA erzeugt also einen Spannungsabfall über den parasitären Widerständen von 34 mV. Das sind bereits 0,4% Messfehler.

Die AIO Spannungseingänge sind Differenzeingänge

Da unsere Spannungseingänge einen Eingangswiderstand von ca. 900 kΩ haben, ist das Genauigkeitsproblem der Spannungsmessung durch Leitungswiderstände oder hohe Innenwiderstände von Sensoren mit unserem AIO vernachlässigbar. Allerdings haben Spannungseingänge eine deutlich höhere Empfindlichkeit gegen Störeinstrahlung, als es Stromeingänge haben. Je höher nämlich der Eingangswiderstand eines Messverstärkers und der Innenwiderstand des Sensors sind, um so leichter können elektromagnetische Strahlungen auf die Leitungen einkoppeln. Um dies zu vermeiden werden hoch genaue Eingänge als „differential inputs“ (Differenzeingänge) ausgelegt, so wie bei unserem AIO. An so einem Differenzeingang wird nicht einfach (wie bei einem „single ended input“ ein Potenzial gegenüber der Gerätemasse (GND oder PE bzw. FE) gemessen. Vielmehr werden zwei Potentiale verglichen; ihre Differenz ist das Messergebnis. Der Vorteil einer solchen Messmethode ist, dass elektromagnetische Einstrahlungen meist beide Leitungen vom Sensor um den selben Betrag im Potential verändern. Die Differenz der Potenziale an den beiden Leitungen bleibt also gleich. Um diesen Effekt besonders stark nutzen zu können, solltest Du verdrillte Leitungspaare verwenden. In den folgenden zwei Bildern zeigen wir Dir den Unterschied zwischen einem single ended und einem differential Analogeingang, wenn ein Störimpuls auf die Sensorleitung einwirkt.

 

Galvanische Trennung der Ein- und Ausgänge:

Die 4 Eingänge (sowohl für Strom als auch für Spannung) haben intern zusammen mit den RTD-Eingängen ein gemeinsames Bezugspotenzial für ihre Stromversorgungen. Sie sind also untereinander nicht galvanisch getrennt. Daher dürfen die Potenziale an allen Eingangs-Pins auch nicht zu weit auseinander liegen. Wir erlauben laut Spezifikation nur eine Differenz von maximal 45 V Potenzialdifferenz. Zwischen Ein- und Ausgangsanschlüssen hat unser AIO allerdings eine galvanische Trennung, die eine Spannungsfestigkeit von bis zu 600 V besitzt. Potenzialdifferenzen zwischen Eingangs- und Ausgangs-Pins sind also für das AIO Modul in der Regel kein Problem. Beide Bereiche sind auch von der 24 V Stromversorgung und damit auch von der PiBridge und dem RevPi Core galvanisch getrennt. Auch hier dürfen also erhebliche Potenzialdifferenzen auftreten.

Dynamische Signale

In der Regel spricht man in der Messtechnik von Gleichspannung (DC) auch dann, wenn sich Spannungssignale sehr langsam ändern. Bei Frequenzen unterhalb 10 Hz spielen die typischen Wechselspannungseigenschaften kaum noch eine Rolle. Sensoren messen sehr oft Signale, die sich nur langsam ändern (Temperatur, Abstand, Druck). Daher sind die Ausgangssignale dieser Sensoren oft wie Gleichspannungssignale zu betrachten. Trotzdem verändern sie sich ja und wir wollen ja immer die aktuellen Werte wissen. Zu diesem Zweck „tasten“ wir das Signal ab, das heißt statt einem kontinuierlichen Signal bekommen wir viele diskrete Messpunkte, die in einem zeitlichen Abstand zueinander liegen. Dieser zeitliche Abstand der Datenpunkte ist die „Datenrate“ mit der die Messpunkte im Prozessabbild (PA) landen. Ein neuer Punkt überschreibt immer den vorhergehenden Messwert. Der zeitliche Abstand dieses Vorgangs (die Datenrate) kann von Dir in Pictory zwischen 1 Hz und 125 Hz eingestellt werden. Wenn Du also sehr langsam veränderliche Messwerte hast (zum Beispiel in der Regel die Temperatur), dann reicht sicher 1 Hz. Willst Du aber die Messwerte eines Strömungssensors erfassen und auf Änderungen schnell reagieren, dann sind vielleicht eher 125 Hz angemessen (das entspricht 125 Datenpunkten pro Sekunde, also eine zeitlichen Abstand vom 8 ms). Bitte beachte dabei allerdings, dass die PiBridge meist eine Zykluszeit hat, die über 10 ms liegt. Das heißt, dass zwar das AIO Modul alle 8 ms neue Daten bereithält, aber diese nicht immer alle im Prozessabbild landen, weil dafür die Zykluszeit zu groß ist.

Jetzt wird es leider noch ein wenig komplizierter: In PiCtory haben wir nicht diese PA-Datenrate zur Auswahl gestellt, sondern die „ADC data rate“. Dies ist die Datenrate, mit der wir den ADC Baustein ADS1248 von Texas Instruments betreiben. Da wir zwischen jedem Abfragen des ADC-Bausteins den Eingangskanal zwischen den vier Kanälen umschalten, ist diese Datarate ungefähr 4 bis 5 mal höher. Nur so sind die einzelnen Messpunkte für alle 4 Kanäle sicher innerhalb der PA-Datenrate zu ermitteln. Die ADC data rate kannst Du also zwischen 5 Hz und 640 Hz einstellen. Ohne die oben erwähnte Einschränkung durch die PiBridge Zykluszeit hängen die beiden Datenraten so zusammen:

ADC Datenrate
PA Datenrate
5 1
10 2
20 4
40 8
80 10
160 25
320 50
640 125

Vielleicht fragst Du Dich nun, warum man nicht einfach immer die schnellste Datenrate verwendet. Dann wären die Werte ja immer am aktuellsten. Das hängt damit zusammen, dass wir bei Frequenzen über 10 Herz in den Wechselspannungsbereich kommen. Und dort gelten andere Bedingungen. Wechselspannung erzeugen nämlich immer auch elektromagnetische Wechselfelder. Und diese Funkwellen werden dann von kabeln wie Antennen empfangen und verunstalten Dein Messsignal. Es besteht dann aus dem eigentlichen Signal des Sensors plus einer Störspannung. Da wir hier in Europa mit 50 Hz Wechselstrom „verseucht“ sind, sind diese 50 Hz Signale praktisch auf jedem empfindlichen Messeingang als Störspannung überlagert. Um genau zu messen, muss man das Signal über einen Filter schicken, der alle Signale über 45 Hz stark reduziert (herausfiltert): Ein sogenannter Tiefpassfilter.

Der ADC-Baustein im AIO Modul ist ein sogenannter Delta-Sigma-Wandler. Diese Wandlertypen haben immer einen (oft mehrstufigen) Digitalfilter integriert. Und dessen Filterfrequenz (die Frequenzen bei denen er besonders stark Signale unterdrückt) hängt direkt mit seiner Datenrate zusammen. Der ADs1248 unterdrückt 50 Hz besonders effektiv mit Datenraten bis zu 20 Hz. Darüber wirken sich 50 Hz Störsignale voll auf die Genauigkeit der Messung aus. Die Filterkurven in Abhängigkeit von der Datenrate kannst Du in diesem Datenblatt nachlesen (ab Seite 30).

Für eine genaue Messung solltest Du also die ADC-Datenrate zwischen 5 und 20 Hz einstellen. Die Werte darüber solltest Du nur wählen, wenn Dein Signal sich schnell verändert und weniger Genauigkeit erforderlich ist (oder ein extrem gutes und kurzes Kabel zum Sensor vorhanden ist).

Die AIO Analogausgänge für Spannung

Unsere AIO Spannungsausgänge sind „single ended“, d.h., dass einer der beiden Anschlüsse eine gemeinsame Masse für beide Eingangskanäle darstellt. Allerdings ist diese Masse galvanisch von den Eingangsbereichen und auch von der PiBridge und der RevPi Core Spannungsversorgung getrennt. Die vielen Spannungsbereiche, die neben den Klassikern 0 bis 10 V und -10 bis +10 V in PiCtory angeboten werden, machen das Modul für viele Aktoren tauglich. Für jeden Spannungsbereich gibt es zusätzlich auch noch eine Erweiterung um 10%, damit die Grenzbereiche auch bei ungenauen Aktor-Eingängen oder langen Leitungen immer erreichbar sind.