Drucksensoren

Digital statt analog

8. Januar 2015, 11:28 Uhr | Maurice Bildstein, Stefan Heusel

Geht es in einer Applikation – etwa in Prüfständen für Antriebstechnik – um die Genauigkeit von Messwerten, spielen digitale Sensoren gegenüber analogen Geräten ihre Vorteile aus. Eine Analyse.

Mit einem 'digitalen Sensor' ist ein Messfühler mit integrierter Analog-Digital-Wandlung gemeint, der zur Übermittlung des Messwertes eine digitale Schnittstelle wie zum Beispiel CANopen, Profibus oder USB nutzt und den Messwert als Zahlenwert überträgt. Ein analoger Sensor überträgt sein Signal als analoges Strom- oder Spannungssignal (beispielsweise 4 bis 20 mA oder 0 bis 10 V). Daher ist es ratsam, in Applikationen, in denen hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden – zum Beispiel in Prüfständen für Antriebstechnik oder automobilen Prüfständen –, digitale Sensoren einzusetzen.

Dadurch werden Fehlerquellen vermieden, die neben der Signalkonditionierung im analogen Gerät zusätzlich durch die analoge Signalübertragung entstehen, wie das Beispiel eines typischen analogen Drucksensors verdeutlicht: Über die Verformung einer Membran unter Druckbelastung wird eine Widerstandsänderung der auf die Membran aufgebrachten Widerstandsbrücke bewirkt. Diese Widerstandsänderung wird in ein elektrisches Signal gewandelt, verstärkt und in ein Standardsignal umgesetzt. Auch die Kompensation der sensorspezifischen Fehler (Nullpunkt-Fehler, Spanne-Fehler, Nichtlinearität) findet über analoge Schaltungstechnik wie zum Beispiel Widerstandsnetzwerke statt.

Beim digitalen Sensor hingegen wird das elektrische Signal der Widerstandsbrücke direkt digital gewandelt, die anschließende Kompensation findet mathematisch in einem Mikroprozessor statt. Je nach geforderter Genauigkeit lassen sich nichtlineare Fehler beliebiger Ordnung kompensieren und mit geringem Kostenaufwand Toleranzen bis 0,05 % erreichen. Durch den Mikrocomputer kann zudem eine aktive Temperaturkompensation stattfinden, um alle Temperaturfehler innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs zu eliminieren. Das kompensierte, digitale Signal steht dann im Druckmessumformer als Zahlenwert zur Verfügung und kann über ein beliebiges digitales Protokoll wie USB, CANopen oder Profibus ausgegeben werden. Während der weiteren Übertragung ist das digitale Drucksignal immun gegen Störeinflüsse, die eine Verschlechterung der Genauigkeit bewirken könnten.

Noch deutlicher wird der Vorteil digitaler Sensorik bei Betrachtung der vollständigen analogen Messkette mit ihrem digitalen Pendant, wenn es darum geht, zusätzliche Fehler durch externe Störungen zu lokalisieren: Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Temperaturschwankungen oder EMV beeinflussen das analoge Frontend beider Sensorprinzipien negativ. Aber: Beim digitalen Druckmessumformer wird das Drucksignal nach der AD-Wandlung nicht mehr durch äußere Effekte beeinflusst. Bei der analogen Signalkette hingegen unterliegt selbst die interne Kompensation durch passive Bauteile eventuellen Temperatureinflüssen. Der Ausgangstreiber, der das standardisierte Ausgangssignal generiert, ist ebenfalls von einer Vielzahl externer Einflüsse abhängig – beispielsweise Leitungslänge, Eingangsimpedanz der Signalauswertung, Temperatur oder EMV. Hinzu kommt das Problem des Signalrauschens – selbst im drucklosen Zustand steht das ausgewertete Signal nicht fest auf 4 mA, sondern "zappelt" in einem gewissen Bereich, zum Beispiel 3,985 mA bis 4,007 mA. Dabei handelt es sich maßgeblich um Einflüsse der Umgebung, die das Signalkabel als "Antenne" einfängt.

Zur weiteren Verarbeitung im Prozess muss der analoge Signalwert digitalisiert werden – sei es zur Visualisierung auf einem Display oder als Stellgröße für eine Regelung. Hier kommen zum Beispiel I/O-Kanäle von speicherprogrammierbaren Steuerungen oder externe A/D-Module zum Einsatz. Und auch diese Komponenten unterliegen ihrerseits Umwelteinflüssen, die negative Auswirkungen auf die Genauigkeit der Messwerterfassung haben. So enthalten auch die A/D-Auswertemodule eine Genauigkeitsangabe, mit der sie das analoge Signal bestenfalls bestimmen können. Ergo addiert sich hier zur Ungenauigkeit des Sensors noch eine Genauigkeitsverschlechterung durch das A/D-Modul hinzu. Dieser Fehler durch die A/D-Wandlung wiederum ist ebenfalls temperaturabhängig und vergrößert sich zu den Grenzen des Einsatztemperatur-Bereichs hin noch.

Bei der digitalen Signalübertragung hingegen beeinflusst lediglich die Ungenauigkeit des Sensors die Gesamtgenauigkeit der Messkette. Nach der Sensor-internen A/D-Wandlung steht der Druck als Zahlenwert zur Verfügung, der sich über einen Mikroprozessor auf beliebige digitale Bussignale adaptieren lässt. Diese Adaptierung hat keinerlei Einfluss auf die Genauigkeitsspezifikation. Auch die Übertragung des digitalen Signals unterliegt keinen genauigkeitsverschlechternden Einflüssen. Mit dem Übertragungsprotokoll CANopen beispielsweise sind Kabellängen von 1.000 m möglich, ohne Einfluss auf die Genauigkeit des Drucksignals.

Auch auf der auswertenden Seite kommen keine zusätzlichen Fehler hinzu. Dort befindet sich ein digitaler Bus-Master, der die digitalen Messwerte vom Bus ausliest und an die entsprechende Software/Prozessregelung weitergibt. Dies alles geschieht als digitaler Zahlenwert, unabhängig von Umwelteinflüssen.