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EMV-Probleme schon bei der Installation des Drucktransmitters vermeiden

by STS | Dienstag, 30 Juni, 2020 | EMC

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) besagt, dass ein elektrisches Gerät in einer elektromagnetischen Umgebung störungsfrei arbeiten muss und die Umgebung selbst nicht unzulässig stören darf. Es geht also um die Wirkung von Störsignalen auf elektrische Geräte. EMV-Phänomene können auch negative Auswirkungen auf den Betrieb von Drucktransmittern haben. Kenntnisse dieser Phänomene sind bei der Installation wertvoll, um Störungen bereits im Vorfeld auszuschliessen.

EMV-Phänomene sollten immer beachtet werden, wenn Installationsorte gewählt werden, an denen elektrische Geräte aller Art vorhanden sind, insbesondere solche mit hoher Stromaufnahme. Das sind, um nur einige wenige Beispiele zu nennen, Frequenzumrichter, Spannungswandler, Pumpen und Generatoren.

Allgemein sind EMV-Vorschriften in verschiedenen Normen festgehalten. Diese sind in der Regel auch in den Datenblättern der Hersteller, oftmals unter der Überschrift „Prüfungen“, einzusehen. Anwender können so mit einem Blick ins Datenblatt sicherstellen, ob ein Drucktransmitter den Normen für ihre jeweilige Anwendung entspricht (es gilt dabei beispielsweise die mehrere Teile umfassende Norm EN 61000).

EMV-Phänomene im Zusammenhang mit Drucktransmittern

Idealerweise werden die typischen Probleme bereits bei der Installationsplanung ausgeschlossen. Im Nachhinein sind elektromagnetische Störungen daran zu erkennen, dass sich die Messergebnisse nicht mit den Erwartungen decken (Plausibilitätscheck) oder die Signalübertragung (kurzzeitig) unterbrochen ist.

Nach unserer Erfahrung handelt es sich bei Störungen oftmals um eines der drei EMV-Phänomene kapazitive Kopplung, induktive Kopplung oder galvanische Kopplung, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

Kapazitive Kopplung

Zur kapazitiven Kopplung kommt es, wenn elektrische Leiter mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen und einem gemeinsamen Bezugsleiter räumlich nahe beieinander (Millimeter bis Zentimeter) verlegt werden. Es handelt sich also um ein abstandsabhängiges Phänomen, bei dem zu einer elektrischen Ladungsübertragung kommen kann.

Bei einem analogen Drucktransmitter verfälscht die kapazitive Kopplung die Messergebnisse, wenn im Moment der Störung gemessen wird. Das Messergebnis wird über ein elektrisches Signal ausgegeben. Kommt es zu einer kapazitiven Kopplung, wird dieses Ausgangssignal verfälscht und der Anwender erhält einen falschen Druckwert.

Induktive Kopplung

Werden elektrische Leiter räumlich nah zueinander verlegt, überlagern sich deren Magnetfelder. Die Magnetfeldstärke eines Leiters ändert sich, wenn es zu einer Stromänderung kommt. Ein typisches Beispiel hierfür wäre das Einschalten einer Pumpe. Dabei gilt: je grösser der Strom, desto stärker das Magnetfeld. Die plötzliche Änderung der Magnetfeldstärke äussert sich in einer Störspannung in den benachbarten elektrischen Leitern. Dieses Phänomen kann zusammen mit einer kapazitiven Kopplung auftreten. Die dadurch entstehenden Messfehler gleichen denen, wie sie bei der kapazitiven Kopplung bereits ausgeführt wurden.

Galvanische Kopplung

Wenn mehrere Stromkreise leitend miteinander verbunden sind oder denselben Leiter verwenden, kann es zu einer galvanischen Kopplung kommen. In der Praxis ist dies zu beobachten, wenn sich Geräte mit hoher und niedriger Stromaufnahme dieselbe Stromversorgung teilen. Stromänderungen im Gerät mit hoher Stromaufnahme können einen Spannungsabfall im gemeinsamen Leiter verursachen und werden als Störsignal in den Stromkreis des Gerätes mit geringer Stromaufnahme eingekoppelt. Bei einem analogen Drucktransmitter kann dies zu Messfehlern führen. Bei digitalen Messgeräten ist das Phänomen kaum zu beobachten.

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EMV Störfestigkeit von analogen und digitalen Drucktransmittern

by STS | Dienstag, 30 Juni, 2020 | EMC

Die Anwendung entscheidet: Zwar leben wir heute im Zeitalter der Digitalisierung, das beutetet aber nicht, dass „digital“ immer die beste Lösung ist. Das gilt auch für Druckmessumformer.

Analoge Drucktransmitter sind schon seit über 150 Jahren bekannt und entstanden infolge der industriellen Revolution. Sie haben über eine lange Zeit beinah unverändert überstanden. Durch moderne Produktionsverfahren sind über die Zeit stabilere, genauere und kleinere analoge Drucktransmitter entstanden. Auch das Aufkommen digitaler Druckmesstechnik in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts konnte die analogen Verwandten nicht verdrängen. Das hat auch gute Gründe: Denn digitale Drucktransmitter sind nicht für jede Anwendung geeignet.

Digitale vs. analoge Drucksensoren: Vergleich

Bei einem analogen Drucksensor wird das Signal als analoges Strom- oder Spannungssignal übertragen. Am gebräuchlichsten ist hierbei das 4 mA … 20 mA Einheitssignal, aber auch 0 … 10 V und seltener 0,5 … 4,5 Vrat können vorkommen. Bei piezoresistiven Drucksensoren wird Druck über die Verformung einer Membran gemessen. Die Verformung der Membran führt zu einer Widerstandsänderung auf den dort eindiffundierten, zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschalteten Widerständen. Diese Widerstandsänderung wird als elektrisches Signal umgewandelt. Die Kompensation von Nullpunkt- oder Spannefehler wird ebenfalls über analoge Schaltungstechnik geleistet.

Digitale Drucksensoren nutzen zur Übermittlung der Messwerte digitale Schnittstellen wie RS-485 mit Modbus. Daher können sie auch als Feldbusmessumformer bezeichnet werden. Das elektrische Signal der Widerstandsänderung wird also im Gegensatz zu analogen Drucksensoren direkt digital gewandelt. Die Kompensation typischer Fehler, dies schliesst auch Temperaturfehler ein, findet durch einen Mikroprozessor statt.

Wann sind analoge Drucksensoren angezeigt?

Aus dieser kurzen Gegenüberstellung wird deutlich, dass digitale Druckmessumformer eine Vielzahl von Vorteilen bieten. Diese sind auch praktischer Natur: So muss das Signal eines analogen Drucksensors erst digitalisiert werden. Soll der Messwert also direkt weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Visualisierung auf einem Display, ist ein digitales Signal von Vorteil. Darüber hinaus führt kein Weg um digitale Drucktransmitter herum, wenn der Druck nicht nur lokal sondern auch aus der Ferne (remote) angezeigt werden soll. Des Weiteren sind digitale Messgeräte wichtig, wenn Druck als Stellgrösse in einer automatisierten Prozesssteuerung fungiert.

Sowohl digitale als auch analoge Drucktransmitter können hochpräzise Ergebnisse liefern. Dennoch sind digitale Druckmessumformer hier leicht im Vorteil, besonders in Anwendungen mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen, da sämtliche Kompensationen rein digital erfolgen. Müssen jedoch dynamische Prozesse gemessen werden, sind Analogsensoren besser geeignet.

Dennoch: Trotz dieser scheinbaren Überlegenheit der digitalen Drucksensoren haben ihre analogen Gegenparts nach wie vor ihre Berechtigung. Einerseits ist die Unterscheidung zwischen analog und digital eine Preisfrage. Wer die Vorteile eines digitalen Messinstruments gar nicht benötigt, sollte letztlich auch keinen Aufpreis dafür zahlen. Doch diese wirtschaftliche Überlegung ist nicht der einzige Grund, warum analoge Geräte in manchen Fällen eine bessere Eignung haben als digitale: Das 4 – 20 mA Einheitssignal, das die meisten analogen Druckmessumformer nutzen, zeichnet sich bei korrekter Anbindung des Kabelschirms durch seine Robustheit gegenüber induktiv eingekoppelter Störung aus.

Induktiv eingekoppelte Störung: Was Anwender beachten sollten

Analoge Druckmessumformer sind oft die sichere Wahl, wenn sie in einer Umgebung mit hohen, von Magnetfeldern verursachten Spannungsstörungen eingesetzt werden. Deshalb sind digitale Drucktransmitter allerdings nicht gänzlich auszuschliessen. Die Anwendung entscheidet. Darüber hinaus können bei der Installation des Drucktransmitters Vorkehrungen getroffen werden, die Störungen infolge von induktiver Kopplung verhindern oder ausreichend einschränken können.

Nehmen wir hierfür eine Pumpenanwendung als einfaches Beispiel. Bei der Einschaltung der Pumpe kommt es zu einem hohen Stromfluss, durch den ein entsprechend grosses Magnetfeld entsteht. Wird die Anschlussleitung des Drucktransmitters parallel zur Pumpe verlegt, befindet sie sich im Einflussbereich dieses Magnetfelds. Durch die entstehende Spannung kommt es zu Störungen im Drucktransmitter. Die Störungen sind je nach Drucktransmitter unterschiedlich: Bei analogen Geräten kommt es zu einem „Rauschen“ in den Messwerten. Sie können also verfälscht werden. Bei digitalen Drucktransmittern kann die Signalübertragung komplett zusammenbrechen.

In diesem Beispiel wäre es also ratsam, die Anschlussleitung nicht parallel zur Pumpanwendung zu verlegen. Das ist natürlich nicht immer möglich. In diesem Fall wäre möglicherweise die Anbindung des Kabelschirms an die Erde angezeigt, um die Störsignale in die Erde abzuleiten (mehr zum Thema Erdung lesen Sie hier).